響應(yīng)面優(yōu)化超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸工藝

劉振春,錢　月

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

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響應(yīng)面優(yōu)化超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸工藝

劉振春,錢月

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

【目的】 以葵花籽仁為原料，優(yōu)化提取綠原酸的工藝條件?！痉椒ā?以乙醇為提取溶劑，綠原酸提取率為指標(biāo)，采用超聲波微波輔助法提取葵花籽綠原酸，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取液料比、超聲波功率、微波功率為影響綠原酸提取率的主要因素，采用響應(yīng)面試驗(yàn)方法對(duì)綠原酸提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)綠原酸提取率的二次回歸模型進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】 單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，綠原酸的提取率隨著液料比的增加呈現(xiàn)先增大后保持不變的趨勢，而隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、微波功率、微波輻射時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。響應(yīng)面法優(yōu)化的綠原酸最佳提取工藝條件為：液(mL)料(g)比25.47∶1，超聲波功率307.1 W，微波功率539.36 W。經(jīng)過修正得到的最佳工藝條件為：液料比25∶1，超聲波功率300 W，微波功率540 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，微波輻射時(shí)間90 s，此時(shí)綠原酸的提取率最高，可以達(dá)到3.27%?！窘Y(jié)論】 超聲波微波輔助法提取葵花籽綠原酸具有操作簡單、時(shí)間短、提取率高等特點(diǎn)。

葵花籽；綠原酸；超聲波；微波；響應(yīng)面法

向日葵(HelianthusannuusL.)系菊科(Compositae)向日葵屬(Helianthus) 植物，別名葵花、望日蓮、向陽花[1]等。作為一種適應(yīng)能力極強(qiáng)的油料作物，被廣泛栽培于世界各地。向日葵起源于北美洲，目前我國種植面積最大的省區(qū)是內(nèi)蒙古自治區(qū)，我國年總產(chǎn)量居世界第6位[2]。葵花籽中含有1.1%～4.5%的綠原酸，綠原酸在高溫、光照等條件的影響下可以發(fā)生氧化和水解，因此提取過程中要避免氧化現(xiàn)象的發(fā)生。綠原酸是葵花籽中重要的生物活性成分[3]，同時(shí)是國際公認(rèn)的“植物黃金”，具有抑制突變和抗腫瘤[4]、縮短血凝時(shí)間、保護(hù)心腦血管、抗病毒、清除體內(nèi)自由基、治療糖尿病等多種作用[5-9]。此外，綠原酸還被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及化妝品等領(lǐng)域[10-12]。因此，從葵花籽仁中提取綠原酸具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近些年來，陸續(xù)建立了很多從葵花籽中提取綠原酸的方法，包括超聲波提取法、微波提取法﹑乙醇回流法、水浸提取法、酶提取法等[13]。其中超聲波提取法利用了在超聲波空化及粉碎的特殊作用下，細(xì)胞在溶劑中瞬間產(chǎn)生的空化泡崩潰而破裂，使溶劑滲透到細(xì)胞內(nèi)部，從而使細(xì)胞中的成分溶于溶劑之中，由此提高了有效成分的提出率[14]。微波提取法是將熱量直接作用于分子的加熱過程，與普通加熱相比，更能達(dá)到能量充分利用的效果[15-16]。超聲波結(jié)合微波提取作為一種優(yōu)良的提取方法,具有操作簡便快捷、提取時(shí)間短、提取率高、提取物的結(jié)構(gòu)未被破壞等特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于生物活性物質(zhì)的提取[17]。本研究將超聲波和微波提取法有效結(jié)合，利用響應(yīng)面優(yōu)化并以回歸分析確定提取葵花籽綠原酸的最優(yōu)工藝條件，以期為綠原酸的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

葵花籽，市售；綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品，純度≥98%，中國生物制品研究所產(chǎn)品；無水乙醇，分析純。

1.2儀器與設(shè)備

電子天平，上海精天電子儀器有限公司；高速多功能粉碎機(jī)，浙江榮浩工貿(mào)有限公司；變頻微波爐，美的微波爐電器制造公司；TU-1901紫外分光光度計(jì)，北京普希通用儀器有限責(zé)任公司；JY99-2D超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；LXJ-B離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制準(zhǔn)確稱取綠原酸標(biāo)準(zhǔn)樣品10 mg，用無水乙醇定容至100 mL，配制成0.1 mg/mL的綠原酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別準(zhǔn)確量取1，3，5，7，9 mL溶液于10 mL容量瓶中，用無水乙醇定容。用無水乙醇作空白對(duì)照在波長200～600 nm掃描，確定綠原酸的最大吸收波長為328 nm。用紫外分光光度計(jì)，在波長328 nm處測定吸光度，并以吸光度A為縱坐標(biāo)(Y)、綠原酸質(zhì)量濃度(μg/mL)為橫坐標(biāo)(X)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[18]。

1.3.2葵花籽綠原酸的超聲波微波提取將新鮮的葵花籽手工去殼，經(jīng)過高速多功能粉碎機(jī)粉碎，過孔徑0.246 mm(60目)篩后，置于干燥箱中60 ℃干燥至恒質(zhì)量。在CO2流量為40 kg/h、萃取溫度45 ℃、壓力30 MPa、時(shí)間120 min的操作條件下，進(jìn)行超臨界CO2萃取，將脫脂后的葵花籽粉末置于干燥箱中60 ℃干燥并冷卻至恒質(zhì)量。準(zhǔn)確稱取1.00 g脫脂葵花籽粉末溶于體積分?jǐn)?shù)70%的乙醇溶液中，置于錐形瓶中浸泡24 h，然后于超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中提取，再在微波條件下處理120 s后，將提取物取出冷卻。4 000 r/min離心15 min得提取液為綠原酸，在波長328 nm下測其吸光度，然后由回歸方程計(jì)算出待測樣品的綠原酸含量，用下式計(jì)算出綠原酸的提取率：

式中：C為標(biāo)準(zhǔn)曲線綠原酸的質(zhì)量濃度(μg/mL)，n為稀釋倍數(shù)，V為配成溶液的體積(mL)，m為葵花籽樣品的質(zhì)量(g)。

1.3.3單因素試驗(yàn)以綠原酸提取率為指標(biāo)，準(zhǔn)確稱取葵花籽粉末1.000 0 g，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、液(mL)料(g)比(下同)、超聲波功率、微波功率和微波時(shí)間作為影響葵花籽綠原酸超聲波微波提取的單因素，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取其平均值，綠原酸提取的各影響因素的單因素試驗(yàn)條件如下：

(1)乙醇體積分?jǐn)?shù)。固定微波功率500 W，微波處理時(shí)間60 s，液料比25∶1，超聲波功率300 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)為45%，55%，65%，75%和85%，得出不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下的綠原酸提取率，確定最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)。

(2)液料比。固定微波功率500 W，微波處理時(shí)間為60 s，乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，超聲波功率300 W，液料比分別設(shè)為15∶1，20∶1，25∶1，30∶1，35∶1，得出不同液料比下的綠原酸提取率，確定最佳液料比。

(3)超聲波功率。固定微波功率500 W，微波處理時(shí)間60 s，乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，液料比25∶1，超聲功率分別設(shè)為200，250，300，350和400 W，得出不同超聲波功率下的綠原酸提取率，確定最佳超聲波功率。

(4)微波功率。固定微波處理時(shí)間為60 s，乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，料液比25∶1，超聲波功率300 W，微波功率分別設(shè)為200，300，400，500，600 W，得出不同微波功率下的綠原酸提取率，確定最佳微波功率。

(5)微波時(shí)間。固定微波功率500 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%，料液比25∶1，超聲波功率300 W，微波輻射時(shí)間分別設(shè)為30，60，90，120和150 s，得出不同微波時(shí)間下的綠原酸提取率，確定最佳微波輻射時(shí)間。

1.3.4Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理選取液料比、超聲波功率、微波功率3個(gè)變量，采用響應(yīng)面分析法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以提取率為考察值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。試驗(yàn)因素與水平見表1。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用響應(yīng)面分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，選擇對(duì)葵花籽綠原酸提取率影響較大的液料比、超聲波功率、微波功率3個(gè)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excell軟件繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1綠原酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線及回歸方程

在最大吸收波長328 nm下，測定不同質(zhì)量濃度綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品溶液的吸光度，以吸光度為縱軸(Y)、綠原酸質(zhì)量濃度為橫軸(X)繪制綠原酸標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1)。由圖1可知，綠原酸質(zhì)量濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為Y=0.02X+0.173 3，R2=0.993 9。

圖 2乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響

Fig.2Effects of ethanol volume fraction on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

圖 2乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響

Fig.2Effects of ethanol volume fraction on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

2.2超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸的單因素試驗(yàn)

2.2.1乙醇體積分?jǐn)?shù)由圖2可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)在45%～65%時(shí)，綠原酸的提取率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高而有所增加，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%時(shí)提取率達(dá)到最大值；之后隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高，綠原酸的提取率有下降趨勢，可能是因?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)升高會(huì)使蛋白質(zhì)與綠原酸的氫鍵加強(qiáng)，從而導(dǎo)致提取率下降。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，乙醇的最佳體積分?jǐn)?shù)是65%。

2.2.2液料比由圖3可知，隨著液料比的增加，綠原酸的提取率呈現(xiàn)先升高后保持不變的趨勢，在液料比達(dá)到25∶1時(shí)，提取率達(dá)到最大值，液料比繼續(xù)增加，綠原酸提取率不再變化，故從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，最佳液料比選為25∶1。

2.2.3超聲波功率由圖4可知，當(dāng)超聲波功率為300 W時(shí)，綠原酸提取率最大；功率超過300 W后，提取率呈下降趨勢，故最佳超聲波功率為300 W。

圖 3　液(mL)料(g)比對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響Fig.3　Effects of ratio of liquor to material on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds圖 4　超聲波功率對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響

圖 4　超聲波功率對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響Fig.4　Effects of ultrasonic power on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

2.2.4微波功率由圖5可知，綠原酸的提取率隨著微波功率的升高呈先增加后降低的趨勢。在微波功率達(dá)到500 W時(shí)，提取率達(dá)到最大值，之后逐漸降低。這可能是因?yàn)殡S著微波功率的增加會(huì)引起溫度升高，綠原酸受熱易氧化分解，因而導(dǎo)致提取率降低。故最佳微波功率選為500 W。

2.2.5微波輻射時(shí)間由圖6可知，當(dāng)微波輻射時(shí)間在30～90 s時(shí)，綠原酸提取率不斷增加；當(dāng)微波輻射時(shí)間在90～150 s時(shí)，提取率呈現(xiàn)下降趨勢。因此最佳微波輻射時(shí)間為90 s。

圖 5　微波功率對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響Fig.5　Effects of microwave power on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

圖6　　微波時(shí)間對(duì)葵花籽中綠原酸提取率的影響Fig.6　Effects of microwave time on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

2.3超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸的響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2.3.1響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果選擇液料比(X1)、超聲波功率(X2)、微波功率(X3)進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.3.2回歸方程的建立利用Design-expert 8.0對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸得率對(duì)液料比、超聲波功率、微波功率的二次多項(xiàng)回歸方程：

表 2　超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸的響應(yīng)面設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Design and results of response surface analysis on ultrasonic/microwave-assisted extraction of chlorogenic acid from sunflower seeds

表 3　超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸回歸方程的方差分析Table 3　Variance analysis on fitted quadratic regression equations in response surface analysis of ultrasonic/microwave-assisted extraction of chlorogenic acid from sunflower seeds

(1)液料比和超聲波功率的交互作用。在微波功率為500 W時(shí)液料比和超聲波功率的等高線圖及響應(yīng)面見圖7。由圖7可以看出，液料比在20∶1～30∶1、超聲波功率在250～350 W時(shí)，綠原酸提取率呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。由等高線圖可知，液料比與超聲波功率的交互作用不顯著。

圖 7液(mL)料(g)比與超聲波功率交互作用對(duì)葵花籽綠原酸提取率的影響

Fig.7Effect of ratio of liquor to material and ultrasonic power on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

(2)液料比和微波功率的交互作用。在超聲波功率為300 W時(shí)， 液料比和微波功率的等高線圖及響應(yīng)面見圖8。由圖8可以看出，在液料比為20∶1～30∶1時(shí)，綠原酸提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在微波功率為400～500 W時(shí)，提取率明顯增大，在500～600 W時(shí)，提取率變化緩慢，說明液料比對(duì)提取率的影響作用大于微波功率。圖8的等高線表明，液料比與微波功率的交互作用對(duì)提取率有明顯影響。

圖 8　液(mL)料(g)比和微波功率交互作用對(duì)葵花籽綠原酸提取率的影響Fig.8　Effect of ratio of liquor to material and microwave power on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

(3)超聲波功率和微波功率的交互作用。在液料比為25∶1時(shí)，超聲波功率和微波功率的等高線圖及響應(yīng)面見圖9。從圖9等高線可以看出，超聲波功率與微波功率的交互作用對(duì)綠原酸提取率影響顯著。從響應(yīng)面的變化趨勢看，超聲波功率對(duì)綠原酸提取率的影響大于微波功率。

2.3.4最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證通過Design Expert 8.0 對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，得到超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸的最佳工藝條件為：液料比25.47∶1，超聲波功率307.1 W，微波功率539.36 W。在此條件下預(yù)測的綠原酸提取率為3.29%。在上述最優(yōu)條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到綠原酸的提取率為3.27%，與預(yù)測提取率十分接近，表明回歸模型可以較好地反應(yīng)綠原酸提取的最佳條件。

圖 9　超聲波功率和微波功率交互作用對(duì)葵花籽綠原酸提取率的影響Fig.9　Effect of ultrasonic wave power and microwave power on extraction yield of chlorogenic acid from sunflower seeds

3　結(jié)　論

本試驗(yàn)將超聲波微波輔助法應(yīng)用到葵花籽綠原酸的提取中，通過單因素試驗(yàn)確定提取葵花籽綠原酸過程中各因素對(duì)提取率的影響，采用Box-Behnken響應(yīng)面法建立二次回歸模型方程，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)主要因素及其相互作用進(jìn)行分析，經(jīng)過修正得到最佳工藝條件為：液料比25∶1、超聲波功率300 W、微波功率540 W。與其他方法相比，超聲波微波輔助提取葵花籽綠原酸法反應(yīng)時(shí)間短、提取率高、操作簡單，為葵花籽綠原酸的提取提供了理論依據(jù)和一定的借鑒作用。

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Optimization of ultrasonic/microwave-assisted extraction of chlorogenic acid from sunflower seeds by response surface methodology

LIU Zhenchun，QIAN Yue

(CollegeofFoodScienceandTechnology,JilinAgriculturalUniversity,Changchun，Jilin130118,China)

【Objective】 Optimum process conditions for extraction of chlorogenic acid from sunflower seed were determined.【Method】 Using ethanol as extraction solvent and extraction yield of chlorogenic acid as index,ultrasonic/microwave-assisted method was used to extract chlorogenic acid from sunflower seed.On the basis of single factor experiments,ratio of liquor to material,ultrasonic power,and wave power were selected as main factors influencing the extraction yield.Then,response surface was used for process optimization,and the extraction yield of chlorogenic acid was analyzed using quadratic regression model.【Result】 Experimental results of single factors showed that the extraction yield of chlorogenic acid increased firstly and remained subsequently with the increase of ratio of liquor to material,while it increased firstly and dropped subsequently with the increase of ethanol volume fraction,ultrasonic power,wave power and microwave time.Optimum conditions of the extraction of chlorogenic acid using response surface method were:ratio of liquor (mL) to material (g) 25.47∶1,ultrasonic power 307.1 W,and microwave power 539.36 W.The revised best process conditions were:ratio of liquor to material 25∶1,ultrasonic power 300 W,microwave power 540 W,ethanol volume fraction 65%,and microwave time 90s,under which the highest extraction yield of chlorogenic acid was 3.27%. 【Conclusion】 The ultrasonic/microwave-assisted extraction method of chlorogenic acid from sunflower seeds had the advantages of simple operation,short time and high extraction yield.

sunflower seeds;chlorogenic acid;ultrasonic;microwave;response surface methodology

時(shí)間:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.022

2015-04-19

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014011)

劉振春(1963-)，男，吉林德惠人，教授，博士，主要從事食品營養(yǎng)與功能性食品研究。E-mail：liuzhenchun63@163.com

TS201.1

A

1671-9387(2016)10-0157-08

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