玉米苞葉多酚提取工藝優(yōu)化

謝 昕

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450046）

玉米是我國三大主糧之一，種植面積大、產(chǎn)量高。玉米苞葉是玉米果穗的外苞葉，每1 hm2玉米可采集苞葉600 kg[1]，玉米苞葉通常被當(dāng)作燃料或直接廢棄[2]。農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用是農(nóng)村環(huán)境治理的重要內(nèi)容，是應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)、促投資、穩(wěn)增長的積極舉措。玉米苞葉入藥始載于《滇南本草圖說》，其性平味甘，有利尿消腫、調(diào)中開胃、益肺寧心、清濕熱等功效，主治急慢性腎炎、水腫、急性膽囊炎、膽道結(jié)石和高血壓等?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)認(rèn)為，玉米苞葉還可以預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、高血脂、降低餐后血糖[3]。試驗(yàn)以乙醇為提取溶劑，利用超聲輔助響應(yīng)面法優(yōu)化玉米苞葉多酚的提取工藝，提高了提取率，降低了提取成本，為玉米苞葉的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

TU-1810型紫外分光光度計(jì)，北京普析公司產(chǎn)品；LD-T300型高速多功能粉碎機(jī)，上海頂帥公司產(chǎn)品；KX-1740QT型超聲波清洗器，北京科璽公司；TDL-5-A型臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭公司產(chǎn)品。

玉米苞葉，來源于河南省中牟國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)；食用酒精，河南浩宇食品添加劑有限公司產(chǎn)品；硫酸鋰，天津市華東試劑廠產(chǎn)品；沒食子酸，天津市瑞金物化學(xué)品有限公司產(chǎn)品；其他試劑均為分析純。

1.2 多酚含量的測定

配制0.1 mg/mL的沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別準(zhǔn)確移取 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 mL 于 10 mL容量瓶中，分別加入6 mL蒸餾水與0.5 mL福林酚試劑，搖勻，3 min后加入1.5 mL 10%碳酸鈉溶液，定容，于75℃水浴中10 min，冷卻，于波長765 nm處測吸光度，繪制曲線，得線性回歸方程。

1.3 玉米苞葉多酚提取方法

玉米苞葉洗凈、晾干、冷凍干燥、粉碎，準(zhǔn)確稱取粉未1 g，加一定量乙醇溶液；在一定溫度下，以某一功率超聲提取一定時(shí)間，以轉(zhuǎn)速2 000 r/min離心5 min，取上清液5 mL置于10 mL容量瓶中，余下按1.2項(xiàng)下操作顯色，測吸光度。玉米苞葉多酚得率計(jì)算公式如下：

式中：c——玉米苞葉多酚質(zhì)量濃度，μg/mL；

V——提取劑體積，mL；

m——樣品質(zhì)量，g。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 單因素試驗(yàn)

（1） 粒度大小。選擇玉米苞葉粉為40，60，80，100，120目分別提取多酚。乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶20（g∶mL），提取溫度60℃，提取時(shí)間1 h，超聲功率70 Hz等條件不變。

（2）乙醇體積分?jǐn)?shù)。選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%，50%，60%，70%，80%分別提取多酚。粒度100目，料液比1∶20（g∶mL），提取溫度60℃，提取時(shí)間1 h，超聲功率70 Hz等條件不變。

（3） 料液比。選擇料液比為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30分別提取多酚。粒度100目，乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，提取溫度60℃，提取時(shí)間1 h，超聲功率70 Hz等條件不變。

（4） 提取溫度。選擇提取溫度為30，35，40，45，50，55，60，65℃分別提取多酚。粒度100目，乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶20，提取時(shí)間1 h，超聲功率80 Hz等條件不變。

（5） 提取時(shí)間。選擇提取時(shí)間為20，25，30，35，40，45，50，55，60 min分別提取多酚。粒度100目，乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶20，提取溫度55℃，超聲功率70 Hz等條件不變。

（6） 超聲功率。選擇超聲功率60，70，80，90，100，120 Hz分別提取多酚。粒度100目，乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶20，提取溫度55℃，提取時(shí)間45 min等條件不變。1.4.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)結(jié)果，考查乙醇體積分?jǐn)?shù)（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C） 和超聲功率（D） 對(duì)玉米苞葉多酚得率（Y）的影響，利用響應(yīng)面法優(yōu)化各關(guān)鍵因素。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以多酚得率為指標(biāo)，運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，建立預(yù)測模型并獲得最佳工藝參數(shù)。

因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 粒度大小的影響

玉米苞葉粉粒度在100目時(shí)多酚得率最高，為3.38±0.20 mg/g。玉米苞葉密度較小，體積較大，提取離心后上清液體積較?。磺耶?dāng)增加料液比至1∶30時(shí)，多酚得率為2.91±0.21 mg/g。因此，確定粒度大小為100目。

2.1.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)60%時(shí)，得率最高，為3.61±0.16 mg/g。多酚具有一定的脂溶性，乙醇水溶液的極性與玉米苞葉多酚的極性相近，便于多酚溶出；乙醇水溶液極性較大，雜質(zhì)的溶出量增加，主要使樹脂、揮發(fā)油等溶出；使用中等濃度乙醇水溶液可抑制鞣酸、蛋白質(zhì)、黏液等高分子雜質(zhì)的溶出[4]。因此，確定乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%。

2.1.3 料液比的影響

料液比為1∶25時(shí)，多酚得率最高，為3.52±0.17 mg/g。多酚得率隨料液比增加而增加，但超過1∶20之后多酚得率增加輻度較小，且溶劑用量增加，增大提取成本。因此，確定料液比為1∶20。

2.1.4 提取溫度的影響

提取溫度在50～70℃多酚得率變化不大，溫度過高多酚得率反而下降。提高溫度有利于溶質(zhì)的擴(kuò)散和溶劑的滲透，確定55℃為提取溫度。

2.1.5 提取時(shí)間的影響

提取時(shí)間在45 min左右達(dá)到最大，之后又有下降的趨勢。超聲可以加快到達(dá)提取傳質(zhì)平衡的時(shí)間[4]，比單純用乙醇提取需要2 h[5]，大大縮短了提取時(shí)間。因此，確定提取時(shí)間為45 min。

2.1.6 超聲功率的影響

超聲功率在60 Hz時(shí)多酚得率最大。超聲波的空化作用提高目標(biāo)物從固相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)速率，但功率過高會(huì)在超聲儀器鋼板表面附近產(chǎn)生大量氣泡，增加聲傳播損失，反而削弱提取效率[6]；功率過大，還可造成不穩(wěn)定多酚分子的分解，多酚得率降低。確定超聲功率為60 Hz。

單因素對(duì)多酚得率的影響見圖1。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

圖1 單因素對(duì)多酚得率的影響

2.2.1 回歸模型及方差分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以乙醇體積分?jǐn)?shù)（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C）和超聲功率（D）為自變量，按四因素三水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以玉米苞葉多酚得率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析。

試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert 8.0.6對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到玉米苞葉多酚得率（Y）與乙醇體積分?jǐn)?shù)（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C） 和超聲功率（D）的二次多項(xiàng)回歸模型為

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3方差分析結(jié)果顯示，該回歸模型達(dá)到極顯著水平（回歸模型p＜0.000 1），實(shí)測值與預(yù)測值具有高度相關(guān)性（R2=0.930 2），方程可靠性高；失擬項(xiàng)差異不顯著（F=1.37，p＞0.05），殘差主要由隨機(jī)誤差產(chǎn)生，實(shí)測值與預(yù)測值具有較好擬合度，該模型對(duì)于玉米苞葉總多酚提取工藝能進(jìn)行很好的分析和預(yù)測；4個(gè)影響因素的主次順序?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)＞超聲功率＞提取溫度＞提取時(shí)間（F值：A＞D＞B＞C；p值：C＜B＜D＜A）。響應(yīng)值與試驗(yàn)因素之間是非線性關(guān)系 （A，D，AB，A2，B2，C2，D2項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極顯著，p＜0.01；C，AC，AD，CD項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，p＞0.05）。因此，可使用該模型對(duì)玉米苞葉多酚的提取工藝進(jìn)行分析和預(yù)測。

表3 方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析 響應(yīng)面及等高線圖見圖2。

圖2 響應(yīng)面及等高線圖

從圖2中可看出，A，B，C，D 4個(gè)因素兩兩交互作用對(duì)玉米苞葉多酚得率的影響。乙醇體積分?jǐn)?shù)的曲線較陡，對(duì)多酚得率的影響最顯著；超聲功率的曲線較陡，對(duì)多酚得率的影響較為顯著；提取溫度和提取時(shí)間的曲線較為平緩，響應(yīng)值變化較小，對(duì)多酚得率的影響比較不顯著。根據(jù)圖2和方差分析結(jié)果，因素的影響順序?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)＞超聲功率＞提取溫度＞提取時(shí)間。

2.2.3 最佳條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)回歸模型，利用軟件Design Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，得出超聲輔助玉米苞葉多酚提取最佳條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，提取溫度58.78℃，提取時(shí)間44.29 min，超聲功率55.19 Hz，在此條件下預(yù)測多酚得率最大為3.711 mg/g。根據(jù)試驗(yàn)條件，對(duì)各因素進(jìn)行修正為乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，提取溫度58℃，提取時(shí)間44 min，超聲功率55 Hz。在此條件下進(jìn)行6次驗(yàn)證試驗(yàn)，多酚得率平均值為3.719 mg/g，RSD為0.030%，與預(yù)測值相對(duì)誤差為0.216%，試驗(yàn)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。超聲輔助對(duì)提高玉米苞葉多酚得率具有應(yīng)用價(jià)值，為玉米苞葉的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

3 結(jié)論

影響多酚提取的因素較多，如乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)、粒度大小、料液比。單因素試驗(yàn)表明，增加提取次數(shù)為2，3次，提取率有增加但增幅不大，并且在確定最佳提取工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行提取次數(shù)的影響試驗(yàn)，二次提取多酚利率平均值為3.724 mg/g，較一次提取增加了0.1%，再考慮到提取時(shí)間和提取成本，確定提取次數(shù)為1次[7]。

玉米苞葉密度較小，體積較大，提取離心后上清液體積較少；且當(dāng)增加料液比至1∶30時(shí)多酚得率為2.91±0.21 mg/g，確定提取時(shí)粒度大小為100目。

試驗(yàn)采用超聲輔助乙醇提取多酚，提取設(shè)備簡單，提取成本較低，提取效率較高，適用于玉米苞葉多酚的提取，且在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加原料量進(jìn)行小試（玉米苞葉粉500 g）和中試（玉米苞葉粉5 000 g），按照最佳提取工藝進(jìn)行多酚提取，多酚得率平均值為1.845 g/500 g和18.612 g/5 000 g，達(dá)到預(yù)期效果。

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