葵花籽油微乳液對萬壽菊中葉黃素提取工藝優(yōu)化

吳紅艷，安琪，李秀鑫，郎秀杰，呂美艷

(齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

萬壽菊中含有大量的天然色素，隨著人們對食品營養(yǎng)的關(guān)注度日益提升，人工合成色素被天然色素取代逐漸成為一種趨勢[1]，且萬壽菊具有祛風(fēng)降火、化痰止咳、平肝清熱的功效[2]，其主要酚類包括原兒茶素、綠原酸、沒食子酸和阿魏酸[3]。萬壽菊花具有藥用價(jià)值，且可加工提取色素等，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其葉黃素含量非常高，類胡蘿卜色素的含量非常低，是提取葉黃素的理想材料[4]。萬壽菊富含的天然葉黃素是生物中的天然色素，它能延緩老年人因黃斑退化而引起的視力退化和失明癥與由于身體老化導(dǎo)致的心血管硬化、冠狀動(dòng)脈硬化、腫瘤疾病[5-6]。

微乳液通常是由表面活性劑，表面活性劑、水和油組成的光學(xué)各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)[7]。微乳的粒子直徑在1～100 nm[8]，其粒子較小、比表面積大，具有十分高的界面積/體積比，表面活性劑使微乳粒子形成界面膜，具有較大接觸面積[9]，對脂溶性的有機(jī)物和水溶性的極性物質(zhì)有較好的溶解性能，具有同時(shí)增強(qiáng)對水難溶物和油難溶物的能力[10]。微乳對物質(zhì)的提取，不僅有迅速、效率高的特點(diǎn)，而且能解決和排除乳狀液的不穩(wěn)定、易溶脹、破乳難等缺點(diǎn)[11]。Rao等[12]采用O/W型微乳從胡蘿卜果渣中提取β-胡蘿卜素，提取效率高、毒性小，為微乳液在食品運(yùn)載功能因子的研究奠定了基礎(chǔ)。

Reineccius G[13]將香精、增香劑與乳化劑相結(jié)合來制備微乳液，以提高香精的穩(wěn)定性。微乳液也可以作為提取花椒、大料中風(fēng)味物質(zhì)的載體[14]。田一農(nóng)[15]利用微乳液來抑制茶飲料沉淀效果突出，能較好地保留茶飲料中的風(fēng)味物質(zhì)和營養(yǎng)成分，可以說明微乳液在風(fēng)味物質(zhì)儲(chǔ)藏和釋放過程中發(fā)揮著重要作用。目前工業(yè)上普遍采用有機(jī)溶劑提取萬壽菊中葉黃素[16]，但有機(jī)溶劑存在毒性大、污染嚴(yán)重和價(jià)格昂貴等問題[17]。從微乳中提取，不僅可以提取脂溶性色素，還可以提取水溶性色素，發(fā)揮成分間的協(xié)同作用，提取更完美，提取效率更高[18]，同時(shí)可以克服有機(jī)溶劑提取的危害和能量消耗，降低費(fèi)用，提高葉黃素的生物利用率[19]。

1 材料與方法

1.1 材料

多力葵花籽油：上海佳格食品有限公司；萬壽菊顆粒：廣州立達(dá)爾生物科技股份有限公司；葉黃素標(biāo)準(zhǔn)品：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 試劑

吐溫80、司班80：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；萬壽菊顆粒：廣州立達(dá)爾生物科技股份有限公司；超純水。

1.3 主要儀器與設(shè)備

EMS-8B恒溫磁力攪拌器 天津歐諾儀器有限公司；SHZ-C水浴恒溫振蕩器 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；DL-360E智能超聲波清洗器 上海之信儀器有限公司；海爾微波爐 青島海爾微波爐有限公司；SHD-D循環(huán)水式真空泵 鞏義市英裕予華設(shè)備廠；722S型可見光譜光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.4 方法

1.4.1 葵花籽油微乳液的制備

將司班80和吐溫80按質(zhì)量比為1∶10的比例置于磁力攪拌器(25 ℃)進(jìn)行混合，再將其與葵花籽油按照質(zhì)量比為7∶1均勻混合，然后向其中逐滴加入超純水，從而可得到水包油型葵花籽油微乳液。

1.4.2 萬壽菊顆粒中葉黃素含量的測定

1.4.2.1 微乳液-葉黃素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn)確稱取10.00 mg葉黃素，將其配制成0.10 mg/mL的葉黃素-微乳液標(biāo)準(zhǔn)溶液，對照組為等濃度梯度溶液的葵花籽油微乳液，進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=112.85x+0.1735，R2=0.9985。

1.4.2.2 萬壽菊顆粒中葉黃素的提取

稱取1.00 g萬壽菊顆粒，按照一定比例將其與微乳進(jìn)行均勻混合，利用水浴法提取一定時(shí)間，然后進(jìn)行抽濾處理，隨即進(jìn)行吸光度值的測定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算出萬壽菊中葉黃素的含量并根據(jù)公式計(jì)算出提取率：

式中：E為葉黃素的提取率，%；ρ為葉黃素的含量，mg/mL；V為提取劑的體積，mL；m為萬壽菊顆粒的質(zhì)量，g；n為稀釋倍數(shù)。

1.4.3 提取葉黃素的單因素試驗(yàn)

1.4.3.1 固液比對葉黃素提取的影響

將5份萬壽菊顆粒各1.00 g且不同固液比的樣品置于40 ℃水浴振蕩器中，水浴加熱90 min進(jìn)行抽濾，定容后在447 nm處測吸光度值，計(jì)算葉黃素提取率。

1.4.3.2 溫度對葉黃素提取的影響

將固液比為1∶90(g/mL)的樣品分別在不同溫度下水浴振蕩，隨后將其水浴加熱90 min后進(jìn)行抽濾定容，在447 nm處測吸光度值，計(jì)算葉黃素提取率。

1.4.3.3 時(shí)間對葉黃素提取的影響

將固液比為1∶90的樣品置于40 ℃水浴振蕩器中，分別在不同時(shí)間下加熱后進(jìn)行抽濾定容，在447 nm處測量其吸光度值，計(jì)算葉黃素提取率。

1.4.4 微乳提取葉黃素的響應(yīng)面分析試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)計(jì)算萬壽菊顆粒中葉黃素的提取率，并進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平表Table 1 The factors and levels of response surface test

1.4.5 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，顯著性用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)用Origin 8.0軟件進(jìn)行處理，并繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 固液比對萬壽菊中葉黃素提取率的影響

由圖1可知，當(dāng)固液比為1∶60 (g/mL)時(shí)，葉黃素的提取率最大。微乳液的量越多可使萬壽菊與微乳液的接觸面積越大，反應(yīng)得更加充分，因此越有利于葉黃素的提取。但是當(dāng)溶劑用量過多時(shí)，不但葉黃素的提取率會(huì)減少，而且增加反應(yīng)成本[20]，在固液比為1∶60 (g/mL)后，葉黃素提取率下降，可能是由于固液比增大，非有效成分提取量大[21]，從而導(dǎo)致葉黃素提取率下降，所以本試驗(yàn)通過綜合考慮選擇提取葉黃素的最佳固液比為1∶60 (g/mL)。

圖1 不同固液比萬壽菊中葉黃素提取率Fig.1 The extraction rates of lutein in marigold with different solid-liquid ratios

2.2 溫度對萬壽菊中葉黃素提取率的影響

由圖2可知，在30～40 ℃之間時(shí)，隨著加熱溫度的增加，葉黃素的提取率也增加，說明溫度越高其分子越活躍，葉黃素的溶解越好，體系的溫度會(huì)影響葉黃素微粒在微乳中的運(yùn)動(dòng)特性以及分子的擴(kuò)散速度[22]，但是當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，提取率出現(xiàn)下降，可能是由于溫度越高，葉黃素分子間的結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉黃素不能更好地反應(yīng)，因此提取率開始下降，當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，提取率又開始升高，是因?yàn)槲⑷橐洪_始破乳，溶液變渾濁，影響葉黃素的提取率，同時(shí)過高的溫度也會(huì)對生產(chǎn)過程增加復(fù)雜性和過多的能量消耗[23]。因此，選取提取葉黃素的最佳溫度為40 ℃。

圖2 不同溫度萬壽菊中葉黃素提取率Fig.2 The extraction rates of lutein from marigold at different temperatures

2.3 提取時(shí)間對萬壽菊中葉黃素提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)提取時(shí)間為90 min時(shí)，葉黃素的提取率達(dá)到最大值。提取時(shí)間為30～90 min時(shí)，葉黃素與微乳之間有著相對較大的色素濃度差值。在固液比恒定的條件下，色素要擴(kuò)散到微乳液中所需時(shí)間較短，不能使色素充分地?cái)U(kuò)散到微乳中[24]，因此提取率較低。時(shí)間超過90 min后葉黃素的提取率開始下降，因?yàn)闀r(shí)間過長可能會(huì)破壞葉黃素的穩(wěn)定性。因此，選取90 min為最佳的提取時(shí)間。

圖3 不同提取時(shí)間萬壽菊中葉黃素提取率Fig.3 The extraction rates of lutein in marigold at different time

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1的設(shè)計(jì)方案利用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定微乳提取萬壽菊中葉黃素的最佳工藝條件，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Response surface test design and results

2.4.1 模型建立及分析評價(jià)

將表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，二次多項(xiàng)回歸模型為：

R1=0.086-0.0004375A+0.002088B+0.0008500C-0.002500AB+0.001625AC-0.0006750BC-0.005580A2-0.005230B2-0.006405C2。

回歸模型系數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 The variance analysis of regression model

續(xù) 表

由表3可知，模型大于F值的概率為0.0005，說明測試中采用的模型對響應(yīng)值Y有顯著影響，在該模型中B對響應(yīng)值Y的影響顯著，AB對模型相互作用的響應(yīng)值Y的影響顯著。在模型的二階項(xiàng)中，A2、B2、C2對響應(yīng)值Y的影響非常顯著;模型的失擬項(xiàng)P為0.1337，不顯著，說明此模型與實(shí)際有著良好的擬合性，線性關(guān)系顯著。該方法可用于分析和預(yù)測葵花籽油微乳液從萬壽菊顆粒中提取葉黃素的工藝。

2.4.2 響應(yīng)曲面圖譜分析

為了進(jìn)一步研究相關(guān)因素的交互作用，并確定最優(yōu)點(diǎn)，對回歸模型進(jìn)行響應(yīng)曲面圖譜分析，見圖4～圖6。

由圖4～圖6可知，4個(gè)響應(yīng)因素在相對應(yīng)的試驗(yàn)范圍內(nèi)都有響應(yīng)極值，且3組因素的交互作用結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

圖4 因素A和B交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour map of interaction between factor A and factor B

圖5 因素A和C交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of interaction between factor A and factor C

圖6 因素B和C交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of interaction between factor B and factor C

2.4.3 響應(yīng)面驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)Design-Expert軟件優(yōu)化出的最佳萬壽菊顆粒中葉黃素的提取條件是：溫度39.60 ℃、時(shí)間96.46 min、固液比1∶60.67(g/mL)。在此條件下，葉黃素的提取率理論值為0.86%。通過3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，在最佳提取條件下的實(shí)際提取率為0.0860%，接近預(yù)測的理論值。此模型可以更好地反映出各種因素對葉黃素提取率的影響。

3 結(jié)論

本研究利用葵花籽油微乳提取萬壽菊中的葉黃素。固液比、溫度、時(shí)間3個(gè)因素對葵花籽油微乳提取萬壽菊顆粒中葉黃素均有影響，其主次順序是時(shí)間>固液比>溫度。時(shí)間對萬壽菊顆粒中葉黃素提取率的影響顯著，溫度對萬壽菊顆粒中葉黃素提取率的影響不顯著，該模型與實(shí)際相符，具有顯著的線性關(guān)系。最佳萬壽菊顆粒中葉黃素的提取條件為固液比1∶61(g/mL)、溫度40.00 ℃、時(shí)間96 min，此時(shí)葉黃素的實(shí)際提取率為0.86%。用葵花籽油微乳萃取技術(shù)提取萬壽菊中葉黃素可以避免有機(jī)溶劑污染大、有毒性等缺點(diǎn)，該試驗(yàn)可以為提取葉黃素的研究提供可靠的科學(xué)基礎(chǔ)。使用微乳液對風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行包埋，開發(fā)新的可控釋技術(shù)，對于開發(fā)新產(chǎn)品、延長產(chǎn)品貨架期、改善感官品質(zhì)都有重要意義。