張應(yīng)鵬，許建國(guó)，楊云裳，李春雷

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅蘭州730050)

響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲葉黃素的制備工藝

張應(yīng)鵬，許建國(guó)，楊云裳，李春雷

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅蘭州730050)

以葉黃素酯為原料，在超聲條件下系統(tǒng)地考察了由葉黃素酯制備葉黃素的條件。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用響應(yīng)曲面法對(duì)葉黃素的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，以液固比、超聲皂化溫度以及皂化時(shí)間為因素，分析了各因子與葉黃素得率的關(guān)系。確定最佳皂化反應(yīng)條件是:皂化時(shí)間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下葉黃素得率達(dá)到75.8mg·g-1。

葉黃素，皂化，響應(yīng)曲面法，超聲波

1 材料與方法

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表

1.1 材料與儀器

葉黃素酯浸膏 由發(fā)酵壓制的萬壽菊花棒狀顆粒提取得到，由甘肅省豐蕾天然色素有限公司提供;石油醚、氯仿、四氫呋喃、無水乙醇 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司;TU-1810紫外可見分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;RE-52A真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;FA1004電子分析天平 上海恒平科學(xué)儀器有限公司;真空干燥箱。

1.2 葉黃素的制備

稱取適量葉黃素酯于50mL圓底燒瓶中，加入一定量的KOH-MeOH溶液(皂化液)，在40℃下超聲皂化2h。皂化完畢后處理如下:過濾、5%鹽酸調(diào)pH至7、濃縮至干、真空干燥即得產(chǎn)品，測(cè)定葉黃素含量。

1.3 葉黃素含量測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)中均采用 AOAC法測(cè)定葉黃素的含量［9］，吸收波長(zhǎng)為474nm。

1.4 響應(yīng)曲面分析因素水平的選取

根據(jù)中心復(fù)合設(shè)計(jì)(central composite design，CCD)設(shè)計(jì)原理［10］，對(duì)葉黃素酯制備葉黃素各主要影響因子液固比、超聲皂化溫度以及皂化時(shí)間三個(gè)影響因素，采用三因素三水平的響應(yīng)曲面分析方法。共16個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中14個(gè)為析因點(diǎn)，2個(gè)為零點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了2次，以估計(jì)誤差。

表1 由葉黃素酯制備葉黃素的因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面法優(yōu)化葉黃素的制備工藝

2.1.1 回歸模型的建立 對(duì)皂化反應(yīng)時(shí)間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。利用STATISTICA 6.0軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到葉黃素得率預(yù)測(cè)值(y)對(duì)編碼自變量x1、 x2和x3的二次多項(xiàng)回歸方程:

表2 葉黃素制備實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1.2 回歸模型的檢驗(yàn) 表3為回歸模型的方差分析結(jié)果?；貧w方差分析顯著性檢驗(yàn)表明該模型回歸顯著。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.968，說明該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好。方程中自變量均為顯著影響因素。自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可以用于葉黃素制備的理論預(yù)測(cè)。

表3 回歸模型方差分析表

從表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，模型一次項(xiàng)x1、x2、x3不顯著;二次項(xiàng)均處于顯著水平，不顯著;交互項(xiàng)均不顯著，表明各影響因素對(duì)葉黃素得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.2 響應(yīng)面分析

利用STATISTICA 6.0軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應(yīng)面圖見圖1～圖3。

圖1 皂化時(shí)間和超聲皂化溫度對(duì)葉黃素得率影響的響應(yīng)曲面

圖2 液固比和超聲皂化溫度對(duì)葉黃素得率影響的響應(yīng)曲面

圖3 液固比和皂化時(shí)間對(duì)葉黃素得率影響的響應(yīng)曲面

比較3組圖可知，液固比和超聲皂化溫度對(duì)葉黃素得率之間的交互作用顯著。相比較而言，其他的因素間交互作用較小。超聲皂化溫度和液固比的一次相系數(shù)較大，有著較大的F值和很小的P值，說明二者是葉黃素酯制備葉黃素的限制因素，較小的波動(dòng)會(huì)引起葉黃素得率的變化。

對(duì)皂化反應(yīng)時(shí)間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)作如下變換:Zi=(Xi-X0)/X，式中，Zi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實(shí)值，X0為實(shí)驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值，X為自變量的變化步長(zhǎng)，葉黃素得率為響應(yīng)值(Y)。不同實(shí)驗(yàn)條件下所測(cè)定的葉黃素得率，利用SAS6.0軟件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，并對(duì)回歸分析結(jié)果采用回歸方差分析及顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，該模型回歸顯著，決定系數(shù)R2= 0.968，說明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合較好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可用于實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)測(cè)。

為進(jìn)一步確定最佳點(diǎn)，在模型濃度范圍內(nèi)選擇出發(fā)點(diǎn)，按照模型使用快速上升法進(jìn)行優(yōu)化，可得葉黃素制備的最佳方案為x1=137.9min，x2=48.4℃，x3=14.7mL/g，葉黃素得率可達(dá)75.9mg·g-1。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件進(jìn)行葉黃素的制備，考慮到實(shí)際操作的便利，將提取工藝參數(shù)修正為皂化時(shí)間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下提取3次，實(shí)際測(cè)得的平均葉黃素得率可達(dá)75.8mg·g-1，與理論預(yù)測(cè)值75.9mg·g-1相比，其相對(duì)誤差約為0.13%。因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件STATISTICA 6.0，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過二次回歸設(shè)計(jì)得到了葉黃素得率與皂化反應(yīng)時(shí)間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)關(guān)系的回歸模型，經(jīng)檢驗(yàn)證明該模型是合理可靠的，能夠較好地預(yù)測(cè)葉黃素的超聲提取率。利用模型的響應(yīng)面，對(duì)影響葉黃素得率的關(guān)鍵因素及其相互作用進(jìn)行探討，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為皂化時(shí)間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下葉黃素得率達(dá)到75.8mg·g-1。

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Optimization of the ultrasonically assisted production of lutein by response surface method

ZHANG Ying-peng，XU Jian-guo，YANG Yun-shang，LI Chun-lei
(School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Lutein was achieved using lutein esters by saponification technology were systemically investigated under ultrasonically conditions.Based on the single factor experiments，the affecting factors such as the water/solid ratio (mL/g)，reaction temperature and reaction time were optimized with response surface method(RSM).The impacts of factors on the yield of lutein were analyzed.The results showed that the optimal saponification parameter was the reaction at the water/solid ratio of 15(mL/g)，48℃and 138min.Under the optimum conditions，the yield of lutein can reach 75.8mg·g-1.

lutein;saponification;response surface method;ultrasound

TS201.1

B

1002-0306(2011)03-0250-03

葉黃素，又名“植物黃體素”，是一種廣泛存在于蔬菜、花卉、水果與某些藻類生物中的天然色素，是一種重要的類胡蘿卜素［1］。含葉黃素最豐富的植物是萬壽菊花。早在上世紀(jì)80年代中期，西方醫(yī)學(xué)研究人員就發(fā)現(xiàn)植物所含天然葉黃素是一種性能優(yōu)異的抗氧化劑［2］。將一定量葉黃素添加到食品中，可防止人體因器官衰老而引起的一系列疾病，并具有預(yù)防和延緩老年性黃斑退化引起的視力衰退與失明癥，是目前國(guó)際上功能性食品成分研究中的一個(gè)熱點(diǎn)［3-6］。目前提取天然葉黃素的方法有:有機(jī)溶劑萃取、CO2超臨界萃取、生物技術(shù)萃取、微波萃取［7］等。這些傳統(tǒng)方法提取效率低，主要原因是由于一部分葉黃素存在于植物細(xì)胞壁內(nèi)，提取過程中不易溶出，故得率低，耗時(shí)長(zhǎng)。本研究在傳統(tǒng)溶劑提取的基礎(chǔ)上，采用超聲波處理，利用超聲波的空化作用、熱效應(yīng)、機(jī)械作用加速細(xì)胞壁的破碎［8］，促使細(xì)胞內(nèi)葉黃素的溶出，以提高含量，縮短提取時(shí)間。影響超聲波破壁作用的主要因素有:超聲頻率、超聲強(qiáng)度、超聲輔助提取時(shí)間、溶劑選擇、超聲溫度等。本實(shí)驗(yàn)研究了用響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波輔助葉黃素酯制備葉黃素的工藝，借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件STATISTICA 6.0，采 用 中 心復(fù)合設(shè)計(jì)(central composite design，CCD)對(duì)各主要影響因子液固比、超聲皂化溫度以及皂化時(shí)間之間的單一和交互作用等進(jìn)行了較深入的研究，得出超聲波作用下，葉黃素制備的最佳工藝參數(shù)。

2010-01-08

張應(yīng)鵬(1970-)，博士，副教授，研究方向:生物有機(jī)化學(xué)。

蘭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(0805ZTB007)。