黃傳陽，魏學(xué)鼎，高 盼,2，羅 質(zhì),2，胡傳榮,2，何東平,2

(1.武漢輕工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430023; 2.大宗糧油精深加工教育部重點實驗室，武漢 430023)

芝麻(SesamumindicumL.)是胡麻科(Pedaliaceae)胡麻屬(Sesamum)的草本植物[1-2]，在我國已有約5 000年的種植史[3-4]。自古以來，芝麻就因為具有“補腎益肝，潤澤五臟，提神醒腦，生發(fā)止痛”等功效，被視為上好的營養(yǎng)品[5]。芝麻素占芝麻質(zhì)量的0.5%～1%，是芝麻中一種主要的生理活性物質(zhì)，也是一種天然抗氧化劑[6-9]，因此芝麻素提取工藝的研究對其開發(fā)及利用具有重要意義。

目前，芝麻素的提取工藝主要為有機溶劑提取法、色譜法和重結(jié)晶法，其中有機溶劑提取法是最常用的一種提取方法，但提取率偏低[10]，嚴(yán)重限制了芝麻素的應(yīng)用。根據(jù)相似相溶的原理[11-13]，芝麻素在醇類中具有較好的溶解性，特別是乙醇，但目前采用乙醇作為溶劑提取芝麻素的研究相對較少。超聲波是一種在媒質(zhì)中振動頻率超過20 kHz的機械波，用于生物活性物質(zhì)提取時，可通過機械效應(yīng)、空化效應(yīng)及熱效應(yīng)增大介質(zhì)分子的運動速度與穿透力來提高提取率和縮短生產(chǎn)周期，其獨特的超聲空化效應(yīng)在醫(yī)學(xué)及食品工業(yè)有廣泛的應(yīng)用[14]。

因此，本文以提高芝麻素提取率為目標(biāo)，采用超聲輔助乙醇提取芝麻中的芝麻素。利用單因素試驗考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率、提取溫度和提取時間對芝麻素提取率的影響，采用響應(yīng)面法優(yōu)化芝麻素的提取工藝條件，以期開發(fā)一種提取率高、成本低、易操作、效率高的芝麻素提取方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

黑芝麻，由上海富味鄉(xiāng)油脂食品有限公司提供；芝麻素標(biāo)準(zhǔn)品，上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇、95%乙醇、甲醇、氫氧化鈉等均為分析純，上海國藥集團。

1.1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 1260高效液相色譜儀，Agilent 科技(中國)有限公司；RE-52數(shù)顯恒溫水浴鍋、SHZ-Ⅲ旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、YHG遠(yuǎn)紅外恒溫干燥箱，上海亞榮生化儀器廠；SK3300HP超聲波清洗器，上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 芝麻素的提取

將新鮮的黑芝麻置于100℃干燥箱中干燥10 h，粉碎過0.425 mm(40目)篩得芝麻粉。準(zhǔn)確稱取1.000 g芝麻粉于錐形瓶中，按一定料液比加入提取溶劑，設(shè)定不同的超聲功率，在一定溫度下提取一定時間，共提取2次，合并提取液，離心10 min除雜，加入重蒸水，定容至100 mL容量瓶中，保存待測。

1.2.2 芝麻素含量的測定

1.2.2.1 高效液相色譜(HPLC)條件

Zorbax C18色譜柱(4.6 mm×100 mm，3.5 μm)，柱溫25℃；流動相為甲醇-水(體積比8∶2)，流速0.8 mL/min；進(jìn)樣量10 μL；安捷倫1100可編程紫外檢測器G1314B，檢測波長290 nm；分析時間25 min[15]。

1.2.2.2 芝麻素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取2.30 mg芝麻素標(biāo)準(zhǔn)品，用無水乙醇定容至10.00 mL，分別稀釋成11.50～101.20 μg/mL 6個梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按1.2.2.1條件用HPLC法測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰面積。以芝麻素質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo)，芝麻素峰面積(y)為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程為：y=14.444x+14.107，R2=0.999。

1.2.2.3 芝麻素含量的測定及提取率計算

根據(jù)標(biāo)樣的保留時間定性，提取液中芝麻素的含量用外標(biāo)法計算，按下式計算芝麻素提取率(y)。

y=m/m0×100%

(1)

式中：m為提取液中芝麻素的質(zhì)量；m0為芝麻粉樣品質(zhì)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS軟件和Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，運用Origin軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對芝麻素提取率的影響

在料液比1∶15、提取溫度55.0℃、提取時間2.0 h、超聲功率320 W條件下，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)對芝麻素提取率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對芝麻素提取率的影響

由圖1可知，隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增大，芝麻素提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%時，芝麻素提取率最大，達(dá)到0.445 7%，之后芝麻素提取率略微下降。乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時，芝麻素的提取率為0.444 6%，與最大提取率僅相差0.25%。因此，從節(jié)約資源和商業(yè)經(jīng)濟性的角度考慮，選取體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液作為最佳提取溶劑。

2.1.2 料液比對芝麻素提取率的影響

以體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液為提取溶劑，在提取溫度50.0℃、提取時間2.0 h、超聲功率320 W的條件下，考察料液比對芝麻素提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 料液比對芝麻素提取率的影響

由圖2可知，隨著料液比的增大，芝麻素提取率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。在料液比達(dá)到1∶15時芝麻素提取率最大，為0.445 6%。過大的料液比會加速其他雜質(zhì)的溶解，對后期芝麻素的提純帶來不便。綜合成本的考慮，選擇料液比1∶15進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.1.3 提取溫度對芝麻素提取率的影響

以體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液為提取溶劑，在料液比1∶15、提取時間2.0 h、超聲功率320 W條件下，考察提取溫度對芝麻素提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 提取溫度對芝麻素提取率的影響

由圖3可知，隨著提取溫度的升高，芝麻素提取率逐漸增大，60.0℃時芝麻素提取率達(dá)到0.439 5%。當(dāng)提取溫度超過60.0℃時，芝麻素提取率降低，70.0℃時芝麻素提取率只有0.363 0%。隨著溫度的升高，乙醇逐漸接近沸點，揮發(fā)速度加快，從而降低了芝麻素提取率。因此，選擇60.0℃為最佳提取溫度。

2.1.4 提取時間對芝麻素提取率的影響

以體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液為提取溶劑，在料液比1∶15、提取溫度60.0℃、超聲功率320 W條件下，考察提取時間對芝麻素提取率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 提取時間對芝麻素提取率的影響

由圖4可知，隨著提取時間的延長芝麻素提取率逐漸增大，在2.0 h時達(dá)到最大，為0.443 7%，當(dāng)提取時間超過2.0 h時，芝麻素提取率降低，提取2.5 h時芝麻素提取率只有0.312 0%。由Fick擴散定律[16]可知，在一定時間范圍內(nèi)芝麻素提取率隨著時間的延長而增大，但是超過范圍時間的超聲波和熱處理會使部分芝麻素分解轉(zhuǎn)化，而且在加熱條件下乙醇會逐漸揮發(fā)，從而影響芝麻素提取率。因此,選擇2.0 h為最佳提取時間。

2.1.5 超聲功率對芝麻素提取率的影響

以體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液為提取溶劑，在料液比1∶15、提取溫度60.0℃、提取時間2.0 h條件下，考察超聲功率對芝麻素提取率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲功率對芝麻素提取率的影響

由圖5可知，隨著超聲功率的增大，芝麻素提取率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在超聲功率為320 W時，芝麻素提取率最大，達(dá)到0.447 2%，繼續(xù)增大超聲功率，芝麻素提取率下降。其主要原因是在超聲波的作用下產(chǎn)生了空化效應(yīng)和機械作用，可以有效破碎植物細(xì)胞壁，使其有效成分游離出來，此時提取溶劑可以與游離出的有效成分迅速相溶，因此一定的超聲功率可以促進(jìn)芝麻素的提取效率；但超聲功率過高，超聲波的能量過大，分解了部分芝麻素，從而導(dǎo)致芝麻素提取率下降。因此，選擇320 W為最佳超聲功率。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面模型的建立

在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，固定乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%，采用四因素三水平的響應(yīng)面分析法，以料液比(A)、超聲功率(B)、提取溫度(C)和提取時間(D)4個因素作為自變量，芝麻素提取率(Y)為響應(yīng)值，設(shè)計29個試驗點的響應(yīng)面分析試驗，優(yōu)化芝麻素的超聲輔助提取工藝條件。響應(yīng)面試驗因素水平見表1，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

采用Design Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，得到的回歸方程為：Y=(44.53+0.43A-0.49B+1.13C-1.67D-0.77AB-1.49AC-2.75AD-2.14BC-1.12BD-0.22CD-3.79A2-2.83B2-1.39C2-4.57D2)×10-2。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

在回歸方程中，各因素系數(shù)絕對值反映了對響應(yīng)值的影響程度，各因素系數(shù)的正負(fù)性則反映了影響的方向[17]，試驗回歸方程的二次項系數(shù)為負(fù)值，表明響應(yīng)值具有極大值點，可進(jìn)行優(yōu)化分析[18]。對所得回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，該模型達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，且失擬項不顯著(P>0.05)，說明該方程擬合程度較好，可以進(jìn)行下一步的分析與預(yù)測。一次項中只有提取時間對芝麻素提取率的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；二次項中料液比和提取時間對芝麻素提取率的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，超聲功率對芝麻素提取率的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)；料液比和提取時間的交互作用對芝麻素提取率影響顯著，而其他因素交互作用的影響均不顯著。由F值可以看出，4個因素對芝麻素提取率影響的主次關(guān)系為提取時間>提取溫度>超聲功率>料液比。

表3 響應(yīng)面試驗方差分析

2.2.2 最佳條件的預(yù)測及驗證試驗

通過回歸模型的預(yù)測，可以得到超聲輔助提取芝麻素的最佳工藝條件為料液比1∶15.12、超聲功率306.46 W、提取溫度57.04℃、提取時間2.32 h，在此條件下芝麻素提取率預(yù)測值為0.451 0%。結(jié)合實際情況，將各因素調(diào)整為料液比1∶15、超聲功率300 W、提取溫度57.0℃、提取時間2.3 h，在此條件下進(jìn)行驗證試驗，5次平行試驗的芝麻素提取率分別為0.450 2%、0.448 7%、0.449 5%、0.451 7%、0.447 9%，平均值為0.449 6%，實際值與理論值相比誤差僅為0.3%，證實該模型是有效可靠的。

3 結(jié) 論

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取芝麻素的工藝條件。結(jié)果表明：各因素對芝麻素提取率影響的大小依次為提取時間>提取溫度>超聲功率>料液比；超聲輔助提取芝麻素的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1∶15、提取溫度57.0℃、提取時間2.3 h、超聲功率300 W，在此條件下芝麻素提取率可達(dá)0.449 6%。該方法具有成本低、易操作、效率高等特點，為芝麻素的開發(fā)與利用提供了理論依據(jù)。