超声－微波协同提取超级黑糯玉米芯色素的工艺研究

盛 玮 高 翔 薛建平 谢笔钧

(淮北师范大学生命科学学院1，淮北 235000)

(华中农业大学食品科技学院2，武汉 430070)

(资源植物生物学安徽省重点实验室3，淮北 235000)

超声－微波协同提取超级黑糯玉米芯色素的工艺研究

盛 玮1，2，3高 翔1，3薛建平1，3谢笔钧2

(淮北师范大学生命科学学院1，淮北 235000)

(华中农业大学食品科技学院2，武汉 430070)

(资源植物生物学安徽省重点实验室3，淮北 235000)

为确定超级黑糯玉米芯色素提取的最佳工艺，以超级黑糯玉米芯为主要原料，在单因素试验基础上采用Box－Behnken中心组合试验设计和响应面(RSM)分析法，建立超声－微波协同提取超级黑糯玉米芯色素的二次回归方程，并以色素提取液吸光度为响应值绘制响应面图和等高线图。考察了提取时间、微波功率及料液比对色素提取率的影响。结果表明:提取时间、微波功率及料液比对色素提取率影响极显著;最佳工艺条件为提取时间176 s，微波功率356 W，料液比1∶27(g/mL)，在此条件下色素提取率达93.61%，产率达16.37%。

超声－微波协同萃取 超级黑糯玉米芯 色素 提取工艺 响应面法

食品色素是使食品着色或改善食品色调和色泽的食品添加剂，它在食品中的含量非常少，但对食品质量及品质的影响非常大。近年来，因天然色素色调与食品天然色调接近、色泽自然柔和、安全性比合成色素可靠，并具有一定的生理活性及保健功能［1－2］等优点而备受推崇。因此，天然食用色素的开发和应用日益受到人们的重视。与此同时，为了充分利用资源、促进农业可持续发展和降低生产成本，许多食品加工副产物被循环利用，成为制备天然食用色素及功能性食品添加剂的重要原料［3－6］。

黑糯玉米属于禾本科玉米属，原产于秘鲁，后引进我国。本研究所用的超级黑糯玉米芯是濉溪县农科所以美国普通黑玉米特殊黑色遗传性状，导入到自育普通黑糯玉米自交系中，天然黑色素的含量显著高于普通黑糯玉米，其穗轴亦为深紫黑色［7］，色素属花色苷类色素［8］。已研究表明超级黑糯玉米芯色素具有较强的抗氧化性，较好的清除活性氧自由基［9］。

超声－微波协同萃取法，因有效地提高了提取率、缩短提取时间、节约成本、操作简单，使其在提取蛋白质、色素、多糖、油脂等方面的应用逐渐广泛［10］。本试验以超级黑糯玉米芯为原料，采用超声－微波协同萃取法提取超级黑糯玉米芯色素，确定最佳工艺，为超级黑糯玉米芯色素生产及开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

超级黑糯玉米芯:安徽省濉溪县农科所提供，干燥、粉碎后过80目备用。

盐酸、95%乙醇:分析纯，中国医药上海化学试剂公司;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器

UV－4802型紫外可见分光光度计:尤尼科上海仪器有限公司;CW－2000超声－微波协同萃取仪:上海新拓微波溶样测试技术有限公司;RE－52AA型旋转蒸发器:上海亚荣生化仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 超级黑糯玉米芯色素提取工艺

超级黑糯玉米芯→干燥→粉碎→取一定量的超级黑糯玉米芯，加一定量的浸提剂，在一定条件下浸提→过滤→减压蒸馏浓缩→干燥→色素

1.3.2 超级黑糯玉米芯色素提取单因素研究

准确称取一定量的超级黑糯玉米芯粉，加一定量的浸提溶剂，在一定的条件下浸提后，将提取液过滤定容后，在其最大吸收波长下测定色素提取液的吸光度。根据吸光度的大小研究浸提溶剂、超声－微波协同提取时间、微波功率、料液比、提取次数等因素对超级黑糯玉米芯色素的提取率的影响。

1.3.3 色素提取率的计算

式中:A为每级提取液的吸光度;V为每级提取液的体积/mL。

2 结果与分析

2.1 浸提溶剂对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

按料液比1∶25(g/mL)分别加入不同的浸提剂，在微波功率300 W下萃取150 s，在515 nm处测定提色素取液吸光值，其结果如表1。由表1可以看出，极性不同浸提剂的提取效果也不同，极性较小的浸提剂对色素提取效果较差，随着浸提剂极性的增大色素提取率也增大，酸性乙醇溶液对色素提取效果较好，其中95%乙醇与0.1 mol/L HCl按1∶1(体积比)混合时超级黑糯玉米芯色素提取效果最好。

表1 浸提溶剂对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

2.2 微波功率对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

称取10.00 g超级黑糯玉米芯粉，按料液比1∶25(g/mL)加入95%乙醇与0.1 mol/L HCl混合浸提剂，在提取时间150 s的条件下，分别在50、150、300、450、600 W功率下萃取，其结果如图1。

图1 微波功率对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

从图1中可以看出，与超声波同时作用时，微波功率增至300 W时，测得的吸光度最大，则说明此种条件下，超级黑糯玉米芯色素在溶液中含量最大，因此采用这种方法提取，将得到较好的效果，而进一步增大微波功率后色素提取率增加减缓甚至引起提取率的下降。而不与超声波同时作用时，微波功率增至450 W时，吸光度才达到最大。因为在超声提取条件下，超声波能产生高频振荡，强化传质，同时对植物的细胞壁有破碎作用，大大降低了传质阻力，另外超声热效应更加快了活性成分的溶解速度，增大了溶解度，因此超声与微波协同更适合色素的提取。

2.3 浸取时间对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

称取10.00 g超级黑糯玉米芯粉，按料液比1∶25(g/mL)加入95%乙醇与0.1 mol/L HCl混合浸提剂，微波功率为300 W情况下，分别研究提取时间为 50、100、150、200、250 s 对色素提取的影响，其结果如图2所示。

图2 浸提时间对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

从图2中可见，色素提取率在150 s内与提取时间呈正相关，而时间的延长可能导致色素降解量的增加，使提取率呈现出下降的趋势。故使用超声微波协同萃取，应控制在较短时间内效果较好，从该单因素试验结果来看，在150 s左右即可。

2.4 料液比对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

称取10.00 g超级黑糯玉米芯粉，微波功率300 W，提取时间150 s的条件下，选取料液比1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 和1∶40(g/mL)为该单因素试验的试验点，得料液比与超级黑糯玉米芯色素提取率的关系(图3)。由图3可知，随料液比增加，色素提取率也上升。但当料液比超过1∶25时，提取率上升变化较小，考虑到成本及后续处理难度，料液比的选择以1∶25左右为宜。

图3 料液比对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

2.5 超声－微波协同提取超级黑糯玉米芯色素的工艺优化

2.5.1 分析因素的选取以及分析方案

在单因素试验的基础上，采用Box－Behnken设计对超声－微波协同提取时间、微波功率和料液比作进一步优化。Box－Behnken是一种寻找多因素系统中最佳条件的数学统计方法。本试验综合单因素试验结果，选取提取时间、微波功率和料液比对超级黑糯玉米芯色素提取影响的3个主要因素，分别以X1、X2和X3代表，每一个自变量的低、中、高试验水平分别以－1、0、1进行编码(表2)，根据相应的试验表进行试验后，对数据进行二次回归拟合，得到包括一次项、二次项、交互项的二次方程，分析各因素的主效应和交互效应，最后在一定水平范围内求取最佳值，试验方案及结果见表3。

表2 响应面分析试验因素与水平

表3 响应面分析方案及试验结果

2.5.2 模型方程的建立与显著性检验

利用Minitab 15统计软件，通过表3中超级黑糯玉米芯色素提取液吸光度试验数据进行多元回归拟合，获得超级黑糯玉米芯色素提取液吸光度对编码自变量提取时间、微波功率和料液比的二次多项回归。

根据试验结果建立的数学模型为:Y=1.616+0.158x1+0.072x2+0.079x3－0.142 x12－0.075x22－0.084x32－0.012 x1x2－0.026 x1x3－0.033x2x3式中:Y为色素提取液吸光度;x1=(X1－150)/50，X1为提取时间/s;x2=(X2－300)/150，X2为微波功能/W;x3=(X3－25)/5，X3为料液比/g/mL。方程中各项系数的绝对值直接反映了各因素对色素提取率的影响程度，系数的正负反映了影响的方向。

表4 方差分析表

表4的方差分析表明，该回归方程极显著(P≤0.01)。R2=99.33%，表明响应值色素提取液吸光度实际值与预测值之间具有较好的拟合度，因此该模型可用于预测响应值色素提取液吸光度的实际情况。为检验方程的有效性，对超级黑糯玉米芯色素提取的数学模型进行显著性检验，结果见表5。由表5可知，一次项 X1、X2、和 X3极显著(P ≤0.01)，说明提取时间、微波功率和料液比对色素提取率有极显著影响。交互项X2X3显著(0.01＜P≤0.05)，说明微波功率和液料比交互项对色素提取率有显著影响;二次项X12、X22和X32也达极显著水平(P≤0.01)。

表5 回归方程系数显著性检验

2.5.3 响应面分析

响应面图形是响应值对应于试验因素X1、X2和X3所构成的三维空间的曲面图及其在二维平面上的等高线图，可以直观地反映各因素及他们之间的交互作用对响应值的影响。将一个因素固定在零水平，利用Minitab 15软件即可以作出两因素交互作用的响应曲面图及其等高线图。从图4看出，提取时间对色素提取率的影响较显著，曲面较陡，微波功率没有提取时间对色素提取率的影响显著，曲面较缓和。由提取时间和微波功率交互作用的等高线可知，沿提取时间轴向等高线密集，而微波功率轴向等高线相对稀疏，说明提取时间对响应值峰值的影响比微波功率大。由图5可看出，料液比对色素提取率的影响较显著，曲面较陡。随微波功率的增加响应值先增大后减小，当微波功率小于356 W时，随着功率增加，色素提取液吸光度值逐渐增加。等高线呈椭圆形，说明微波功率与料液比的交互作用较强，影响显著。图6显示，提取时间对色素提取率的影响显著，曲面较陡，随提取时间的延长色素提取率先增加后减少，这可能是提取溶剂的提取挥发及色素的分解，影响了色素提取率。等高线图表明，沿提取时间轴向等高线变化密集，说明提取时间对响应值的影响比料液比影响显著。

图4 提取时间(X1)和微波功率(X2)对色素提取率影响的响应面图和等高线图

2.5.4 超级黑糯玉米芯色素最佳提取条件的确定和试验验证

在选取的各因素范围内，根据回归模型通过Minitab 15软件分析得出，超级黑糯玉米芯色素最佳提取条件为超声－微波协同提取时间175.56 s、微波功率 356.06 W、料液比 1∶26.57(g/mL)，色素提取液吸光度的预测值为1.682 2。考虑到实际操作的便利，确定超级黑糯玉米芯色素的超声－微波协同波提取工艺条件为超声－微波协同提取时间176 s、微波功率356 W、料液比1∶27(g/mL)。为了证实预测的结果，用试验中得到的最佳提取工艺条件重复试验3次，平均超级黑糯玉米芯色素提取液吸光度值为(1.659±0.02)，与预测值为 1.682基本一致(相对误差1.38%)，说明该方程与实际情况拟合很好，充分验证了所建模型的正确性，说明响应曲面法适用于对超级黑糯玉米芯色素的超声－微波协同提取工艺进行回归分析和参数优化。

2.6 超级黑糯玉米芯色素提取次数的确定

准确称取一定量的超级黑糯玉米芯，每次按料液比1∶27(g/mL)加入浸提剂，微波功率为356 W，超声－微波协同提取时间为176 s，其结果见表6。由表6可知，第1次色素提取率达已达到93.61%，产率达16.37%，第2次色素提取率仅为4.91%，考虑到溶剂成本及浓缩过程能量的消耗，色素浸提次数为1次。

表6 提取次数对超级黑糯玉米芯色素提取率的影响

3 结论

利用试验设计软件Minitab 15，采用响应面法建立了超级黑糯玉米芯色素提取工艺条件的二次多项式数学模型，对各因子对响应值的影响进行了分析。结果表明模型拟合程度高，试验误差小。优化得到的最佳提取工艺为:超声－微波协同提取时间176 s、微波功率356 W、料液比1∶27(g/mL)。在此工艺条件下，对超级黑糯玉米芯提取1次，色素提取率为93.61%，色素得率为16.37%。本研究所提出的超级黑糯玉米芯色素提取的最佳工艺，是在试验室规模研究得出的，要在此基础上，逐步放大，以确定超级黑糯玉米芯色素工业化生产的最佳生产工艺。

［1］许友姣，刘洋，陆利霞，等.新天然色素的研究进展［J］.食品研究与开发，2009，30(1):165 －168

［2］王静，刘昭明，肖凯军，等.天然食用色素的结构与生理活性分析［J］.食品工业科技，2007，28(12):208 －212

［3］Schieber A，Stintzing F G，Carle R.By － products of plant food processing as a source of functional compounds－recent developments［J］.Trends in Food Science ＆ Technology，2001，12:401 －413

［4］Lee J，Wrolstad R E.Extraction of anthocyanins and polyphenolics from blueberry － processing waste［J］.Journal of Food Science，2004，69:564 －573

［5］李永祥，詹少华，蔡永萍，等.板栗壳色素的提取、纯化及稳定性［J］.农业工程学报，2008，24(9):298－302

［6］杨夫臣，吴江，程建徽，等.葡萄果皮花色素的提取及其理化性质［J］.果树学报，2007，24(3):287－292

［7］蔡士兵，卓越，魏平民，等.超级黑糯玉米杂交种黑玫瑰1号的选育及应用［J］.玉米科学，2004，(12):28

［8］张钟，宫坤，陈守江.黑糯玉米芯色素的提取及性质研究［J］.中国粮油学报，2004，19(2):62 －63

［9］盛玮，吴灵玮，谢笔钧.黑糯玉米芯色素的抗氧化活性研究［J］.中国粮油学报，2008，23(6):85 －88

［10］汪河滨，郭志愿，赵小亮.超声－微波协同萃取灰叶胡杨花粉中总黄酮的工艺研究［J］.食品科学，2009，30(2):61－64.

Study on Ultrasonic－Microwave Synergistic Extraction of Pigment from Super Black Glutinous Corncob

Sheng Wei1，2，3Gao Xiang1，3Xue Jianping1，3Xie Bijun2
(College of Life Sciences，Huaibei Normal University1，Huaibei235000)
(College of Food Science and Technology，Huazhong Agriculture University2，Wuhan 430070)
(Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology3，Huaibei235000)

In order to obtain optimum conditions of ultrasonic－microwave synergistic extraction of pigment from super black glutinous corncob，the Box－Behnken experimental design was used to provide experimental data on the basis of single factor investigations，for establishing a regression model describing the extraction of pigment，and the re-sponse surface and contour diagrams with the absorbance of pigment as response were plotted for analyzing the pairwise interactive effects of extraction time，material-to-liquid ratio，and microwave power on the response.The analysis of variances revealed that extraction time，material-to-liquid ratio and microwave power had extremely significant effects on the extraction yield of the pigment.Extraction time of 176 s，microwave power of 356 W and material－ to －liquid ratio of 1∶27(g/mL)were found as the optimum conditions.Under the said optimized conditions，the extraction rate of the pigment was 93.61%and exaction yield of the pigment was 16.37%.

ultrasonic-microwave synergistic extraction，super black glutinous corncob，pigment，extraction technology，response surface methodology

TS201.1

A

1003－0174(2011)09－0038－06

安徽省教育厅自然科学基金项目(KJ2009B065，KJ2011A253)，资源植物生物学安徽省重点实验室开放基金项目(KLRB200912)，淮北市产学研项目(2009020)

2010－11－30

盛玮，男，1963年出生，副教授，农产品加工与贮藏