响应面优化微波辅助提取玉米叶黄素工艺

李育楠，曹龙奎*，李庆波，黄泽华

（黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319）

食品安全问题日益突出，天然色素取代合成色素成为消费者所要求的必然趋势。玉米黄粉又名玉米蛋白粉，具有特殊的味道和色泽，无毒无害，是玉米湿法提取淀粉时在脱除玉米胚芽及玉米皮渣后的主要副产物，对淀粉乳中分离蛋白质的浸泡黄浆水进行干燥后处理得到的[1]。玉米黄粉中类胡萝卜素的含量约为100mg/kg～300mg/kg，如果不进行充分提取应用，那么不仅浪费了优质的天然色素资源，而且污染环境，因此对玉米叶黄素的提取很有必要。

叶黄素为脂溶性类胡萝卜素的一种，具有较高的抗氧化作用[2-3]。视网膜中的叶黄素在保护视力[4-5]的同时可以过滤对视力有害的蓝光[6]叶黄素可以降低老年性白斑病变、降低患心脑血管疾病几率[7-11]等功能作用，另外，研究发现叶黄素对多种癌症（如乳腺癌、前列腺癌等）有良好的抑制作用[12]。如果可以作为一种较好的抗氧化剂使用，其抗氧化作用在人体得到充分利用，不但可以保持人体抗氧化剂平衡维持细胞正常功能，而且可以提高人体的免疫能力。因此作为天然色素的玉米叶黄素就为从外界膳食中补充抗氧化剂提供了较好的选择[13]。

叶黄素不溶于水而溶于有机溶剂的特性决定了叶黄素的提取主要通过有机溶剂浸提的方法得到，在提取过程中通过微波辅助可以消除热梯度，具有速度快、能耗低、提取质量高等优点，与此同时添加表面活性剂可以增加被溶物在溶剂中的溶解作用，同时使其化学势降低，促进被提取物的渗出，同时提高被提取物稳定性及提取率[14-15]。目前相关报道很少，本实验以提高叶黄素的提取率为目的，研究了微波-表面活性剂协同提取玉米黄粉中叶黄素的工艺优化。

(2)保持现有每月5.8万吨原煤生产能力，风选系统运行后，每月可增收67万元。一年即可收回项目投入，还可实现当年盈利。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米黄粉：黑龙江昊天玉米开发有限公司；乙醇（分析纯）、丙酮（分析纯）、甲基叔丁基醚（色谱纯）、甲醇（色谱纯）：天津大茂化学试剂厂；十六烷基三甲基氯化铵（1631）、Tween-20、Tween-80、十二烷基硫酸钠（化学纯）：天津科密欧化学试剂开发中心。

1.2 仪器与设备

TG20 台式离心机：长沙英泰有限公司；DZG-6050 型真空干燥箱：上海森信实验仪器有限公司；RE-5298 旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；V-500 真空泵：瑞士BÜCHI有限公司；JD100-38 电子天平：沈阳龙腾电子有限公司；Agilent 1200 高效液相色谱：杭州天钊科技有限公司；TGL-16B 高速台式离心机：上海安亭科学仪器厂；Galanz P70D20TP-C6（W0）微波炉：佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司；T6 新世纪紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米叶黄素的提取工艺

精确称量5g 过80 目筛的玉米黄粉，加入一定质量分数的表面活性剂及相当体积的95%vol 乙醇作为提取溶剂，在一定的微波档位进行微波提取相应的时间。过滤提取液，收集滤液，对滤渣进行反复过滤2 次，合并滤液，称量滤液体积后，减压蒸馏浓缩，于35℃条件下真空干燥得玉米叶黄素粗品进行称质量，-20℃保存待测。

1.3.2 提取液中叶黄素类总含量的测定

海航就是很能够发人深省的案例。海航在前两年国内外的并购市场中，可谓是风头无二，然而自从海航创始人之一的王健在法国意外死亡以后，海航便陷入暗淡。在最近面对媒体的采访中，海航董事长陈峰表示，海航集团的业务板块将调整为“两主+两辅”，做精航空主业。截至目前，围绕这一目标，海航已累计完成3000亿元资产规模的出售，未来还将有第二批、第三批资产出售。陈锋坚定地表示，非主业资产盈利能力再强也不要。

流动相：乙醇/甲醇/乙腈=5∶5∶90；色谱柱C18柱（250mm×4.6mm，5μm）；检测波长450nm；流速1.0mL/min；进样量1μL；柱温30℃。

（2）HPLC 色谱分析条件

由于叶黄素的成色基团使得其在可见区有吸收，所以将叶黄素粗品溶解在丙酮溶剂中，在波长300nm～600nm 范围内进行扫描，确定最大吸收波长。

烟气脱硫技术主要利用脱硫剂的吸附作用或与SO2发生反应生成稳定含硫产物，钢渣中CaO组成含量较高，可与SO2发生反应，因此可以作为脱硫剂利用。研究[19,20]表明湿态钢渣的脱硫能力显著高于干态钢渣，钢渣浆液与石灰石粉末的脱硫大致相同。包钢建以钢渣为脱硫剂湿法脱硫，脱硫效率能够达到97%以上[21]。

（3）玉米叶黄素提取率的计算

分别将叶黄素粗品用5mL 乙酸乙酯进行溶解，取样1.5mL，经0.45μm 微孔膜过滤后进行HPLC 分析，测定叶黄素的含量，并计算叶黄素的提取率。已知体积的滤液旋转蒸发（45℃）除去溶剂，对得到的粗产品进行称质量，玉米叶黄素提取率计算公式：

1.3.3 试验设计

以95%vol 乙醇为提取液，在微波-表面活性剂辅助条件下提取玉米叶黄素，分析所有影响条件选择5 个主要影响因素表面活性剂类型、表面活性剂用量、95%vol 乙醇的用量、微波时间、微波功率进行单因素试验。固定其他条件不变，对4 种表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（hexadecyl trimethyl ammonium chloride，HTAC）1631，Tween-20，Tween-80，十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）在以未添加表面活性剂为对照的情况下，考察表面活性剂类型对玉米叶黄素提取率的影响。在此基础上，固定其他条件不变，分别考察表面活性剂质量分数（0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%）、微波提取时间（4min、5min、6min）、不同料液比（9∶1、11∶1、13∶1、15∶1、17∶1）、微波功率（高火档位、中高火档位、中火档位）对玉米黄粉中叶黄素提取率的影响。在单因素试验基础上，针对已选用的表面活性剂，对4 个主要影响因素进行显著性分析选择较显著的3 个因素进行响应面优化，以叶黄素提取率为响应值，优化微波辅助提取玉米叶黄素的提取工艺参数。

2 结果与分析

2.1 叶黄素的特征吸收光谱

图1 叶黄素在丙酮溶剂中的紫外-可见吸收光谱Fig.1 Ultraviolet-visible absorption spectrum of lutein in acetone

由图1 可知，玉米叶黄素在波长447nm 处有最大吸收峰，因此，样品在波长447nm 处测定其叶黄素含量。

（1）叶黄素的特征吸收光谱

产品成本优势是企业提高市场竞争力的重要途径。在业财融合中，业务部门通过各种方式降低产品的物理成本，并为财务部门提供各产品的生产程序，让财务部门挑选最合适的成本核算方法，从而使本企业的成本核算最精准最科学，从而本企业的产品在同行业中具有较大的成本竞争优势，最终赢得市场。

2.2 不同条件对叶黄素提取率的影响

2.2.1 表面活性剂对玉米叶黄素提取率的影响

图2 表面活性剂类型对叶黄素提取率的影响Fig.2 Effect of surfactant type on extraction ratio of lutein

2.2.2 提取时间对玉米叶黄素提取率的影响

图3 SDS质量分数对叶黄素提取率的影响Fig.3 Effect of SDS mass fraction on extraction ratio of lutein

在液料比13∶1、微波时间5min、微波功率中高火实验条件下，表面活性剂SDS 质量分数对叶黄素提取率的影响见图3。由图3 可知，当SDS 浓度为1.1%左右时玉米叶黄素的提取率接近最大值。因此，选择SDS 的质量分数为1.1%作为进一步优化范围。叶黄素的提取率随着SDS 质量分数的增加呈现增加的趋势，但是明显看到增加的趋势减小，逐渐趋于平缓，随着SDS 质量分数的进一步增加，提取率有可能降低。随着SDS 质量分数的增加表面活性剂对蛋白质的作用逐渐增加，但是随着SDS 质量分数的进一步增加，这种作用对叶黄素提取率的影响减小。

在表面活性剂添加量为0.5%、液料比13∶1、微波时间5min、微波功率中高火实验条件下，表面活性剂种类对叶黄素提取率的影响见图2。玉米黄粉中部分叶黄素包覆在蛋白质内存在，溶剂提取时不能将叶黄素充分溶解。由图2 可知，表面活性剂有利于叶黄素的溶解，叶黄素的提取率在添加表面活性剂后均有所提高。与未添加表面活性剂的对照组比较，表面活性剂加入后叶黄素的提取率有明显提高，其中提高最明显的为SDS，提高了137%。SDS 为非离子型表面活性剂，其疏水模式可以改变蛋白质的三级结构，同时避免了与蛋白质的电荷作用模式，从而有利于包覆在蛋白质结构中的叶黄素的溶出。由此可知，在相同条件下，所采用的表面活性剂中，以十二烷基硫酸钠提取效果最好，故选择作为该工艺研究中使用的增溶剂。

图4 提取时间对叶黄素提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction ratio of lutein

在SDS 添加量为1.1%、液料比13∶1、微波功率中高火实验条件下，提取时间（1min、3min、5min、7min、9min）对叶黄素提取率的影响见图4。由图4 可知，随着提取时间的增加，得率呈先增大后减小的趋势。微波吸收系数对弥散相的物质浓度具有依赖关系，微波破裂细胞壁时，微波在溶剂内产生的空化气泡在溃灭时伴随发生的冲击波或射流作用可使细胞壁破裂。但由于微波对十二烷基硫酸钠稳定性有一定影响，进而影响十二烷基硫酸钠形成胶束增溶效果。随着微波时间的延长，叶黄素提取率变化不显著。综合考虑，选择提取时间5min 为进一步优化范围。

2.2.3 微波功率对玉米叶黄素提取率的影响

竹编工艺流程的首要步骤是对竹子进行严格的筛选。不同的地域和气候，会孕育出不同类型的竹子，不同种类的竹材有不同的特点。在选料中应注意3个方面：首先，选择生长在背面阴山的竹子，一般竹龄以3年生为好，1年生的竹子材质太嫩，4年生以上的竹子质地变脆易断；其次，竹秆通直，节间长，头尾粗细相差不大；最后，采伐应避开春分至芒种这段时间，此期竹子含糖分较多，容易生虫[1]。

在SDS 添加量为1.1%、液料比13∶1、提取时间5min的条件下，微波功率对叶黄素提取率的影响见图5。由图5可知，随着微波功率的增大，叶黄素提取率呈现先增大后减小的趋势。当微波功率为中高火档位时达到最大值。随着微波功率的增加，提取温度的进一步升高，对叶黄素的稳定性产生不良影响，使得叶黄素的得率降低。因此为进一步明确微波功率对黄酮提取的影响，选取中高火档位进行微波提取的优化设计。

图5 微波功率对叶黄素提取率的影响Fig.5 Effect of microwave power on extraction ratio of lutein

2.2.4 液料比对玉米叶黄素提取率的影响

图6 液料比对叶黄素提取率的影响Fig.6 Effect of liquid to solid ratio on extraction ratio of lutein

在SDS 添加量为1.1%、提取时间5min、微波功率中高火实验条件下，液料比对叶黄素提取率的影响见图6。由图6 可知，随液料比的增大，提取率增加速度逐渐降低。选择料液比9∶1、11∶1、13∶1、15∶1、17∶1 对叶黄素提取率的影响进行考察。液料比的增加有利用表面活性剂分子与蛋白质分子间的空间排斥作用，随着液料比的进一步增加，空间排斥作用对叶黄素提取率的影响降低，叶黄素提取率增加缓慢，本着节约原则综合考虑选择13∶1的液料比适宜。

2.3 响应面试验

为优化表面活性剂微波辅助提取叶黄素的工艺条件，根据Box-Behnken 试验设计原理，在单因素试验基础上，准确称取5g 玉米黄粉样品于具塞锥形瓶中，选取表面活性剂质量分数A，微波时间B，料液比C 这3 个对叶黄素提取率影响较大的因素对提取工艺进行响应面分析，各因素响应面分析水平见表1，具体试验方案及结果见表2。

表1 叶黄素提取响应面分析因素与水平Table 1 Factors and levels of RSM for lutein extraction

表2 叶黄素提取响应面分析结果Table 2 Results of RSM for lutein extraction

2.3.1 拟合模型的建立及显著性检验

利用Design-Expert 软件对表中实验数据进行二次多项式逐步回归拟合，得到数学模型：

叶黄素提取率=8.49+0.29A+0.067B+0.12C-0.15AB+0.15AC+0.050BC-0.37A2-0.077B2-0.094C2，进一步对回归方程进行分析，其系数显著性分析结果见表3。

表3 回归模型方程的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model equation

从方差分析结果（表3）可以看出，此模型p＜0.01，说明试验所选用的响应面回归模型具有高度显著性。失拟项p=0.1170＞0.05，表明该模型失拟不显著，因此该二次方程能够较好地拟合真实的响应面。影响叶黄素提取率的因素主次顺序为A＞C＞B，其中A 和C 影响极显著。交互项的AB 和AC 的p＜0.05，影响显著，说明这3 个因素之间有少量的交互作用。相关系数R2=0.9626，表明响应值的变化有96%来源于所选因素，说明该模型能很好地描述试验结果，因而该模型拟合程度较好，试验误差小，可用此模型对表面活性剂辅助微波提取玉米叶黄素进行分析预测。

各影响因素两两交互作用对叶黄素提取率影响的响应面及等高线图见图7～图9。

2.3.2 响应曲面的分析

8月5日，国际母婴用品专家贝亲在北京BVLGARI酒店举行“My precious臻宝之旅钢琴演奏会暨贝亲&京东母婴奶爸盛典”启动仪式。这场视听盛宴吸引了300组热情前来体验的准妈妈和准爸爸家庭。

图7 表面活性剂质量分数和液料比对玉米叶黄素提取率影响的响应曲面及等高线Fig.7 Response surface and contour plot of interaction of surfactant mass ratio and liquid to solid ratio on the rate of lutein extraction

图8 表面活性剂质量分数和微波提取时间对玉米叶黄素提取率影响的响应曲面及等高线Fig.8 Response surface and contour plot of interaction of surfactant mass ratio and microwave extraction time on the rate of lutein extraction

通过模型方程所作的响应曲面分析，可直观地描述各因素对叶黄素提取率的影响和各因素间的交互作用，从图7～图9 可以看出，响应曲面均是开口向下的凸面，等高线近似为圆形，其中心位于所考察区域内，说明在考察的区域范围内存在响应值的极大值，同时响应面为高度卷曲的曲面，说明简单的一次线性方程难以解析。通过Design Expert 软件分析，表面活性剂辅助微波提取叶黄素的最佳条件：表面活性剂质量分数1.15%，液料比13.83∶1，微波提取时间5.98min。为检验RSM 的可靠性，采用上述最优提取条件进行玉米叶黄素的提取试验，统统是考虑到实际操作情况，将玉米叶黄素最佳提取条件修正为表面活性剂1.15%，液料比14∶1，微波提取时间6min。

2.1 两组二维超声、频谱多普勒和TDI结果比较 A组LVEF、RVFAC和TAPSE显著低于B组，两组比较，差异有统计学意义(P<0.05)；A组RVDD、e/e′、E/E′显著高于B组，两组比较，差异有统计学意义(P<0.05)。见表1～2。

图9 液料比和微波提取时间对玉米叶黄素提取率影响的响应曲面和等高线Fig.9 Response surface and contour plot of interaction of liquid to solid ratio and extraction time on the rate of lutein extraction

因此，采用响应曲面法优化得到的表面活性剂微波辅助提取条件参数准确可靠。该工艺的叶黄素提取率较之前的报道有一定的提高，具有实用价值。

将4项水资源评价指标权重均设定为0.25，加权平均后可得水资源承载指数为0.22；将3项生态条件与环境质量评价指标权重均设定为0.33，加权平均后得生态条件与环境质量承载指数为0.65。参照省内指标的平均水平，按照弱、较弱、一般、较强、强五级分类方法进行分类评价(表4)。将承载能力为强、较强和一般的判定为可载，承载能力较弱的判定为临界，承载能力为弱的判定为超载。

3 结论

试验对微波提取叶黄素过程中的几个重要因素，即表面活性剂类型、表面活性剂质量分数、微波功率、微波提取时间、液料比，分别设定试验水平，进行单因素试验。确定了上述影响因素的最佳条件：十二烷基硫酸钠作为玉米叶黄素提取工艺的表面活性剂效果相对较好，微波提取功率设定在中高火档位效果最佳，表面活性剂质量分数在1.1%，液料比选择在13∶1 左右，微波提取时间5min。

根据Box-Benhnken 试验设计方法，综合前面单因素试验结果，选取表面活性剂质量分数、微波提取时间、液料比3 个对叶黄素提取率影响显著的因素，在单因素试验的基础上采用3 因素3 水平的响应面分析方法，预测叶黄素纯度的最优提取条件，即表面活性剂质量分数1.15%，液料比13.83∶1，微波提取时间5.98min。

微波辅助法提取叶黄素的最佳工艺条件为表面活性剂质量分数1.15%，液料比14∶1，微波提取时间6min。在此最佳条件下的叶黄素提取率为8.6%。

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