响应面法优化小米糠黄色素的超声波提取工艺研究

于伟，李朝阳，贾鹏禹，李良玉（国家杂粮工程技术研究中心/黑龙江八一农垦大学，大庆163319）



响应面法优化小米糠黄色素的超声波提取工艺研究

于伟，李朝阳，贾鹏禹，李良玉
（国家杂粮工程技术研究中心/黑龙江八一农垦大学，大庆163319）

摘要：以小米副产物小米糠为原料，在单因素试验的基础上，采用响应面法优化小米糠黄色素的超声波提取工艺，研究超声功率、超声液料比、提取温度、提取时间对提取效果的影响。结果表明：超声功率384 W，液料比30∶1 mL·g-1，提取温度42℃，提取时间34.6 min，小米糠黄色素OD值达到3.5±0.2。

关键词：小米糠；黄色素；响应面；超声波提取

谷子禾本科黍族狗尾草属，是我国传统的粮食作物在我国具有悠久的种植历史[1-2]。小米是谷子去壳后的一种产品，具有重要的营养保健作用[3-4]。小米糠是由谷子加工生产小米过程中的加工废弃物，占谷子总重量的5%～7%[5]。小米糠营养物质丰富，有的活性组分甚至高于小米，具有重要的生理作用，降血压、降血脂、抗疲劳等多种生理功能[6-9]。由于我国每年小米产量巨大，因此会产生大量的小米糠，大部分小米糠被用作饲料甚至直接燃烧没有得到足够的重视和利用[10]。小米糠中还含有大量的黄色素，天然黄色素是一种重要的天然活性物质，具有抗氧化、预防癌症、增加免疫力等生理作用[11-16]。因此，开发和利用小米加工废弃物小米糠，制备黄色素具有重要的社会意义和经济意义。

1　材料与方法

1.1原料与试剂

小米糠（市购）；无水乙醇、氢氧化钠等（分析纯），市购。

1.2仪器与设备

Pharo300紫外可见光分光光度计，默克密理博；恒温水浴槽DK-450B，上海森信实验仪器有限公司；R-200旋转蒸发仪BÜ CHI；MD100-2型电子分析天平，沈阳华腾电子有限公司；55&110-4L冷冻干燥机丹麦Labogene；多频多功率超声波处理机，济宁金百特电子有限责任公司。

2　试验方法

2.1小米糠黄色素的提取工艺流程

小米糠→45℃烘干→粉碎过筛→95%乙醇浸泡→超声波辅助提取→离心→浓缩→冷冻干燥

2.2小米糠黄色素光谱特性的测定

取小米糠黄色素乙醇溶液，紫外-可见分光光度计在全波长范围内进行扫描，得到最大吸收波长，在该波长下进行小米糠黄色素吸光值的测定，作为评价小米糠黄色素稳定性的标准[17]。

2.3试验数据分析处理方法

试验重复3次，采用SAS8.2软件进行数据统计分析。

2.4单因素试验方法

2.4.1超声功率对小米糠黄色素提取的影响

选择小米糠10 g，95%乙醇为提取剂，超声频率24 kHz，提取时间为30 min、提取温度30℃、液料比为25∶1（mL·g-1）的条件下，研究100、200、300、400、500 W五个水平时功率为对小米糠黄色素提取的影响，稀释10倍后测定吸光度，重复三次。

2.4.2液料比对小米糠黄色素提取的影响

选择小米糠10 g，提取剂为95%乙醇，超声频率24 kHz，提取时间为30 min、提取温度30℃，以吸光度为指标研究不同液料比10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（mL·g-1）对小米糠黄色素提取的影响，将液料比统一调配至25∶1 mL·g-1后测定吸光度，稀释10倍后测定吸光度，重复三次。

2.4.3超声温度对小米糠黄色素提取的影响

选择小米糠10 g，95%乙醇为提取剂，超声频率24 kHz，超声功率300 W、提取时间为30 min、液料比为25∶1（mL·g-1）的条件下，研究20、25、30、35、40、45、50℃七个水平时温度对小米糠黄色素提取的影响，稀释10倍后测定吸光度，重复三次。

2.4.4超声时间对小米糠黄色素提取的影响

选择小米糠10 g，95%乙醇为提取剂，超声频率24 kHz，超声功率300 W、提取温度为30℃、液料比为25∶1（mL·g-1）的条件下，研究超声时间分别为10、15、20、25、30、35、40 min时对小米糠黄色素提取的影响，稀释10倍后测定吸光度，重复三次。

2.5响应面优化试验方法

在单因素试验基础上，根据二次回归组合试验设计原理，以小米糠黄色素OD值为响应值，设计超声功率、提取温度、提取时间、液料比四个因素进行响应面分析试验，试验设计见表1。

表1　因素水平编码表Table 1　Coding table of factor levels

3　结果与分析

3.1小米糠黄色素光谱特性的测定结果

小米糠黄色素光谱特性的测定结果，见图1。

由图1小米糠黄色素溶液的紫外光谱扫描发现其光谱在315 nm处与445 nm处有吸收峰，经查询资料315 nm处的吸收峰可能是由于其他杂质，因此，选择可见光范围内最大吸收波长445 nm作为吸光度测定波长[18]。

图1　小米糠黄色素的紫外-可见光吸收光谱曲线Fig.1UV-Vis spectroscopy of pigment of millet bran

3.2单因素试验结果

3.2.1超声波功率对小米糠黄色素提取的影响

超声波功率与小米糠黄色素提取的关系图，见图2。

图2　不同超声功率与黄色素提取的关系Fig.2Relation between different ultrasonic power and yellow pigment powder

试验采用SAS 8.2统计软件对试验结果进行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超声功率的五点三次重复的因素分析中，P＜0.01，相关系数=0.923，说明不同超声功率对小米糠黄色素提取有显著影响。由图2可以看出，随着超声功率的不断增大，小米糠黄色素的OD值呈现上升的趋势，这是由于超声波的空化作用有利于黄色素的溶出；当超声功率为300 W后，OD值趋于平稳并有下降的趋势。这是由于超声波具有强烈的热效应，随着超声波功率的增加，可能会导致部分小米糠黄色素一定程度的破坏，从而导致色素得率的下降[19]。因此，试验选择超声功率范围为在以300 W为中心200 W到400 W之间进行响应面试验。

3.2.2超声液料比对小米糠黄色素提取的影响

超声液料比与小米糠黄色素提取的关系图，见图3。

图3　不同超声液料比与黄色素提取的关系Fig.3　Relation between different the ratio of material to water and yellow pigment powder

试验采用SAS 8.2统计软件对试验结果进行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究小米糠黄色素超声液料比的七点三次重复的因素分析中，P＜0.01，相关系数=0.898，说明不同超声液料比对小米糠黄色素提取有显著影响。由图3可以看出，随着超声液料比的不断增大，小米糠黄色素的得率呈现上升的趋势，这是由于少量溶剂很快溶解粗色素达到饱和，当溶剂量足够大时，对超声波的提取基本无阻碍，得率逐渐增加；当超声液料比达到30∶1 mL·g-1后，得率趋于平稳，并伴有下降趋势，分析原因可能是随着液料比的升高，其他成分的溶出也相对增多，从而抑制了小米糠黄色素的溶出，还会使浓缩过程中小米糠黄色素损失增大，从而导致小米糠黄色素得率有所降低[20]。因此，试验选择液料比范围为在以30∶1为中心25∶1到35∶1之间进行响应面优化试验。

3.2.3超声温度对小米糠黄色素提取的影响

超声温度与小米糠黄色素提取的关系图，见图4。

试验采用SAS 8.2统计软件对试验结果进行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超声温度的七点三次重复的因素分析中，P＜0.01，相关系数=0.907，说明不同超声温度对小米糠黄色素提取有显著影响。由图4可以看出，在40℃时，得率达到最大值，之后得率趋于平稳，并伴有下降趋势。随着超声波温度的升高，溶剂的溶解能力和溶解速度也随之提高，小米糠的色素分子运动速度也随之提高，在曲线中表现出来的是溶剂和色素分子在寻求互相融合的速度及能力的平衡过程，最终到达40℃时两者到达最佳平衡状态[21]。温度过高可能对色素结构造成一定的破坏导致色素得率有所下降，影响其药理活性，因此，试验选择温度范围为在以40℃为中心35℃到45℃之间进行响应面优化试验。

图4　不同超声温度与黄色素提取的关系Fig.4Relation between different temperature and yellow pigment powder

3.2.4超声时间对小米糠黄色素提取的影响

超声时间与小米糠黄色素提取的关系图，见图5。

试验采用SAS 8.2统计软件对试验结果进行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超声时间的七点三次重复的因素分析中，P＜0.01，相关系数=0.931，说明不同超声时间对小米糠色素的提取有显著影响。由图5可知随着超声时间的延长，OD值总体呈现上升趋势，在20～30 min时，OD值呈现上升的趋势。在30 min时，OD值达到最大值这是由于超声波对细胞的破坏作用较大，色素溶出较多，所以得率高；在30 min后OD值趋于平稳略有下降趋势。这可能是随着提取时间的延长，超声波的空化作用使小米糠组织细胞达到足够破裂，其他成分也同时被提取出，也会引起部分色素结构的变化，这些均会影响到小米糠色素的得率[22]。因此，试验选择时间范围为在以35 min为中心30 min到40 min之间进行响应面优化试验。

图5　不同超声时间与黄色素提取的关系Fig.5Relation between different time and yellow pigment powder

3.3响应面试验结果

基于单因素试验结果确定的最佳条件，以超声功率/W，液料比/mL·g-1，超声温度/℃，超声时间/min，这四个因素为自变量（分别以X1、X2、X3、X4表示），以小米糠黄色素OD值为Y值设计试验[23]，运用SAS 8.2软件处理，试验结果见表2。

图4不同超声温度与黄色素提取的关系

Fig.4Relation between different temperature and yellow pigment powder

表2　试验安排表以及试验结果Table 2Scheme and results of regression orthogonal rotary design

续表2　试验安排表以及试验结果Table 2Scheme and results of regression orthogonal rotary design

采用SAS 8.2统计软件对优化试验进行响应面回归分析（RSREG），回归方程以及回归方程各项的方差分析结果见表3、表4，二次回归参数模型数据如表5所示。

表3　回归方程的方差分析表Table 3ANOVA of regession equation

表4　回归方程各项的方差分析表Table 4ANOVA of regression equations

由表3、表4可以看出：二次回归模型的F值大于在0.01水平上的F值，失拟项F值小于在0.05水平上的F值，说明该模型拟和结果好。一次项、二次项和交互项F值均大于0.01水平上的F值，说明它们对得率有极其显著的影响。

表5　二次回归模型参数表Table 5Parameters of quadratic regression

以小米糠黄色素的OD值为Y值，得出超声功率/W，液料比/mL·g-1，超声温度/℃，超声时间/min的编码值为自变量的四元二次回归方程为：Y=-12.301+0.003 5X1+0.271 3X2+0.154 2X3+0.271X4-0.000 003 2X12+0.000 018X1X2-0.000 056X1X3+ 0.000 052X1X4-0.001 95X22-0.001 86X2X3-0.002 02X2X4+ 0.000 03X32-0.002 3X3X4-0.001 93X42

利用方程采用SAS8.2软件进行响应面分析，分析结果见表6。

表6　最优提取条件及OD值Table6Optimization extraction condition and OD

OD值最高时的超声功率，液料比，超声温度，超声时间的具体值分别为：384 W，30∶1 mL·g-1，41.9℃，34.6 min。该条件下得到的最大OD值为0.337。

4　结论

超声波技术辅助乙醇提取小米糠黄色素技术在单因素试验的基础上采用响应面法优化提取工艺参数，建立了二次回归模型，该模型与数据拟合程度较高，具有较好的实用性。经优化后的工艺参数为：超声功率384 W，液料比30∶1，超声温度42℃，声时间34.6 min值分别为，小米糠黄色素的OD值达到0.35±0.2，大大提高了小米糠黄色素的提取效率，降低生产成本，增加小米生产副产物的附加值，促进我国杂粮产业的发展。

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Study on Optimization of Ultrasonic Extraction Process of Millet Bran Yellow Pigment Using Response Surface Method

Yu Wei，Li Chaoyang，Jia Pengyu，Li Liangyu
（National Coarse Cereals Engineering Research Center，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Abstract:Response surface method was used to optimize ultrasonic extraction process of millet bran yellow pigment.Based on single factor experiment，factors such as ultrasonic power，the ratio of material to water，ultrasonic temperature and time on the extraction of millet bran yellow pigment were tested to study the extraction effect.The conclusion was that under the optimal conditions：ultrasonic power 384 W，material to water ratio 30∶1 mL·g-1，time 29.7 min，temperature 42℃，millet bran yellow pigment OD was 3.5±0.2.

Key words：millet bran；yellow pigment；response surface；ultrasonic extraction

中图分类号：TS210.9

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0046-07

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.011

收稿日期：2015-02-15

基金项目：国家工程技术研究中心组建项目（2011FU125X07）。

作者简介：于伟（1977-），女，助理研究员，东北林业大学毕业，现主要从事天然产物提纯与应用方面的研究工作。