黑豆皮醇提取物的工艺条件优化研究

贾 欣

（山西省食品工业研究所，山西太原 030024）

黑豆属于豆科植物种子，又称为黑大豆、马料豆、乌豆等。我国黑豆资源十分丰富，在全国各地的种植面积较高。黑豆味甘性平，有祛风除热、保肾健脾、明目之功效；黑豆所含亚油酸能防止血清中胆固醇的增加和沉积，对防治高血压和心血管疾病有重要作用；黑豆中的异黄酮、皂甙等能调节钙质代谢，防止骨质疏松，还可调节激素效应，降低妇女更年期综合症状；黑豆具有显著的抗氧化、延缓衰老、强化免疫、保护心血管及抗肿瘤等功能；黑豆皮色素结构中的邻位二酚羟基可螯合金属离子，减少金属离子对氧化反应的催化作用，是一种重要的天然食用色素和食品添加剂。因此，加大对黑豆的深入研究，实现黑豆类食品的工业化生产对人们的身体健康和我国的经济发展具有重要意义。

1 试验材料

1.1 试验原料

黑豆，临汾柴村产青仁小黑豆。

1.2 主要仪器与设备

电子天平，上海天达仪器有限公司；GZX-9246数显鼓风干燥器，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；U V-1100型紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；LS Y电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器厂；R J-TDL-40 低速大容量台式离心机，无锡瑞江分析仪器有限公司；P HS-3TC数密数显酸度计，上海天达仪器有限公司；R e-52真空旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂。

1.3 试剂及药品

无水乙醇、36%～38%盐酸、没食子酸、福林-酚试剂、无水碳酸钠、芦丁、亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠，均为分析纯。

2 试验方法

2.1 黑豆皮原料粉的制备

将黑豆洗净，在室温下用蒸馏水浸泡24 h，人工去皮，将黑豆皮在40℃条件下恒温干燥24 h后，用植物粉碎机粉碎，过40目筛，即得到黑豆皮粉末。

2.2 单因素试验

2.2.1 乙醇体积分数对提取黑豆皮醇提取物的影响

准确称取1 g黑豆皮粉末5份，分别以100mL体积分数0%、20%、40%、60%、80%的乙醇为提取剂，在60℃，pH为1的条件下提取1 h，抽滤除去固体残渣，减压蒸发水浴回流，得到黑豆皮醇提取物粉末。

2.2.2 pH对黑豆皮醇提取物的影响

准确称取1 g黑豆皮粉末5份，100mL体积分数 60%乙醇为提取剂，调 pH为 1、2、3、4、5，60℃下提取1 h，抽滤除去固体残渣，减压蒸发水浴回流，得到黑豆皮醇提取物粉末。

2.2.3 提取温度对黑豆皮醇提取物的影响

准确称取1 g黑豆皮粉末4份，100mL体积分数60%乙醇为提取剂，调pH为1，分别于20℃、40℃、60℃、80℃下提取1 h，抽滤除去固体残渣，减压蒸发水浴回流，得到黑豆皮醇提取物粉末。

2.2.4 提取时间对提取黑豆皮醇提取物的影响

准确称取1 g黑豆皮粉末6份，100mL体积分数60%乙醇为提取剂，调pH为1，分别置于70℃条件下提取0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h后，抽滤除去固体残渣，减压蒸发水浴回流，得到黑豆皮醇提取物粉末。

2.2.5 料液比对黑豆皮醇提取物的影响

准确称取1 g黑豆皮粉末5份，分别以25mL、50mL、100mL、150mL、200mL体积分数60%乙醇为提取剂，调pH为1，70℃提取1 h，抽滤除去固体残渣，减压蒸发水浴回流，得到黑豆皮醇提取物粉末。

2.3 星点试验

在单因素试验的基础上，选择每个单因素的最佳条件设计三因素五水平的星点试验，根据Design Expert7.0软件设计星点试验，建立二次三元旋转回归方程，优化提取黑豆皮醇提取物的工艺参数。

2.4 黑豆皮醇提取物中多酚和黄酮含量的确定

准确称取10 g黑豆皮粉末，在研究所得的最佳提取工艺参数下提取黑豆皮醇提取物，减压蒸发水浴回流一定时间蒸干后，得黑豆皮醇提取物粉末。用无水乙醇复溶，过滤，最后定容至20mL，使样品最终浓度为0.5 g/mL。样品保存在棕色瓶中，备用。

3 结果分析

3.1 单因素试验结果

3.1.1 乙醇体积分数对黑豆皮醇提取物的影响

乙醇体积分数对黑豆皮醇提取物的影响结果见图1。

图1 乙醇体积分数对黑豆皮醇提取物的影响

由图1可知，在pH值为1，料液比为1：100，温度为60℃，提取时间为1 h的条件下，当乙醇体积分数小于60%时，粗提物随乙醇体积分数的增加而增加，当乙醇体积分数达到60%时，粗提物达到最大值，随乙醇体积分数的继续增加，粗提物呈下降趋势。综合各种因素，选取体积分数60%的乙醇为此单因素试验的最佳提取溶剂。

3.1.2 pH对黑豆皮醇提取物的影响

pH对黑豆皮醇提取物的影响结果见图2。

图2 pH对黑豆皮醇提取物的影响

由图2可知，在60℃，料液比为1：100时，用不同pH值的60%乙醇提取1 h，随着pH的不断增大，粗提物逐渐减小，且pH从1增加到4 h，粗提物急速下降。这可能是因为pH过大影响了粗提物的溶解性，并有可能破坏了粗提取物中化学物质的活性。

3.1.3 提取温度对黑豆皮醇提取物的影响

提取温度对黑豆皮醇提取物的影响结果见图3。

图3 提取温度对黑豆皮醇提取物的影响

由图3可知，在pH值为1，乙醇体积分数为60%，料液比为1：100，提取时间为1 h时，随着温度的升高，提取出的粗提物呈上升趋势。由于乙醇的沸点为70℃～80℃，综合各种因素，此单因素试验选择70℃为最佳提取温度。

3.1.4 提取时间对黑豆皮醇提取物的影响

提取时间对黑豆皮醇提取物的影响结果见图4。

由图4可知，在pH值为1，乙醇体积分数为60%，料液比为1：100，70℃条件下提取，随提取时间的延长，提取出的粗提物呈弱增长趋势，增长趋势不显著。综合考虑，选取1 h为最佳提取时间。

3.1.5 料液比对黑豆皮醇提取物的影响

料液比对黑豆皮醇提取物的影响结果见图5。

图4 提取时间对黑豆皮醇提取物的影响

图5 料液比对黑豆皮醇提取物的影响

由图5可知，在pH值为1，乙醇体积分数为60%，70℃提取1 h的条件下，随料液比的增大，粗提物逐渐增大，且当料液比从1：25增大到1：100时，粗提物增长较快；当料液比从1：100增大到1：200时，粗提物增长缓慢。在料液比为1：200时粗提物达到最大，但是提取液体积过大会加大操作难度及增加药品的用量，且粗提物和1：100时相比没有显著的变化。综合考虑，此单因素试验选取1：100为最佳料液比。

3.2 星点试验分析方案及试验结果

3.2.1 星点试验分析方案

根据各条件下的单因素试验，以提取温度、pH值和乙醇体积分数对应3个独立变量A、B、C，并以-1.68，-1，0，1，1.68分别代表变量的水平，用Design Expert7.0软件进行编码分析和设计试验，设计结果如表1所示。

表1 试验因素水平及编码

3.2.2 试验结果分析

利用Design Expert7.0软件对表2中的数据进行分析，可得二次三元回归模型：Y=+31.71+0.76A-0.11B+1.39C+0.056AB+0.39AC-0.26BC-0.71A2-0.55B2－0.69C2。

表2 回归模型方差分析表

由表2数据可知，模型P=0.013 1＜0.05，表明二次三元回归模型极其显著；失拟项P=0.065 7＞0.05，模型失拟度不显著。故该模型拟合程度好，可以用此模型对黑豆皮醇提取物进行分析和预测。

3.2.3 两因素交互作用的响应面分析

两因素交互作用的响应面分析结果分别见图6、图7、图8。

图6 提取温度和pH对黑豆皮醇提取物提取率的响应面图(a)与等高线图(b)

图7 提取温度和乙醇体积分数对黑豆皮醇提取物的响应面图(a)与等高线图(b)

由图6、图7、图8的响应面分析可知，黑豆皮醇提取工艺的最佳条件组合：提取温度为67.930℃，提取pH为1.7，乙醇体积分数为70%，理论上黑豆皮醇提取物提取率可达32.925 mg/g，实际上测得黑豆皮醇提取物提取率为32.148mg/g，存在误差2.36%。在实际生产中为了生产方便选择提取温度为70℃，提取pH为2，乙醇体积分数为70%，此时黑豆皮醇提取物提取率为31.424mg/g，与理论贴近度为95.44%。

图8 pH和乙醇体积分数对黑豆皮醇提取物的响应面图(a)与等高线图(b)

3 讨论

本试验在单因素试验的基础上，结合响应曲面试验设计，研究了提取温度、提取pH、乙醇体积分数及其交互作用对黑豆皮醇提取物提取率的影响。目前统计学试验设计已广泛应用于食品生物等领域的优化研究。传统的单因素法在研究过程中存在明显不足。试验过程不仅费时，而且忽略了不同因子之间的交互作用，不能准确得到多个影响因子的最佳组合；正交试验设计虽然弥补了单因素试验法的不足，能够做到同时考虑多种因素并找出最佳的因素水平组合，但不能得到在整个区域内多因素的最佳组合和相应值的最优值之间的明确关系；而响应面试验设计可以做到通过少量试验次数既能确定多个影响因素中的关键因素，确定其最佳组合及响应值的最优值，从而在研究中得到广泛的应用。

我国是黑豆的主要栽培国家之一，黑豆皮中含大量花青素，是天然色素的重要来源之一；黑豆皮中含有黄酮类物质，黄酮类化合物具有很强的抗氧化能力。黑豆皮的原料丰富，醇提取物操作简单，价格经济，可开发为高效的天然抗氧化剂的新资源，以期在医药、食品等行业得到广泛推广应用。

4 结论

本试验确定黑豆皮醇提取物的最佳提取工艺参数为：提取pH1.7，乙醇体积分数70%，料液比1：100，提取温度67.930℃，提取时间1 h，理论上黑豆皮醇提取物的提取率可达32.925mg/g，实际测得提取物为32.148mg/g，存在误差2.36%。在实际生产中为了生产方便选择提取温度为70℃，提取pH为2，乙醇体积分数为70%，料液比为1：100，提取时间为1 h，此时黑豆皮醇提取物的提取率为31.424mg/g，与理论贴近度为95.44%。