响应面优化乙酸提取黑米花色苷工艺

◎ 蔡文韬，冯丽娜，陈慕雪

（广东第二师范学院，广东 广州 510303）

黑米属功能稻米的一种，其中含有植酸、异牡荆黄素、γ-谷维素、植物甾醇类、二十八醇、鲨稀、GABA、维生素E和生育三稀甘油酯衍生物等多种活性物质。黑米具有抗癌、消炎、抗糖尿病、降血脂、抗疲劳和防治心血管疾病等功效[1]，花色苷是自然界广泛分布的一种植物多酚，是一种水溶性黄酮化合物，在大部分植物花瓣和果实种皮中都存在花色苷。而花色苷，则是黑米米皮中的主要成分[2-3]。有文献表明[4]，黑米其色泽在稻谷中属最深，其功效在各种稻米中也属最强。花色苷作为水稻重要的活性物质之一，具有抗氧化、降血脂、抑制肿瘤细胞生长、抑菌抗炎和抗过敏作用，并且能有效预防心血管疾病、慢性失调症和退化性疾病等疾病。

1 材料

1.1 试验材料

黑米：采购于农贸市场。

1.2 化学试剂

冰醋酸、pH为1.0的HCl-KCl缓冲液、pH为4.5的HCl-CCOONa缓冲液。

1.3 试验仪器

紫外可见分光光度计、食物粉碎机、布氏漏斗。

2 实验方法

2.1 工艺流程

黑米→清洗→烘箱干燥→破碎→提取→抽滤→加入缓冲液→测吸光值→计算花色苷得率。

2.2 原料处理

黑米用蒸馏水洗净，置于烘箱，调节烘箱温度，使其达60 ℃，在此温度下烘干3 h，取出烘干完毕的黑米，使用粉碎机将烘干的黑米粉碎，得黑米粉末。

2.3 黑米花色苷含量测定方法

黑米花色苷含量的测定采用pH示差法[5]，据pH示差法的原理，分别取pH为1.0的HCl-KCl缓冲液和pH为4.5的HCl-CCOONa缓冲液各5 mL，分别加入1 mL黑米提取液中，混匀，在室温下避光平衡10 min，用蒸馏水做空白对照，在矢车菊素-3-葡萄糖苷最大吸收波长510 nm和700 nm下，测定黑米提取液的吸光值，稀释样品的吸光值以及原始样品中花色苷含量的计算公式如下：

式中：TAcy为提取物中黑米花色苷含量，mg/g；V为提取液总体积，mL；n为稀释倍数；M为矢车菊素-3-葡萄糖苷的分子质量，499.2；ε为矢车菊素-3-葡萄糖苷的消光系数，26 900；A为样品的吸光值；m为原料的质量，g。

2.4 黑米花青素提取的单因素实验

称取黑米粉2.0 g，采用乙酸作为提取剂，以黑米花色苷含量作为参考指标，依次对其提取剂浓度、提取时间、提取温度以及提取料液比进行单因素试验。

2.4.1 提取剂的选择

国内现有文献资料关于黑米花色苷的提取方法中，一般选择乙醇-水溶液作为提取剂[6-7]，但据有关文献资料显示[8]，酸化水溶液对黑米中的花色苷类物质也具有相当好的提取能力。考虑到相对于酸化的醇溶液，酸化的水溶液的成本要低得多。因此，此实验选择乙酸作为提取剂提取色素。

2.4.2 提取浓度对黑米花色苷含量的影响

称取2 g黑米粉，分别溶于40 mL的5%、10%、15%、20%和25%乙酸中，在40℃恒温水浴锅中浸提60 min，抽滤，收集上清液。取上清液2 mL，分别加入pH为1.0的缓冲液（0.2 mol/L KCl-HCl缓冲液）或pH4.5的缓冲液（HCl-CCOONa溶液）稀释至适当倍数，放置10 min，在510 nm或700 nm处测吸光值，平行3组。

2.4.3 提取时间对黑米花色苷含量的影响

称取2g黑米粉，溶于40 mL的15%乙酸中，在40℃恒温水浴锅中分别浸提30、45、60、75 min和90 min，抽滤，收集上清液。取上清液2 mL，分别加入pH1.0缓冲液（0.2 mol/L KCl-HCl缓冲液）或pH4.5的缓冲液（HCl-CCOONa溶液）稀释至适当倍数，放置10 min，在510 nm或700 nm处测吸光值，平行3组。

2.4.4 提取温度对黑米花色苷含量的影响

称取2 g黑米粉，溶于40 mL的15%乙酸中，分别在20、30、40、50℃和60℃恒温水浴锅中浸提60 min，抽滤，收集上清液。取上清液2 mL，分别加入pH1.0的缓冲液（0.2 mol/L KCl-HCl缓冲液）或pH4.5的缓冲液（HCl-CCOONa溶液）稀释至适当倍数，放置10 min，在510 nm或700 nm处测吸光值，平行3组。

2.4.5 提取料液比对黑米花色苷含量的影响

称取2 g黑米粉，溶于20、30、40、50 mL和60 mL的15%乙酸中，在40℃恒温水浴锅中浸提60 min，抽滤，收集上清液。取上清液2 mL，分别加入pH1.0缓冲液（0.2 mol/L KCl-HCl缓冲液）或pH4.5的缓冲液（HCl-CCOONa溶液）稀释至适当倍数，放置10 min，在510 nm或700 nm处测吸光值，平行3组。

2.5 黑米花色苷提取工艺参数的优化

在单因素试验的基础上，根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理，采用响应面法进行4因素3水平的中心组合试验设计，对水浴提取黑米花色苷的条件进行优化。

3 结果与分析

3.1 黑米花色苷提取单因素试验

3.1.1 提取剂浓度对提取黑米花色苷含量的影响

在乙酸体积为40 mL，提取时间60 min，固液比为1∶20，提取温度为40 ℃的条件下，提取剂-乙酸浓度对提取物中黑米花色苷含量的影响结果见图1。从图1可看出，当提取剂浓度为10%时，黑米花色苷含量达到最高，当继续增加提取剂浓度时，黑米花色苷含量持续降低，当提取剂浓度为20%时，黑米花色苷含量达到最低点，过后升高。分析原因可能是，高浓度的提取剂会抑制黑米中花色苷的显色，导致降低黑米中花色苷的含量。当提取剂浓度达到一定时，又反而可促进其显色，使其花色苷含量升高。

图1 提取剂浓度对黑米花色苷含量的影响图

3.1.2 提取时间对黑米花色苷含量的影响

在乙酸体积分数为15%，固液比为1∶20，提取温度为40 ℃的条件下，提取时间对黑米花色苷含量的影响如图2。从图2可知，当提取时间为45 min时，黑米中花色苷含量达到最大值，而之后随着提取时间的延长，提取物中黑米花色苷的含量逐渐降低。分析原因可能为，随着时间增加，黑米中的花色苷被破坏，使得提取物中花色苷含量降低。

图2 提取时间对黑米花色苷含量的影响图

3.1.3 提取温度对黑米花色苷含量的影响

在乙酸体积分数为15%，固液比为1∶20，提取时间为60 min的条件下，提取温度对黑米花色苷含量的影响如图3。从图3可知，在温度为40℃时，提取物中黑米中花色苷含量达到最高。曲线曲折上升的原因在于，一定的低温能保证黑米中的花色苷不受破坏。

图3 提取温度对黑米花色苷含量的影响图

3.1.4 提取料液比对黑米花色苷含量的影响

在乙酸体积分数为15%，提取温度为40 ℃，提取时间为60 min的条件下，提取料液比对黑米花色苷含量的影响如图4。从图4可知，随着料液比的增加，黑米花色苷含量是减少的，原因可能在于，提取液会抑制黑米花色苷的析出，导致花色苷提取量降低。

图4 提取料液比对黑米花色苷含量的影响图

3.2 响应面试验

3.2.1 响应面试验方案

根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理，综合单因素试验结果，选取提取剂浓度、料液比、提取温度以及提取时间4个因素，试验因素水平如表1。采用Design Expert8.0设计软件设计响应面试验。结果如表2所示。

表2中，试验号2、5、17、19和26为中心试验，其余为析因试验。共有25组析因试验，5组中心试验。其中，析因点是自变量取值在各因素水平所构成的三维顶点；中心试验点用以估计试验误差。

表1 响应面试验因素水平表

表2 花色苷提取工艺优化响应面分析试验设计及结果表

3.2.2 回归方程和方差分析

根据表3回归模型方差分析，分析回归方程和方差。

表3 回归模型方差分析表

采用Design Expert 8.0软件对表3试验数据进行多元次回归拟合分析得到花色苷含量与各因素变量的多元二次方程模型为：Y=0.033+0.005 554A-0.006 624B+0.001 024C-0.002 787D-0.000 350 5AB+0.001 24AC-0.000 618AD-0.001 365BC+0.001 866BD-0.001 536CD-0.000 905 7A2+0.002 056B2-0.003 868C2-0.006 755D2。

从表3二次响应面回归模型的方差分析结果可知，模型的P＜0.000 1，说明对黑米花色苷提取建立的回归模型是极显著的；模型的变异系数（C.V.%）=0.10%，低，表明该模型精确度高，试验可信；模型决定系数R2=0.930 5，校正系数R2Adj=0.855 6，表示模型的拟合度较好，预测值与实际值之间具有较高的相关性，试验误差较小。因此可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析和预测。

将二次回归方程中一次项系数绝对值大小作为各参数对黑米花色苷含量影响的比较依据，得出所考察的4个因素对黑米花色苷含量影响的大小依次为：B＞A＞D＞C，即料液比＞提取剂浓度＞提取温度＞提取时间。

3.2.3 因素间相互作用响应面分析结果

各因素交互作用对黑米花色苷含量影响的响应面图如图5所示。

图5 各因素交互作用对黑米花色苷含量影响的响应面图

为进一步研究各因素交互作用对黑米花色苷含量的影响，采用Design Expert 8.0软件绘制了三维响应面图，从图5可看出，BD的交互作用对黑米花色苷含量的影响是显著的，随着提取温度的升高和料液比的增加，黑米花色苷含量是先上升，后下降的。

利用Design Expert 8.0软件分析，当黑米中花色苷含量最高时，与其对应的黑米花色苷的最佳提取条件为：提取剂浓度为20%，料液比为1∶10，提取时间为56 min，提取温度为44.81℃，在此条件下，理论上得出的最佳花色苷含量为0.052 815 7 mg/g。

3.2.4 试验验证

为了验证响应面分析结果的可行性，采用响应面法优化的工艺条件，进行了水浴法提取黑米花色苷的验证试验。考虑到操作的便利性，将提取条件稍作修改，改为提取剂浓度20%，料液比1∶10，提取时间56 min，提取温度45℃。平行3次，最终得到的黑米花色苷含量为0.055 482 mg/g＞0.052 815 7 mg/g。说明响应面法对黑米花色苷提取条件的优化是可行的。

4 结论

本次试验在单因素试验的基础上，运用响应面法对黑米花色苷提取的工艺进行优化。回归结果表明，料液比对黑米花色苷含量的影响是最大的。且回归分析和验证结果均表明，该方法是可行的。最终，得到了水浴提取黑米花色苷的最佳条件：提取剂浓度为20%，料液比为1∶10，提取时间为56 min，提取温度为45 ℃，得到黑米花色苷的实际含量为0.055 482 mg/g。