響應面優(yōu)化超聲波輔助提取發(fā)芽糙米黃酮工藝

劉振春，張利寬，于 暢，馮建國

(吉林農業(yè)大學食品與科學工程學院，吉林 長春 130118)

響應面優(yōu)化超聲波輔助提取發(fā)芽糙米黃酮工藝

劉振春，張利寬，于 暢，馮建國

(吉林農業(yè)大學食品與科學工程學院，吉林 長春 130118)

以體積分數50%的乙醇溶液為提取溶劑，采用超聲技術從發(fā)芽糙米中提取黃酮類化合物。采用Box-Behnken響應面設計法建立影響因素的二次回歸模型。通過響應面分析得到超聲波輔助提取發(fā)芽糙米黃酮的最佳提取條件為超聲時間11.7min、浸提溫度45.8℃、浸提時間30.5min、液料比18.9:1(mL/g)，發(fā)芽糙米黃酮的提取量可達(0.743±0.011)mg/g(n＝5)，達到理論值0.754mg/g的98.5%。該回歸模型模擬度良好，可以作為發(fā)芽糙米黃酮提取量測定的理論依據。

發(fā)芽糙米；黃酮；超聲波；響應面

我國稻谷年產量約2億噸，占全國糧食總產量的2/5，占世界稻谷產量的1/3，世界上有近一半的人以稻谷為主食[1]。隨著對發(fā)芽糙米中主要活性成分[2]及生理功能[3]的研究發(fā)現糙米的營養(yǎng)價值是精米難以媲美的。因此糙米及其活性成分的研究具有極大的開發(fā)潛力。

發(fā)芽糙米是指優(yōu)質糙米在一定的溫度條件下浸泡之后控制其發(fā)芽，并使其發(fā)芽長度保持在0.5～1mm的濕制品或干制品。糙米的發(fā)芽過程實質[4]是糙米中所含有的大量酶被激活和釋放，并從結合態(tài)轉化為游離態(tài)的生化過程。正是由于這一生理過程，發(fā)芽后的糙米糠層纖維被軟化[5]，從而改善了糙米的蒸煮性、口感和消化性[6-7]；糙米發(fā)芽之后產生了很多功能性成分，如可溶性糖、多肽、GABA、阿魏酸、谷胱甘肽、角鯊烯、肌醇、肌醇六磷酸等[8-10]。與糙米相比，發(fā)芽糙米的生理活性[11-12]具有明顯的優(yōu)勢。本實驗采用Box-Behnken響應面設計法對超聲波輔助提取發(fā)芽糙米提取黃酮工藝進行優(yōu)化，以期為發(fā)芽糙米中黃酮提取工藝提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市購糙米，經發(fā)芽[13]干燥、微粉碎后備用。

無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等均為分析純；蘆丁(標品級) 天津一方科技有限公司。

1.2 儀器與設備

FDV DUTPUT-2HP型原泰奇氣引式超微粉碎機 日本佑琦有限公司；JY99-2D超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；SHA-B水浴恒溫振蕩器 金壇市醫(yī)療器械廠；FA1004A電子天平 上海精天電子儀器有限公司；LXJ-ⅡB離心機 上海安亭科學儀器廠；UV mini-1240型紫外-可見分光光度計 日本島津公司.。

1.3 方法

1.3.1 發(fā)芽糙米黃酮的超聲波輔助提取工藝流程

1.3.2 標準曲線方程的建立[14]

精確稱取0.020g蘆丁標品，用體積分數50%乙醇溶液溶解，溶液定容至100mL，配制成0.2mg/mL蘆丁標準液。分別吸取0.2mg/mL蘆丁標準溶液0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL置于6個25mL容量瓶中，依次編號0～5；各加5% NaNO2溶液0.4mL，搖勻，放置6min；然后各加10% Al(NO3)3溶液0.4mL，搖勻，放置6min；然后再各加1mol/L NaOH溶液4mL，最后用50%乙醇溶液定容至刻度線，搖勻，放置15min，于波長510nm處測定吸光度，回歸方程為：

式中：A為吸光度；C為蘆丁質量濃度/(mg/mL)。

1.3.3 樣品中黃酮類化合物的測定

將發(fā)芽糙米用微粉碎機粉碎，過100目篩。準確稱取2g樣品置于100mL小燒杯中，按照一定的料液比加入提取溶劑，將燒杯放入水浴恒溫振蕩器中恒溫振蕩浸提，然后5000r/min離心10min，取2mL上清液于25mL容量瓶中，按照NaNO2-Al(NO3)3法測定吸光度，然后按照下式計算出發(fā)芽糙米黃酮提取量(以蘆丁計)[15]。

式中：Y為黃酮提取量/(mg/g)；A為吸光度；V為二次離心之后的上清液體積/mL；m為樣品質量/g。

1.3.4 數據分析

使用Design-Export 7.0.0對數據進行響應面分析及模型擬合。

2 結果與分析

2.1 超聲時間對發(fā)芽糙米黃酮提取的影響

在發(fā)芽糙米黃酮提取過程中，超聲波處理對物料的破壁作用明顯，對黃酮的提取率有影響，因此將超聲時間作為單因素來考察。以體積分數50%乙醇溶液為提取溶劑，取液料比為20:1(mL/g)，分別考察超聲時間為6、9、12、15、18min的條件下的發(fā)芽糙米黃酮提取量，結果見圖1。

圖1 超聲時間對黃酮提取量的影響Fig.1 Effect of ultrasound treatment time on extraction rate of flavonoids

由圖1可知，發(fā)芽糙米黃酮的提取量隨著超聲時間的增加而增加，但12min后隨著超聲時間的延長而降低，可能是超聲對黃酮的破壞或者其他的因素引起的，因此選取超聲處理12min較為合適。

2.2 浸提溫度對發(fā)芽糙米黃酮提取的影響

以體積分數50%的乙醇溶液為提取溶劑，取液料比為20:1，超聲處理12min后分別在25、35、45、55、65℃條件下提取30min，結果如圖2所示。

圖2 浸提溫度對黃酮提取量的影響Fig.2 Effect of temperature on extraction rate of flavonoids

由圖2可知，隨著溫度的升高，黃酮提取量顯著增加，但是45℃后增加趨于平緩略有下降，考慮到高溫可能改變物質結構和使體系發(fā)生其他反應，取45℃為最佳浸提溫度。

2.3 浸提時間對發(fā)芽糙米黃酮提取的影響

以液料比20:1加入體積分數50%的乙醇溶液，在45℃條件下分別提取20、30、40、50、60min，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著浸提時間的延長，發(fā)芽糙米黃酮提取量在30min內顯著增加，此后浸提時間對黃酮的提取量影響很小。從操作費用和能源消耗考慮，因此初步確定30min為最佳浸提時間。

圖3 浸提時間對發(fā)芽糙米黃酮提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of flavonoids

2.4 液料比對發(fā)芽糙米黃酮提取的影響

液料比對黃酮的溶出有直接的影響，也會對黃酮的提取造成影響。因此取不同的液料比，以體積分數50%的乙醇溶液為提取劑，超聲處理12min后在45℃條件下提取30min，結果如圖4所示。

圖4 液料比對發(fā)芽糙米黃酮提取量的影響Fig.4 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of flavonoids

從圖4可知，隨著液料比的增加，黃酮的提取量在不斷的增高，這是因為增加液料比，傳質動力增加，黃酮就更容易溶出，損失減少；但液料比大于20:1后增加速度趨于平緩。因此考慮經濟效益，選取液料比為20:1(mL/g)。

2.5 響應面優(yōu)化設計

2.5.1 試驗因素水平編碼與試驗結果

綜合單因素試驗結果，根據Box-Behnken試驗設計原則，以黃酮提取量為響應值，分析超聲處理時間、浸提溫度、浸提時間、料液比四因素三水平的響應面分析方法，各因素及水平編碼如表1所示。試驗設計及結果見表2。

表1 超聲波輔助提取發(fā)芽糙米黃酮工藝響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels tested in response surface analysis

表2 超聲波輔助提取發(fā)芽糙米黃酮工藝響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.5.2 數據分析及模型建立

表3 二次響應面回歸模型方差分析及顯著性檢驗結果Table 3 ANOVA for the developed regression model

應用Design-Expert軟件，對表2中的數據進行回歸擬合分析，選擇對響應值影響顯著的各項，可得二次回歸方程為：

對回歸方程進行方差分析及顯著性檢驗的結果見表3。由表3可知，該回歸模型顯著(P＜0.0001)方程的一次性和二次項的影響都顯著，且交互項AB、AD、BC也顯著，且該模型的R2＝0.9679，R2Adj＝0.9359，說明該模型與試驗值擬合較好，可用于發(fā)芽糙米黃酮提取量評定的理論依據。

2.5.3 響應面因素水平的優(yōu)化

回歸方程中影響顯著的交互項所做的響應曲面區(qū)及其等高線圖見圖5。

圖5 各兩因素交互作用對發(fā)芽糙米黃酮提取量影響的響應面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of pairwise interactions among various process conditions on extraction rate of flavonoids

通過該組圖即可對任何兩個因素交互影響發(fā)芽糙米黃酮提取量的效應進行分析和評價。通過矩陣分析得響應值Y有最大值時各因素的水平為A＝－0.1、B＝0.08、C＝0.05、D＝－0.22，轉換后可得發(fā)芽糙米黃酮的最佳提取條件為超聲時間11.7min、浸提溫度45.8℃、浸提時間30.5min、液料比18.9:1(mL/g)，此時黃酮提取量為0.754mg/g。

2.6 驗證實驗

對最佳提取工藝進行驗證實驗，得發(fā)芽糙米黃酮提取量實測值為(0.743±0.011)mg/g(n＝5)，比理論值0.754mg/g稍低，說明由于試驗條件的限制，回歸模型中還存在一些干擾因素。

3 結 論

采用Box-Behnken響應面法建立影響因素的二次回歸模型，對數據進行分析，得到發(fā)芽糙米黃酮的最佳提取工藝為超聲時間11.7min、浸提溫度45.8℃、浸提時間30.5min、料液比18.9:1(mL/g)，試驗誤差小，可用來實際預測和評價發(fā)芽糙米黃酮提取量的理論依據。

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Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction of Flavonoids from Germinated Brown Rice Using Response Surface Methodology

LIU Zhen-chun，ZHANG Li-kuan，YU Chang，FENG Jian-guo
(College of Food Science and Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Total flavonoids were extracted from geminated brown rice by ultrasound-assisted extraction method using 50%ethanol as extraction solvent. Response surface methodology was employed to optimize the extraction conditions based on extraction rate. A quadratic regression model describing the effects of four process conditions on the extraction rate of total flavonoids was developed using a Box-Behnken experimental design. The response surface analysis showed that the optimal extraction conditions were extraction for 30.5 min at 45.8 ℃ and a material/liquid ratio of 18.9:1 (mL/g) after 11.7 min of ultrasound treatment. Under these conditions, the average extraction rate of total flavonoids was (0.743 ± 0.011) mg/g (n = 5),accounting for 98.5% of the predicted value, 0.754 mg/g. The developed regression model showed excellent goodness of fit.

germinated brown rice；flavonoids；ultrasound；response surface methodology (RSM)

TS201.2

A

1002-6630(2012)08-0080-05

2011-03-25

吉林省科技廳重點項目(2010026)

劉振春(1963—)，男，教授，博士，研究方向為食品營養(yǎng)與功能性食品。E-mail：liuzhenchun63@163.com