響應面優化微波輔助提取玉米葉黃素工藝

李育楠，曹龍奎*，李慶波，黃澤華

（黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319）

食品安全問題日益突出，天然色素取代合成色素成為消費者所要求的必然趨勢。玉米黃粉又名玉米蛋白粉，具有特殊的味道和色澤，無毒無害，是玉米濕法提取淀粉時在脫除玉米胚芽及玉米皮渣后的主要副產物，對淀粉乳中分離蛋白質的浸泡黃漿水進行干燥后處理得到的[1]。玉米黃粉中類胡蘿卜素的含量約為100mg/kg～300mg/kg，如果不進行充分提取應用，那么不僅浪費了優質的天然色素資源，而且污染環境，因此對玉米葉黃素的提取很有必要。

葉黃素為脂溶性類胡蘿卜素的一種，具有較高的抗氧化作用[2-3]。視網膜中的葉黃素在保護視力[4-5]的同時可以過濾對視力有害的藍光[6]葉黃素可以降低老年性白斑病變、降低患心腦血管疾病幾率[7-11]等功能作用，另外，研究發現葉黃素對多種癌癥（如乳腺癌、前列腺癌等）有良好的抑制作用[12]。如果可以作為一種較好的抗氧化劑使用，其抗氧化作用在人體得到充分利用，不但可以保持人體抗氧化劑平衡維持細胞正常功能，而且可以提高人體的免疫能力。因此作為天然色素的玉米葉黃素就為從外界膳食中補充抗氧化劑提供了較好的選擇[13]。

葉黃素不溶于水而溶于有機溶劑的特性決定了葉黃素的提取主要通過有機溶劑浸提的方法得到，在提取過程中通過微波輔助可以消除熱梯度，具有速度快、能耗低、提取質量高等優點，與此同時添加表面活性劑可以增加被溶物在溶劑中的溶解作用，同時使其化學勢降低，促進被提取物的滲出，同時提高被提取物穩定性及提取率[14-15]。目前相關報道很少，本實驗以提高葉黃素的提取率為目的，研究了微波-表面活性劑協同提取玉米黃粉中葉黃素的工藝優化。

(2)保持現有每月5.8萬噸原煤生產能力，風選系統運行后，每月可增收67萬元。一年即可收回項目投入，還可實現當年盈利。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米黃粉：黑龍江昊天玉米開發有限公司；乙醇（分析純）、丙酮（分析純）、甲基叔丁基醚（色譜純）、甲醇（色譜純）：天津大茂化學試劑廠；十六烷基三甲基氯化銨（1631）、Tween-20、Tween-80、十二烷基硫酸鈉（化學純）：天津科密歐化學試劑開發中心。

1.2 儀器與設備

TG20 臺式離心機：長沙英泰有限公司；DZG-6050 型真空干燥箱：上海森信實驗儀器有限公司；RE-5298 旋轉蒸發儀：上海亞榮生化儀器廠；V-500 真空泵：瑞士BüCHI有限公司；JD100-38 電子天平：沈陽龍騰電子有限公司；Agilent 1200 高效液相色譜：杭州天釗科技有限公司；TGL-16B 高速臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；Galanz P70D20TP-C6（W0）微波爐：佛山市順德區格蘭仕微波爐電器有限公司；T6 新世紀紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米葉黃素的提取工藝

精確稱量5g 過80 目篩的玉米黃粉，加入一定質量分數的表面活性劑及相當體積的95%vol 乙醇作為提取溶劑，在一定的微波檔位進行微波提取相應的時間。過濾提取液，收集濾液，對濾渣進行反復過濾2 次，合并濾液，稱量濾液體積后，減壓蒸餾濃縮，于35℃條件下真空干燥得玉米葉黃素粗品進行稱質量，-20℃保存待測。

1.3.2 提取液中葉黃素類總含量的測定

海航就是很能夠發人深省的案例。海航在前兩年國內外的并購市場中，可謂是風頭無二，然而自從海航創始人之一的王健在法國意外死亡以后，海航便陷入暗淡。在最近面對媒體的采訪中，海航董事長陳峰表示，海航集團的業務板塊將調整為“兩主+兩輔”，做精航空主業。截至目前，圍繞這一目標，海航已累計完成3000億元資產規模的出售，未來還將有第二批、第三批資產出售。陳鋒堅定地表示，非主業資產盈利能力再強也不要。

流動相：乙醇/甲醇/乙腈=5∶5∶90；色譜柱C18柱（250mm×4.6mm，5μm）；檢測波長450nm；流速1.0mL/min；進樣量1μL；柱溫30℃。

（2）HPLC 色譜分析條件

由于葉黃素的成色基團使得其在可見區有吸收，所以將葉黃素粗品溶解在丙酮溶劑中，在波長300nm～600nm 范圍內進行掃描，確定最大吸收波長。

煙氣脫硫技術主要利用脫硫劑的吸附作用或與SO2發生反應生成穩定含硫產物，鋼渣中CaO組成含量較高，可與SO2發生反應，因此可以作為脫硫劑利用。研究[19,20]表明濕態鋼渣的脫硫能力顯著高于干態鋼渣，鋼渣漿液與石灰石粉末的脫硫大致相同。包鋼建以鋼渣為脫硫劑濕法脫硫，脫硫效率能夠達到97%以上[21]。

（3）玉米葉黃素提取率的計算

分別將葉黃素粗品用5mL 乙酸乙酯進行溶解，取樣1.5mL，經0.45μm 微孔膜過濾后進行HPLC 分析，測定葉黃素的含量，并計算葉黃素的提取率。已知體積的濾液旋轉蒸發（45℃）除去溶劑，對得到的粗產品進行稱質量，玉米葉黃素提取率計算公式：

1.3.3 試驗設計

以95%vol 乙醇為提取液，在微波-表面活性劑輔助條件下提取玉米葉黃素，分析所有影響條件選擇5 個主要影響因素表面活性劑類型、表面活性劑用量、95%vol 乙醇的用量、微波時間、微波功率進行單因素試驗。固定其他條件不變，對4 種表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨（hexadecyl trimethyl ammonium chloride，HTAC）1631，Tween-20，Tween-80，十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）在以未添加表面活性劑為對照的情況下，考察表面活性劑類型對玉米葉黃素提取率的影響。在此基礎上，固定其他條件不變，分別考察表面活性劑質量分數（0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%）、微波提取時間（4min、5min、6min）、不同料液比（9∶1、11∶1、13∶1、15∶1、17∶1）、微波功率（高火檔位、中高火檔位、中火檔位）對玉米黃粉中葉黃素提取率的影響。在單因素試驗基礎上，針對已選用的表面活性劑，對4 個主要影響因素進行顯著性分析選擇較顯著的3 個因素進行響應面優化，以葉黃素提取率為響應值，優化微波輔助提取玉米葉黃素的提取工藝參數。

2 結果與分析

2.1 葉黃素的特征吸收光譜

圖1 葉黃素在丙酮溶劑中的紫外-可見吸收光譜Fig.1 Ultraviolet-visible absorption spectrum of lutein in acetone

由圖1 可知，玉米葉黃素在波長447nm 處有最大吸收峰，因此，樣品在波長447nm 處測定其葉黃素含量。

（1）葉黃素的特征吸收光譜

產品成本優勢是企業提高市場競爭力的重要途徑。在業財融合中，業務部門通過各種方式降低產品的物理成本，并為財務部門提供各產品的生產程序，讓財務部門挑選最合適的成本核算方法，從而使本企業的成本核算最精準最科學，從而本企業的產品在同行業中具有較大的成本競爭優勢，最終贏得市場。

2.2 不同條件對葉黃素提取率的影響

2.2.1 表面活性劑對玉米葉黃素提取率的影響

圖2 表面活性劑類型對葉黃素提取率的影響Fig.2 Effect of surfactant type on extraction ratio of lutein

2.2.2 提取時間對玉米葉黃素提取率的影響

圖3 SDS質量分數對葉黃素提取率的影響Fig.3 Effect of SDS mass fraction on extraction ratio of lutein

在液料比13∶1、微波時間5min、微波功率中高火實驗條件下，表面活性劑SDS 質量分數對葉黃素提取率的影響見圖3。由圖3 可知，當SDS 濃度為1.1%左右時玉米葉黃素的提取率接近最大值。因此，選擇SDS 的質量分數為1.1%作為進一步優化范圍。葉黃素的提取率隨著SDS 質量分數的增加呈現增加的趨勢，但是明顯看到增加的趨勢減小，逐漸趨于平緩，隨著SDS 質量分數的進一步增加，提取率有可能降低。隨著SDS 質量分數的增加表面活性劑對蛋白質的作用逐漸增加，但是隨著SDS 質量分數的進一步增加，這種作用對葉黃素提取率的影響減小。

在表面活性劑添加量為0.5%、液料比13∶1、微波時間5min、微波功率中高火實驗條件下，表面活性劑種類對葉黃素提取率的影響見圖2。玉米黃粉中部分葉黃素包覆在蛋白質內存在，溶劑提取時不能將葉黃素充分溶解。由圖2 可知，表面活性劑有利于葉黃素的溶解，葉黃素的提取率在添加表面活性劑后均有所提高。與未添加表面活性劑的對照組比較，表面活性劑加入后葉黃素的提取率有明顯提高，其中提高最明顯的為SDS，提高了137%。SDS 為非離子型表面活性劑，其疏水模式可以改變蛋白質的三級結構，同時避免了與蛋白質的電荷作用模式，從而有利于包覆在蛋白質結構中的葉黃素的溶出。由此可知，在相同條件下，所采用的表面活性劑中，以十二烷基硫酸鈉提取效果最好，故選擇作為該工藝研究中使用的增溶劑。

圖4 提取時間對葉黃素提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction ratio of lutein

在SDS 添加量為1.1%、液料比13∶1、微波功率中高火實驗條件下，提取時間（1min、3min、5min、7min、9min）對葉黃素提取率的影響見圖4。由圖4 可知，隨著提取時間的增加，得率呈先增大后減小的趨勢。微波吸收系數對彌散相的物質濃度具有依賴關系，微波破裂細胞壁時，微波在溶劑內產生的空化氣泡在潰滅時伴隨發生的沖擊波或射流作用可使細胞壁破裂。但由于微波對十二烷基硫酸鈉穩定性有一定影響，進而影響十二烷基硫酸鈉形成膠束增溶效果。隨著微波時間的延長，葉黃素提取率變化不顯著。綜合考慮，選擇提取時間5min 為進一步優化范圍。

2.2.3 微波功率對玉米葉黃素提取率的影響

竹編工藝流程的首要步驟是對竹子進行嚴格的篩選。不同的地域和氣候，會孕育出不同類型的竹子，不同種類的竹材有不同的特點。在選料中應注意3個方面：首先，選擇生長在背面陰山的竹子，一般竹齡以3年生為好，1年生的竹子材質太嫩，4年生以上的竹子質地變脆易斷；其次，竹稈通直，節間長，頭尾粗細相差不大；最后，采伐應避開春分至芒種這段時間，此期竹子含糖分較多，容易生蟲[1]。

在SDS 添加量為1.1%、液料比13∶1、提取時間5min的條件下，微波功率對葉黃素提取率的影響見圖5。由圖5可知，隨著微波功率的增大，葉黃素提取率呈現先增大后減小的趨勢。當微波功率為中高火檔位時達到最大值。隨著微波功率的增加，提取溫度的進一步升高，對葉黃素的穩定性產生不良影響，使得葉黃素的得率降低。因此為進一步明確微波功率對黃酮提取的影響，選取中高火檔位進行微波提取的優化設計。

圖5 微波功率對葉黃素提取率的影響Fig.5 Effect of microwave power on extraction ratio of lutein

2.2.4 液料比對玉米葉黃素提取率的影響

圖6 液料比對葉黃素提取率的影響Fig.6 Effect of liquid to solid ratio on extraction ratio of lutein

在SDS 添加量為1.1%、提取時間5min、微波功率中高火實驗條件下，液料比對葉黃素提取率的影響見圖6。由圖6 可知，隨液料比的增大，提取率增加速度逐漸降低。選擇料液比9∶1、11∶1、13∶1、15∶1、17∶1 對葉黃素提取率的影響進行考察。液料比的增加有利用表面活性劑分子與蛋白質分子間的空間排斥作用，隨著液料比的進一步增加，空間排斥作用對葉黃素提取率的影響降低，葉黃素提取率增加緩慢，本著節約原則綜合考慮選擇13∶1的液料比適宜。

2.3 響應面試驗

為優化表面活性劑微波輔助提取葉黃素的工藝條件，根據Box-Behnken 試驗設計原理，在單因素試驗基礎上，準確稱取5g 玉米黃粉樣品于具塞錐形瓶中，選取表面活性劑質量分數A，微波時間B，料液比C 這3 個對葉黃素提取率影響較大的因素對提取工藝進行響應面分析，各因素響應面分析水平見表1，具體試驗方案及結果見表2。

表1 葉黃素提取響應面分析因素與水平Table 1 Factors and levels of RSM for lutein extraction

表2 葉黃素提取響應面分析結果Table 2 Results of RSM for lutein extraction

2.3.1 擬合模型的建立及顯著性檢驗

利用Design-Expert 軟件對表中實驗數據進行二次多項式逐步回歸擬合，得到數學模型：

葉黃素提取率=8.49+0.29A+0.067B+0.12C-0.15AB+0.15AC+0.050BC-0.37A2-0.077B2-0.094C2，進一步對回歸方程進行分析，其系數顯著性分析結果見表3。

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

從方差分析結果（表3）可以看出，此模型p＜0.01，說明試驗所選用的響應面回歸模型具有高度顯著性。失擬項p=0.1170＞0.05，表明該模型失擬不顯著，因此該二次方程能夠較好地擬合真實的響應面。影響葉黃素提取率的因素主次順序為A＞C＞B，其中A 和C 影響極顯著。交互項的AB 和AC 的p＜0.05，影響顯著，說明這3 個因素之間有少量的交互作用。相關系數R2=0.9626，表明響應值的變化有96%來源于所選因素，說明該模型能很好地描述試驗結果，因而該模型擬合程度較好，試驗誤差小，可用此模型對表面活性劑輔助微波提取玉米葉黃素進行分析預測。

各影響因素兩兩交互作用對葉黃素提取率影響的響應面及等高線圖見圖7～圖9。

2.3.2 響應曲面的分析

8月5日，國際母嬰用品專家貝親在北京BVLGARI酒店舉行“My precious臻寶之旅鋼琴演奏會暨貝親&京東母嬰奶爸盛典”啟動儀式。這場視聽盛宴吸引了300組熱情前來體驗的準媽媽和準爸爸家庭。

圖7 表面活性劑質量分數和液料比對玉米葉黃素提取率影響的響應曲面及等高線Fig.7 Response surface and contour plot of interaction of surfactant mass ratio and liquid to solid ratio on the rate of lutein extraction

圖8 表面活性劑質量分數和微波提取時間對玉米葉黃素提取率影響的響應曲面及等高線Fig.8 Response surface and contour plot of interaction of surfactant mass ratio and microwave extraction time on the rate of lutein extraction

通過模型方程所作的響應曲面分析，可直觀地描述各因素對葉黃素提取率的影響和各因素間的交互作用，從圖7～圖9 可以看出，響應曲面均是開口向下的凸面，等高線近似為圓形，其中心位于所考察區域內，說明在考察的區域范圍內存在響應值的極大值，同時響應面為高度卷曲的曲面，說明簡單的一次線性方程難以解析。通過Design Expert 軟件分析，表面活性劑輔助微波提取葉黃素的最佳條件：表面活性劑質量分數1.15%，液料比13.83∶1，微波提取時間5.98min。為檢驗RSM 的可靠性，采用上述最優提取條件進行玉米葉黃素的提取試驗，統統是考慮到實際操作情況，將玉米葉黃素最佳提取條件修正為表面活性劑1.15%，液料比14∶1，微波提取時間6min。

2.1 兩組二維超聲、頻譜多普勒和TDI結果比較 A組LVEF、RVFAC和TAPSE顯著低于B組，兩組比較，差異有統計學意義(P<0.05)；A組RVDD、e/e′、E/E′顯著高于B組，兩組比較，差異有統計學意義(P<0.05)。見表1～2。

圖9 液料比和微波提取時間對玉米葉黃素提取率影響的響應曲面和等高線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，采用響應曲面法優化得到的表面活性劑微波輔助提取條件參數準確可靠。該工藝的葉黃素提取率較之前的報道有一定的提高，具有實用價值。

將4項水資源評價指標權重均設定為0.25，加權平均后可得水資源承載指數為0.22；將3項生態條件與環境質量評價指標權重均設定為0.33，加權平均后得生態條件與環境質量承載指數為0.65。參照省內指標的平均水平，按照弱、較弱、一般、較強、強五級分類方法進行分類評價(表4)。將承載能力為強、較強和一般的判定為可載，承載能力較弱的判定為臨界，承載能力為弱的判定為超載。

3 結論

試驗對微波提取葉黃素過程中的幾個重要因素，即表面活性劑類型、表面活性劑質量分數、微波功率、微波提取時間、液料比，分別設定試驗水平，進行單因素試驗。確定了上述影響因素的最佳條件：十二烷基硫酸鈉作為玉米葉黃素提取工藝的表面活性劑效果相對較好，微波提取功率設定在中高火檔位效果最佳，表面活性劑質量分數在1.1%，液料比選擇在13∶1 左右，微波提取時間5min。

根據Box-Benhnken 試驗設計方法，綜合前面單因素試驗結果，選取表面活性劑質量分數、微波提取時間、液料比3 個對葉黃素提取率影響顯著的因素，在單因素試驗的基礎上采用3 因素3 水平的響應面分析方法，預測葉黃素純度的最優提取條件，即表面活性劑質量分數1.15%，液料比13.83∶1，微波提取時間5.98min。

微波輔助法提取葉黃素的最佳工藝條件為表面活性劑質量分數1.15%，液料比14∶1，微波提取時間6min。在此最佳條件下的葉黃素提取率為8.6%。

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