紫玉米芯花青素的超聲波輔助提取及噴霧干燥的工藝優化

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(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

紫玉米芯花青素的超聲波輔助提取及噴霧干燥的工藝優化

陳麗媛,楊敏,孔青,牟海津*

(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

以紫玉米芯為原料,利用響應面實驗優化花青素的超聲波輔助提取工藝,并將獲得的花青素凍干粉添加麥芽糊精,后經噴霧干燥制成花青素粉。響應面實驗結果表明,最佳提取條件為:料液比為1∶13 (g/mL)、提取溫度為41 ℃、水浴提取時間為31 min、超聲提取時間為20 min,在此條件下,得到花青素提取量為(4.623±0.021) mg/g,提取率為94.8%。花青素提取液添加麥芽糊精,經噴霧干燥工藝制成花青素粉,在進風溫度為150 ℃、花青素凍干粉與麥芽糊精質量比為1∶1、固形物濃度為15%時,得到的花青素粉包埋率為86.7%,水分含量為4.8%。本實驗得到了紫玉米芯花青素超聲輔助提取和花青素粉制備的最佳工藝條件,為紫玉米芯的開發利用提供了參考依據。

紫玉米芯,花青素,超聲提取,噴霧干燥

紫玉米(ZeamaysL.)中含有豐富的花青素,研究表明,花青素具有抗氧化[1-3],保護肝臟[4-5],抗糖尿病[6],降血脂[7]等活性。紫玉米芯中也含有豐富的花青素,但由于玉米芯并不能直接被食用,在紫玉米的加工過程中被丟棄,造成了花青素資源的浪費。目前常用的紫玉米芯花青素提取方法為熱浸提法[8-9]、超聲波輔助提取[10]、微波輔助提取[11]等。其中,熱浸提法較為普遍[8-9],但該法提取溫度較高,提取時間較長,對提取劑的消耗也較大。超聲波輔助提取方法能有效地縮短提取時間,節約成本[12]。花青素對pH、光、溫度較為敏感,不穩定[13],而添加麥芽糊精可以將花青素包埋,提高其穩定性,并降低花青素的吸濕性[14]。

本實驗使用超聲波輔助提取紫玉米芯花青素,以花青素得率為評價指標,進行單因素實驗,在此基礎上設計響應面實驗,對花青素的提取工藝進行優化,并將獲得的花青素提取液添加麥芽糊精后進行噴霧干燥,探究花青素噴霧干燥的最佳工藝,以得到更易儲存、穩定性較好的花青素噴霧干燥粉,為推動紫玉米芯的開發利用和工業生產提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

紫玉米芯 市售黑糯紫玉米,將玉米芯放置于60 ℃烘箱中烘至恒重,粉碎,過40目篩備用;乙醇 天津市永大化學試劑有限公司;檸檬酸 上海埃彼化學試劑有限公司;氯化鉀 天津市瑞金特化學品有限公司;鹽酸 煙臺三和化學試劑有限公司;無水乙酸鈉 國藥集團化學試劑有限公司;冰乙酸 江蘇強盛化工有限公司;以上均為分析純試劑;麥芽糊精 食品級,北京鴻瑞嘉盛商貿有限公司。

WJF2000型可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;SHZ-C恒溫水浴恒溫振蕩器 上海躍進醫療器械廠;電子精密天平 奧豪斯國際貿易(上海)有限公司;JY92-IIN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司;GL-20G-II冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠;FD-1A冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司;Labplant SD-06AG噴霧干燥設備 嘉盛(香港)科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 花青素提取量測定方法 本實驗選擇pH示差法[15]測定花青素提取量,在紫玉米芯花青素提取后,得到紫玉米花青素提取液,分別用pH1.0溶液和pH4.5溶液稀釋至一定倍數,待稀釋后的溶液穩定30 min后,分別測量液體在520 nm和700 nm時的吸光度值,并根據以下公式計算花青素提取量:

花青素提取量(mg/g)=ΔA/εL×MW×D×V/G

其中,ΔA是吸光度值之差,ΔA=(A520 nm-A700 nm)pH1.0 -(A520 nm-A700 nm)pH4.5,ε是矢車菊素-3-O-葡萄糖苷的摩爾消光系數,為26900 L/mol,MW是矢車菊素-3-O-葡萄糖苷的摩爾質量,為449.2 g/mol,L是光路路徑長度,為1 cm,D是稀釋倍數,V是提取液的最終體積(mL),G是紫玉米芯粉的質量(mg)。

1.2.2 紫玉米芯中花青素超聲提取 稱取5 g紫玉米芯粉樣品,采用提取劑為95%乙醇∶0.02 mol/L檸檬酸∶水=5∶1∶4(v∶v∶v)[15],料液比為1∶4 (g/mL),水浴振蕩提取時間35 min,提取溫度為40 ℃,超聲功率400 W,超聲總時間20 min,其中超聲工作頻率為工作時間1 s,間歇2 s。離心分離紫玉米芯粉和提取液,測定上清液中花青素提取量。將離心后的紫玉米芯粉繼續提取,重復提取五次,計算花青素提取率,計算公式如下。合并花青素提取液,將提取得到的花青素于-50 ℃下冷凍干燥48 h,制備成花青素凍干粉保存備用。

花青素提取率(%)=花青素提取量/紫玉米芯中總花青素含量×100

1.2.3 花青素超聲提取單因素實驗

1.2.3.1 料液比對花青素提取的影響 稱取5 g紫玉米芯粉樣品,分別設置料液比為1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20 (g/mL),在40 ℃水浴振蕩器中提取30 min,超聲時間為20 min。使用pH示差法[15]對上清液中花青素提取量進行測量。

1.2.3.2 提取溫度對花青素提取的影響 稱取5 g紫玉米芯粉樣品,以料液比為1∶12 (g/mL)添加提取劑,水浴提取溫度分別設置為20、30、40、50、60、70 ℃,水浴提取時間為30 min,超聲時間為20 min。使用pH示差法測定花青素提取量。

1.2.3.3 水浴提取時間對花青素提取的影響 稱取5 g紫玉米芯粉樣品,料液比為1∶12 (g/mL),水浴震蕩器中溫度為40 ℃,水浴提取時間分別設置為0、15、30、45、60 min,超聲時間為20 min。使用pH示差法測定花青素提取量。

1.2.3.4 超聲時間對花青素提取的影響 稱取5 g紫玉米芯粉樣品,料液比為1∶12 (g/mL),40 ℃下水浴提取30 min,超聲時間分別設置為0、10、20、30、40 min。使用pH示差法測定花青素提取量。

1.2.4 花青素提取響應面實驗 在單因素實驗結果的基礎上,使用Box-Behnken Design的設計方法設計了四因素三水平的實驗方案,因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

1.2.5 噴霧干燥制備紫玉米芯花青素粉

1.2.5.1 花青素微膠囊包埋率的計算 包埋率是指微膠囊內部有效成分的含量占微膠囊總有效成分含量的百分比值,是評價微膠囊包埋效果的指標,包埋率測定方法參照王宇濱[16]等人的方法,略有改動。

微膠囊包埋率(%)=(1-微膠囊表面花青素含量/微膠囊總花青素含量)×100

微膠囊表面花青素含量測定:取0.1 g微膠囊樣品,加入5 mL無水乙醇,使用超聲輔助溶解微膠囊表面的花青素,超聲功率200 W,處理時間1 min,過濾并反復洗滌,將濾液定容至10 mL,于520 nm處測定其吸光度值。

微膠囊總花青素含量測定:取0.1 g微膠囊樣品,加入5 mL蒸餾水,使用超聲輔助溶解微膠囊中總花青素,過濾并反復洗滌,將濾液定容至10 mL,于520 nm處測定其吸光度值。

1.2.5.2 進風溫度對花青素粉的影響 本實驗中選擇麥芽糊精作為噴霧干燥的助干劑,稱取花青素凍干粉與麥芽糊精,使其添加比例為2∶1,固形物濃度為10%,噴霧干燥設備進料速度設置為485 mL/h,進風溫度分別設置為130、140、150、160、170 ℃。以微膠囊包埋率和水分含量為評價標準,考察進風對花青素噴霧干燥效果的影響。

1.2.5.3 助干劑添加量對花青素粉品質的影響 紫玉米芯花青素凍干粉與麥芽糊精添加比例分別設置為2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2,固形物濃度為10%,進風溫度為150 ℃,噴霧干燥設備進料速度設置為485 mL/h。以微膠囊包埋率為評價指標,評價麥芽糊精添加比例對花青素噴霧干燥效果的影響。

表2 紫玉米芯花青素五次提取結果Table 2 Results of 5 times extraction of anthocyanin in purple corn cob

1.2.5.4 固形物濃度對花青素粉品質的影響 稱取花青素凍干粉與麥芽糊精,使其添加比例為1∶1,固形物濃度分別設置為5%、10%、15%、20%,進風溫度為150 ℃,噴霧干燥設備進料速度設置為485 mL/h。以微膠囊包埋率以及水分含量為評價標準。

1.3數據處理

實驗數據以平均值±標準差(Mean±SD)表示,采用Excel 2003軟件進行數據處理和作圖,Design-Expert 8.0.6軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1紫玉米芯花青素多次提取結果

紫玉米芯粉被提取5次,每次提取的花青素含量如表2所示,第一次花青素的提取量為2.034 mg/g,僅占總量的41.72%。在第5次提取時,花青素提取量僅為0.168 mg/g,可認為在第5次提取后,紫玉米芯中花青素提取較為完全,因此,紫玉米芯中花青素總含量為4.875 mg/g。

2.2紫玉米芯花青素提取單因素實驗

2.2.1 料液比對提取液花青素提取量的影響 圖1顯示了料液比對紫玉米芯花青素提取量的影響,由圖1中可以看出,在料液比1∶4～1∶12時對花青素提取影響較大,隨著料液比的增加,花青素含量也逐漸增加。料液比大于1∶12時,花青素提取量略有下降。考慮到應節約提取劑用量等原則,選擇料液比為1∶8～1∶16 (g/mL)進行后續實驗。

圖1 料液比對紫玉米芯花青素提取量的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on the extraction content of anthocyanin

2.2.2 提取溫度對花青素提取量的影響 由圖2可知,提取溫度對花青素提取量影響較大。提取溫度為20～40 ℃時,花青素含量隨提取溫度的升高而升高;溫度升至40 ℃時,花青素含量達到最高;溫度大于40 ℃時,花青素含量則開始降低,可能是由于花青素對熱較為敏感,不穩定,遇熱易分解或變質[17]。因此,選擇提取溫度為30～50 ℃進行后續實驗。

圖2 提取溫度對紫玉米芯花青素提取量的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on the extraction content of anthocyanin

圖3 水溶提取時間對紫玉米芯花青素提取量的影響Fig.3 Effects of extraction time on the extraction content of anthocyanin

2.2.3 提取時間對花青素提取量的影響 圖3顯示了提取時間對紫玉米芯花青素提取含量的影響。隨著提取時間的增加,提取液中花青素含量先增加后逐漸減少,提取時間大于30 min時,部分花青素會由于長時間熱處理而被破壞。因此,選擇15～45 min進行后續實驗。

2.2.4 超聲時間對花青素提取量的影響 由圖4所示,在20 min之內,隨著超聲時間的增加,花青素花青素提取量有所提高。超聲時間大于20 min時,花青素提取量呈下降趨勢。超聲時間較短時,花青素提取不完全;但當超聲時間超過20 min時,超聲的能量會破壞部分花青素。因此選擇超聲時間為10～30 min進行后續實驗。

圖4 超聲時間對紫玉米芯花青素提取量的影響Fig.4 Effects of ultrasonic time on the extraction content of anthocyanin

2.3響應面實驗

響應面實驗方案及結果如表3所示,方差分析如表4所示。模型p(Pr>F)值<0.0001,說明回歸方程具有顯著性;其相關系數R2為0.9788,說明該模型擬合度較好,模型成立。回歸方程系數的顯著性分析結果表明,一次項A、B、C,交互項AD、BC,二次項A2、B2、C2、D2對Y值均影響極顯著,交互項AC、CD對Y值影響顯著。各個因素經二次多項回歸擬合后,得到花青素提取量(Y),對料液比(A)、提取溫度(B)、提取時間(C)、超聲時間(D)四個因素的二次多項回歸方程為:Y=4.60+0.35A+0.11B+0.094C-0.027D+0.010AB-0.14AC+0.16AD-0.19BC+0.025 BD-0.12CD-0.61A2-0.53B2-0.32C2-0.28D2。由圖6中A料液比和C提取時間的交互作用可知,花青素提取量隨著料液比和提取時間的增加,先增加而后減少,響應面坡度較陡,表明這兩個因素交互作用較為顯著。圖7、圖8和圖10中,響應曲面也較陡峭,可說明A料液比與D超聲時間、B提取溫度與C提取時間、C提取時間與D超聲時間之間的相互作用也較為明顯。而圖5和圖9中,響應曲面坡度較為平滑,說明其交互作用不明顯。

表3 響應面實驗方案及結果Table 3 Design and results of response surface methodology

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model

注:*,差異顯著,p<0.05;**,差異極顯著,p<0.01。

圖5 料液比(A)和提取溫度(B)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.5 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and extraction temperature(B)on the anthocyanin content

圖6 料液比(A)和提取時間(C)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.6 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and extraction time(C)on the anthocyanin content

圖7 料液比(A)和超聲時間(D)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.7 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

圖8 提取溫度(B)和提取時間(C)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.8 Response surface of effects of extraction temperature(B) and extraction time(C)on the anthocyanin content

圖9 提取溫度(B)和超聲時間(D)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.9 Response surface of effects of extraction temperature(B) and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

圖10 提取時間(C)和超聲時間(D)對花青素提取量影響的響應面圖Fig.10 Response surface of effects of extraction time(C) and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

通過Design-Expert 8.0.6對響應面優化提取工藝結果,分析得到最佳提取工藝為:料液比為1∶13.16 (g/mL),提取溫度為41.02 ℃,提取時間為30.72 min,超聲時間為20.29 min,在此條件下模型預測紫玉米芯花青素提取量為4.659 mg/g。為驗證響應面方法所得結果的可靠性,采用上述實驗條件進行驗證,考慮到實際操作的方便,將上述工藝條件調整為料液比為1∶13 (g/mL),提取溫度為41 ℃,提取時間為31 min,超聲時間為20 min,進行三次平行實驗,得到花青素提取量的為(4.623±0.021) mg/g,提取率為94.8%,高于傳統的浸提法70.2%[18],所得結果與預測值很接近,表明所建模型擬合良好且可靠。

2.4噴霧干燥制備紫玉米芯花青素粉

麥芽糊精具有流動性好,無色,無明顯味道等優點[19]。從紫玉米芯中提取的花青素經冷凍干燥之后,放置在空氣中易吸潮,發生變質,經過添加麥芽糊精進行噴霧干燥包埋后,會使花青素粉水分含量降低,并且不易吸濕,更易于保存。

2.4.1 進風溫度對花青素粉品質的影響 表5顯示了不同的進風溫度對花青素噴干粉的影響,隨著噴霧干燥設備的進風溫度不斷上升,噴干粉的水分含量不斷減少。微膠囊產品含水量在2%～5%之間時品質較好[20]。雖然噴霧干燥過程溫度較高,但在這過程中物料受熱時間極短,因此不易使花青素發生分解。在進風溫度從130 ℃上升至150 ℃的過程中,花青素粉包埋率逐漸上升,這是因為當進風溫度較低時,水分不能快速蒸發,無法使麥芽糊精在花青素表面形成較好的膜,影響包埋率。隨著溫度的逐漸上升,水分可適當蒸發,有效的包埋花青素,包埋率升高。但當進風溫度高于150 ℃時,會使得水分蒸發速度較快,導致微膠囊表面出現凹陷或開裂的現象[21],不能完好的包埋花青素芯材,致使包埋率降低。因此,在工業生產中,應當結合產品水分含量和花青素包埋率兩個指標,確定出最佳的進風溫度。本研究選擇了150 ℃進行后續花青素粉的制備。

表5 進風溫度對花青素粉的影響Table 5 Effects of inlet air temperature on anthocyanin powder

2.4.2 助干劑添加量對花青素粉品質的影響 表6顯示了麥芽糊精的添加量對花青素噴干粉品質的影響,隨著麥芽糊精添加量的增加,花青素噴干粉的顏色逐漸變淺,水分含量減少,包埋率先逐漸增加而后減小。在水分含量較低和包埋率較高的前提下,要保證花青素噴干粉品質及色澤,因此選擇花青素凍干粉與麥芽糊精質量比1∶1為最佳。

表6 花青素與麥芽糊精比例對花青素噴干粉的影響Table 6 Effects of anthocyanin and maltodextrin ratio on anthocyanin powder

表7 固形物濃度對花青素粉的影響Table 7 Effects of solid concentration on anthocyanin powder

2.4.3 固形物濃度對花青素粉品質的影響 表7顯示了固形物濃度對花青素噴干粉的影響。固形物含量影響噴霧干燥的效率以及生產時的經濟成本,較高的固形物濃度會有助于改善噴干粉的流動性和分散性[22]。微膠囊產品含水量要求在2%～5%之間,結合噴干粉水分含量、噴干效果和包埋率,并且考慮到噴霧干燥效率,選擇15%固形物含量為最佳。

3 結論

在單因素實驗結果的基礎上,進行四因素三水平的響應面實驗優化。得到了紫玉米芯花青素提取的最佳工藝參數:料液比為1∶13 (g/mL)、提取溫度為41 ℃、提取時間為31 min、超聲時間為20 min,在此條件下,得到花青素提取量為(4.623±0.021) mg/g,提取率為94.8%,與預測值基本一致,說明響應面法得到的工藝參數真是可靠。添加麥芽糊精作為助干劑,通過噴霧干燥的方法制備花青素噴霧干燥粉,在進風溫度為150 ℃、花青素與麥芽糊精質量比為1∶1、固形物濃度為15%時,包埋率為86.7%,得到水分含量較少,感官評價較好,不易粘壁的花青素粉。該工藝簡便、效率高,為工業化生產紫玉米芯花青素粉提供了高效的工藝流程。

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Optimizationofultrasonic-assistedextractionandspraydryingofanthocyaninsfrompurplecorncob

CHENLi-yuan,YANGMin,KONGQing,MOUHai-jin*

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Response surface methodology was used to optimize the ultrasonic assisted extraction conditions of anthocyanin from purple corn cob and improve the extraction rate. Anthocyanin freeze-dried powder mixed with maltodextrin was processed into powder by spray drying method. The results showed that the optimum conditions were as follows:the solid-liquid ratio,extraction temperature,extraction time and ultrasonic time were 1∶13 (g/mL),41 ℃,31 min and 20 min,respectively. The anthocyanin content and the extraction yield were(4.623±0.021)mg/g and 94.8% at this condition. The anthocuanin powder had low moisture 4.8% and embedding rate 86.7% when the inlet air temperature,the mass ratio(anthocyanin∶maltodextrin)and the solid concentration during spray-drying were 150 ℃,1∶1 and 15%,respectively. The conditions of anthocyanin extraction from purple corn cob and anthocyanin powder preparation were optimized by the single factor experiment and the response surface methodology,and the results provided a reference for the development of purple corn cob.

purple corn cob;anthocyanin;ultrasonic-assisted extraction;spray-drying

2017-02-07

陳麗媛(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：生物工程，E-mail：chenliyyuan_jlu@126.com。

*通訊作者:牟海津(1973-)，男，博士，教授，研究方向：海洋應用微生物，E-mail：mousun@ouc.edu.cn。

TS255.1

:B

:1002-0306(2017)16-0199-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.037