超聲-微波協同提取玉米葉黃素的技術研究

曹龍奎，周志國，周慕潮，刁靜靜，馮興元，王學群，李麗娜，張麗萍

（1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江昊天玉米有限公司，黑龍江綏化 152000；3.大慶中禾糧食股份有限公司，黑龍江大慶 163319）

葉黃素是一種具有2個羥基末端和氧合類胡蘿卜素骨架C40結構的胡蘿卜素醇[1]，脂溶性類胡蘿卜素的一種，具有較強的抗氧化活性，對視力具有一定的保健作用[2]，還降低心血管疾病的發生率[3]，對乳腺癌、前列腺癌等癌細胞具有一定的抑制作用[4-6]，同時可以維持細胞正常功能、提高人體免疫力。葉黃素在人體內無法直接合成，只能依靠外界攝取[7]，玉米淀粉生產副產物的玉米黃粉中含有大量的葉黃素，是一種優良的葉黃素生產原料。超聲-微波協同提取是一種較為先進的提取方法，具有提取效率高、工藝簡單、能耗低等優勢。因此，試驗采用超聲-微波協同技術提取玉米黃粉中的葉黃素，擬得到玉米葉黃素的高效提取方法，為產業化生產奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米黃粉，黑龍江昊天玉米開發有限公司提供；乙腈、甲醇等，為色譜純；乙酸乙酯、乙醇、丙酮等均為分析純。

1.2 儀器與設備

TGL20M型臺式離心機，常州良友儀器設備有限公司產品；DZF-6050AB型真空干燥箱，上海坤天實驗室儀器產品；RE-501型旋轉蒸發儀，上海貝倫儀器設備有限公司產品；1290 2D-LC型高效液相色譜，Agilent公司產品；BILON-CW-1000型超聲-微波協同萃取儀，上海比朗儀器制造有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米黃粉葉黃素提取技術路線

精確稱量一定量過80目篩的玉米黃粉，按照一定的料液比添加體積分數95%乙醇和表面活性劑，放入超聲-微波協同萃取儀中進行提取，得到葉黃素提取液，旋轉蒸發后進行真空干燥，得玉米葉黃素粗品[8]。

1.3.2 單因素試驗方法

（1）表面活性劑種類對葉黃素提取率的影響。稱取玉米黃粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入體積分數95%乙醇，提取溫度35℃，提取時間10 min，微波功率300 W，選擇十六烷基三甲基氯化銨（1631）、Tween-20、Tween-80、十二烷基硫酸鈉（SDS）等4種物質作為表面活性劑，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，確定最佳的表面活性劑。

（2）表面活性劑添加量對葉黃素提取率的影響。稱取玉米黃粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入體積分數95%乙醇，提取溫度35℃，提取時間10 min，微波功率300 W，分別考查表面活性劑質量分數0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，確定最佳的表面活性劑添加量。

（3）微波功率對葉黃素提取效率的影響。稱取玉米黃粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入體積分數95%乙醇，提取溫度35℃，提取時間10 min，微波功率分別為100，200，300，400，500 W，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，根據所得數據繪制出葉黃素提取率與微波功率之間的關系曲線圖，分析葉黃素提取率隨著微波功率變化的規律[9]。

（4）提取溫度對葉黃素提取率的影響。稱取玉米黃粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入體積分數95%乙醇，微波功率300 W，提取時間10 min，提取溫度分別為25，30，35，40，45℃5個水平，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，根據所得數據繪制出葉黃素提取率與提取溫度之間的關系曲線圖，分析葉黃素提取率隨著提取溫度變化的規律[10]。

（5）提取時間對葉黃素提取率的影響。稱取玉米黃粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入95%乙醇，微波功率300 W，提取溫度35℃，提取時間分別為5，10，15，20，25 min，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，根據所得數據繪制出葉黃素提取率與提取時間之間的關系曲線圖，分析葉黃素提取率隨著提取時間變化的規律[11]。

（6）液料比對葉黃素提取率的影響。稱取玉米黃粉10 g，微波功率300 W，提取溫度35℃，提取時間10 min，料液比分別為1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25（g∶mL）加入體積分數95%乙醇，每個水平做3個平行樣，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取的工藝路線步驟試驗，按照葉黃素提取率技術方法計算提取率，根據所得數據繪制出葉黃素提取率與液料比之間的關系曲線圖，分析葉黃素提取率隨著液料比變化的規律[12]。

1.3.3 響應面優化試驗方法

采用響應面法優化提取方法，試驗因素分別為葉黃素提取率（Y），微波功率（X1），提取溫度（X2），提取時間（X3），料液比（X4）。

試驗因素與水平設計見表1。

表1 試驗因素與水平設計

1.3.4 提取液中葉黃素類總含量的測定

（1）葉黃素HPLC色譜分析條件。流動相為乙醇∶甲醇∶乙腈=5∶5∶90，色譜柱為C18柱（250 mm×4.6 mm，5μm），檢測波長450 nm，流速1.0 mL/min，進樣量1μL，柱溫30℃[13]。

（2）葉黃素提取率的計算方法。分別將葉黃素粗品用5mL乙酸乙酯進行溶解，經0.45μm微孔膜過濾后進行HPLC分析，測定樣品中葉黃素的含量，并計算葉黃素的提取率，計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 不同條件對葉黃素提取率的影響

2.1.1 表面活性劑對玉米葉黃素提取率的影響

表面活性劑類型對葉黃素提取率的影響見圖1。

由圖1可知，不同的表面活性劑對葉黃素提取率的影響差異較大，但均高于對照組，說明表面活性劑的添加有助于玉米黃粉中葉黃素的提取[10]。通過試驗可以看出十二烷基硫酸鈉添加后提取率顯著高于其他組。因此，選擇十二烷基硫酸鈉作為試驗的輔助提取劑[14]。

2.1.2 表面活性劑添加量對玉米葉黃素提取率的影響

圖1 表面活性劑類型對葉黃素提取率的影響

表面活性劑添加量對葉黃素提取率的影響見圖2。

圖2 表面活性劑添加量對葉黃素提取率的影響

由圖2可知，隨著SDS添加量的不斷提高，葉黃素的提取率呈不斷上升的趨勢，在0.9%左右提取率接近最大值，之后趨于平衡。因此，選擇最佳的SDS添加量為0.9%。

2.1.3 提取時間對玉米葉黃素提取率的影響

提取時間對葉黃素提取率的影響見圖3。

圖3 提取時間對葉黃素提取率的影響

由圖3可知，隨著提取時間的增加，提取率呈先增大后減小的趨勢，在15 min達到最大值。隨著微波時間的延長，葉黃素結構也受到破壞，導致提取率不斷下降。綜合考慮，選擇提取時間15 min為中心進一步的試驗優化[14]。

2.1.4 提取溫度對玉米葉黃素提取率的影響

提取溫度對葉黃素提取率的影響見圖4。

由圖4可知，隨著提取溫度的不斷增加，葉黃素提取率逐漸增大，當提取溫度達到35℃時達到最大值。隨著提取溫度大于35℃后，對葉黃素的結構產生影響，葉黃素的提取率逐漸降低。因此為進一步明確提取溫度對葉黃素提取的影響，選取提取溫度35℃為中心進行進一步的試驗優化。

圖4 提取溫度對葉黃素提取率的影響

2.1.5 微波功率對玉米葉黃素提取率的影響

微波功率對葉黃素提取率的影響見圖5。

圖5 微波功率對葉黃素提取率的影響

由圖5可知，隨著微波功率的不斷增大，葉黃素提取率逐漸增大，當微波功率為300 W時達到最大值。當微波功率大于300 W后溫度會隨之提高，對葉黃素的結構產生影響。因此為進一步明確微波功率對葉黃素提取的影響，選取300 W為中心進行微波提取的試驗優化。

2.1.6 料液比對玉米葉黃素提取率的影響

料液比對葉黃素提取率的影響見圖6。

圖6 料液比對葉黃素提取率的影響

由圖6可知，隨料液比的增大，提取率先增大達到一定程度呈現平衡的趨勢。通過試驗發現，當料液比在1∶15（g∶mL）后提取率趨于平衡，因此，為進一步明確料液比對葉黃素提取的影響，選取1∶15（g∶mL）為中心進行微波提取的試驗優化。

2.2 響應面優化試驗的結果與分析

基于單因素試驗結果，以微波功率、提取溫度、提取時間、料液比為自變量X，以葉黃素提取率為固變量（Y），進行響應面試驗[12]。

試驗安排及試驗結果見表2。

表2 試驗安排及試驗結果

回歸方程的方差分析見表3，二次回歸模型參數見表4。

表3 回歸方程的方差分析

由表3可知，回歸模型p＜0.01，而失擬項的p＞0.05，說明該模型擬和結果較好。一次項、二次項p＜0.01，交互項p＜0.05，說明各項均不同程度影響葉黃素的提取率。

以葉黃素提取率為Y值，得出微波功率、提取溫度、提取時間、料液比為X值的回歸方程為：

表4 二次回歸模型參數

2.3 最優條件確定

最優提取條件及吸光度見表5。

表5 最優提取條件及吸光度

提取效果最高時的微波功率345 W，提取溫度38℃，提取時間16 min，料液比1∶14.8（g∶mL），該條件下理論最大的得率為9.33%。驗證試驗得到葉黃素得率為9.30%±0.11%，與理論值非常接近，可以看出試驗建立的模型能夠較好地反映出超聲微波協同提取葉黃素的條件。

3 結論

通過對表面活性劑種類及添加量的單因素分析，確定最佳的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉，添加量為0.9%。確定了超聲微波協同提取玉米葉黃素的最佳工藝參數為微波功率345 W，提取溫度38℃，提取時間16 min，料液比1∶14.8（g∶mL），該條件下得到葉黃素得率為9.30%±0.11%，研究得到了玉米葉黃素的高效提取方法，為產業化生產奠定了理論基礎。