微波輔助萃取藍莓中花青素降解工藝研究

1、微波輔助萃取藍莓中花青素降解工藝研薛宏坤徐浩朱廣浩鄭先哲東北農(nóng)業(yè)大學工程學院摘要:為獲得高得率、低降解率的微波輔助萃取藍莓花青素的工藝，以藍莓為原料，考 查微波功率、萃取時間、乙醇濃度和料液比對藍莓中花青素降解率的影響。結(jié)果 表明：確定最佳工藝組合為微波強度為150w/g.萃取時間為50s、乙醇濃度為50%、 料液比為1 ：30,在此條件下花青素的降解率為8. 36%,模型的預(yù)測值為8.13%。 試驗值與預(yù)測值相對誤差為0. 23%,驗證了模型具有較高準確性。研究結(jié)果將為 微波輔助萃取技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：微波輔助萃取;藍莓;花青素;降解;作者簡介：薛宏坤（1988-），男，河

2、南周口人，博士研究生，（e-nia訂） 1657956529qq. com。作者簡介：鄭先哲（1968-）,男，吉林德惠人，教授，博士生導(dǎo)師。收稿日期:2017-02-09基金：國家自然科學基金項目（31271911, 31571848）study on deprada processmi cr owave-as sis ted extraction ofanthocyanins from blueberryxue hongkun xu hao zhu guanghao zheng xianzhecollege of engineering, northeast agriculturaluni

3、versity;abstract：in order to obtain high yield and low degradation rate microwave assisted extraction of anthocyanins from blueberry. blueberry power were used as a test materials, the effects of microwave intensity, extraction time, ethanol concentration and solid-liquid ratio on the degradation ra

4、te of blueberry were studied. results indicated that the optimal combination of microwave extraction parameters was obtained as microwave intensity of 150w/g, the extraction time of 50 s, the ethanol concentration of 50%, the solid-liquid ratio of 1: 30 with the anthocyanin degradation rate of 8. 36

5、%, the predictive value of the model was 8. 13%. the relative error between the experimental value and the predicted value waso. 23%, which validated the accuracy of the model. the research results presented theoretical basis for the industrial application of microwave-assisted extraction technology

6、.keyword：microwave-assisted extraction; blueberry; anthocyanins; degradation;received： 2017-02-090引言藍莓中富含豐富的花青素、維生素c和維生素el-2,這些活性成分具有較高 的營養(yǎng)價值，有益于人體健康。其中，花青素具有抗氧化、清除人體自由基、抗 炎、保護心腦血管和緩解視疲勞等功效s1，在食品、保健品、藥品和化妝品 等行業(yè)中有著巨大的應(yīng)用潛力臣1。由于花青素屬于熱敏性成分，對高溫、光、 氧氣等外界條件有很強的敏感性 凹。如何從藍莓中獲取高得率、低降解率的花青素成為科研工作者研究的熱點話題。 造成花青

7、素降解的因素有內(nèi)因和外因：內(nèi)因是花青素自身結(jié)構(gòu)，由于花青素具有 多個酚耗基，根據(jù)取代基的不同，穩(wěn)定性差異較大，甲基化能增加花青素的穩(wěn) 定性，疑基化使花青素穩(wěn)定性降低£q；外因國內(nèi)外學者也進行了相關(guān)研究。王芳 等總1研究了溫度對藍莓活性成分影響，表明高溫可加快活性成分降解；chan£91 等研究微波輔助萃取植物中的花青素，表明微波輻射使萃取體系極性分子吸收 微波能，溫度升高，高溫加速花青素降解;reyes等10研究不同p ii下花青素 降解特性，研究發(fā)現(xiàn)p h越高花青素降解速率越快;ochoa等11研究光照對花 青素降解速率的影響，表明在光照下花青素的降解明顯高于避光條件；c

8、hung等 曲研究金屬離子對花青素降解的影響，研究發(fā)現(xiàn)fe、cu加速花青素降解;dorota等13研究向花青素中通入氧氣,發(fā)現(xiàn)隨通氧量增加，花青素降解 速率增加；veridiana等也研究在櫻桃中加入適量的vc能顯著降低花青素降解 速率。以上學者僅對影響花青素降解的因素進行研究，但微波輔助萃取工藝對花 青素降解影響尚未見報道。本文研究主要內(nèi)容:通過單因素試驗，考查微波強度、萃取時間、乙醇濃度、料 液比對花青素降解規(guī)律的影響；以花青素降解率最低為目標，通過二次正交旋轉(zhuǎn) 中心組合設(shè)計試驗來優(yōu)化合理的工藝參數(shù)。1材料與方法1.1試驗材料挑選成熟度均一、籽粒飽滿的藍莓置于冰箱中冷凍，在試騎前從冰箱中取

9、出，解 凍3h,然后放在九陽打漿機中進行打漿;將果漿置于玻璃皿中，放在冰箱中冷 凍12h后，置于td-50凍干機（上海浦東冷凍干燥設(shè)備有限公司）凍至24h,用 植物性粉碎機進行粉碎，過40目篩，制成果粉，避光密封保存與冰箱屮備用。試劑:香草醛、濃鹽酸、甲醇、無水乙醇均為分析純，購自于天津市富宇精細化 工有限公司。1. 2試驗方法1. 2. 1萃取過程1）萃取體系的構(gòu)建:用ab204-s型電子分析天平（梅特勒-托利多儀器（上海） 有限公司）準確稱取2. 000 0 （±0. 000 5） g藍莓粉置于萃取容器中，加入試驗 預(yù)先確定體積和濃度的乙醇作為萃取劑來構(gòu)建萃取體系。2）微波萃取過

10、程:將萃取容器置于微波工作站（mws,加拿大fios公司）的中 央，連接溫度和壓力光纖傳感器，將傳感器的探頭置于萃取體系內(nèi)，利用 fi-0s軟件實時測定萃取液內(nèi)部溫度和壓力的變化。3）萃取體系渣液分離:經(jīng)微波處理后萃取體系倒入離心管中，置于lg10-2. 4a （北京京立離心機有限公司）離心機中以4 ooor/min、15min離心,其目的將上 清液和殘渣分離，用一定濃度乙醇洗滌殘渣，直到殘渣無色為止;收集多次洗滌 的渣液置于100m l容量瓶中，用一定濃度的乙醇定容至刻度得到渣液備用；將上 清液用一定濃度乙醇定容100m l容量瓶屮得到原液備用。4）顯色液制備:a液取l.ooog香草醛置t

11、100m l容量瓶中，用甲醇定容到100m l混均;b液取8ml的濃鹽酸置于100m l容量瓶中，用甲醇定容到100m l混均。 將a液與b液1 ： 1混合制得顯色液。1. 2. 2花青素萃取率測定釆用低濃度香草醛-鹽酸法疋1測定藍莓中花青素萃取率和降解率。方法如下： 用移液槍準確移取1. om l原液置于10m l比色管中，用一定濃度的乙醇將原液 稀釋10倍;然后從稀釋的原液屮取出2 m l置于另一個10m l比色管屮，加入 10m l顯色液，混勻后置于30°cdk-98-iia型恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有 限公司）中，30min （避光）。用lambda35型紫外-可見分光光

12、度計（美國perkin elmer公司）在500nm處測定原液的0d值，利用標準方程y=1.612x-0. 048 516 （決定系數(shù)r=0. 998 9）計算出藍莓中的花青素的濃度值，最后通過花青素萃取 率的計算公式計算出花青素萃取率，其公式為d 二 °二匸八 x 100%其中，d為花青素萃取率（%） ;c為花青素濃度（mg/m l） ;v為定容體積（m l） ;n 為稀釋倍數(shù);w為花青素總量（mg）。本研究中新鮮藍莓中100g果粉花青素總含 量為 101. 17mgo1. 2. 3花青素降解率測定用移液槍準確移取2 m l的渣液置于10 ml的比色管屮，加入10 m l的顯色液,

13、 以下的操作步驟同原液0d值測定方法相同。使用上述方法測定渣液中花青素含 量，即為花青素殘留率，通過式（2）mi,可計算得到微波輔助萃取過程中花 青素的降解率，即丫降解率=1 丫萃取率y殘留率1. 2. 4試驗設(shè)計選用微波強度（w/g）、萃取時間（s）、乙醇濃度（%）、料液比（g/m l）作為 試驗因素，以藍莓中花青素降解率為試驗指標進行試驗設(shè)計，如表1所示。微波強度x/w g-1萃取時間蜀/s乙醇濃度/%50020100253515050502007565250100801) 單因素試驗。以藍莓為原料，選取微波強度(50250w/g),萃取時間 (0100s),乙醇濃度(20%、80%),料

14、液比(1 : 101 ： 50)作為試驗因素，以 花青素降解率為目標因素。每組試驗重復(fù)3次，并對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。2) 組合試驗。選用微波強度、萃取時間、乙醇濃度、料液比作為中心組合試驗 的影響因素，采用響應(yīng)曲面法(rsm)建立試驗參數(shù)的冋歸模型，研究試驗因素 對花青素降解率的影響。各因素的取值范圍如表2所示。試驗水平微波強度/ w g_1萃取時間/s乙醇)-25002(-1100253f0150505(12007522501008(利用 design-expert ver6.0 (sat-ease, inc. , last september, uk)對試驗 進行設(shè)計，并對所有的數(shù)據(jù)進行

15、分析，采用響應(yīng)面分析法得到二次冋歸模型為丫二仏+44+ x 九 x： +24其中，b°為截距回歸系數(shù);bi為線性回歸系數(shù);bi為交互項的回歸系數(shù);xi xj為自 變量。1. 3數(shù)據(jù)處理分別采用 sigma plot 12. 5 (spss, tnc., chicago, us)軟件進行作圖和 design expert vcr6.0 (sat-ease, inc. , last september, uk)軟件，構(gòu)建響應(yīng)曲面 模型，研究因素之間的交互影響及對藍莓花青素的工藝參數(shù)進行優(yōu)化和驗證， 確定木研究的可靠性。2結(jié)果與討論2. 1微波強度對花青素降解率的影響選取萃取時間為50s,

16、乙醇濃度50%,料液比為1 ：30,考查不同微波強度對花 青素降解率的影響，結(jié)果如圖1所示。微波強度/w 圖1不同微波強度對花青素降解率的影響下載原圖 由圖1可知:隨著微波強度的增加，藍莓中花青素降解率呈現(xiàn)先降低后升高的趨 勢。當微波強度在150w/g吋，花青素降解率達到最小值5.66%;當微波強度在 50150w/g范圍內(nèi)，隨著微波強度的增加，花青素降解率降低；當微波強度在 150250w/g范圍內(nèi)，隨著微波強度的增加，降解率增加。其原因是隨著微波強 度的進一步增加，萃取液溫度迅速增加，花青素是熱敏性物質(zhì)，當萃取液溫度到50°c時，花青素結(jié)構(gòu)被破壞，50%以上的花青素發(fā)生降解im；

17、微波強度在 150w/g以上時，萃取液的溫度均大于50°c,從而使花青素降解率增加。2.2萃取過程對花青素降解率的影響選取微波強度為150w/g,乙醇濃度為50%,料液比為1 ：30,考查不同萃取時間 對花青素降解率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：隨著萃取時間的延長，藍莓中花青素降解率呈現(xiàn)先降低后升高的趨 勢。當微波萃取時間在50s時，降解率達到最小值5. 57%o當萃取時間在050s 范圍內(nèi)，降解率隨萃取吋間的增加而降低，原因是此吋花青素萃取率隨吋間的 延長而增加，故花青素降解率降低;隨著萃取時間的延長，花青素降解率增加。由丁隨著微波輻射時間的延長，熱積累效應(yīng)增強，溫度迅速升高

18、。有微波萃取條 件下花青素降解規(guī)律和阿倫尼烏斯方程可以導(dǎo)出，花青素降解量與萃取體系溫 度的關(guān)系方程，其方程19為m 二 afoexp仏m帝由式（4）可知:溫度越高，花青素降解量越大，故花青素降解率增加。fk-c) ji i n()255()萃取時間/圖2不同萃取時間對花青素降解率的影響下載原圖2.3乙醇濃度對花青素降解率的影響選取微波強度為150w/g、萃取時間為50s、料液比為1 : 30,考查不同乙醇濃度 對花青素降解率的影響，結(jié)果如圖3所示。圖3不同乙醇濃度對花青素萃取率和降解率的影響下載原圖 由圖3可知：當乙醇濃度在50%時，花青素萃降解率達到最小值7. 96%;當乙醇濃 度在20%5

19、0%范圍內(nèi)，花青素降解率隨乙醇濃度的升高而降低。當乙醇濃度在 50%吋，乙醇極性與花青素極性相似，根據(jù)相似相容原理，故此吋花青素萃取率 最高,降解率最低；當乙醇濃度進一步增加，高濃度乙醇破壞花青素-蛋口 質(zhì)和花青素-纖維素之前的氫鍵和疏水鍵型1，造成花青素結(jié)構(gòu)被破壞，故花青 素降解率增大。2.4料液比對花青素降解率的影響選取微波強度為150w/g.萃取時間為50s、乙醇濃度50%考查不同料液比對花青 素萃降解率的影響，結(jié)果如圖4所示。1816 -14<<s<*fe3i21±1±20304料液比/g (ml) 1 由圖4可知：當料液比在1 ： 30時，花青素

20、降解率達到最小值3.79%;當料液比在 1 : 101 ： 30范圍內(nèi)，花青素的降解率隨料液比的升高而降低；當料液比在1 : 30、1 ： 50吋，花青素降解率隨料液比的增加而增加。一方面由于固體內(nèi)部存 在傳質(zhì)極限，因此當溶劑量增大時，驅(qū)動力不再增大21,溶劑吸收消耗微波 能，使得進入藍莓顆粒內(nèi)的微波能少，細胞壁破壞能力減弱，花青素萃取率降 低，降解量增加；另一方面由于料液比的增加，加快了其它雜質(zhì)的溶出，溶出的 雜質(zhì)加速花青素降解，因此花青素降解率增加。3花青素的降解工藝優(yōu)化3.1微波輔助萃取參數(shù)交互作用分析按照表3中試驗的設(shè)計編碼條件進行中心組合試驗，以花青素降解率為試驗指 標，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

21、分析。表3中心組合試驗設(shè)計和結(jié)果下載原表試驗 編號試驗因素111-112-200030-2004-11-1-1502006一 1-1一 11711118-11119一 1-1一 1-1表3中心組合試驗設(shè)計和結(jié)果下載原表續(xù)表3試驗編號試驗因素101-1111-1-1112200013002014一 1-111151-11116111171-1-11800-2019-111表3中，xi為微波強度(w/g) ;x2為萃取時間(s) ;x3為乙醇濃度(%) ;x4為料 液比(g/m l)。3.1.1花青素降解率的方差分析和回歸方程由方差分析可知，該模型極顯著(p<0.01),失擬項不顯著(p&g

22、t;0. 05)。決定系 數(shù)r=0. 923 5,說明92. 35%的響應(yīng)值變化能夠用該模型解釋。由方差分析表屮各 因素的f值大小可知:在花青素萃取率的回歸模型中,xz、xi、x“項極顯著，x2、 xs、xn、x2x3項顯著。試驗選取的各因素對藍莓花青素降解率的影響程度大小順 序依次為微波強度料液比萃取時間乙醇濃度。剔除模型中不顯著項，得到藍 莓花青素降解率的回歸方程，即y = 9. 03 - 2. 40x1 + 0. 87x2 + 0. 84j3. 13x + 1. 2ox4 一 0. 87x4 + 0.其中，x】為微波強度(w/g) ;x2為萃取時間(s) ;x3為乙醇濃度(%) ;x為料

23、液 比(g/m l) ;y為藍莓花青素萃取率(%)。3.1.2微波強度和料液比對花青素降解率交互影響當萃取時間和乙醇濃度在50s和50%水平時，考察料液比和微波強度對藍莓花青 素降解率的交互影響，如圖5所示。4(). 0()22. ()13. 755. 005()4()3020料液比/g (ml)"11005()圖5微波強度和料液比對花青素降解率的影響下載原圖當料液比在某一水平時，隨微波強度的增加，花青素降解率呈現(xiàn)先減小后升高 的趨勢。其原因同單因素2.1。當微波強度一定時，花青素降解率隨料液比的增 加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其原因是隨料液比的增加，花青素萃取率增加， 因此花青素降解

24、率降低。當料液比較高時，其他極性醇溶性成分溶解，抑制花青 素溶解，花青素萃取率下降，故花青素降解率增加。當料液比在1 ： 30和微波強 度在150w/g時，花青素萃取率最低7. 23%。3.1. 3萃取時間和乙醇濃度對花青素降解率的交互影響如圖6所示o當微波強度和料液比在150w/g和1 ： 30水平時，考察萃取時間和乙醇濃度對藍 莓花青素降解率的交互影響，圖6萃取時間和乙醇濃度對花青素降解率的影響下載原圖 由圖6可知：乙醇濃度和萃取時間顯著影響花青素降解率。乙醇濃度在某一水平 時，花青素降解率隨萃取過程呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。由于花青素降解符合一級反 應(yīng)動力學模型22,即c 二 co exp（

25、一 kt）其中，k為反應(yīng)速率常數(shù)。微波處理過程中溫度對k的影響采用arrhenius經(jīng)驗 方程23,即由式（6）、式（7）可知：隨著萃取時間的延長，萃取液的溫度升高，反應(yīng)速率 常數(shù)k增大，故花青素降解率增加。當萃取時間一定時，花青素降解率隨乙醇濃 度的增加而增加。其原因是隨乙醇濃度的增加，萃取體系蒸憎水含量減少，其沸 點低于蒸鐳水，因此高濃度的乙醇更易吸收微波能，使萃取體系溫度升高，高 溫加速花青素降解，故花青素降解率隨乙醇濃度的增加而增加。3. 2最優(yōu)工藝參數(shù)優(yōu)化在建立藍莓花青素微波強度、萃取時間、乙醇濃度、料液比的回歸模型的基礎(chǔ)上, 采用中心組合試驗設(shè)計（response surface/

26、central composite design）對萃 取藍莓花青素的工藝參數(shù)進行優(yōu)選組合，優(yōu)化后的工藝參數(shù)和最優(yōu)結(jié)果如表4 所示。表4優(yōu)化結(jié)果和驗證值下載原表因素微波強度/w g優(yōu)化參數(shù)150驗證參數(shù)150以花青素降解率最低作為目標，所得的最優(yōu)工藝參數(shù)為:微波強度為150w/g.萃 取時間為50s、乙醇濃度為50%、料液比為1 ：30。在最優(yōu)工藝條件下進行驗證 試驗，經(jīng)過3次試驗確定的最優(yōu)結(jié)果為& 36%,而冋歸模型的預(yù)測值為& 13%。 試驗值與預(yù)測值相對誤差為0. 23%,表明了優(yōu)化結(jié)果的合理性，并進一步驗證 了回歸模型的適用性。4結(jié)論藍莓中花青素降解率隨微波強度、萃取時

27、間、乙醇濃度、料液比的增加均呈現(xiàn)先 減小后升高的趨勢。通過中心組合試驗，以花青素降解率最低為目標，確定了最 優(yōu)的工藝參數(shù)組合為:微波強度為150w/g.萃取時間為50s、乙醇濃度為50%、 料液比為1 ： 30,在此條件下花青素降解率為8. 36%。本研究結(jié)果可為工業(yè)化生 產(chǎn)提供理論依據(jù)。參考文獻1 胡雅馨，李京，惠伯棣藍莓果實中主要營養(yǎng)及花青素成分的研究j食品 科學，2006, 27 (10) : 600-6032 曹雪丹，方修貴，趙凱，等藍莓花色首研究進展j.中國農(nóng)學通報，2012, 28 (15) : 221-226.3 孫建霞，張燕，胡小松，等花青素的提取、分離以及純化方法研究進展j.

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