微波輔助萃取藍(lán)莓中花青素降解工藝研究

1、微波輔助萃取藍(lán)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(xué)工程學(xué)院摘要:為獲得高得率、低降解率的微波輔助萃取藍(lán)莓花青素的工藝，以藍(lán)莓為原料，考 查微波功率、萃取時間、乙醇濃度和料液比對藍(lán)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(qiáng)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(yàn)值與預(yù)測值相對誤差為0. 23%,驗(yàn)證了模型具有較高準(zhǔn)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(lán)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(xué)基金項(xiàng)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(lán)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(hù)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(qiáng)的敏感性 凹。如何從藍(lán)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(diǎn)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(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。王芳 等總1研究了溫度對藍(lán)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(xué)者僅對影響花青素降解的因素進(jìn)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(yàn)，考查微波強(qiáng)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(biāo)，通過二次正交旋轉(zhuǎn) 中心組合設(shè)計試驗(yàn)來優(yōu)化合理的工藝參數(shù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料挑選成熟度均一、籽粒飽滿的藍(lán)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(jī)中進(jìn)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(jī)（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(jī)進(jìn)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(xì)化 工有限公司。1. 2試驗(yàn)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(zhǔn)確稱取2. 000 0 （±0. 000 5） g藍(lán)莓粉置于萃取容器中，加入試驗(yàn) 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(shí)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(jī)有限公司）離心機(jī)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(lán)莓中花青素萃取率和降解率。方法如下： 用移液槍準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方程y=1.612x-0. 048 516 （決定系數(shù)r=0. 998 9）計算出藍(lán)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(lán)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(zhǔn)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(yàn)設(shè)計選用微波強(qiáng)度（w/g）、萃取時間（s）、乙醇濃度（%）、料液比（g/m l）作為 試驗(yàn)因素，以藍(lán)莓中花青素降解率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，如表1所示。微波強(qiáng)度x/w g-1萃取時間蜀/s乙醇濃度/%50020100253515050502007565250100801) 單因素試驗(yàn)。以藍(lán)莓為原料，選取微波強(qiáng)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(yàn)因素，以 花青素降解率為目標(biāo)因素。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。2) 組合試驗(yàn)。選用微波強(qiáng)度、萃取時間、乙醇濃度、料液比作為中心組合試驗(yàn) 的影響因素，采用響應(yīng)曲面法(rsm)建立試驗(yàn)參數(shù)的冋歸模型，研究試驗(yàn)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(yàn)水平微波強(qiáng)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(yàn) 進(jìn)行設(shè)計，并對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(lán)莓花青素的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證， 確定木研究的可靠性。2結(jié)果與討論2. 1微波強(qiáng)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(qiáng)度對花 青素降解率的影響，結(jié)果如圖1所示。微波強(qiáng)度/w 圖1不同微波強(qiáng)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(qiáng)度的增加，藍(lán)莓中花青素降解率呈現(xiàn)先降低后升高的趨 勢。當(dāng)微波強(qiáng)度在150w/g吋，花青素降解率達(dá)到最小值5.66%;當(dāng)微波強(qiáng)度在 50150w/g范圍內(nèi)，隨著微波強(qiáng)度的增加，花青素降解率降低；當(dāng)微波強(qiáng)度在 150250w/g范圍內(nèi)，隨著微波強(qiáng)度的增加，降解率增加。其原因是隨著微波強(qiáng) 度的進(jìn)一步增加，萃取液溫度迅速增加，花青素是熱敏性物質(zhì)，當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(lán)莓中花青素降解率呈現(xiàn)先降低后升高的趨 勢。當(dāng)微波萃取時間在50s時，降解率達(dá)到最小值5. 57%o當(dāng)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(qiáng)，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(qiáng)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(dāng)乙醇濃度在50%時，花青素萃降解率達(dá)到最小值7. 96%;當(dāng)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(dāng)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(dāng)乙醇濃度進(jìn)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(qiáng)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(dāng)料液比在1 ： 30時，花青素

20、降解率達(dá)到最小值3.79%;當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)入藍(lán)莓顆粒內(nèi)的微波能少，細(xì)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(yàn)的設(shè)計編碼條件進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，以花青素降解率為試驗(yàn)指 標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

21、分析。表3中心組合試驗(yàn)設(shè)計和結(jié)果下載原表試驗(yàn) 編號試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計和結(jié)果下載原表續(xù)表3試驗(yàn)編號試驗(yàn)因素101-1111-1-1112200013002014一 1-111151-11116111171-1-11800-2019-111表3中，xi為微波強(qiáng)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(xiàng)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(xiàng)極顯著，x2、 xs、xn、x2x3項(xiàng)顯著。試驗(yàn)選取的各因素對藍(lán)莓花青素降解率的影響程度大小順 序依次為微波強(qiáng)度料液比萃取時間乙醇濃度。剔除模型中不顯著項(xiàng)，得到藍(lán) 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(qiáng)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(lán)莓花青素萃取率(%)。3.1.2微波強(qiáng)度和料液比對花青素降解率交互影響當(dāng)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(qiáng)度對藍(lán)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(qiáng)度和料液比對花青素降解率的影響下載原圖當(dāng)料液比在某一水平時，隨微波強(qiáng)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(dāng)微波強(qiáng)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(dāng)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(dāng)料液比在1 ： 30和微波強(qiáng) 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(dāng)微波強(qiáng)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(lán) 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(xué)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(yàn) 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(dāng)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(diǎn)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(lán)莓花青素微波強(qiáng)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(yàn)設(shè)計（response surface/

26、central composite design）對萃 取藍(lán)莓花青素的工藝參數(shù)進(jìn)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(yàn)證值下載原表因素微波強(qiáng)度/w g優(yōu)化參數(shù)150驗(yàn)證參數(shù)150以花青素降解率最低作為目標(biāo)，所得的最優(yōu)工藝參數(shù)為:微波強(qiáng)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(jìn)行驗(yàn)證 試驗(yàn)，經(jīng)過3次試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)證 了回歸模型的適用性。4結(jié)論藍(lán)莓中花青素降解率隨微波強(qiáng)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(yàn)，以花青素降解率最低為目標(biāo)，確定了最 優(yōu)的工藝參數(shù)組合為:微波強(qiáng)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(xiàn)1 胡雅馨，李京，惠伯棣藍(lán)莓果實(shí)中主要營養(yǎng)及花青素成分的研究j食品 科學(xué)，2006, 27 (10) : 600-6032 曹雪丹，方修貴，趙凱，等藍(lán)莓花色首研究進(jìn)展j.中國農(nóng)學(xué)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(jìn)展j.

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