超声波辅助法提取菜籽皮中原花色素工艺优化

潘丽军，范婷婷，姜绍通，操丽丽

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

超声波辅助法提取菜籽皮中原花色素工艺优化

潘丽军，范婷婷，姜绍通，操丽丽

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

以菜籽皮为原料，在单因素试验的基础上，通过四因素二次旋转正交组合设计，对超声波辅助法提取菜籽皮中原花色素的条件进行研究。结果表明：原料粒度60目，乙醇体积分数54%，料液比1:12(脱脂菜籽皮:乙醇，g/mL)，超声时间22.5min的条件下，原花色素的提取率为37.12%。

菜籽皮；原花色素；超声波；提取；响应曲面

Abstract：To optimize proanthocyanidins yield from rapeseed shell extracted by ultrasonic-assisted extraction, single factor experiments followed by response surface analysis combined with a 4-variable quadratic orthogonal rotation combination design were carried out. Results showed that the optimal ultrasonic-assisted extraction, namely using 54% aqueous ethanol to extract the powdered material having particle size of 60 mesh at a material/liquid ratio of 1:12 (g/mL) with the assistance of 22.5 min ultrasonic treatment, resulted in a proanthocyanidins yield of up to 37.12%.

Key words：rapeseed shell；proanthocyanidins；ultrasonic assistance；extraction；response surface methodology

随着菜籽脱皮冷榨制油技术的应用与推广，我国每年将产生大量菜籽皮。菜籽皮占菜籽质量的16%～19%，含有菜籽中90%以上的植酸、色素、单宁及皂素等抗营养因子[1]。对菜籽皮中的植酸、色素等抗氧化成分进行提取，既可以除去其中的抗营养因子，又能有效提升菜籽皮的综合利用价值。

原花色素又称原花青素(proanthocyanidins，简称PC)，也称缩合单宁，是植物中广泛存在的一类的天然多酚化合物[2]。它是具有很强作用的抗氧化剂和自由基清除剂，已被广泛应用于医药、保健品、食品及化妆品等诸多领域[3-10]。国内外关于原花色素的研究多取材于葡萄籽或松树皮，而鲜见关于菜籽皮原花色素的报道。菜籽皮中含有2%～3%的原花色素，是制取原花色素的又一来源[11]。目前，原花色素的制备普遍采用溶剂浸提法从植物中直接提取，该法耗时长，在提取过程中温度较高，易导致原花色素氧化，提取率降低[12]。本实验采用超声波辅助法提取菜籽皮原花色素，旨在控制提取过程中原花色素的氧化，提高其制品提取率，为菜籽皮的综合利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菜籽皮 安徽省大平油脂厂。

原花色素标准品(UV纯度大于95%) 天津一方科技有限公司；乙醇、香草醛、甲醇、盐酸均为分析纯 重庆北碚化学试剂厂；实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 仪器与设备

超声波清洗仪 上海杰理科技有限公司提供；SP-721E型可见光分光光度计 上海精科实业有限公司；Ohaus电子天平 上海富众仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原花色素的检测方法

采用香草酸-盐酸法[13]。原花色素提取率计算公式如下：

式中：m1为提取所得原花色素的质量；m0为原料中原花色素质量。

1.3.2 单因素试验设计

精确称取一定质量脱脂菜籽皮放入锥形瓶中，采用超声波辅助法提取原花色素，考察原料粒度、乙醇体积分数、料液比(脱脂菜籽皮:乙醇，g/mL)、超声波处理时间对原花色素提取率的影响。

1.3.3 四因素二次回归旋转正交组合试验设计[14-16]

根据单因素试验的初步探索，采用四因素二次回归旋转正交组合设计，对超声波辅助法提取原花色素的工艺条件进行优化。试验因素及水平选取见表1。

表1 超声波提取菜籽皮原花色素试验的因素与水平Table 1 Variables and levels in dramatic orthogonal rotation combination design

2 结果与分析

2.1 原料粒度对原花色素提取率的影响

图1 原料粒度对原花色素提取率的影响Fig.1 Effect of material particle size on proanthocyanidins yield

在乙醇体积分数50%，料液比1:8，超声波提取时间15min的条件下，不同原料粒度对原花色素提取率的影响如图1所示。原料粉碎粒度为60目时，提取率最高，可达33.68%；粉碎粒度高于60目，提取率反而降低。分析其原因为菜籽皮研磨过细时，粉末在溶液中结团，与溶剂接触不充分降低了原花色素提取率。

2.2 乙醇体积分数对原花色素提取率的影响

图2 乙醇体积分数对原花色素提取率的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，料液比1:8，超声波提取时间15min的提取条件下，不同体积分数乙醇对原花色素提取率的影响如图2所示。随着乙醇体积分数的增加，原花色素提取率有上升的趋势，当乙醇体积分数达到50%时，原花色素提取率达到最大值，之后随着体积分数的继续增加，原花色素提取率下降。原因可能是水具有穿透植物细胞的作用，水的添加比例减少导致原花色素从菜籽皮中渗出量降低。

2.3 料液比对原花色素提取率的影响

图3 料液比对原花色素提取率的影响Fig.3 Effect of material/liquid ratio on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，乙醇体积分数50%，超声波提取时间15min的提取条件下，料液比对原花色素提取率的影响如图3所示。当料液比为1:10时，原花色素提取率为33.27%，料液比继续增大对提取率影响不明显。所以从节约成本角度考虑，本实验选取料液比为1:10。

2.4 超声波处理时间对原花色素提取率的影响

在原料粒度60目，乙醇体积分数50%，料液比1:10的提取条件下，超声波辅助提取时间对原花色素提取率的影响如图4所示。超声波振荡20min时，原花色素提取率最高，当继续延长振荡时间，原花色素提取率变化不大，而且超声波时间过长，会导致温度升高，影响原花色素的稳定性。

图4 超声时间对原花色素提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on proanthocyanidins yield

2.5 四因素二次回归旋转正交组合设计试验结果分析

表2 超声辅助提取菜籽皮原花色素四因素二次旋转正交设计试验方案与结果Table 2 Arrangement of dramatic orthogonal rotation combination design and experimental values of proanthocyanidins yield

采用回归旋转正交组合设计，进行超声波辅助提取原花色素的试验方案与结果如表2所示。

利用SAS软件对表2数据进行回归拟合，得到菜籽皮原花色素提取率Y与自变量X1、X2、X3和X4的二次回归方程为：

对该模型进行的方差分析及显著性检验结果见表3。

表3 方差分析及显著性检验Table 3 Analysis of variance and significant test for fitted quadratic regression equation

由表3可知，原料粒度、乙醇体积分数、料液比及超声时间4个因素及其二次项对提取率的影响均在显著水平及以上；而各因素之间的交互作用对提取率的影响不显著；因变量与自变量之间的多元回归关系是高度显著的(复相关系数R2= 0.9315)，该模型对Y值变化的描述程度为93.15%，且失拟性检验结果为不显著，表明试验设计结果可靠。删除不显著的回归数据项后，其最优回归模型为：

对以上数据用SAS软件绘出的响应面及其等高线图如图5～10，该图形较好地描述了原料粒度、乙醇体积分数、料液比及超声时间对原花色素提取率的影响过程。

图5 Y=F(X1,X2)响应曲面图及等高线图Fig.5 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ethanol concentration (X2) on proanthocyanidins yield (Y)

图6 Y=F(X1,X3)响应曲面图及等高线图Fig.6 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

图7 Y=F(X1,X4)响应曲面图及等高线图Fig.7 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

图8 Y=F(X2,X3)响应曲面图及等高线图Fig.8 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

图9 Y=F(X2,X4)响应曲面图及等高线图Fig.9 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

图10 Y=F(X3,X4)响应曲面图及等高线图Fig.10 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material/liquid ratio (X3) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

从图5可以看出，X1码值在－0.6～1.0，X2码值在－0.6～1.3时，原花色素提取率达到最大。图6表示了在原料粒度不变时，料液比的增加会使提取率不断增大，料液比为1:8时提取率达到最大，之后提取率趋于平衡。同样，当料液比一定时，提取率随原料粒度先增大后减小，当原料粒度为60目时，提取率较高。由图7得知，原料粒度不变时，提取率随超声时间的增加先增大后趋于稳定，而超声时间一定时，提取率随原料粉碎粒度的增加先增大后减小。由图8可知料液比一定时，乙醇体积分数增大会使提取率增大，当乙醇体积分数高于60%后提取率趋于稳定。图9显示超声时间一定时，提取率随着乙醇体积分数的增大呈先增后减趋势。X2码值在－0.2～0.8，X4码值－0.3～1.3时，原花色素提取率可达到37%。图10为料液比与超声时间对原花色素提取率的影响。料液比的增大和超声时间的延长都有助于原花色素的提取，但料液比高于1:10和超声时间大于18min后，提取率不再增大。由此可知，原花色素提取率与上述四个因素均存在对应关系。

由SAS软件分析得出各因素最优水平组合为：X1=0.17904，X2=0.38168，X3= 1.01768，X4=0.52085，此时，Y=37.72，即提取率为37.72%。在实际实验中，近似取X1=0，X2=0.4，X3=1，X4=0.5，即原料粒度60目，乙醇体积分数54%，料液比1:12，提取时间22.5min。在该条件下，实验得原花色素平均提取率为37.21%，误差为1.34%。说明采用四因素二次回归旋转正交组合设计寻求的最佳工艺条件是可行的。

3 结 论

采用四因素二次回归旋转正交组合设计，得到超声波辅助法提取菜籽皮原花色素的最佳工艺条件：原料粒度60目，乙醇体积分数54%，料液比1:12，浸提时间为22.5min，此时原花色素提取率为37.12%。用传统溶剂法提取菜籽皮原花色素时，在料液比1:10，乙醇体积分数50%，温度55℃，pH5，摇床振荡2h的条件下，原花色素提取率仅为20%，与其相比超声辅助波提取法是较为有效的方法。但总体来看，提取率仍然较低，这可能是由于菜籽皮中的原花色素大部分与蛋白质和纤维素结合，而游离原花色素相对较少。此外菜籽皮中原花色素含量还与菜籽皮的贮存条件有关，贮存温度过高或放置过久都会影响原花色素的提取效果，这些都是进一步研究需要解决的问题。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Proanthocyanidins from Rapeseed Shell

PAN Li-jun，FAN Ting-ting，JIANG Shao-tong，CAO Li-li
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

TS229

A

1002-6630(2010)10-0047-06

2009-08-10

“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD05A12)

潘丽军(1955—)，女，教授，研究方向为农产品资源综合利用。E-mail：panlijun1955@163.com