超高压提取苦荞黄酮的工艺优化及动力学模型

王居伟 马挺军 陕 方 贾昌喜

(北京农学院食品科学学院1，北京 102206)

(山西省农业科学院农产品加工研究所2，太原 030031)

超高压提取苦荞黄酮的工艺优化及动力学模型

王居伟1马挺军1陕 方2贾昌喜1

(北京农学院食品科学学院1，北京 102206)

(山西省农业科学院农产品加工研究所2，太原 030031)

为获得超高压提取苦荞黄酮的最佳工艺条件，并描述提取的动力学过程，以压力、保压时间、乙醇体积分数和液料比为试验因子，苦荞黄酮得率为响应值，分别采用单因素试验和Box－Behnken试验对工艺条件进行优化。根据Fick第一扩散定律，以所得数据为样本建立超高压提取苦荞黄酮的动力学模型。结果表明:影响苦荞黄酮得率的因素主次顺序为乙醇体积分数＞液料比＞压力＞保压时间。确定超高压提取苦荞黄酮的最佳工艺条件为:压力 388.1 MPa，保压时间 8.09 min，乙醇体积分数 95.31%，液料比 19.82 mL·g－1，在此条件下苦荞黄酮得率为2.185%，优于传统的回流提取。

苦荞黄酮 超高压 提取 动力学模型

苦荞为蓼科双子叶植物，又名鞑靼荞麦(Fagopyrum tataricum)［1］。苦荞籽粒营养丰富，并含有一些其他粮食作物不含或少含的营养物质，包括生物类黄酮、多肽、糖醇和D－手性肌醇等高活性功能成分［2－3］。苦荞黄酮是存在于苦荞的花、茎、叶和籽粒中的一种多酚类天然产物，主要包括芦丁、槲皮素、异槲皮苷、牡荆苷、异牡荆苷、山奈酚和山奈酚－3－O－芸香糖苷等，其中芦丁含量最高，约占75%以上［1］。苦荞黄酮的含量因不同阶段、不同器官而有所不同，以花、叶的含量最高，外层粉、壳、心粉中含量较低［4－5］。据研究苦荞黄酮类化合物具有抑制心肌损伤，降血脂，增强免疫力，抗氧化和抑菌杀菌等作用［6－10］。目前荞麦黄酮的提取方法包括回流提取法、酶法提取、超声提取、微波提取、超滤法和超临界流体萃取法等［11－16］，其中主要采用回流提取法。本试验采用超高压技术提取苦荞粉中黄酮的工艺，设定不同压力、保压时间、乙醇体积分数和液料比，比较提取得率，确定最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

UHPF/3 L/600 MPa超高压处理设备:包头科发公司;TU－1800紫外可见光分光光度计:北京普析通用仪器有限公司;FW100粉碎机:天津市泰斯特仪器有限公司;101A－2干燥箱:上海市实验仪器总厂;RE－52AA旋转蒸发仪:上海亚荣生化仪器厂。

苦荞:由山西农科院提供，在65℃条件下烘干至恒重，粉碎后过60目筛，保存备用。

芦丁标准品:中国食品药品检定研究院;乙醇、亚硝酸钠(分析纯):北京化工厂;无水三氯化铝(分析纯):天津市津科精细化工研究所。

1.2 试验方法

1.2.1 标准曲线的测定

准确称取芦丁标准品20 mg，用70%乙醇溶解并定容至50 mL。分别移取标准溶液 0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL 于 50 mL 容量瓶中，加 70% 乙醇至10 mL。另加5%NaNO2溶液2 mL，摇匀放置6 min，加10%Al(NO3)3溶液2 mL，摇匀放置6 min后加4%NaOH溶液20 mL，用70%乙醇定容至刻度，摇匀静置15 min，于510 nm波长处测定吸光度。以芦丁含量为横坐标，吸光度为纵坐标作标准曲线。通过线性拟合得到回归方程y=363.61x+0.017 3(R2=0.999 8)，其中x为芦丁含量/g，y为波长510 nm处测定吸光值。结果表明芦丁含量在 0.000 8～0.004 0 g范围内与吸光值线性关系良好。

1.2.2 样品处理

准确称取一定质量的苦荞粉，按照设定液料比

1.2.3 提取工艺设计

分别考察不同压力、保压时间、乙醇体积分数和液料比对苦荞粉中黄酮含量的影响，以确定各因素合适范围。在单因素试验基础上，综合考虑4个因素对提取物中黄酮得率的影响，并根据Box－Behnken的中心组合试验设计原理对各因素进行3水平试验设计。表1为试验因子编码表。加入一定量乙醇水溶液混匀，抽真空密封于铝箔袋中。将其置于超高压容器内(T=18℃)，按照设计参数进行处理。卸压后分离液渣并回收溶剂。剩余物用70%乙醇溶解并定容至50 mL。样品测定时精确吸取2 mL，操作同1.2.1，根据回归方程计算苦荞粉中黄酮含量。生破碎等变化，扩大了溶剂与组织的接触面积，降低了有效成分的传质阻力，提高了得率［17］。在400 MPa时可能苦荞蛋白和多糖分子之间形成静电复合物，从而阻塞通路，导致得率降低［18－19］。高压处理使苦荞蛋白分子内部疏水性氨基酸残基暴露出来，表面疏水区域增加，吸附部分自由黄酮，导致得率降低［18］。

表1 苦荞黄酮提取因素及水平

2.2 保压时间对苦荞黄酮的影响

在乙醇体积分数80%、提取压力300 MPa、液料比30 mL·g－1、室温条件下考察不同保压时间对苦荞黄酮得率的影响，结果如图2。

图2 保压时间对苦荞黄酮得率的影响

2 结果与分析

2.1 提取压力对苦荞黄酮得率的影响

在保压时间6 min、乙醇体积分数80%、液料比30 mL·g－1、室温条件下考察不同提取压力对黄酮得率的影响，结果如图1。

图1 不同提取压力对苦荞黄酮得率的影响

由图1可知，在100～400 MPa的范围内，压力增大得率增加21.81%。增大压力可以提高苦荞细胞内外压力差，从而加快溶剂通过苦荞粉颗粒表面毛细孔浸润到组织细胞内部的速率，并在短时间内达到溶解平衡。迅速卸压过程中反向压力差作为传质动力，加快了有效成分向外扩散的速率，且提取溶剂所形成的强涡流使细胞的细胞壁和细胞内各种膜发

由图2可知，保压时间在4～8 min范围内，随时间延长，苦荞黄酮得率增长6.51%，在8～16 min范围内得率仅增加3.34%。由于提取压力较高，溶剂能在较短时间内渗透到细胞内部，且黄酮的溶解扩散迅速达到平衡，因此苦荞黄酮提取时间较短。确定超高压提取苦荞黄酮的提取时间在8 min最适宜。

2.3 乙醇体积分数对苦荞黄酮的影响

在提取压力300 MPa、保压时间6 min、料液比30 mL·g－1、室温条件下考察不同乙醇体积分数对苦荞黄酮得率的影响，结果如图3。

图3 乙醇体积分数对苦荞黄酮得率的影响

由图3可知，乙醇体积分数在25% ～50%范围内，乙醇体积分数增大得率增加1.48倍;乙醇体积分数在50% ～75%范围内，随乙醇体积分数提高得率变化缓慢，仅增加7.42%;继续提高乙醇体积分数，得率有所下降。可能的原因是:当乙醇体积分数超过75%时，色素、醇溶性杂质，亲脂性强的成分溶出量增加，与黄酮类物质竞争，导致得率下降。

2.4 液料比对苦荞黄酮的影响

在乙醇体积分数80%、提取压力300 MPa、保压时间6 min、室温条件下考察不同液料比对苦荞黄酮得率的影响，结果如图4。

图4 液料比对苦荞黄酮得率的影响

由图4可知，液料比在10～20 mL·g－1范围内，黄酮得率随液料比提高增大了19.60%;在20～50 mL·g－1范围内，随液料比增大得率变化不明显。在提取过程中，苦荞粉中黄酮浓度逐渐降低，溶液中浓度逐渐提高。液料比越大，浓度梯度越大，扩散速率越大。进一步提高液料比会因溶液中黄酮浓度变化不大而使曲线趋于平缓。试验确定液料比为20 mL·g－1较为适宜。

2.5 超高压提取苦荞黄酮工艺参数优化

采用Box－Behnken试验设计研究压力、保压时间、乙醇体积分数和液料比对苦荞黄酮得率的影响，并建立数学模型，以确定苦荞黄酮提取的最优条件。

2.5.1 数学模型的建立和显著性检验

试验设计及结果见表2。

采用 Design－Expert 7.0.0软件对 Box－Behnken试验的数据进行拟合，整理得到苦荞黄酮得率(Y)的回归方程:

表2 Box－Behnken试验设计及结果

表3 回归系数方差分析

由表3可知，回归模型的决定系数 R2为0.984 6，回归模型达到高度显著水平(P＜0.000 1)。其中，一次项、二次项对试验结果有显著性影响。且失拟项P=0.777 0＞0.05，影响不显著，说明该回归模型与实测值能较好地拟合。对表3中各回归系数进行t检验，根据α=0.05显著水平剔除方程(1)中不显著的回归系数，简化后的回归方程为:

2.5.2 主效应分析

由于式(1)中各因素均经无量纲线性编码处理，且所有回归系数之间都是不相关的，因此，可以由回归系数绝对值的大小来直接比较各因素一次项对苦荞黄酮得率的影响［20］。4个试验因素的效应影响大小排序为:乙醇体积分数 ＞液料比 ＞压力 ＞保压时间。

2.5.3 单因素效应分析

将式(1)中4个因素中的3个固定在零水平，分别得到压力(X1)、保压时间(X2)、乙醇体积分数(X3)、液料比(X4)的单因素模型，分别为式(3)～式(6)。将4个因素分别固定在－2，－1，0，+1，+2的5个水平，得到各因子的单因素效果图(图5)。

图5 各单因素水平与苦荞黄酮得率的回归曲线

2.5.4 两因素间的交互效应分析

分别固定回归模型中任意两个因素在零水平，可以得到另外两个因素的双因素模型。在此重点考察压力(X1)和保压时间(X2)，压力(X1)和乙醇体积分数(X3)间的交互效应，并根据模型做出响应面和等高线图。

图6表明压力与保压时间交互作用较弱，最优点十分接近于压力300 MPa和保压时间7 min，并在附近达到最大值。

图6 压力(X1)与保压时间(X2)响应面与等高线图

由图7可知，压力与液料比交互作用较为显著，其最优点接近于压力300 MPa和液料比20 mL·g－1，并在这两点附近达到得率最大值。

图7 压力(X1)与液料比(X4)响应面与等高线图

2.5.5 确定各因素的最优组合

利用Design－Expert 7.0.0分析得到一个稳定点:压力 388.1 MPa，保压时间 8.09 min，乙醇体积分数95.31%，液料比19.82 mL·g－1，并判断该点为最大值点，苦荞黄酮得率为2.291%。按所得条件重复验证3次，得到苦荞黄酮平均得率为2.185%，略低于预测值。

2.6 对比试验

参照前人所得苦荞黄酮热回流提取工艺条件进行对比试验［21］，结果见表4。试验表明超高压提取得率明显优于热回流提取，且具有提取时间短，操作简便等优点。

表4 回流提取和超高压提取最优条件结果比较

2.7 超高压提取苦荞黄酮的动力学模型

2.7.1 动力学模型的建立

超高压提取由3个步骤组成，一是溶剂向组织内部渗透，二是溶质溶解并扩散到固液界面，三是溶质从固液界面向溶剂主体扩散。其中，提取速率主要由第3 步决定［22］。

由Fick第一扩散定律可得:

式中:n为苦荞黄酮的物质的量，D为扩散系数，S为固液界面积，为浓度梯度，负号表示扩散沿浓度梯度减小方向进行。

在提取过程中，苦荞粉中黄酮浓度逐渐降低，溶液中黄酮浓度则不断提高。因此在固液界面层中，黄酮浓度梯度不断减小，可表示为:

超高压提取中，扩散系数D主要与扩散面处的物质浓度c及压力 P 有关［23－24］，可表示为:

D=D0Pmcn(m，n＞0) (9)

式中:D0为固有扩散系数，与扩散体系的特性及温度等因素有关。

将式(8)、(9)代入式(7)中，假定溶液中苦荞黄酮的物质的量在反应开始时为0，t时刻为cV，其中V为溶液体积，积分可得:

设苦荞粉粒数目为ω，颗粒粒度为σ，质量为G，密度为ρ，则:

另设液料比为M，R为苦荞粉充分润湿时所需的溶剂体积与质量之比，经测量R=1.08。

将式(13)，(14)代入式(10)得:

以Box－Behnken试验数据为样本，采用 SAS 9.0软件进行回归分析可得:

式(17)即为超高压提取苦荞黄酮的动力学方程。

2.7.2 动力学模型的验证

设计均匀试验对所得模型进行验证(表5)，并对实测值及预测值进行相关性分析。

表5 相同条件下实测值与预测值的比较

动力学模型的预测值与实测值之间相关性良好，决定系数R2为0.986。表明该模型能够较好地描述超高压提取苦荞黄酮的动力学过程。

3 讨论

已有文献报道超高压提取槐花［25］、金银花［26］、刺五加叶［27］等材料中总黄酮的工艺条件，结果显示超高压提取得率高，时间短。田龙［28］报道了水浸提苦荞黄酮的优化工艺条件为料液比34∶250(g∶mL)，pH 8.0，100 ℃下提取 105 min，得率为 1.440%。张杰［29］研究了超声波法提取苦荞黄酮的优化工艺条件为乙醇体积分数80%，提取温度60℃，料液比1∶30条件下提取30 min，所得黄酮含量为0.095 mg·mL－1。本文研究了超高压提取苦荞黄酮的工艺，苦荞黄酮得率为2.185%，与其他方法相比，具有得率高，提取时间短，操作简便等优点，且超高压提取在常温下进行，避免了因热效应引起黄酮化合物降解以及生理活性降低，超高压提取天然产物具有可行性。

4 结论

超高压提取苦荞黄酮最优工艺条件为:在压力388.1 MPa，保压时间 8.09 min，乙醇体积分数95.31%，液料比19.82 mL·g－1，黄酮得率为2.185%。影响超高压提取苦荞黄酮的各因素主次顺序为:乙醇体积分数＞液料比＞压力＞保压时间。

建立了超高压提取苦荞黄酮的动力学模型:c=4.993P0.0271t0.0039(M － 1.08)－0.8180(R2=0.965 1)。在不同工艺条件下对模型进行验证，模拟值与验证值相关性良好(R2=0.986)，表明该模型能够较好地描述超高压提取苦荞黄酮的动力学过程。

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Technical Optimization and Dynamic Model for Ultrahigh Pressure Extraction of Buckwheat Flavone

Wang Juwei1Ma Tingjun1Shan Fang2Jia Changxi1
(College of Food Science，Beijing University of Agriculture1，Beijing 102206)
(Agricultural Products Processing Research Institute，Shanxi Academy of Agricultural Sciences2，Taiyuan 030031)

To find out the optimal extraction condition for the technology of ultrahigh pressure extraction of buckwheat flavone and describe the dynamic process，the approach was based on the single factor experiments and Box－Behnken experimental design with pressure，dwell time，concentration of ethanol and the ratio of solvent to material as variables and the yield of buckwheat flavone as response value.Based on the Fick＇s first law，the dynamic model of ultrahigh pressure extraction of buckwheat flavone was established on the data obtained from experiments.The results showed that the effect order of four factors on the content of buckwheat flavone was as follow:concentration of ethanol，the ratio of solvent to material，pressure，and dwell time.The optimal extraction conditions were obtained as follow:pressure 388.1 MPa，dwell time 8.09 min，the concentration of ethanol 95.31%and the ratio of solvent to material 19.82 mL·g－1.Under the optimum conditions，the extraction yield of buckwheat flavone was 2.185%，higher than that by reflux extraction.

buckwheat flavone，ultrahigh pressure，extraction，dynamic model

TS201.1

A

1003－0174(2011)12－0093－07

国家现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS－08－D－2)

2011－02－25

王居伟，男，1987年出生，硕士，天然产物提取与利用

马挺军，男，1973年出生，副教授，天然产物提取与利用