表面活性剂辅助提取超级黑糯玉米色素工艺的研究

盛 玮 宫 坤 毛德悦 薛建平，3 谢笔钧

表面活性剂辅助提取超级黑糯玉米色素工艺的研究

盛 玮1，2，3宫 坤4毛德悦1薛建平1，3谢笔钧2

（淮北师范大学生命科学学院1，淮北 235000）
（华中农业大学食品科技学院2，武汉 430070）
（资源植物生物学安徽省重点实验室3，淮北 235000）
（淮北普豪生物科技有限公司4，淮北 234100）

单因素试验中考察表面活性剂种类及浓度、提取温度、提取时间、料液比以及提取次数对超级黑糯玉米色素提取率的影响。在此基础上，采用Box-Behnken中心组合试验设计，建立提取超级黑糯玉米色素提取率的二次回归方程。方差分析结果表明：提取温度、提取时间及液料比对色素提取率影响极显著；最佳工艺条件为提取温度60.9℃，提取时间74.9 min，液料比23（mL／g）。在此条件下提取2次，色素提取率达92.04%，产率达18.36%。

超级黑糯玉米 色素 表面活性剂

超级黑糯玉米是濉溪县农科所以美国普通黑玉米特殊黑色遗传性状，导入到自育普通黑糯玉米（Zea mays L．ceretina kulesh）自交系中，培育出的超级黑糯玉米新品种［1］，其穗轴（芯）为深紫黑色，鲜穗籽粒中硒、锌、天然黑色素的含量均显著高于普通黑糯玉米，因此，超级黑糯玉米具有更高营养价值［2］。研究表明超级黑糯玉米色素主要化学组分为花色苷［3］，而花色苷类物质具有抗氧化，清除活性氧自由基、抗变异、抗肿瘤、抗过敏、降血脂、保护胃黏膜等多种生物活性［4-7］。超级黑糯玉米芯中黑色素含量高达7%以上，是提取天然食用色素及功能性食品添加剂的极好原料。

表面活性剂可显著降低固-液相的界面张力，增加大分子有机物质的溶解渗出能力，在提取过程中具有缩短浸润时间、提高浸提率等优点。现有研究者利用表面活性剂的增溶、润湿作用，开展了表面活性剂协同提取天然产物活性成分的研究［8-12］，用溶有少量表面活性剂的溶剂代替高浓度溶剂提取天然产物活性成分，提高提取率，以降低提取成本。本研究以溶有少量表面活性剂的酸化水替代高浓度的有机溶剂进行超级黑糯玉米色素提取，在单因素试验中分别考察了表面活性剂的种类及用量、提取温度、提取时间、料液比以及提取次数对色素提取率的影响。在单因素试验结果基础上以提取温度、提取时间和料液比3个因素与超级黑糯玉米色素提取率进行响应面实验设计，优化超级黑糯玉米色素提取条件，为开发和利用超级黑糯玉米色素提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

超级黑糯玉米芯：安徽省濉溪县农科所，干燥、粉碎后过40目筛备用。

吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温 -80、司班 -20、司班-85、单硬脂酸甘油酯、95%乙醇、浓盐酸等均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

W21-420型三用电热恒温水浴锅：天津市秦斯特仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；UV-4802型紫外可见分光光度计：尤尼科上海仪器有限公司；FDV超微粉碎机：北京环亚天元机械技术有限公司；FD5-3冻干机：美国SIM公司。

1.3 试验方法

1.3.1 超级黑糯玉米色素提取单因素研究

准确称取一定量的超级黑糯玉米芯粉，加一定量的浸提溶剂，在一定的条件下浸提后，将提取液过滤定容后，在最大吸收波长515 nm处测定色素提取液的吸光度。根据吸光度的大小研究不同浓度、不同表面活性剂、提取温度、提取时间、液料比、提取次数等因素对超级黑糯玉米色素提取率的影响。

1.3.2 超级黑糯玉米色素提取率的计算

式中：A为每级提取液的吸光度；V为每级提取液的体积／mL。

1.3.3 超级黑糯玉米色素提取工艺的响应面优化

在单因素试验的基础上，固定表面活性剂吐温-20体积分数为2.5%，提取次数为1次，以提取温度（x1）提取时间（x2）和液料比（x3）为试验因素，以超级黑糯玉米色素提取液的吸光度为响应值，进行Box-Behnken试验设计，试验因素水平及编码如表1。

表1 响应面分析因素与水平

1.3.4 数据分析方法

采用Minitab 15、Excel和SPSS 16.0软件进行数据处理和统计分析，所有样品均平行测定3次，测定结果以平均值±标准偏差（¯x±SD）表示，显著性界值P≤0.05。

2 结果与分析

2.1 不同表面活性剂对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的盐酸溶液为浸提剂，分别加入2.0%的不同表面活性剂，在60℃浸提60 min后，将提取液过滤定容后，在最大吸收峰515 nm处测定提取液吸光度A值，其结果见表2。

由表2可知，表面活性剂都能显著提高超级黑糯玉米色素的提取率，以加入吐温-20提取的色素得率最高。与空白对照相比，吐温-20的加入使色素提取率提高了1.4倍，同时吐温-40、吐温-60、吐温-80也分别将色素的得率提高了1.3倍、1.18倍和1.15倍，司班-20、司班-85将色素得率提高了0.68倍和0.28倍，而单硬脂酸甘油酯使色素利率仅提高了0.31倍。

表2 不同表面活性剂对色素提取效果的影响

2.2 不同浓度表面活性剂对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的盐酸溶液为浸提剂，分别加入不同量的吐温-20，在60℃浸提60 min，其结果如表3。

由表3可知，当表面活性剂体积分数小于2.5%，随着表面活性剂浓度的增加色素提取液的吸光度值显著增大。在表面活性剂体积分数为2.5%时，超级黑糯玉米色素提取效果已达到较好水平，再增加表面活性剂的浓度，色素提取液的吸光度变化不显著。表面活性剂用量太大，不仅增加生产成本，并且会使过滤过程中产生较多的泡沫，增加过滤难度，因此表面活性剂的用量在1.5%～2.5%之间为宜。

2.3 浸提温度对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的盐酸溶液为浸提剂，加入2.5% 吐温-20，分别在不同温度下浸提60 min。其结果如表4。

由表4可知，在40～60℃范围内，随着温度升高，吸光值及色素提取率显著增加，但超过80℃，色素提取率下降。提取率下降的主要原因是随着温度的升高浸提剂挥发加快，故提取温度不超过80℃为宜。

表3 不同浓度表面活性剂对色素提取效果的影响

表4 浸提温度对色素提取效果的影响

2.4 浸提时间对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的盐酸溶液为浸提剂，加入2.5% 吐温-20，在60℃ 浸提不同时间，其结果如表5。

表5 浸提时间对色素提取效果的影响

由表5可知，在60 min时间内，随时间的延长，吸光值及色素提取率迅速增加。超过120 min后，吸光值不再增加，反而出现下降，这可能是由于超级黑糯玉米色素降解及提取剂挥发所致。从生产成本考虑，提取时间越长，能耗越大，故提取时间以60 min左右为宜。

2.5 料液比对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

准确称取一定量的超级黑糯玉米芯粉，按不同的料液比加入含有2.5% 吐温-20的0.1 mol／L HCl浸提剂，在60℃ 保温浸提60 min，过滤、离心，取上清液定容后测定吸光度值，结果见表6。由表6可知，料液比在1∶10～1∶20范围内，色素提取率显著提高，其原因可能是随着料液比的增加色素的传质动力也增加，使得原料中更多的色素融入提取剂中。当料液比超过1∶20时，色素的提取率没有显著变化，因此，超级黑糯玉米色素提取料液比为1∶20左右为宜。

表6 料液比对色素提取效果的影响

2.6 响应面法优化超级黑糯玉米色素的提取工艺

2.6.1 试验设计与结果

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken设计，以含有2.5% 吐温-20的0.1 mol／L的盐酸溶液为浸提剂，以提取温度（x1）、提取时间（x2）和液料比（x3）作自变量，以超级黑糯玉米色素提取液的吸光度值为响应值设计试验，试验方案及结果如表7。

表7 响应面分析方案及试验结果

表7 （续）

2.6.2 回归模型建立及方差分析

利用Minitab 15统计软件，通过对表7中超级黑糯玉米色素提取液吸光度数据进行多元回归拟合，获得超级黑糯玉米色素提取液吸光度对编码自变量提取温度、提取时间和液料比的二次多项回归方程：y＝2．212+0．045x1+0．441x2+0．165x3-0．059x12-0．418x22-0．132x32+0．024x1x2-0．022x1x3-0．045x2x3。

表8 方差分析表

表9 回归方程偏回归系数的估计值

对上述回归模型进行方差分析，结果见表8。由表8可知，模型是极显著的（P≤0.01），R2和R2Adj分别为99.83% 和99.51%，说明该模型拟合度良好；为97.24%，说明该模型预测性良好。为检验方程的有效性，对黑糯玉米色素提取的数学模型进行显著性检验，结果见表9。由表9可知，一次项x1、x2和x3极显著（P≤0.01），说明提取温度、提取时间和液料比对色素提取率有极显著影响。交互项中x2x3对色素提取率有显著影响（0.01＜P≤0.05）；二次项和达极显著水平达显著水平。

2.6.3 响应面分析

利用Minitab 15软件对表7数据进行二次多元回归拟合，所得的二次回归方程的响应面及其等高线见图1。从图1c看出，提取时间对色素提取率的影响较显著，曲面较陡，提取温度对色素提取率的影响不太显著，曲面较缓和。由提取时间和提取温度交互作用的等高线可知，提取温度和提取时间的交互作用对色素提取效果的影响非常显著。沿提取时间轴向等高线密集，而提取温度轴向等高线相对稀疏，说明提取时间对响应值峰值的影响比提取温度大。由图1a可看出，提取温度和液料比的交互作用对色素提取效果的影响也非常显著。等高线的形状反映交互效应的强弱大小，圆形表示两因素交互作用不显著，而椭圆形则表示两因素交互作用显著［13］。

图1 各因素交互作用对色素提取率影响的响应面图及等高线图

2.7 最佳提取工艺的确定和试验验证

在选取的各因素范围内，根据回归模型通过Minitab 15软件分析得出，超级黑糯玉米色素最佳提取工艺为提取时间60.9℃、提取时间74.9 min、液料比23∶1（mL／g），色素提取液吸光度的预测值为2.37。为了证实预测的结果，用试验中得到的最佳提取工艺条件重复试验3次，平均超级黑糯玉米芯色素提取液吸光度值为（2.323±0.071），与预测值基本一致。

2.8 浸提次数对超级黑糯玉米色素提取效果的影响

准确称取一定量的超级黑糯玉米芯粉，每次在最佳条件下提取。其色素提取率结果如表10。由表10可知，第1次色素提取率高达78.02%，第2次色素提取率为14.02%，第3次仅为5.17%，3次的提取率达到97.21%。考虑到溶剂成本及浓缩过程能量的消耗，色素浸提次数以2次为宜，色素提取率为92.04%，色素得率为18.26%。

表10 提取次数对色素提取率的影响

3 结论

以含有2.5%吐温-20的0.1 mol／L HCl溶液作为提取剂，通过单因素试验对影响超级黑糯玉米色素提取率的因素研究表明，色素提取率受到许多因素的影响。利用试验设计软件Minitab 15，采用响应面法建立了超级黑糯玉米色素提取工艺条件的二次多项式数学模型，对各因子对响应值的影响进行了分析。结果表明模型拟合程度高，试验误差小。优化得到的最佳提取工艺为：提取时间60.9℃，提取时间74.9 min，液料比23（mL／g）。在此工艺条件下，对超级黑糯玉米芯提取 2次，色素提取率为92.04%，色素得率为18.26%。

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Extraction of Pigment in Super Black Glutinous Corn by Surfactant

Sheng Wei1，2，3Gong Kun4Mao Deyue1Xue Jianping1，3Xie Bijun2
（College of Life Sciences，Huaibei Normal University1，Huaibei 235000）
（College of Food Science and Technology，Huazhong Agriculture University2，Wuhan 430070）
（Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology3，Huaibei 235000）
（Huaibei Puhao Biological Technology Co.，Ltd4，Huaibei 234100）

Effects of surfactant species，surfactant concentration，extracting temperature，extracting time，liquid-tomaterial ratio and extracting times on the yield of pigment of super black glutinous corn have been investigated through single factor experiments in the paper.On the basis of single factor investigations，Box-Behnken core combination experimental design was adopted to provide experimental data in order to establish a regression model describing the extraction of pigment.The analysis of variances revealed that extracting temperature，extracting time and liquid-to-material ratio have a significant effect on the extraction yield of pigment.Extracting temperature of 60.9℃，extracting time of 74.9 min and liquid-to-material ratio of 23（mL／g）were found to be the optimum.On the optimized condition，the extraction rate of the pigment was 92.04%and exaction yield of the pigment was 18.36%after extracting for 2 times.

super black glutinous corn，pigment，surfactant

TS202

A

1003-0174（2014）03-0090-06

安徽省教育厅自然科学研究（KJ2012A255，KJ2011 Z327），安徽省科技攻关（12070303032），淮北市科技攻关（20110216）

2013-05-03

盛玮，男，1963年出生，教授，农产品贮藏与加工