超声波辅助提取米糠甾醇的工艺优化
2014-08-26王红利张立
王红利 张立
摘 要：为了寻求最佳的超声波辅助提取米糠甾醇工艺条件，试验采用二水平Plackett-Burman设计对影响米糠甾醇提取的各因素进行筛选，获得影响最大的五个因素：超声波时间，超声波温度、超声波功率、料液比和颗粒度。采用正交试验设计优化了米糠甾醇的超声波辅助提取工艺。试验结果表明最佳提取工艺参数为：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，此条件下的提取率达4.1497mg/g。
关键词：米糠；甾醇；超声波；辅助提取
前言
米糠作为一种可再生的宝贵资源，在过去一段时间里没能得到全面高效的利用，直至研究发现米糠中含有米糠油、植酸、谷维素、甾醇等多种活性成分才受到重视。米糠作为传统的饲料基料已有很长的应用历史，其活性成分甾醇能明显降低血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的含量，同时还具有免疫抵抗、调节动物生长、类激素、抗氧化等功能，是不可多得的绿色功能性饲料添加剂。本文探讨了米糠甾醇的超声波提取条件，旨在为米糠甾醇的深入研究及在饲料中的应用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料及仪器
米糠（汉中本地），甾醇标准品（陕西天维生物制品有限公司，纯度95%），乙酸乙酯、无水乙醇、乙酸酐、浓硫酸、石油醚均为分析纯。
WF-2000超声波快速反应系统（上海屹尧分析仪器有限公司）；Cary50型紫外可见分光光度计 （美国瓦里安）；FW117中草药粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）；SHZ-D9（Ⅲ）循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限公司）；GR-200电子天平（日本AND）等。
1.2 方法
1.2.1 甾醇标准曲线的绘制
精密称取1.0000g甾醇标准品，用乙酸酐在烧杯中溶解，移入100mL的容量瓶中定容，精密量取1mL上述溶液移入100mL容量瓶中再定容，分别精密量取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0mL分别移入9个10mL试管中，加入0.1mL的浓硫酸，根据Lie-Bur比色法，待试管中的颜色由红色变为暗绿色，稳定15min后，测得最大吸收波长为650.00nm，用1cm比色皿于650.00nm处测定不同浓度甾醇标准品的吸光度，绘制标准曲线，得标准曲线回归方程：y=5.6821X-0.0351，相关系数R2=0.9928，说明在测定范围内甾醇标准溶液的线性关系良好。
式中：y-吸光度值， x-甾醇标准溶液浓度，mg/mL。
1.2.2 米糠甾醇提取流程
米糠→干燥粉碎→过60目筛→加入乙酸乙酯→超声波反应→抽滤→离心→取上清液→按照1.2.1 步骤测定吸光度→计算提取率
1.2.3 米糠甾醇含量的测定
用移液管精密量取1.0mL提取液离心后的上清液，按照1.2.1的操作方法测定吸光度，代入标准曲线方程中计算提取液中甾醇浓度C，按下式计算甾醇提取率：
C-测定液甾醇浓度；V-测定液总体积；Q-测定液稀释总倍数；
W-一次提取所用米糠粉末质量；V0-比色皿中测定溶液体积；
1.3 超声波提取米糠甾醇的优化设计
1.3.1 Plackett-Burman设计
选择超声波温度、料液比、超声波时间、超声波功率、颗粒度、提取次数六个因素进行全面考察，选用N=12的Plackett-Burman设计，考察各因素的主效应，确定其对米糠甾醇提取率的影响顺序。
1.3.2 正交试验优化设计
以Plackett-Burman筛选出的五个主要因素作为影响因素，以米糠甾醇提取率为指标，采用L16（45）正交试验设计对提取工艺进行优化。
2 试验结果
2.1 不同提取剂对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.000g 60目的干燥米糠粉末3份，设定超声波功率150W，超声波温度50℃，超声波时间60min，料液比1∶20（g/mL），分别以乙醇、乙酸乙酯、丙酮、石油醚作为提取剂提取一次，研究不同提取剂对米糠甾醇提取率的影响，结果如表1所示。
由表1可知，各提取剂提取米糠甾醇提取率的大小顺序为：乙酸乙酯>石油醚>乙醇，因此选择乙酸乙酯作为所用提取剂。
2.2 单因素试验结果及分析
2.2.1 颗粒度对米糠甾醇提取率的影响
称取颗粒度分别为20目、40目、60目、80目、100目的备用米糠粉末各1.0000g，设定超声波功率150W，超声波温度50℃，超声波时间60min，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同颗粒度对米糠甾醇提取率的影响，结果如图1所示。
原料的颗粒度越细，提取率越高，但同时容易出现粘合结块现象，米糠中含有少量的多糖，多糖的溶出可能会堵塞甾醇的溶出通道，提取效果并不理想。由图1可知，60目时提取率最高，大于60目，甾醇提取率因多糖的溶出而降低，所以选择颗粒度为60目为宜。
2.2.2 超声波时间对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波功率150W，超声波温度50℃，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同超声波时间对米糠甾醇提取率的影响，结果如图2所示。
由图2可知，随着超声波反应时间的延长米糠甾醇的提取率不断增大，反应70min时提取率最大，超过70min后提取率明显减小，这可能是因为长时间的超声波反应对甾醇的结构有一定程度的破坏，故选择超声波时间为70min为宜。
2.2.3 超声波温度对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波功率150W，超声波时间60min，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同超声波温度对米糠甾醇提取率的影响，结果如图3所示。
由图3可知，随着超声波温度的提高，米糠甾醇的提取率也相应增大，超声波温度为60℃时提取率最大，已达到甾醇分子热运动的极点，继续升温，甾醇分子结构遭到破坏，提取率降低。因此，选择60℃为较佳超声波提取温度。
2.2.4 超声波功率对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同超声波功率对米糠甾醇提取率的影响，结果如图4所示。
超声波功率越大，空化作用愈强烈，但超声功率增大到一定程度时容易产生大量无用的空化泡，增加散射衰减，形成声屏障，反而会减弱提取效果。由图4可知，超声功率为150W时甾醇提取率最大；继续增大超声波功率，米糠甾醇提取率减小，故选择150W为较佳超声波功率。
2.2.5 料液比对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W，提取一次，考察不同料液比对米糠甾醇提取率的影响，结果如图5所示。
由图5可知米糠甾醇提取率在1：10g/mL～1：25g/mL范围内随着料液比的增大而增大，之后提取率减小，料液比为1：25g/mL时提取率最大，增大料液比，分子间的传质及传热作用增强，提取率相应增大，综合考虑提取成本及后期纯化工序，选择1：25g/mL作为较佳料液比。
2.2.6 提取次数对米糠甾醇提取率的影响
称取1份颗粒度为60目的备用米糠粉末1.0000g，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W进行超声波提取，将第一次提取后的滤渣干燥至恒重作为第二次提取的原料，将第二次提取后的滤渣再作为第三次提取的原料，考察不同提取次数对米糠甾醇提取率的影响，结果如表2所示，由表2可知，一次提取已经基本上将米糠中的甾醇全部提取，多次提取成本增加，故试验均提取一次。
2.3 Plackett-Burman设计筛选米糠甾醇提取率重要影响因子
按照1.3.1的试验步骤，对超声波时间（A）、料液比（C）、超声波功率（D）、颗粒度（E）、超声波温度（G）、提取次数（H）六个因素外加两个虚拟列B列和F列进行考察，每个因素取低水平“-1”和高水平“1”，响应值为米糠甾醇提取率Y。试验设计安排与结果见表3，因素效应见表4。
Pr值小于0.05表明此因素对试验结果影响显著，Pr值小于0.01表明此因素对试验结果影响极显著。利用SAS8.1软件的二水平设计分析因素的主效应，根据表4的结果，选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素。
2.4 正交试验结果及分析
在单因素试验及Plackett-Burman设计筛选的基础上选择选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素，以提取率为指标，选择L16（45）设计表进行，正交结果见表5。
由表5可知影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度，与Plackett-Burman设计筛选的结果一致。最佳提取工艺为：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，为了验证此条件是否为最佳工艺组合，进行三次平行提取试验，三次试验的提取率分别为4.1893mg/g、4.1035mg/g、4.1563mg/g，取其平均值4.1497mg/g为此条件下的提取率。此条件下的提取率高于正交中的任何组合，因此确定其为最佳工艺。
3 结论
Plackett-Burman设计试验能在较多影响因子中筛选出对实验影响显著的因素，有效减少试验次数及强度。通过正交优化得出超声波辅助提取米糠甾醇的最佳提取工艺条件：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，此条件下的提取率为4.1497mg/g。影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度。参考文献（略）
由图3可知，随着超声波温度的提高，米糠甾醇的提取率也相应增大，超声波温度为60℃时提取率最大，已达到甾醇分子热运动的极点，继续升温，甾醇分子结构遭到破坏，提取率降低。因此，选择60℃为较佳超声波提取温度。
2.2.4 超声波功率对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同超声波功率对米糠甾醇提取率的影响，结果如图4所示。
超声波功率越大，空化作用愈强烈，但超声功率增大到一定程度时容易产生大量无用的空化泡，增加散射衰减，形成声屏障，反而会减弱提取效果。由图4可知，超声功率为150W时甾醇提取率最大；继续增大超声波功率，米糠甾醇提取率减小，故选择150W为较佳超声波功率。
2.2.5 料液比对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W，提取一次，考察不同料液比对米糠甾醇提取率的影响，结果如图5所示。
由图5可知米糠甾醇提取率在1：10g/mL～1：25g/mL范围内随着料液比的增大而增大，之后提取率减小，料液比为1：25g/mL时提取率最大，增大料液比，分子间的传质及传热作用增强，提取率相应增大，综合考虑提取成本及后期纯化工序，选择1：25g/mL作为较佳料液比。
2.2.6 提取次数对米糠甾醇提取率的影响
称取1份颗粒度为60目的备用米糠粉末1.0000g，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W进行超声波提取，将第一次提取后的滤渣干燥至恒重作为第二次提取的原料，将第二次提取后的滤渣再作为第三次提取的原料，考察不同提取次数对米糠甾醇提取率的影响，结果如表2所示，由表2可知，一次提取已经基本上将米糠中的甾醇全部提取，多次提取成本增加，故试验均提取一次。
2.3 Plackett-Burman设计筛选米糠甾醇提取率重要影响因子
按照1.3.1的试验步骤，对超声波时间（A）、料液比（C）、超声波功率（D）、颗粒度（E）、超声波温度（G）、提取次数（H）六个因素外加两个虚拟列B列和F列进行考察，每个因素取低水平“-1”和高水平“1”，响应值为米糠甾醇提取率Y。试验设计安排与结果见表3，因素效应见表4。
Pr值小于0.05表明此因素对试验结果影响显著，Pr值小于0.01表明此因素对试验结果影响极显著。利用SAS8.1软件的二水平设计分析因素的主效应，根据表4的结果，选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素。
2.4 正交试验结果及分析
在单因素试验及Plackett-Burman设计筛选的基础上选择选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素，以提取率为指标，选择L16（45）设计表进行，正交结果见表5。
由表5可知影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度，与Plackett-Burman设计筛选的结果一致。最佳提取工艺为：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，为了验证此条件是否为最佳工艺组合，进行三次平行提取试验，三次试验的提取率分别为4.1893mg/g、4.1035mg/g、4.1563mg/g，取其平均值4.1497mg/g为此条件下的提取率。此条件下的提取率高于正交中的任何组合，因此确定其为最佳工艺。
3 结论
Plackett-Burman设计试验能在较多影响因子中筛选出对实验影响显著的因素，有效减少试验次数及强度。通过正交优化得出超声波辅助提取米糠甾醇的最佳提取工艺条件：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，此条件下的提取率为4.1497mg/g。影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度。参考文献（略）
由图3可知，随着超声波温度的提高，米糠甾醇的提取率也相应增大，超声波温度为60℃时提取率最大，已达到甾醇分子热运动的极点，继续升温，甾醇分子结构遭到破坏，提取率降低。因此，选择60℃为较佳超声波提取温度。
2.2.4 超声波功率对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，料液比1：20（g/mL），提取一次，考察不同超声波功率对米糠甾醇提取率的影响，结果如图4所示。
超声波功率越大，空化作用愈强烈，但超声功率增大到一定程度时容易产生大量无用的空化泡，增加散射衰减，形成声屏障，反而会减弱提取效果。由图4可知，超声功率为150W时甾醇提取率最大；继续增大超声波功率，米糠甾醇提取率减小，故选择150W为较佳超声波功率。
2.2.5 料液比对米糠甾醇提取率的影响
分别称取1.0000g颗粒度为60目的备用米糠粉末5份，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W，提取一次，考察不同料液比对米糠甾醇提取率的影响，结果如图5所示。
由图5可知米糠甾醇提取率在1：10g/mL～1：25g/mL范围内随着料液比的增大而增大，之后提取率减小，料液比为1：25g/mL时提取率最大，增大料液比，分子间的传质及传热作用增强，提取率相应增大，综合考虑提取成本及后期纯化工序，选择1：25g/mL作为较佳料液比。
2.2.6 提取次数对米糠甾醇提取率的影响
称取1份颗粒度为60目的备用米糠粉末1.0000g，设定超声波温度50℃，超声波时间60min，超声波功率150W进行超声波提取，将第一次提取后的滤渣干燥至恒重作为第二次提取的原料，将第二次提取后的滤渣再作为第三次提取的原料，考察不同提取次数对米糠甾醇提取率的影响，结果如表2所示，由表2可知，一次提取已经基本上将米糠中的甾醇全部提取，多次提取成本增加，故试验均提取一次。
2.3 Plackett-Burman设计筛选米糠甾醇提取率重要影响因子
按照1.3.1的试验步骤，对超声波时间（A）、料液比（C）、超声波功率（D）、颗粒度（E）、超声波温度（G）、提取次数（H）六个因素外加两个虚拟列B列和F列进行考察，每个因素取低水平“-1”和高水平“1”，响应值为米糠甾醇提取率Y。试验设计安排与结果见表3，因素效应见表4。
Pr值小于0.05表明此因素对试验结果影响显著，Pr值小于0.01表明此因素对试验结果影响极显著。利用SAS8.1软件的二水平设计分析因素的主效应，根据表4的结果，选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素。
2.4 正交试验结果及分析
在单因素试验及Plackett-Burman设计筛选的基础上选择选择超声波时间、超声波温度、料液比、超声波功率及颗粒度为正交优化试验的五个主要影响因素，以提取率为指标，选择L16（45）设计表进行，正交结果见表5。
由表5可知影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度，与Plackett-Burman设计筛选的结果一致。最佳提取工艺为：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，为了验证此条件是否为最佳工艺组合，进行三次平行提取试验，三次试验的提取率分别为4.1893mg/g、4.1035mg/g、4.1563mg/g，取其平均值4.1497mg/g为此条件下的提取率。此条件下的提取率高于正交中的任何组合，因此确定其为最佳工艺。
3 结论
Plackett-Burman设计试验能在较多影响因子中筛选出对实验影响显著的因素，有效减少试验次数及强度。通过正交优化得出超声波辅助提取米糠甾醇的最佳提取工艺条件：超声波时间70min，超声波温度60℃，料液比1：25g/mL，超声波功率150W，颗粒度60目，此条件下的提取率为4.1497mg/g。影响米糠甾醇提取率的因素大小顺序为：料液比>超声波功率>超声波时间>超声波温度>颗粒度。参考文献（略）
