紫玉米芯花青素的超声波辅助提取及喷雾干燥的工艺优化

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(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

紫玉米芯花青素的超声波辅助提取及喷雾干燥的工艺优化

陈丽媛,杨敏,孔青,牟海津*

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

以紫玉米芯为原料,利用响应面实验优化花青素的超声波辅助提取工艺,并将获得的花青素冻干粉添加麦芽糊精,后经喷雾干燥制成花青素粉。响应面实验结果表明,最佳提取条件为:料液比为1∶13 (g/mL)、提取温度为41 ℃、水浴提取时间为31 min、超声提取时间为20 min,在此条件下,得到花青素提取量为(4.623±0.021) mg/g,提取率为94.8%。花青素提取液添加麦芽糊精,经喷雾干燥工艺制成花青素粉,在进风温度为150 ℃、花青素冻干粉与麦芽糊精质量比为1∶1、固形物浓度为15%时,得到的花青素粉包埋率为86.7%,水分含量为4.8%。本实验得到了紫玉米芯花青素超声辅助提取和花青素粉制备的最佳工艺条件,为紫玉米芯的开发利用提供了参考依据。

紫玉米芯,花青素,超声提取,喷雾干燥

紫玉米(ZeamaysL.)中含有丰富的花青素,研究表明,花青素具有抗氧化[1-3],保护肝脏[4-5],抗糖尿病[6],降血脂[7]等活性。紫玉米芯中也含有丰富的花青素,但由于玉米芯并不能直接被食用,在紫玉米的加工过程中被丢弃,造成了花青素资源的浪费。目前常用的紫玉米芯花青素提取方法为热浸提法[8-9]、超声波辅助提取[10]、微波辅助提取[11]等。其中,热浸提法较为普遍[8-9],但该法提取温度较高,提取时间较长,对提取剂的消耗也较大。超声波辅助提取方法能有效地缩短提取时间,节约成本[12]。花青素对pH、光、温度较为敏感,不稳定[13],而添加麦芽糊精可以将花青素包埋,提高其稳定性,并降低花青素的吸湿性[14]。

本实验使用超声波辅助提取紫玉米芯花青素,以花青素得率为评价指标,进行单因素实验,在此基础上设计响应面实验,对花青素的提取工艺进行优化,并将获得的花青素提取液添加麦芽糊精后进行喷雾干燥,探究花青素喷雾干燥的最佳工艺,以得到更易储存、稳定性较好的花青素喷雾干燥粉,为推动紫玉米芯的开发利用和工业生产提供了参考依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

紫玉米芯 市售黑糯紫玉米,将玉米芯放置于60 ℃烘箱中烘至恒重,粉碎,过40目筛备用;乙醇 天津市永大化学试剂有限公司;柠檬酸 上海埃彼化学试剂有限公司;氯化钾 天津市瑞金特化学品有限公司;盐酸 烟台三和化学试剂有限公司;无水乙酸钠 国药集团化学试剂有限公司;冰乙酸 江苏强盛化工有限公司;以上均为分析纯试剂;麦芽糊精 食品级,北京鸿瑞嘉盛商贸有限公司。

WJF2000型可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;SHZ-C恒温水浴恒温振荡器 上海跃进医疗器械厂;电子精密天平 奥豪斯国际贸易(上海)有限公司;JY92-IIN超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司;GL-20G-II冷冻离心机 上海安亭科学仪器厂;FD-1A冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司;Labplant SD-06AG喷雾干燥设备 嘉盛(香港)科技有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 花青素提取量测定方法 本实验选择pH示差法[15]测定花青素提取量,在紫玉米芯花青素提取后,得到紫玉米花青素提取液,分别用pH1.0溶液和pH4.5溶液稀释至一定倍数,待稀释后的溶液稳定30 min后,分别测量液体在520 nm和700 nm时的吸光度值,并根据以下公式计算花青素提取量:

花青素提取量(mg/g)=ΔA/εL×MW×D×V/G

其中,ΔA是吸光度值之差,ΔA=(A520 nm-A700 nm)pH1.0 -(A520 nm-A700 nm)pH4.5,ε是矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的摩尔消光系数,为26900 L/mol,MW是矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的摩尔质量,为449.2 g/mol,L是光路路径长度,为1 cm,D是稀释倍数,V是提取液的最终体积(mL),G是紫玉米芯粉的质量(mg)。

1.2.2 紫玉米芯中花青素超声提取 称取5 g紫玉米芯粉样品,采用提取剂为95%乙醇∶0.02 mol/L柠檬酸∶水=5∶1∶4(v∶v∶v)[15],料液比为1∶4 (g/mL),水浴振荡提取时间35 min,提取温度为40 ℃,超声功率400 W,超声总时间20 min,其中超声工作频率为工作时间1 s,间歇2 s。离心分离紫玉米芯粉和提取液,测定上清液中花青素提取量。将离心后的紫玉米芯粉继续提取,重复提取五次,计算花青素提取率,计算公式如下。合并花青素提取液,将提取得到的花青素于-50 ℃下冷冻干燥48 h,制备成花青素冻干粉保存备用。

花青素提取率(%)=花青素提取量/紫玉米芯中总花青素含量×100

1.2.3 花青素超声提取单因素实验

1.2.3.1 料液比对花青素提取的影响 称取5 g紫玉米芯粉样品,分别设置料液比为1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20 (g/mL),在40 ℃水浴振荡器中提取30 min,超声时间为20 min。使用pH示差法[15]对上清液中花青素提取量进行测量。

1.2.3.2 提取温度对花青素提取的影响 称取5 g紫玉米芯粉样品,以料液比为1∶12 (g/mL)添加提取剂,水浴提取温度分别设置为20、30、40、50、60、70 ℃,水浴提取时间为30 min,超声时间为20 min。使用pH示差法测定花青素提取量。

1.2.3.3 水浴提取时间对花青素提取的影响 称取5 g紫玉米芯粉样品,料液比为1∶12 (g/mL),水浴震荡器中温度为40 ℃,水浴提取时间分别设置为0、15、30、45、60 min,超声时间为20 min。使用pH示差法测定花青素提取量。

1.2.3.4 超声时间对花青素提取的影响 称取5 g紫玉米芯粉样品,料液比为1∶12 (g/mL),40 ℃下水浴提取30 min,超声时间分别设置为0、10、20、30、40 min。使用pH示差法测定花青素提取量。

1.2.4 花青素提取响应面实验 在单因素实验结果的基础上,使用Box-Behnken Design的设计方法设计了四因素三水平的实验方案,因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

1.2.5 喷雾干燥制备紫玉米芯花青素粉

1.2.5.1 花青素微胶囊包埋率的计算 包埋率是指微胶囊内部有效成分的含量占微胶囊总有效成分含量的百分比值,是评价微胶囊包埋效果的指标,包埋率测定方法参照王宇滨[16]等人的方法,略有改动。

微胶囊包埋率(%)=(1-微胶囊表面花青素含量/微胶囊总花青素含量)×100

微胶囊表面花青素含量测定:取0.1 g微胶囊样品,加入5 mL无水乙醇,使用超声辅助溶解微胶囊表面的花青素,超声功率200 W,处理时间1 min,过滤并反复洗涤,将滤液定容至10 mL,于520 nm处测定其吸光度值。

微胶囊总花青素含量测定:取0.1 g微胶囊样品,加入5 mL蒸馏水,使用超声辅助溶解微胶囊中总花青素,过滤并反复洗涤,将滤液定容至10 mL,于520 nm处测定其吸光度值。

1.2.5.2 进风温度对花青素粉的影响 本实验中选择麦芽糊精作为喷雾干燥的助干剂,称取花青素冻干粉与麦芽糊精,使其添加比例为2∶1,固形物浓度为10%,喷雾干燥设备进料速度设置为485 mL/h,进风温度分别设置为130、140、150、160、170 ℃。以微胶囊包埋率和水分含量为评价标准,考察进风对花青素喷雾干燥效果的影响。

1.2.5.3 助干剂添加量对花青素粉品质的影响 紫玉米芯花青素冻干粉与麦芽糊精添加比例分别设置为2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2,固形物浓度为10%,进风温度为150 ℃,喷雾干燥设备进料速度设置为485 mL/h。以微胶囊包埋率为评价指标,评价麦芽糊精添加比例对花青素喷雾干燥效果的影响。

表2 紫玉米芯花青素五次提取结果Table 2 Results of 5 times extraction of anthocyanin in purple corn cob

1.2.5.4 固形物浓度对花青素粉品质的影响 称取花青素冻干粉与麦芽糊精,使其添加比例为1∶1,固形物浓度分别设置为5%、10%、15%、20%,进风温度为150 ℃,喷雾干燥设备进料速度设置为485 mL/h。以微胶囊包埋率以及水分含量为评价标准。

1.3数据处理

实验数据以平均值±标准差(Mean±SD)表示,采用Excel 2003软件进行数据处理和作图,Design-Expert 8.0.6软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1紫玉米芯花青素多次提取结果

紫玉米芯粉被提取5次,每次提取的花青素含量如表2所示,第一次花青素的提取量为2.034 mg/g,仅占总量的41.72%。在第5次提取时,花青素提取量仅为0.168 mg/g,可认为在第5次提取后,紫玉米芯中花青素提取较为完全,因此,紫玉米芯中花青素总含量为4.875 mg/g。

2.2紫玉米芯花青素提取单因素实验

2.2.1 料液比对提取液花青素提取量的影响 图1显示了料液比对紫玉米芯花青素提取量的影响,由图1中可以看出,在料液比1∶4～1∶12时对花青素提取影响较大,随着料液比的增加,花青素含量也逐渐增加。料液比大于1∶12时,花青素提取量略有下降。考虑到应节约提取剂用量等原则,选择料液比为1∶8～1∶16 (g/mL)进行后续实验。

图1 料液比对紫玉米芯花青素提取量的影响Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on the extraction content of anthocyanin

2.2.2 提取温度对花青素提取量的影响 由图2可知,提取温度对花青素提取量影响较大。提取温度为20～40 ℃时,花青素含量随提取温度的升高而升高;温度升至40 ℃时,花青素含量达到最高;温度大于40 ℃时,花青素含量则开始降低,可能是由于花青素对热较为敏感,不稳定,遇热易分解或变质[17]。因此,选择提取温度为30～50 ℃进行后续实验。

图2 提取温度对紫玉米芯花青素提取量的影响Fig.2 Effects of extraction temperature on the extraction content of anthocyanin

图3 水溶提取时间对紫玉米芯花青素提取量的影响Fig.3 Effects of extraction time on the extraction content of anthocyanin

2.2.3 提取时间对花青素提取量的影响 图3显示了提取时间对紫玉米芯花青素提取含量的影响。随着提取时间的增加,提取液中花青素含量先增加后逐渐减少,提取时间大于30 min时,部分花青素会由于长时间热处理而被破坏。因此,选择15～45 min进行后续实验。

2.2.4 超声时间对花青素提取量的影响 由图4所示,在20 min之内,随着超声时间的增加,花青素花青素提取量有所提高。超声时间大于20 min时,花青素提取量呈下降趋势。超声时间较短时,花青素提取不完全;但当超声时间超过20 min时,超声的能量会破坏部分花青素。因此选择超声时间为10～30 min进行后续实验。

图4 超声时间对紫玉米芯花青素提取量的影响Fig.4 Effects of ultrasonic time on the extraction content of anthocyanin

2.3响应面实验

响应面实验方案及结果如表3所示,方差分析如表4所示。模型p(Pr>F)值<0.0001,说明回归方程具有显著性;其相关系数R2为0.9788,说明该模型拟合度较好,模型成立。回归方程系数的显著性分析结果表明,一次项A、B、C,交互项AD、BC,二次项A2、B2、C2、D2对Y值均影响极显著,交互项AC、CD对Y值影响显著。各个因素经二次多项回归拟合后,得到花青素提取量(Y),对料液比(A)、提取温度(B)、提取时间(C)、超声时间(D)四个因素的二次多项回归方程为:Y=4.60+0.35A+0.11B+0.094C-0.027D+0.010AB-0.14AC+0.16AD-0.19BC+0.025 BD-0.12CD-0.61A2-0.53B2-0.32C2-0.28D2。由图6中A料液比和C提取时间的交互作用可知,花青素提取量随着料液比和提取时间的增加,先增加而后减少,响应面坡度较陡,表明这两个因素交互作用较为显著。图7、图8和图10中,响应曲面也较陡峭,可说明A料液比与D超声时间、B提取温度与C提取时间、C提取时间与D超声时间之间的相互作用也较为明显。而图5和图9中,响应曲面坡度较为平滑,说明其交互作用不明显。

表3 响应面实验方案及结果Table 3 Design and results of response surface methodology

表4 回归模型方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model

注:*,差异显著,p<0.05;**,差异极显著,p<0.01。

图5 料液比(A)和提取温度(B)对花青素提取量影响的响应面图Fig.5 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and extraction temperature(B)on the anthocyanin content

图6 料液比(A)和提取时间(C)对花青素提取量影响的响应面图Fig.6 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and extraction time(C)on the anthocyanin content

图7 料液比(A)和超声时间(D)对花青素提取量影响的响应面图Fig.7 Response surface of effects of solid-liquid ratio(A)and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

图8 提取温度(B)和提取时间(C)对花青素提取量影响的响应面图Fig.8 Response surface of effects of extraction temperature(B) and extraction time(C)on the anthocyanin content

图9 提取温度(B)和超声时间(D)对花青素提取量影响的响应面图Fig.9 Response surface of effects of extraction temperature(B) and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

图10 提取时间(C)和超声时间(D)对花青素提取量影响的响应面图Fig.10 Response surface of effects of extraction time(C) and ultrasonic time(D)on the anthocyanin content

通过Design-Expert 8.0.6对响应面优化提取工艺结果,分析得到最佳提取工艺为:料液比为1∶13.16 (g/mL),提取温度为41.02 ℃,提取时间为30.72 min,超声时间为20.29 min,在此条件下模型预测紫玉米芯花青素提取量为4.659 mg/g。为验证响应面方法所得结果的可靠性,采用上述实验条件进行验证,考虑到实际操作的方便,将上述工艺条件调整为料液比为1∶13 (g/mL),提取温度为41 ℃,提取时间为31 min,超声时间为20 min,进行三次平行实验,得到花青素提取量的为(4.623±0.021) mg/g,提取率为94.8%,高于传统的浸提法70.2%[18],所得结果与预测值很接近,表明所建模型拟合良好且可靠。

2.4喷雾干燥制备紫玉米芯花青素粉

麦芽糊精具有流动性好,无色,无明显味道等优点[19]。从紫玉米芯中提取的花青素经冷冻干燥之后,放置在空气中易吸潮,发生变质,经过添加麦芽糊精进行喷雾干燥包埋后,会使花青素粉水分含量降低,并且不易吸湿,更易于保存。

2.4.1 进风温度对花青素粉品质的影响 表5显示了不同的进风温度对花青素喷干粉的影响,随着喷雾干燥设备的进风温度不断上升,喷干粉的水分含量不断减少。微胶囊产品含水量在2%～5%之间时品质较好[20]。虽然喷雾干燥过程温度较高,但在这过程中物料受热时间极短,因此不易使花青素发生分解。在进风温度从130 ℃上升至150 ℃的过程中,花青素粉包埋率逐渐上升,这是因为当进风温度较低时,水分不能快速蒸发,无法使麦芽糊精在花青素表面形成较好的膜,影响包埋率。随着温度的逐渐上升,水分可适当蒸发,有效的包埋花青素,包埋率升高。但当进风温度高于150 ℃时,会使得水分蒸发速度较快,导致微胶囊表面出现凹陷或开裂的现象[21],不能完好的包埋花青素芯材,致使包埋率降低。因此,在工业生产中,应当结合产品水分含量和花青素包埋率两个指标,确定出最佳的进风温度。本研究选择了150 ℃进行后续花青素粉的制备。

表5 进风温度对花青素粉的影响Table 5 Effects of inlet air temperature on anthocyanin powder

2.4.2 助干剂添加量对花青素粉品质的影响 表6显示了麦芽糊精的添加量对花青素喷干粉品质的影响,随着麦芽糊精添加量的增加,花青素喷干粉的颜色逐渐变浅,水分含量减少,包埋率先逐渐增加而后减小。在水分含量较低和包埋率较高的前提下,要保证花青素喷干粉品质及色泽,因此选择花青素冻干粉与麦芽糊精质量比1∶1为最佳。

表6 花青素与麦芽糊精比例对花青素喷干粉的影响Table 6 Effects of anthocyanin and maltodextrin ratio on anthocyanin powder

表7 固形物浓度对花青素粉的影响Table 7 Effects of solid concentration on anthocyanin powder

2.4.3 固形物浓度对花青素粉品质的影响 表7显示了固形物浓度对花青素喷干粉的影响。固形物含量影响喷雾干燥的效率以及生产时的经济成本,较高的固形物浓度会有助于改善喷干粉的流动性和分散性[22]。微胶囊产品含水量要求在2%～5%之间,结合喷干粉水分含量、喷干效果和包埋率,并且考虑到喷雾干燥效率,选择15%固形物含量为最佳。

3 结论

在单因素实验结果的基础上,进行四因素三水平的响应面实验优化。得到了紫玉米芯花青素提取的最佳工艺参数:料液比为1∶13 (g/mL)、提取温度为41 ℃、提取时间为31 min、超声时间为20 min,在此条件下,得到花青素提取量为(4.623±0.021) mg/g,提取率为94.8%,与预测值基本一致,说明响应面法得到的工艺参数真是可靠。添加麦芽糊精作为助干剂,通过喷雾干燥的方法制备花青素喷雾干燥粉,在进风温度为150 ℃、花青素与麦芽糊精质量比为1∶1、固形物浓度为15%时,包埋率为86.7%,得到水分含量较少,感官评价较好,不易粘壁的花青素粉。该工艺简便、效率高,为工业化生产紫玉米芯花青素粉提供了高效的工艺流程。

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Optimizationofultrasonic-assistedextractionandspraydryingofanthocyaninsfrompurplecorncob

CHENLi-yuan,YANGMin,KONGQing,MOUHai-jin*

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Response surface methodology was used to optimize the ultrasonic assisted extraction conditions of anthocyanin from purple corn cob and improve the extraction rate. Anthocyanin freeze-dried powder mixed with maltodextrin was processed into powder by spray drying method. The results showed that the optimum conditions were as follows:the solid-liquid ratio,extraction temperature,extraction time and ultrasonic time were 1∶13 (g/mL),41 ℃,31 min and 20 min,respectively. The anthocyanin content and the extraction yield were(4.623±0.021)mg/g and 94.8% at this condition. The anthocuanin powder had low moisture 4.8% and embedding rate 86.7% when the inlet air temperature,the mass ratio(anthocyanin∶maltodextrin)and the solid concentration during spray-drying were 150 ℃,1∶1 and 15%,respectively. The conditions of anthocyanin extraction from purple corn cob and anthocyanin powder preparation were optimized by the single factor experiment and the response surface methodology,and the results provided a reference for the development of purple corn cob.

purple corn cob;anthocyanin;ultrasonic-assisted extraction;spray-drying

2017-02-07

陈丽媛(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：生物工程，E-mail：chenliyyuan_jlu@126.com。

*通讯作者:牟海津(1973-)，男，博士，教授，研究方向：海洋应用微生物，E-mail：mousun@ouc.edu.cn。

TS255.1

:B

:1002-0306(2017)16-0199-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.037