超声-微波协同提取玉米叶黄素的技术研究

曹龙奎，周志国，周慕潮，刁静静，冯兴元，王学群，李丽娜，张丽萍

（1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江昊天玉米有限公司，黑龙江绥化 152000；3.大庆中禾粮食股份有限公司，黑龙江大庆 163319）

叶黄素是一种具有2个羟基末端和氧合类胡萝卜素骨架C40结构的胡萝卜素醇[1]，脂溶性类胡萝卜素的一种，具有较强的抗氧化活性，对视力具有一定的保健作用[2]，还降低心血管疾病的发生率[3]，对乳腺癌、前列腺癌等癌细胞具有一定的抑制作用[4-6]，同时可以维持细胞正常功能、提高人体免疫力。叶黄素在人体内无法直接合成，只能依靠外界摄取[7]，玉米淀粉生产副产物的玉米黄粉中含有大量的叶黄素，是一种优良的叶黄素生产原料。超声-微波协同提取是一种较为先进的提取方法，具有提取效率高、工艺简单、能耗低等优势。因此，试验采用超声-微波协同技术提取玉米黄粉中的叶黄素，拟得到玉米叶黄素的高效提取方法，为产业化生产奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米黄粉，黑龙江昊天玉米开发有限公司提供；乙腈、甲醇等，为色谱纯；乙酸乙酯、乙醇、丙酮等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TGL20M型台式离心机，常州良友仪器设备有限公司产品；DZF-6050AB型真空干燥箱，上海坤天实验室仪器产品；RE-501型旋转蒸发仪，上海贝伦仪器设备有限公司产品；1290 2D-LC型高效液相色谱，Agilent公司产品；BILON-CW-1000型超声-微波协同萃取仪，上海比朗仪器制造有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米黄粉叶黄素提取技术路线

精确称量一定量过80目筛的玉米黄粉，按照一定的料液比添加体积分数95%乙醇和表面活性剂，放入超声-微波协同萃取仪中进行提取，得到叶黄素提取液，旋转蒸发后进行真空干燥，得玉米叶黄素粗品[8]。

1.3.2 单因素试验方法

（1）表面活性剂种类对叶黄素提取率的影响。称取玉米黄粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入体积分数95%乙醇，提取温度35℃，提取时间10 min，微波功率300 W，选择十六烷基三甲基氯化铵（1631）、Tween-20、Tween-80、十二烷基硫酸钠（SDS）等4种物质作为表面活性剂，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，确定最佳的表面活性剂。

（2）表面活性剂添加量对叶黄素提取率的影响。称取玉米黄粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入体积分数95%乙醇，提取温度35℃，提取时间10 min，微波功率300 W，分别考查表面活性剂质量分数0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，确定最佳的表面活性剂添加量。

（3）微波功率对叶黄素提取效率的影响。称取玉米黄粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入体积分数95%乙醇，提取温度35℃，提取时间10 min，微波功率分别为100，200，300，400，500 W，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，根据所得数据绘制出叶黄素提取率与微波功率之间的关系曲线图，分析叶黄素提取率随着微波功率变化的规律[9]。

（4）提取温度对叶黄素提取率的影响。称取玉米黄粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入体积分数95%乙醇，微波功率300 W，提取时间10 min，提取温度分别为25，30，35，40，45℃5个水平，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，根据所得数据绘制出叶黄素提取率与提取温度之间的关系曲线图，分析叶黄素提取率随着提取温度变化的规律[10]。

（5）提取时间对叶黄素提取率的影响。称取玉米黄粉10 g，按照料液比1∶15（g∶mL）加入95%乙醇，微波功率300 W，提取温度35℃，提取时间分别为5，10，15，20，25 min，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，根据所得数据绘制出叶黄素提取率与提取时间之间的关系曲线图，分析叶黄素提取率随着提取时间变化的规律[11]。

（6）液料比对叶黄素提取率的影响。称取玉米黄粉10 g，微波功率300 W，提取温度35℃，提取时间10 min，料液比分别为1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25（g∶mL）加入体积分数95%乙醇，每个水平做3个平行样，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取的工艺路线步骤试验，按照叶黄素提取率技术方法计算提取率，根据所得数据绘制出叶黄素提取率与液料比之间的关系曲线图，分析叶黄素提取率随着液料比变化的规律[12]。

1.3.3 响应面优化试验方法

采用响应面法优化提取方法，试验因素分别为叶黄素提取率（Y），微波功率（X1），提取温度（X2），提取时间（X3），料液比（X4）。

试验因素与水平设计见表1。

表1 试验因素与水平设计

1.3.4 提取液中叶黄素类总含量的测定

（1）叶黄素HPLC色谱分析条件。流动相为乙醇∶甲醇∶乙腈=5∶5∶90，色谱柱为C18柱（250 mm×4.6 mm，5μm），检测波长450 nm，流速1.0 mL/min，进样量1μL，柱温30℃[13]。

（2）叶黄素提取率的计算方法。分别将叶黄素粗品用5mL乙酸乙酯进行溶解，经0.45μm微孔膜过滤后进行HPLC分析，测定样品中叶黄素的含量，并计算叶黄素的提取率，计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 不同条件对叶黄素提取率的影响

2.1.1 表面活性剂对玉米叶黄素提取率的影响

表面活性剂类型对叶黄素提取率的影响见图1。

由图1可知，不同的表面活性剂对叶黄素提取率的影响差异较大，但均高于对照组，说明表面活性剂的添加有助于玉米黄粉中叶黄素的提取[10]。通过试验可以看出十二烷基硫酸钠添加后提取率显著高于其他组。因此，选择十二烷基硫酸钠作为试验的辅助提取剂[14]。

2.1.2 表面活性剂添加量对玉米叶黄素提取率的影响

图1 表面活性剂类型对叶黄素提取率的影响

表面活性剂添加量对叶黄素提取率的影响见图2。

图2 表面活性剂添加量对叶黄素提取率的影响

由图2可知，随着SDS添加量的不断提高，叶黄素的提取率呈不断上升的趋势，在0.9%左右提取率接近最大值，之后趋于平衡。因此，选择最佳的SDS添加量为0.9%。

2.1.3 提取时间对玉米叶黄素提取率的影响

提取时间对叶黄素提取率的影响见图3。

图3 提取时间对叶黄素提取率的影响

由图3可知，随着提取时间的增加，提取率呈先增大后减小的趋势，在15 min达到最大值。随着微波时间的延长，叶黄素结构也受到破坏，导致提取率不断下降。综合考虑，选择提取时间15 min为中心进一步的试验优化[14]。

2.1.4 提取温度对玉米叶黄素提取率的影响

提取温度对叶黄素提取率的影响见图4。

由图4可知，随着提取温度的不断增加，叶黄素提取率逐渐增大，当提取温度达到35℃时达到最大值。随着提取温度大于35℃后，对叶黄素的结构产生影响，叶黄素的提取率逐渐降低。因此为进一步明确提取温度对叶黄素提取的影响，选取提取温度35℃为中心进行进一步的试验优化。

图4 提取温度对叶黄素提取率的影响

2.1.5 微波功率对玉米叶黄素提取率的影响

微波功率对叶黄素提取率的影响见图5。

图5 微波功率对叶黄素提取率的影响

由图5可知，随着微波功率的不断增大，叶黄素提取率逐渐增大，当微波功率为300 W时达到最大值。当微波功率大于300 W后温度会随之提高，对叶黄素的结构产生影响。因此为进一步明确微波功率对叶黄素提取的影响，选取300 W为中心进行微波提取的试验优化。

2.1.6 料液比对玉米叶黄素提取率的影响

料液比对叶黄素提取率的影响见图6。

图6 料液比对叶黄素提取率的影响

由图6可知，随料液比的增大，提取率先增大达到一定程度呈现平衡的趋势。通过试验发现，当料液比在1∶15（g∶mL）后提取率趋于平衡，因此，为进一步明确料液比对叶黄素提取的影响，选取1∶15（g∶mL）为中心进行微波提取的试验优化。

2.2 响应面优化试验的结果与分析

基于单因素试验结果，以微波功率、提取温度、提取时间、料液比为自变量X，以叶黄素提取率为固变量（Y），进行响应面试验[12]。

试验安排及试验结果见表2。

表2 试验安排及试验结果

回归方程的方差分析见表3，二次回归模型参数见表4。

表3 回归方程的方差分析

由表3可知，回归模型p＜0.01，而失拟项的p＞0.05，说明该模型拟和结果较好。一次项、二次项p＜0.01，交互项p＜0.05，说明各项均不同程度影响叶黄素的提取率。

以叶黄素提取率为Y值，得出微波功率、提取温度、提取时间、料液比为X值的回归方程为：

表4 二次回归模型参数

2.3 最优条件确定

最优提取条件及吸光度见表5。

表5 最优提取条件及吸光度

提取效果最高时的微波功率345 W，提取温度38℃，提取时间16 min，料液比1∶14.8（g∶mL），该条件下理论最大的得率为9.33%。验证试验得到叶黄素得率为9.30%±0.11%，与理论值非常接近，可以看出试验建立的模型能够较好地反映出超声微波协同提取叶黄素的条件。

3 结论

通过对表面活性剂种类及添加量的单因素分析，确定最佳的表面活性剂为十二烷基硫酸钠，添加量为0.9%。确定了超声微波协同提取玉米叶黄素的最佳工艺参数为微波功率345 W，提取温度38℃，提取时间16 min，料液比1∶14.8（g∶mL），该条件下得到叶黄素得率为9.30%±0.11%，研究得到了玉米叶黄素的高效提取方法，为产业化生产奠定了理论基础。