响应面优化苦荞黄酮超声波提取工艺

曹娅，钱志伟

河南农业职业学院食品工程学院（郑州 451450）

荞麦是一种寒带植物，有很强的生存能力[1]。荞麦富含多种抑制肿瘤、癌细胞的成分，这类物质有较高的医药价值。除了有抗癌功效之外，还能清理人体内自由基，降低血糖、血脂等[2]。黄酮传统提取方法有2种，即热水或碱水浸提法[3]。这2种方法提取工艺较长、耗时较多，提取效率不理想。超声波辅助提取法主要借助超声波原理，可以提高荞麦中黄酮溶出率，不管是提取效率还是时间成本都十分显著[4]。在工业生产领域，这种提取法应用日益广泛。试验研究从苦荞中提取黄酮，同时对优化荞壳黄酮提取工艺进行研究，为提高苦荞黄酮提取效率提供理论参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

苦荞（市售）。

芦丁标准品、乙醇、氯化钠、NaOH等（实验室提供）。

1.2 仪器与设备

超声波清洗器（旭众机械设备有限公司）；紫外分光光度计（岛津公司）；分析天平（北京新阳仪器设备有限公司）；真空抽滤装置（天津昌盛科学仪器厂）；旋转蒸发仪（安徽高博科学仪器有限公司）等。

1.3 试验方法

1.3.1 苦荞黄酮超声波提取工艺[5]

1.3.2 苦荞黄酮的测定

采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法[6]。

2 结果与分析

2.1 加酶比（果胶酶与纤维素酶质量比）对苦荞黄酮提取率的影响

从图1中可以看出，随着加酶比不断上升，苦荞黄酮提取率相应增加，加酶比3∶1时，苦荞黄酮提取率处于最高水平；加酶比继续上升，苦荞黄酮提取率不会继续增长，这主要是苦荞细胞壁的独特结构，以及果胶酶和纤维素酶影响溶液酸碱性。此外，加酶比继续上升，酶解产物对酶解反应的抑制效果增强。因此，加酶比选择3∶1比较合适。

图1 加酶比（果胶酶与纤维素酶质量比）对苦荞黄酮提取率的影响

2.2 加酶量对苦荞黄酮提取率的影响

如果加酶量不断增加，苦荞黄酮提取率会逐渐上升。当加酶量达到0.3%时，苦荞黄酮提取率较大。如果继续增加加酶量，苦荞黄酮提取上升缓慢，当加酶量达到0.3%时，酶分子接近饱和。综上，加酶量在0.3%比较合适。

2.3 酶解时间对苦荞黄酮提取率的影响

从图3中可以看出，如果酶解时间不断延长，苦荞黄酮提取率会逐渐上升。酶解时间22 min后，继续延长酶解时间后，苦荞黄酮提取率上升较慢，酶解时间22 min后，酶解反应十分充分。如果继续增加酶解时间，酶解反应不明显，只有少量黄酮溶出，苦荞黄酮提取率增速大幅下降。因此，酶解时间22 min比较合适。

图3 酶解时间对苦荞黄酮提取率的影响

2.4 响应面优化苦荞黄酮超声波提取工艺

2.4.1 液料比选择

从图4中可以看出，随着溶剂用量不断增加，苦荞黄酮含量会相应增长。但苦荞黄酮超声波提取过程中，液料比达到24∶1（mL/g）后，苦荞黄酮提取率增速较慢。在实际中，如果溶剂用量偏低，提取液较少，这对后续过滤分离会产生较大影响；但是随着溶剂用量不断增加，后续浓缩工艺耗时增加，成本消耗上升。因此液料比控制在24∶1（mL/g）比较适合。

2.4.2 超声波功率选择

从图5中可以看出，苦荞黄酮超声波提取过程中，超声波功率240 W后，随着超声功率不断上升，瞬间热效应反应十分突出，反应体系温度快速上升，溶剂乙醇挥发速度加快，大幅降低提取效率，黄酮转化效率偏低。因此，苦荞黄酮超声波提取过程中超声波功率选择240 W比较合适。

图4 液料比选择

图5 超声波功率选择

2.4.3 超声波时间选择

从图6中可以看出，随着超声波时间不断延长，苦荞黄酮提取率也会上升，超声波时间36 min时，苦荞黄酮提取率达到最高，此后，随着时间延长，料液温度不断上升，同时溶剂中乙醇加速挥发，黄酮提取率开始减少。因此，苦荞黄酮超声波提取过程中超声波时长选择36 min比较合适。

图6 超声波时间选择

2.4.4 乙醇体积分数选择

乙醇水溶剂是一种极性溶剂，乙醇体积分数与其极性成反比，黄酮是一种比较定性的极性物质。如图7所示，给出在不同乙醇体积分数下对苦荞黄酮提取率的影响变化。乙醇体积分数＜70%时，随着乙醇体积分数不断上升，极性逐渐下降，这是黄酮溶出率不断上升，提取率增长；乙醇体积分数＞70%时，乙醇体积分数不断上升时，其极性开始下降，这时候会出现一些杂质，这会减少黄酮的溶出量，黄酮提取率不断下降。因此，苦荞黄酮超声波提取过程中选择乙醇体积分数70%比较合适。

图7 乙醇体积分数选择

2.4.5 苦荞黄酮超声波提取的工艺条件优化试验

表1 响应面优化苦荞黄酮超声波提取的工艺因素和水平

表2 苦荞黄酮超声波提取条件试验结果

表3 响应面试验结果分析

响应面优化苦荞黄酮超声波提取的工艺因素和水平试验安排见表1。苦荞黄酮超声波提取条件中，液料比、超声波功率、超声波时间、乙醇体积分数对结果影响显著，结果见表2。提取率二次回归拟合方程：提取率=2.18+0.32A-0.21B-0.065C-0.086D+0.12AB+0.055AC-0.34AD+0.067BC+0.30BD-0.12CD-0.23A2-0.26B2-0.15C2-0.34D2（其中，A是液料比，B是超声波功率，C是超声波时间，D是乙醇体积分数）。

苦荞黄酮超声波提取试验失拟项不显著，p=0.080 6，模型极显著，p＜0.000 1，所以能对苦荞黄酮超声波提取的条件进行预测。得到苦荞黄酮超声波提取的最佳条件为：液料比29∶1（mL/g），超声波功率242 W，超声波时间34 min，乙醇体积分数70%。

2.4.6 验证

设计表4来验证响应面优化得到的苦荞黄酮超声波提取的最佳条件的可靠性。从表4看出，试验4的提取率最高，因此苦荞黄酮超声波提取的最佳条件是：液料比29∶1（mL/g），超声波功率242 W，超声波时间34 min，乙醇体积分数70%。

表4 结果验证

3 结论

苦荞黄酮提取过程中，加酶比（果胶酶与纤维素酶质量比）3∶1，加酶量为0.3%，酶解时间22 min。苦荞黄酮超声波提取的最佳条件是：液料比29∶1（mL/g），超声波功率242 W，超声波时间34 min，乙醇体积分数70%。