超高压法提取藜麦皂苷的工艺研究

王志娟 张 炜 田 格 辛小丽 甘文梅 高 红 乜世成

(青海师范大学化学化工学院，西宁 810008)

藜麦(ChenopodiumquinoaWilld L.)是一种有着5 000～7 000年种植历史的藜科双子叶植物[1]，不同品种的种子颜色各异[2]。它不仅存在着多种活性成分，还富含各类营养物质，因此它具有多种保健功能，被誉为“超级谷物”[3]。

藜麦皂苷由三萜皂苷β-香草素衍生而来，通过异戊二烯途径生成，主要为齐墩果酸型、常春藤型、商陆酸型等，其中齐墩果酸型含量最高[4，5]。藜麦皂苷主要存在于种皮中，其含量在 0.14%～2.30%[6]，具有抗菌、抗氧化、降血糖等多种功效[7，8]，因此藜麦皂苷被广泛应用于医疗和保健行业。皂苷具有苦涩味，这将会影响藜麦的口感[9]，在食用前需将种皮除去，因此在藜麦的生产过程中，大量堆积的藜麦种皮粉不仅会对环境造成严重影响，若将藜麦种皮粉直接丢弃，会浪费资源。本实验将藜麦种皮作为原料，减少了其对环境的污染，实现了资源的再利用和可持续发展[10]。

目前，皂苷的提取方法主要有回流法、超声波辅助法[11]、微波辅助法[12]、酶提取法[13]、超临界萃取法[14]等。但这些方法存在提取率低、提取时间长、工艺流程复杂、溶剂用量大等不足[15]，超高压提取技术[16]，与上述方法相比，具有提取率高、耗时短、工艺流程简单且绿色环保等优点[6-8]，已逐渐被用于提取植物中活性成分[17]。本实验将藜麦种皮作为提取原料，皂苷含量作为评价指标，通过单因素实验及Box-Behnken响应面优化实验，确定出最佳提取条件，为提取藜麦中的皂苷提供了新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

藜麦种皮：青海三江沃土生态农业科技有限公司(青海省食品检验检测院束彤研究员鉴定)；乙醇(AR)、香草醛(AR)、冰醋酸(AR)、高氯酸(AR)；齐墩果酸标准品。

GX-04多功能粉碎机；101A-1E 电热鼓风干燥箱；HPP 600 MPa/5 L超高压食品处理装置；TU-1901 双光束紫外-可见分光光度计。

1.2 实验方法

1.2.1 藜麦种皮的预处理

将藜麦种皮用多功能粉碎机粉碎后，过80目筛，置于50 ℃烘箱中干燥至恒重，备用。

1.2.2 藜麦皂苷的超高压提取

将预处理过的藜麦种皮粉按照一定的料液比与不同体积分数的乙醇溶液装在耐压、柔韧性好、能传递压力且密闭性好的塑料小瓶内，混合均匀，放入高压容器中，设定所需时间与压力后，在连动模式下，启动高压泵，待增压及卸压过程完成后，取出反应容器中的塑料小瓶，将料液进行减压抽滤操作，备用。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 提取时间对藜麦皂苷含量的影响

将0.500 0 g藜麦种皮粉于压力为300 MPa，乙醇体积分数为60%，料液比为1∶150 g/mL条件下进行超高压操作，考察提取时间在3、6、9、12、15 min时对皂苷含量的影响。

1.2.3.2 提取压力对藜麦皂苷含量的影响

将0.500 0 g藜麦种皮粉于提取时间为9 min，乙醇体积分数为60%，料液比为1∶150条件下进行超高压操作，考察提取压力在150、200、250、300、350 MPa时对皂苷含量的影响。

1.2.3.3 乙醇体积分数对藜麦皂苷含量的影响

将0.500 0 g藜麦种皮粉于提取时间为9 min，压力为300 MPa，料液比为1∶150条件下进行超高压操作，考察乙醇体积分数在50%、60%、70%、80%、90%时对皂苷含量的影响。

1.2.3.4 料液比对藜麦皂苷含量的影响

控制提取时间为9 min，压力为300 MPa，乙醇体积分数为60%，考察料液比为1∶50、1∶100、1∶150、1∶200、1∶250 g/mL时对皂苷含量的影响。

1.2.4 Box-Behnken响应面优化实验

根据单因素实验结果，采用Box-Behnken中心组合试验设计方案，以超高压提取时间(A)、超高压提取压力(B)、乙醇体积分数(C)、料液比(D)为因素，皂苷含量为指标。因素与水平的选择见表1。

表1 藜麦皂苷响应面因素水平设计表

1.2.5 香草醛-冰醋酸溶液的配制及齐墩果酸标准曲线的绘制

用冰醋酸将5.000 0 g香草醛溶解并定容于100.00 mL容量瓶，摇匀，备用[18]。藜麦皂苷的主要存在形式是齐墩果酸型的三萜皂苷，因此将齐墩果酸作为标准品，用香草醛-高氯酸法对皂苷浓度进行测定[19，20]。标准曲线方程为：A=0.049 04ρ-0.011 41，R2=0.999 4。

1.2.6 藜麦皂苷含量的计算

皂苷含量(mg/g)=m1/m2

式中：m1为提取所得皂苷质量/mg；m2为所称藜麦种皮质量/g。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 提取时间对藜麦皂苷含量的影响

如图1所示，提取时间在3～9 min内，皂苷含量随时间的增加而提高。皂苷含量在9 min后逐渐降低，可能是由于提取时间过长，细胞内其他物质的溶出阻碍了皂苷的溶出通道[21]。当提取时间为9 min时，皂苷含量达到最大值40.51 mg/g，因而选取提取时间范围为6～12 min。

2.1.2 提取压力对藜麦皂苷含量的影响

如图1所示，皂苷含量在150 ～300 MPa不断提高，可能是由于压力的增大有利于细胞内外压力差的提高，从而加快了溶剂浸润到种皮细胞内部的速率。当压力高于300 MPa时，可能是由于压力过大，细胞结构趋于紧密，阻塞皂苷溶出通道，不利于皂苷的溶出，皂苷含量下降[22]。当提取压力为300 MPa时，皂苷含量达到最大值44.46 mg/g，因而选取提取压力范围为250～350 MPa。

2.1.3 乙醇体积分数对藜麦皂苷含量的影响

如图1所示，皂苷含量随乙醇体积分数的增大而降低。皂苷多溶于水和低浓度乙醇中[23]，较高浓度的乙醇水溶液使皂苷溶解度下降；较高浓度的乙醇水溶液也可能使细胞中的蛋白质变性凝固堵塞组织微孔，阻碍皂苷的溶出[24]。当乙醇体积分数为60%时，皂苷含量达到最大值48.61 mg/g，因而选取乙醇体积分数范围为50%～70%。

2.1.4 料液比对藜麦皂苷含量的影响

如图1所示，当料液比为1∶50～1∶150 g/mL时，随着料液比的增大，皂苷含量不断升高，浓度梯度变大，皂苷从组织向外扩散的传质动力增大，有利于皂苷的溶出。用溶剂提取固体颗粒中有效成分时，溶质通过多孔固体的扩散可以用有效扩散系数来描述，有效扩散系数与Fick定律有关，固液比越大越有利于有效成分的溶出[25]，但当料液比为1∶150～1∶150 g/mL时，有效成分在溶液中的浓度过低，皂苷含量降低。当料液比为1∶150时，皂苷含量达到最大值46.34 mg/g，因而选取料液比范围为1∶100～1∶200。

图1不同单因素对藜麦皂苷含量的影响

2.2 响应面优化实验结果

2.2.1响应面实验设计和结果

选取超高压提取时间(A)、超高压提取压力(B)、乙醇体积分数(C)、料液比(D)进行四因素三水平的Box-Behnken响应面实验设计，响应面实验设计及结果见表2。

表2 响应面实验设计及结果

2.2.2回归模型的建立与检验

对表2数据进行多元回归拟合，得回归方程：皂苷含量 =+76.13-2.47A-1.00B+3.50C+3.92D+0.66AB+0.44AC-1.08AD+0.18BC-0.020BD+2.39CD-5.65A2-4.71B2-7.67C2-7.83D2。对回归方程进行方差分析，结果见表 3。

表3 方差分析结果

注：“**”表示极显著(P<0.01)；“*”表示显著(0.010.1)。

2.2.3 响应曲面分析及最佳工艺条件的确定

两因素的交互作用见图2。等高线的形状反映了各因素之间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。由表3的显著性分析及等高线图可知，乙醇体积分数和料液比(CD)的交互作用对藜麦皂苷的提取影响极显著。根据图2结果，将Design-Expert 8.0.6软件应用于藜麦皂苷提取条件的优化，得出最佳工艺条件：超高压提取时间为8.27 min，超高压提取压力为294.03 MPa，乙醇体积分数为62.68%，料液比为1∶162，皂苷含量预测值为77.57 mg/g。

图2响应曲面3D图

为验证预测模型的可靠性，从实际情况出发，将最佳工艺条件进行调整：超高压提取时间为8.27 min，超高压提取压力为294 MPa，乙醇体积分数为62%，料液比为1∶162。在此条件下，藜麦皂苷含量为(78.12±1.03) mg/g，接近其预测值，说明由Design-Expert 8.0.6设计软件得到的最佳工艺条件可行。冯焕琴等[26]研究表明在60 ℃，乙醇体积分数为90%，料液比为1∶15 g/mL，超声提取为1 h条件下藜麦种子中皂苷含量为5.06 mg/g。杨洁等[27]研究表明在乙醇体积分数为68%，微波功率为455 W，料液比为1∶32 g/mL，微波时间为10 min， 提取次数2次条件下藜麦皮总皂苷含量为26.329 mg/g。经对比说明，超高压提取技术具有操作简单、耗时短、提取含量高等优点。

3 结论

本实验采用超高压提取技术提取藜麦皂苷，在提取时间为8.27 min，提取压力为294 MPa，乙醇体积分数为62%，料液比为1∶162条件下皂苷含量达78.12 mg/g。相较于溶剂提取法、超声提取法、微波辅助法等，超高压提取技术具有操作简单、提取时间短、提取含量高等优点，因此，超高压提取技术是用于提取藜麦皂苷的一种简单有效的方法，为藜麦皂苷的提取提供了新思路。