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作者張毅
近年來,超聲波和微波技術(shù)在植物有效成分的提取方面得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波是一種高頻機(jī)械波,具有較強(qiáng)的機(jī)械物理粉碎和空化作用,其作用可以提高產(chǎn)品的得率。微波溫度升高速度快,熱效率高,能夠?qū)⒛芰靠焖賯鬟f和充分利用,加速細(xì)胞內(nèi)有效成分的快速溶出。
以稻殼為原料,乙醇為浸提劑,采用超聲波協(xié)同微波提取綠原酸,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用中心組合設(shè)計(jì)對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,目的探求稻殼綠原酸提取的最佳工藝條件,同時(shí)為稻殼的進(jìn)一步開發(fā)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1材料與儀器
稻殼,綏化市農(nóng)田采集,自然晾干,粉碎,過80目篩;綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品:北京中科三捷生物有限公司;無水乙醇,為分析純。
TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì):北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;KQ-200VDE型雙頻數(shù)控超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠;SHZ-D循環(huán)水式真空泵:鄭州長城科工貿(mào)有限公司;美的家用微波爐:佛山順德美的微波電器制造有限公司。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品最大吸收波長的選擇及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
精確稱取綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品0.005 0 g,用體積分?jǐn)?shù)60%乙醇溶解,定容至100 m L容量瓶中,搖勻得濃度為0.050 mg/m L的綠原酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。取適量綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液于200~450 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,以60%乙醇空白為對照,選取綠原酸最大吸光度波長。
精密吸取綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液0.00,1.00,2.00,3.00,4.00和5.00 m L,分別置于10 m L容量瓶中,加60%乙醇定容,搖勻。以60%乙醇為空白,在綠原酸最大吸收波長327 nm條件下測定吸光度,以綠原酸標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量濃度(X,mg/L)為橫坐標(biāo),吸光度(Y)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得標(biāo)準(zhǔn)回歸方程。
1.2.2綠原酸含量的測定
取不同提取方法所得樣品液0,2 m L,于10 m L刻度試管中,定容至4 m L,按標(biāo)準(zhǔn)曲線步驟進(jìn)行,于波長327 nm處比色測其吸光值,以60%乙醇溶液為空白參比,然后根據(jù)線性回歸方程計(jì)算出每毫升提取液中的綠原酸量,再根據(jù)式(1)計(jì)算總綠原酸的提取量。
式中:C----依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出測定樣液的質(zhì)量濃度,mg/m L; V2——測定吸光度時(shí)樣液的定容體積,m L; V1-----提取液總體積,m L; V0----測定吸光度移取樣液的體積,m L;W-----樣品質(zhì)量,g。
1.2.3微波輔助超聲波提取工藝
稱取3g稻殼,用6 m L水潤濕,在微波功率800 W的條件下微波一定時(shí)間后,取出晾涼,加入蒸餾水和無水乙醇使浸提溶液為一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液,再在一定的超聲功率、超聲溫度下提取一定時(shí)間后,抽濾,蒸發(fā)濃縮,定容至25 m L,按1.2.2的方法測定綠原酸含量。
1.2.4單因素試驗(yàn)
1.2.4.1微波作用時(shí)間對綠原酸提取量的影響
浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)60%,料液比1:20(g/mL),超聲功率200 W,超聲溫度50℃,超聲作用時(shí)間20 min,考察微波作用時(shí)間對稻殼綠原酸提取量的影響。
1.2.4.2超聲作用功率對綠原酸提取量的影響
浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)60%,料液比1:20(g/mL),微波作用時(shí)間30 s,超聲作用溫度50℃,超聲時(shí)間20 min,考察超聲作用功率對稻殼綠原酸提取量的影響。
1.2.4.3超聲作用溫度對綠原酸提取量的影響
浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)60 %,料液比1:20(g/mL),微波作用時(shí)間30 s,超聲功率160 W,超聲作用時(shí)間20 min,考察超聲作用溫度對稻殼綠原酸提取量的影響。
1.2.4.4浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取量的影響
料液比1:20( g/m L),微波作用時(shí)間30 s,超聲功率160 W,超聲作用溫度80℃,超聲作用時(shí)間20 min,考察乙醇體積分?jǐn)?shù)對稻殼綠原酸提取量的影響。
1.2.4.5料液比對綠原酸提取量的影響
浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)50%,微波作用時(shí)間30 s,超聲功率160 W,超聲作用溫度80℃,超聲作用時(shí)間20 min,考察料液比對稻殼綠原酸提取量的影響。
1.2.5 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)
根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,結(jié)合單因素試驗(yàn)的影響結(jié)果,以微波時(shí)間(X1)、乙醇體積分?jǐn)?shù)(X2)和料液比(X3)3個因素為自變量,以稻殼綠原酸提取量為考察值,試驗(yàn)因素與水平見表1。
2結(jié)果與分析
2.1最大吸收波長及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制
以綠原酸吸收波長為橫坐標(biāo),以不同波長下的吸光度為縱坐標(biāo),掃描得綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品的吸收波長光譜見圖1。以綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度(X,mg/L)為橫坐標(biāo),吸光度(Y)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2,并且得標(biāo)準(zhǔn)回歸方程Y=0.055 6X-0.013 4,相關(guān)系數(shù)R2=0.999 6。
圖1看出,綠原酸在327nm處有最大吸收峰,因此最大吸收波長選擇327 nm。圖2看出,綠原酸濃度在5~25 mg/L的范圍內(nèi)呈良好的線性相關(guān)性。
2.2單因素試驗(yàn)分析
2.2.1微波作用時(shí)間對綠原酸提取量的影響
不同的微波作用時(shí)間對綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖3。
由圖3看出,綠原酸提取量隨著微波作用時(shí)間的增長而升高,微波作用30 s時(shí)效果較好,這是因?yàn)殡S著微波作用時(shí)間的增長,體系溫度會不斷升高,稻殼細(xì)胞更易破裂,并打通了溶劑進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的通道從而有利于綠原酸的浸出。當(dāng)微波作用時(shí)間超過30 s,提取量反而有下降的趨勢,可能是因?yàn)槲⒉ㄗ饔脮r(shí)間過長破壞了綠原酸的分子結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致提取量下降。因此確定提取綠原酸的最佳微波作用時(shí)間為30 s。
2.2.2超聲作用功率對綠原酸提取量的影響
不同的超聲功率對綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖4。
由圖4看出,綠原酸提取量隨超聲功率的升高而升高,超聲功率為160 W時(shí)效果較好,這是因?yàn)殡S著超聲功率的升高,稻殼細(xì)胞破壞程度增大,從而有利于綠原酸的浸出。當(dāng)超聲功率超過160 W,提取量反而有下降的趨勢,可能是因?yàn)槌暪β蔬^高會破壞綠泵酸的鄰二酚羥基的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致提取量下降。因此確定提取綠原酸的最佳超聲功率為160 W。
1.2.3超聲作用溫度對綠原酸提取量的影響
不同的超聲作用溫度對綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖5。
由圖5看出,綠原酸提取量隨超聲作用溫度的升高而升高,超聲作用溫度80℃時(shí)效果較好,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,溶劑分子和溶質(zhì)分子運(yùn)動加劇促進(jìn)了擴(kuò)散作用,從而有利于綠原酸的浸出。當(dāng)超聲溫度超過80℃,提取量反而有下降的趨勢,可能是因?yàn)槌暅囟冗^高使綠原酸發(fā)生了變性,從而導(dǎo)致提取量下降二因此確定提取綠原酸的最佳超聲溫度為80℃。
2.2.4乙醇體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取量的影響
不同的乙醇體積分?jǐn)?shù)對綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖6。
由圖6可以看出,綠原酸提取量隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高而升高,乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)效果較好,這是因?yàn)榫G原酸易溶于乙醇,乙醇體積分?jǐn)?shù)越高,越有利于綠原酸的溶解。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過50%,提取量反而有下降的趨勢,可能是因?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)過高會將一些非綠原酸物質(zhì)溶出,進(jìn)而使綠原酸的浸出量減少,從而導(dǎo)致提取量下降。因此確定提取綠原酸的最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%。
2.2.5料液比對綠原酸提取量的影響
料液比對綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖7。
由圖7看出,綠原酸提取量隨料液比的升高而升高,料液比1:20( g/m L)時(shí)效果較好,這是因?yàn)殡S著料液比的升高,溶劑分子能溶解更多的溶質(zhì)分子,從而有利于綠原酸的浸出。當(dāng)料液比超過1:20(g/m L)時(shí),提取率基本趨于穩(wěn)定,但是從節(jié)約能源的角度考慮,認(rèn)為料液比為1:20( g/m L)時(shí)最為合適。因此確定提取綠原酸的最佳料液比為1:20(g/m L)。
2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)分析
利用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定3因素3水平,共17個試驗(yàn)。其中14個析因點(diǎn),3個0點(diǎn)。中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)用來估計(jì)試驗(yàn)誤差,以稻殼綠原酸提取量為考察值做中心組合試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。
采用Design-Expert 7.0軟件對響應(yīng)值與各因素進(jìn)行多元回歸擬合,得到以稻殼綠原酸提取量為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程:
回歸模型的方差結(jié)果(表3)表明,微波時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比對綠原酸提取量的影響極顯著(p<0.01),微波時(shí)間與料液比,乙醇體積分?jǐn)?shù)與料液比的交互作用達(dá)到顯著水平(p<0.05),說明它們的交互作用對稻殼綠原酸提取量有顯著影響(見圖8)。回歸模型達(dá)到極顯著水平,說明該方程能準(zhǔn)確反映綠原酸提取量與各因素之間的關(guān)系。失擬項(xiàng)p=0.447 4>0.05,不顯著,說明方程對試驗(yàn)擬合良好,試驗(yàn)誤差小。相關(guān)系數(shù)R2=0.986 9,表明有98.69%的數(shù)據(jù)可以用此回歸模型來解釋。
最終由回歸方程得出最高指標(biāo)時(shí)各個因素組合:Y=3.959 41,X1=33.85,X2=51.97,X3=22.25,即微波時(shí)間33.85 s、乙醇體積分?jǐn)?shù)51.97%,料液比1:22.25( g/m L),在此條件下稻殼綠原酸的提取量為3.96mg/g。
為檢驗(yàn)預(yù)測結(jié)果的可靠性,采用最優(yōu)提取條件進(jìn)行稻殼綠原酸的提取,考慮到實(shí)際操作的便利,將提取工藝參數(shù)修正為微波時(shí)間34 s,乙醇體積分?jǐn)?shù)52%,料液比1:22( g/m L),3次平行試驗(yàn)得到的實(shí)際提取量為3.94 mg/g,與最優(yōu)理論值相近,說明響應(yīng)面優(yōu)化的提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠,具有可行性。
3結(jié)論
稻殼中富含綠原酸,通過單因素試驗(yàn)和中心組合試驗(yàn)以及響應(yīng)面優(yōu)化分析得出超聲波輔助微波提取綠原酸的最佳工藝為:微波時(shí)間34 s,乙醇體積分?jǐn)?shù)52%,料液比1:22( g/m L),超聲功率160 W,超聲溫度80℃,超聲時(shí)間20 min,在此條件下稻殼綠原酸提取量為3.94 mg/g。
4摘要 以乙醇為提取溶劑,對稻殼綠原酸進(jìn)行超聲協(xié)同微波提取研究。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以微波時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比為自變量,綠原酸提取量為響應(yīng)值,研究各自變量交互作用及其對綠原酸提取量的影響。結(jié)果表明,稻殼綠原酸提取的最佳工藝條件:微波時(shí)間34 s,乙醇體積分?jǐn)?shù)52%,料液比1:22 (g/m L),超聲功率160 W,超聲溫度80℃,超聲時(shí)間20 min,在此條件下稻殼綠原酸提取量為3.94 mg/g。
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