微波辅助萃取蓝莓中花青素降解工艺研究

1、微波辅助萃取蓝莓中花青素降解工艺研薛宏坤徐浩朱广浩郑先哲东北农业大学工程学院摘要:为获得高得率、低降解率的微波辅助萃取蓝莓花青素的工艺，以蓝莓为原料，考 查微波功率、萃取时间、乙醇浓度和料液比对蓝莓中花青素降解率的影响。结果 表明：确定最佳工艺组合为微波强度为150w/g.萃取时间为50s、乙醇浓度为50%、 料液比为1 ：30,在此条件下花青素的降解率为8. 36%,模型的预测值为8.13%。 试验值与预测值相对误差为0. 23%,验证了模型具有较高准确性。研究结果将为 微波辅助萃取技术的工业化应用提供理论依据。关键词：微波辅助萃取;蓝莓;花青素;降解;作者简介：薛宏坤（1988-），男，河

2、南周口人，博士研究生，（e-nia订） 1657956529qq. com。作者简介：郑先哲（1968-）,男，吉林德惠人，教授，博士生导师。收稿日期:2017-02-09基金：国家自然科学基金项目（31271911, 31571848）study on deprada processmi cr owave-as sis ted extraction ofanthocyanins from blueberryxue hongkun xu hao zhu guanghao zheng xianzhecollege of engineering, northeast agriculturaluni

3、versity;abstract：in order to obtain high yield and low degradation rate microwave assisted extraction of anthocyanins from blueberry. blueberry power were used as a test materials, the effects of microwave intensity, extraction time, ethanol concentration and solid-liquid ratio on the degradation ra

4、te of blueberry were studied. results indicated that the optimal combination of microwave extraction parameters was obtained as microwave intensity of 150w/g, the extraction time of 50 s, the ethanol concentration of 50%, the solid-liquid ratio of 1: 30 with the anthocyanin degradation rate of 8. 36

5、%, the predictive value of the model was 8. 13%. the relative error between the experimental value and the predicted value waso. 23%, which validated the accuracy of the model. the research results presented theoretical basis for the industrial application of microwave-assisted extraction technology

6、.keyword：microwave-assisted extraction; blueberry; anthocyanins; degradation;received： 2017-02-090引言蓝莓中富含丰富的花青素、维生素c和维生素el-2,这些活性成分具有较高 的营养价值，有益于人体健康。其中，花青素具有抗氧化、清除人体自由基、抗 炎、保护心脑血管和缓解视疲劳等功效s1，在食品、保健品、药品和化妆品 等行业中有着巨大的应用潜力臣1。由于花青素属于热敏性成分，对高温、光、 氧气等外界条件有很强的敏感性 凹。如何从蓝莓中获取高得率、低降解率的花青素成为科研工作者研究的热点话题。 造成花青

7、素降解的因素有内因和外因：内因是花青素自身结构，由于花青素具有 多个酚耗基，根据取代基的不同，稳定性差异较大，甲基化能增加花青素的稳 定性，疑基化使花青素稳定性降低£q；外因国内外学者也进行了相关研究。王芳 等总1研究了温度对蓝莓活性成分影响，表明高温可加快活性成分降解；chan£91 等研究微波辅助萃取植物中的花青素，表明微波辐射使萃取体系极性分子吸收 微波能，温度升高，高温加速花青素降解;reyes等10研究不同p ii下花青素 降解特性，研究发现p h越高花青素降解速率越快;ochoa等11研究光照对花 青素降解速率的影响，表明在光照下花青素的降解明显高于避光条件；c

8、hung等 曲研究金属离子对花青素降解的影响，研究发现fe、cu加速花青素降解;dorota等13研究向花青素中通入氧气,发现随通氧量增加，花青素降解 速率增加；veridiana等也研究在樱桃中加入适量的vc能显著降低花青素降解 速率。以上学者仅对影响花青素降解的因素进行研究，但微波辅助萃取工艺对花 青素降解影响尚未见报道。本文研究主要内容:通过单因素试验，考查微波强度、萃取时间、乙醇浓度、料 液比对花青素降解规律的影响；以花青素降解率最低为目标，通过二次正交旋转 中心组合设计试验来优化合理的工艺参数。1材料与方法1.1试验材料挑选成熟度均一、籽粒饱满的蓝莓置于冰箱中冷冻，在试骑前从冰箱中取

9、出，解 冻3h,然后放在九阳打浆机中进行打浆;将果浆置于玻璃皿中，放在冰箱中冷 冻12h后，置于td-50冻干机（上海浦东冷冻干燥设备有限公司）冻至24h,用 植物性粉碎机进行粉碎，过40目筛，制成果粉，避光密封保存与冰箱屮备用。试剂:香草醛、浓盐酸、甲醇、无水乙醇均为分析纯，购自于天津市富宇精细化 工有限公司。1. 2试验方法1. 2. 1萃取过程1）萃取体系的构建:用ab204-s型电子分析天平（梅特勒-托利多仪器（上海） 有限公司）准确称取2. 000 0 （±0. 000 5） g蓝莓粉置于萃取容器中，加入试验 预先确定体积和浓度的乙醇作为萃取剂来构建萃取体系。2）微波萃取过

10、程:将萃取容器置于微波工作站（mws,加拿大fios公司）的中 央，连接温度和压力光纤传感器，将传感器的探头置于萃取体系内，利用 fi-0s软件实时测定萃取液内部温度和压力的变化。3）萃取体系渣液分离:经微波处理后萃取体系倒入离心管中，置于lg10-2. 4a （北京京立离心机有限公司）离心机中以4 ooor/min、15min离心,其目的将上 清液和残渣分离，用一定浓度乙醇洗涤残渣，直到残渣无色为止;收集多次洗涤 的渣液置于100m l容量瓶中，用一定浓度的乙醇定容至刻度得到渣液备用；将上 清液用一定浓度乙醇定容100m l容量瓶屮得到原液备用。4）显色液制备:a液取l.ooog香草醛置t

11、100m l容量瓶中，用甲醇定容到100m l混均;b液取8ml的浓盐酸置于100m l容量瓶中，用甲醇定容到100m l混均。 将a液与b液1 ： 1混合制得显色液。1. 2. 2花青素萃取率测定釆用低浓度香草醛-盐酸法疋1测定蓝莓中花青素萃取率和降解率。方法如下： 用移液枪准确移取1. om l原液置于10m l比色管中，用一定浓度的乙醇将原液 稀释10倍;然后从稀释的原液屮取出2 m l置于另一个10m l比色管屮，加入 10m l显色液，混匀后置于30°cdk-98-iia型恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有 限公司）中，30min （避光）。用lambda35型紫外-可见分光光

12、度计（美国perkin elmer公司）在500nm处测定原液的0d值，利用标准方程y=1.612x-0. 048 516 （决定系数r=0. 998 9）计算出蓝莓中的花青素的浓度值，最后通过花青素萃取 率的计算公式计算出花青素萃取率，其公式为d 二 °二匸八 x 100%其中，d为花青素萃取率（%） ;c为花青素浓度（mg/m l） ;v为定容体积（m l） ;n 为稀释倍数;w为花青素总量（mg）。本研究中新鲜蓝莓中100g果粉花青素总含 量为 101. 17mgo1. 2. 3花青素降解率测定用移液枪准确移取2 m l的渣液置于10 ml的比色管屮，加入10 m l的显色液,

13、 以下的操作步骤同原液0d值测定方法相同。使用上述方法测定渣液中花青素含 量，即为花青素残留率，通过式（2）mi,可计算得到微波辅助萃取过程中花 青素的降解率，即丫降解率=1 丫萃取率y残留率1. 2. 4试验设计选用微波强度（w/g）、萃取时间（s）、乙醇浓度（%）、料液比（g/m l）作为 试验因素，以蓝莓中花青素降解率为试验指标进行试验设计，如表1所示。微波强度x/w g-1萃取时间蜀/s乙醇浓度/%50020100253515050502007565250100801) 单因素试验。以蓝莓为原料，选取微波强度(50250w/g),萃取时间 (0100s),乙醇浓度(20%、80%),料

14、液比(1 : 101 ： 50)作为试验因素，以 花青素降解率为目标因素。每组试验重复3次，并对试验数据进行方差分析。2) 组合试验。选用微波强度、萃取时间、乙醇浓度、料液比作为中心组合试验 的影响因素，采用响应曲面法(rsm)建立试验参数的冋归模型，研究试验因素 对花青素降解率的影响。各因素的取值范围如表2所示。试验水平微波强度/ w g_1萃取时间/s乙醇)-25002(-1100253f0150505(12007522501008(利用 design-expert ver6.0 (sat-ease, inc. , last september, uk)对试验 进行设计，并对所有的数据进行

15、分析，采用响应面分析法得到二次冋归模型为丫二仏+44+ x 九 x： +24其中，b°为截距回归系数;bi为线性回归系数;bi为交互项的回归系数;xi xj为自 变量。1. 3数据处理分别采用 sigma plot 12. 5 (spss, tnc., chicago, us)软件进行作图和 design expert vcr6.0 (sat-ease, inc. , last september, uk)软件，构建响应曲面 模型，研究因素之间的交互影响及对蓝莓花青素的工艺参数进行优化和验证， 确定木研究的可靠性。2结果与讨论2. 1微波强度对花青素降解率的影响选取萃取时间为50s,

16、乙醇浓度50%,料液比为1 ：30,考查不同微波强度对花 青素降解率的影响，结果如图1所示。微波强度/w 图1不同微波强度对花青素降解率的影响下载原图 由图1可知:随着微波强度的增加，蓝莓中花青素降解率呈现先降低后升高的趋 势。当微波强度在150w/g吋，花青素降解率达到最小值5.66%;当微波强度在 50150w/g范围内，随着微波强度的增加，花青素降解率降低；当微波强度在 150250w/g范围内，随着微波强度的增加，降解率增加。其原因是随着微波强 度的进一步增加，萃取液温度迅速增加，花青素是热敏性物质，当萃取液温度到50°c时，花青素结构被破坏，50%以上的花青素发生降解im；

17、微波强度在 150w/g以上时，萃取液的温度均大于50°c,从而使花青素降解率增加。2.2萃取过程对花青素降解率的影响选取微波强度为150w/g,乙醇浓度为50%,料液比为1 ：30,考查不同萃取时间 对花青素降解率的影响，结果如图2所示。由图2可知：随着萃取时间的延长，蓝莓中花青素降解率呈现先降低后升高的趋 势。当微波萃取时间在50s时，降解率达到最小值5. 57%o当萃取时间在050s 范围内，降解率随萃取吋间的增加而降低，原因是此吋花青素萃取率随吋间的 延长而增加，故花青素降解率降低;随着萃取时间的延长，花青素降解率增加。由丁随着微波辐射时间的延长，热积累效应增强，温度迅速升高

18、。有微波萃取条 件下花青素降解规律和阿伦尼乌斯方程可以导出，花青素降解量与萃取体系温 度的关系方程，其方程19为m 二 afoexp仏m帝由式（4）可知:温度越高，花青素降解量越大，故花青素降解率增加。fk-c) ji i n()255()萃取时间/图2不同萃取时间对花青素降解率的影响下载原图2.3乙醇浓度对花青素降解率的影响选取微波强度为150w/g、萃取时间为50s、料液比为1 : 30,考查不同乙醇浓度 对花青素降解率的影响，结果如图3所示。图3不同乙醇浓度对花青素萃取率和降解率的影响下载原图 由图3可知：当乙醇浓度在50%时，花青素萃降解率达到最小值7. 96%;当乙醇浓 度在20%5

19、0%范围内，花青素降解率随乙醇浓度的升高而降低。当乙醇浓度在 50%吋，乙醇极性与花青素极性相似，根据相似相容原理，故此吋花青素萃取率 最高,降解率最低；当乙醇浓度进一步增加，高浓度乙醇破坏花青素-蛋口 质和花青素-纤维素之前的氢键和疏水键型1，造成花青素结构被破坏，故花青 素降解率增大。2.4料液比对花青素降解率的影响选取微波强度为150w/g.萃取时间为50s、乙醇浓度50%考查不同料液比对花青 素萃降解率的影响，结果如图4所示。1816 -14<<s<*fe3i21±1±20304料液比/g (ml) 1 由图4可知：当料液比在1 ： 30时，花青素

20、降解率达到最小值3.79%;当料液比在 1 : 101 ： 30范围内，花青素的降解率随料液比的升高而降低；当料液比在1 : 30、1 ： 50吋，花青素降解率随料液比的增加而增加。一方面由于固体内部存 在传质极限，因此当溶剂量增大时，驱动力不再增大21,溶剂吸收消耗微波 能，使得进入蓝莓颗粒内的微波能少，细胞壁破坏能力减弱，花青素萃取率降 低，降解量增加；另一方面由于料液比的增加，加快了其它杂质的溶出，溶出的 杂质加速花青素降解，因此花青素降解率增加。3花青素的降解工艺优化3.1微波辅助萃取参数交互作用分析按照表3中试验的设计编码条件进行中心组合试验，以花青素降解率为试验指 标，进行数据统计

21、分析。表3中心组合试验设计和结果下载原表试验 编号试验因素111-112-200030-2004-11-1-1502006一 1-1一 11711118-11119一 1-1一 1-1表3中心组合试验设计和结果下载原表续表3试验编号试验因素101-1111-1-1112200013002014一 1-111151-11116111171-1-11800-2019-111表3中，xi为微波强度(w/g) ;x2为萃取时间(s) ;x3为乙醇浓度(%) ;x4为料 液比(g/m l)。3.1.1花青素降解率的方差分析和回归方程由方差分析可知，该模型极显著(p<0.01),失拟项不显著(p&g

22、t;0. 05)。决定系 数r=0. 923 5,说明92. 35%的响应值变化能够用该模型解释。由方差分析表屮各 因素的f值大小可知:在花青素萃取率的回归模型中,xz、xi、x“项极显著，x2、 xs、xn、x2x3项显著。试验选取的各因素对蓝莓花青素降解率的影响程度大小顺 序依次为微波强度料液比萃取时间乙醇浓度。剔除模型中不显著项，得到蓝 莓花青素降解率的回归方程，即y = 9. 03 - 2. 40x1 + 0. 87x2 + 0. 84j3. 13x + 1. 2ox4 一 0. 87x4 + 0.其中，x】为微波强度(w/g) ;x2为萃取时间(s) ;x3为乙醇浓度(%) ;x为料

23、液 比(g/m l) ;y为蓝莓花青素萃取率(%)。3.1.2微波强度和料液比对花青素降解率交互影响当萃取时间和乙醇浓度在50s和50%水平时，考察料液比和微波强度对蓝莓花青 素降解率的交互影响，如图5所示。4(). 0()22. ()13. 755. 005()4()3020料液比/g (ml)"11005()图5微波强度和料液比对花青素降解率的影响下载原图当料液比在某一水平时，随微波强度的增加，花青素降解率呈现先减小后升高 的趋势。其原因同单因素2.1。当微波强度一定时，花青素降解率随料液比的增 加呈现先降低后升高的趋势，其原因是随料液比的增加，花青素萃取率增加， 因此花青素降解

24、率降低。当料液比较高时，其他极性醇溶性成分溶解，抑制花青 素溶解，花青素萃取率下降，故花青素降解率增加。当料液比在1 ： 30和微波强 度在150w/g时，花青素萃取率最低7. 23%。3.1. 3萃取时间和乙醇浓度对花青素降解率的交互影响如图6所示o当微波强度和料液比在150w/g和1 ： 30水平时，考察萃取时间和乙醇浓度对蓝 莓花青素降解率的交互影响，图6萃取时间和乙醇浓度对花青素降解率的影响下载原图 由图6可知：乙醇浓度和萃取时间显著影响花青素降解率。乙醇浓度在某一水平 时，花青素降解率随萃取过程呈现逐渐增加的趋势。由于花青素降解符合一级反 应动力学模型22,即c 二 co exp（

25、一 kt）其中，k为反应速率常数。微波处理过程中温度对k的影响采用arrhenius经验 方程23,即由式（6）、式（7）可知：随着萃取时间的延长，萃取液的温度升高，反应速率 常数k增大，故花青素降解率增加。当萃取时间一定时，花青素降解率随乙醇浓 度的增加而增加。其原因是随乙醇浓度的增加，萃取体系蒸憎水含量减少，其沸 点低于蒸镭水，因此高浓度的乙醇更易吸收微波能，使萃取体系温度升高，高 温加速花青素降解，故花青素降解率随乙醇浓度的增加而增加。3. 2最优工艺参数优化在建立蓝莓花青素微波强度、萃取时间、乙醇浓度、料液比的回归模型的基础上, 采用中心组合试验设计（response surface/

26、central composite design）对萃 取蓝莓花青素的工艺参数进行优选组合，优化后的工艺参数和最优结果如表4 所示。表4优化结果和验证值下载原表因素微波强度/w g优化参数150验证参数150以花青素降解率最低作为目标，所得的最优工艺参数为:微波强度为150w/g.萃 取时间为50s、乙醇浓度为50%、料液比为1 ：30。在最优工艺条件下进行验证 试验，经过3次试验确定的最优结果为& 36%,而冋归模型的预测值为& 13%。 试验值与预测值相对误差为0. 23%,表明了优化结果的合理性，并进一步验证 了回归模型的适用性。4结论蓝莓中花青素降解率随微波强度、萃取时

27、间、乙醇浓度、料液比的增加均呈现先 减小后升高的趋势。通过中心组合试验，以花青素降解率最低为目标，确定了最 优的工艺参数组合为:微波强度为150w/g.萃取时间为50s、乙醇浓度为50%、 料液比为1 ： 30,在此条件下花青素降解率为8. 36%。本研究结果可为工业化生 产提供理论依据。参考文献1 胡雅馨，李京，惠伯棣蓝莓果实中主要营养及花青素成分的研究j食品 科学，2006, 27 (10) : 600-6032 曹雪丹，方修贵，赵凯，等蓝莓花色首研究进展j.中国农学通报，2012, 28 (15) : 221-226.3 孙建霞，张燕，胡小松，等花青素的提取、分离以及纯化方法研究进展j.

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