黑米黑色素微波輔助提取工藝優(yōu)化

馬 萍 郭希娟 郭增旺

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

黑米在中國(guó)有著悠久的種植史，它含有豐富的脂肪油、蛋白質(zhì)、人體必需的多種氨基酸以及Fe、Cu、Zn等微量元素，且其米糠中含有豐富的天然黑色素［1，2］。研究［3，4］表明，黑米黑色素屬花青苷類色素，是類黃酮化合物，有較強(qiáng)的清除自由基和抗氧化的能力。因此，黑米在食品、醫(yī)藥加工和化妝行業(yè)都具有重要意義［5，6］。已有的相關(guān)研究［7－9］多進(jìn)行單因素的研究，即使綜合考慮多個(gè)因素用的也是正交試驗(yàn)，雖然找到了所在試驗(yàn)水平組合中的最佳組合，但未能在一定范圍內(nèi)找到最優(yōu)方案，而二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合法［10］通過(guò)二次回歸方程來(lái)擬合多個(gè)因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)分析回歸方程來(lái)尋求最佳工藝參數(shù)。本研究擬以食用黑米為原料，利用微波技術(shù)，以乙醇溶液為浸提劑，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合法建立黑米中黑色素與其影響因素的模型，為開(kāi)發(fā)黑米黑色素開(kāi)發(fā)提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑米：市售；

無(wú)水乙醇：分析純，沈陽(yáng)華東試劑廠；

蒸餾水：本實(shí)驗(yàn)室自制；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE-52AA型，上海亞榮生化儀器廠；

可見(jiàn)分光光度計(jì)：722s型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

電子天平：FA1604N型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

臺(tái)式離心機(jī)：TD4A型，長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司；

真空干燥箱：ZK-82B型，上海市實(shí)驗(yàn)儀器廠；

家用微波爐：D8023C6TL-K4C型，廣東格蘭仕集團(tuán)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取的工藝流程

黑米→洗凈烘干→粉碎過(guò)篩（60目）→稱量（取4.00g）加入提取劑→微波浸泡提取→過(guò)濾得到黑色澄清透明液體→4 000r/min離心30min去沉淀→上清液加酸（2mol/L HCl）調(diào)pH＝2→沉降→4 000r/min離心30min得沉淀→真空干燥產(chǎn)品→計(jì)算提取率

1.2.2 黑米黑色素得率 按式（1）計(jì)算：

1.2.3 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn) 根據(jù)以往的相關(guān)研究［5，7－9］，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，本試驗(yàn)在微波功率為中火時(shí)，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究微波輻照時(shí)間、乙醇濃度和液料比對(duì)黑色素得率的影響，利用Design-expert 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立黑米黑色素得率和各因素的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行分析優(yōu)化提取工藝條件，其因素水平編碼見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Factors andcode levels

2 結(jié)果與分析

2.1 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果及其分析

黑米黑色素提取的組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Experiment structural matrix and results

由表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到黑米黑色素得率與時(shí)間、乙醇濃度、液料比的編碼的回歸方程：

表3的方差分析說(shuō)明，乙醇濃度、料液比的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及時(shí)間的二次項(xiàng)均顯著，交互項(xiàng)X1X2和X2X3顯著。模型的F值為46.449 2，P值＜0.000 1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.01，表明模型極顯著。從表3還可以看出回歸方程失擬性檢驗(yàn)差異不顯著，模型的校正的決定系數(shù)為0.955 6，說(shuō)明該回歸模型可以解釋95.56%的響應(yīng)值變化，所以可以用此模型對(duì)黑米黑色素的提取進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)［11，12］。

表3 方差分析Table 3 Analysis of Variance（ANOVA）for the quadratic model

2.2 單因素效應(yīng)分析

將所得回歸模型中的因素任意固定兩個(gè)在零水平，得：

并以此在研究的范圍內(nèi)作圖，揭示單個(gè)因素變動(dòng)時(shí)對(duì)黑色素的影響，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著微波作用時(shí)間的延長(zhǎng)，黑米黑色素的得率先增加而后減小，其原因可能是時(shí)間延長(zhǎng)溫度增加，黑色素成分被分解，導(dǎo)致得率減小，因此在微波輔助提取黑色素時(shí)，時(shí)間不是越長(zhǎng)越好。隨著提取過(guò)程中乙醇濃度的不斷增加，黑米黑色素得率也在不斷地增加，當(dāng)乙醇濃度增加到84%后，黑色素得率達(dá)到最大值。另外液料比編碼在［－1.68，0.29］之間時(shí)，黑色素得率與液料比幾乎呈線性增長(zhǎng)，在液料比編碼為0.29時(shí)黑色素得率達(dá)到最大值然后開(kāi)始下降。從以上分析可見(jiàn)，這3種因素不能無(wú)限制的增加，超過(guò)一定范圍便會(huì)使黑色素提取降低。

圖1 單因子效應(yīng)分析Figure 1 The relationship of single factors to extraction degree

2.3 試驗(yàn)因子間互作效應(yīng)分析

由圖2可知，在一定的乙醇濃度下，黑色素得率隨著微波作用時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)。特別當(dāng)乙醇濃度大于70%時(shí)，微波作用時(shí)間對(duì)黑米黑色素得率影響較小。當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，隨著乙醇濃度的增加黑色素得率增加速度變快，但當(dāng)時(shí)間超過(guò)120s后，隨著乙醇濃度的增加黑色素得率增加緩慢，特別在乙醇濃度比較高，微波作用時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，黑米黑色素的得率下降，因此在黑米黑色素提取時(shí)乙醇濃度大于70%、微波作用時(shí)間短時(shí)提取效果較好。

由圖3可知，隨著乙醇濃度和液料比的增加，黑米黑色素的提取率也在增加。料液比在較低水平時(shí)，乙醇濃度越大黑米黑色素的得率越高，當(dāng)料液比在較高水平時(shí)，雖然增大乙醇濃度能夠提高黑米黑色素的得率，但幅度不是很大，因此不是料液比越高，乙醇濃度越大，黑米黑色素的提取就是越好的。同時(shí)從圖3的等高線圖可以看出，乙醇濃度方向的等高線密集［11］，所以乙醇濃度起到的作用大于液料比所起到的作用。

圖2 微波時(shí)間和乙醇濃度對(duì)黑米黑色素提取影響的響應(yīng)面及等高線圖Figure 2 RSM and contour line plots between extraction time and solvent

圖3 乙醇濃度和液料比對(duì)黑米黑色素提取影響的響應(yīng)面及等高線圖Figure 3 RSM and contour line plots between extraction solvent and liquid ratio

2.4 各因素對(duì)結(jié)果的重要性分析

為了判斷各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小，根據(jù)文獻(xiàn)［12］計(jì)算各因子的貢獻(xiàn)率，各因素的貢獻(xiàn)率Δj為：

對(duì)各因素的貢獻(xiàn)率進(jìn)行比較，得到3個(gè)因素對(duì)黑米黑色素得率影響的主次順序?yàn)椋阂掖紳舛龋疽毫媳龋緯r(shí)間。

2.5 提取工藝的優(yōu)化和驗(yàn)證

對(duì)黑米黑色素的二次多項(xiàng)式回歸模型進(jìn)行分析，得到最優(yōu)理論組合為微波作用時(shí)間為94s，料液比為1∶18（m∶V），乙醇濃度為80%，理論得率為5.24%。為檢驗(yàn)所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次得黑米黑色素平均得率為4.97%，相對(duì)誤差為5.15%，說(shuō)明回歸模型擬合效果較好。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)在微波輔助的條件下，通過(guò)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，得到了黑米色素和影響因素直接的二次關(guān)系，而且確定黑米黑色素的最佳工藝條件為：乙醇濃度80%，液料比18∶1（V∶m），微波作用時(shí)間94s，該條件下黑米黑色素得率為4.97%。

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