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      響應(yīng)面法優(yōu)化大曲中黃曲霉毒素B1提取工藝

      2019-01-02 08:16:04張崇軍唐賢華朱克永舒學(xué)香
      中國(guó)釀造 2018年12期
      關(guān)鍵詞:甲醇溶液大曲黃曲霉

      張崇軍,唐賢華*,趙 龍,朱克永,周 文,隋 明,舒學(xué)香

      (1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 都江堰 611830;2.成都市華測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司,四川 成都 610041)

      黃曲霉毒素(aflatoxin,AFT)主要是指由黃曲霉和寄生曲霉等真菌產(chǎn)生的一類有毒的次生代謝產(chǎn)物,廣泛存在于農(nóng)作物及食物中,黃曲霉毒素被世界衛(wèi)生組織(world health organization,WHO)的癌癥研究機(jī)構(gòu)劃定為“Ⅰ”類致癌物,是一種毒性極強(qiáng)的劇毒物質(zhì),對(duì)人及動(dòng)物肝臟組織具有破壞作用,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致肝癌甚至造成機(jī)體死亡[1-4]。目前,分離得到的AFT及其衍生物已有20多種,其中毒性和致癌性最大的是黃曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)[5-7]。主要危害包括對(duì)人體細(xì)胞的致癌作用、細(xì)胞毒性、對(duì)免疫系統(tǒng)的損害、肝臟細(xì)胞的毒性等。由于黃曲霉毒素對(duì)水稻、玉米、小麥等糧食作物有著很強(qiáng)的侵染性[8],且大曲主要是以小麥、大麥、豌豆等糧食作物為原料,故大曲存在黃曲霉毒素污染的可能性[9]。近年來白酒安全問題不斷涌現(xiàn),俗話說“曲為酒之骨”[10],因此做好大曲生產(chǎn)過程中黃曲霉素的檢測(cè)對(duì)確保白酒質(zhì)量安全,保障消費(fèi)者健康很有必要。

      目前關(guān)于黃曲霉毒素B1的提取方法主要包括超聲波處理、振蕩、微波處理、均質(zhì)和紫外線輻射等,林耀盛等[11]采用微波處理的方法提取米糠中的黃曲霉毒素B1,取得了較好的效果;王洪健等[12]采用紫外輻照處理來提取花生油中黃曲霉毒素B1;龔珊等[13]為了測(cè)定玉米中黃曲霉毒素B1,對(duì)超聲、振蕩、高速均質(zhì)3種樣品前處理提取方法的提取效果進(jìn)行了比較分析;畢春元等[14-15]選擇了超聲波處理的方法分別對(duì)花生和蠶豆中的黃曲霉毒素B1進(jìn)行了提取和工藝參數(shù)的優(yōu)化,為黃曲霉毒素B1的檢測(cè)提供了可靠的方法。為了加強(qiáng)大曲中黃曲霉毒素的溶解度和擴(kuò)散,有利于毒素的提取完全,綜合安全和經(jīng)濟(jì)性等方面的考慮,本研究采用超聲波處理從大曲中提取黃曲霉毒素B1,結(jié)合Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法優(yōu)化提取條件以建立最適的提取方案來確立有效和準(zhǔn)確的檢測(cè)參數(shù),為提高大曲安全性,進(jìn)一步保障濃香型白酒的生產(chǎn)安全奠定理論基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      1.1.1 材料

      中高溫大曲:取自川南某制曲廠,貯存期為30d,取樣后密封保存。

      1.1.2 試劑

      甲醇、二氯甲烷、無水硫酸鈉(均為分析純):成都科龍化工試劑廠;酶聯(lián)免疫試劑盒(96孔/48孔):北京華安麥科生物技術(shù)有限公司。

      1.2 儀器與設(shè)備

      F50型酶標(biāo)儀:瑞士Tecan公司;SB-5200DTD型超聲波提取儀:寧波新芝生物科技股份有限公司;DZKW-S-8型電熱恒溫水浴鍋:北京市光明醫(yī)療儀器有限公司;SORVALL Stratos型高速離心機(jī):美國(guó)Thermo公司;φ15 cm快速定性濾紙:泰州市奧克濾紙廠。

      1.3 方法

      1.3.1 大曲中AFB1的提取[16]

      準(zhǔn)確稱取粉碎混勻的大曲樣品10.00g,通過20目篩,置于250 mL具塞錐形瓶中,分別加入80 mL不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇-水溶液,在不同的溫度條件下,采用不同的超聲波功率提取不同的時(shí)間后,用快速定性濾紙過濾于錐形瓶中。吸取10 mL濾液于分液漏斗中,加入40 mL二氯甲烷,加塞振搖5 min,靜置分層(約30 min),棄下層相,再加入10 mL二氯甲烷于分液漏斗中,重復(fù)提取,合并二氯甲烷相,經(jīng)盛有約20 g預(yù)先用二氯甲烷潤(rùn)濕的無水Na2SO4濾紙漏斗過濾于錐形瓶中,以65℃水浴烘干,冷卻后加入10 mL體積比為1∶1的甲醇-水溶液,即為待測(cè)樣品。

      1.3.2 AFB1的檢測(cè)

      按照參考文獻(xiàn)[17]中酶聯(lián)免疫法檢測(cè)大曲中AFB1的含量。

      1.3.3 AFB1提取工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

      根據(jù)1.3.1,初始超聲功率為200 W、超聲時(shí)間為20 min、超聲溫度為30℃。采用單因素輪換法,依次考察甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)(45%、55%、65%、75%、85%)、超聲功率(140 W、160 W、180 W、200 W、220 W)、提取時(shí)間(15 min、20 min、25 min、30min、35min)、提取溫度(20℃、30℃、40℃、50 ℃、60℃)4個(gè)因素對(duì)大曲中AFB1提取率的影響。采用酶聯(lián)免疫法測(cè)定AFB1濃度,平行試驗(yàn)3次,確定最佳提取工藝條件。

      1.3.4 AFB1提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)

      在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用4因素3水平的Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[14-18],以甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)(A)、超聲波功率(B)、提取時(shí)間(C)和提取溫度(D)為考察因素,以黃曲霉毒素B1的得率(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo),優(yōu)化大曲中AFB1的提取工藝。

      1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

      運(yùn)用Design-Exper(tVersion 8.0.6)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,作出響應(yīng)曲面圖,并進(jìn)行線性回歸和方差分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 AFB1提取工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

      2.1.1 甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)對(duì)AFB1提取效果的影響

      甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)對(duì)大曲中AFB1的提取效果的影響見圖1。

      圖1 甲醇溶液的體積分?jǐn)?shù)對(duì)黃曲霉毒素B1提取效果的影響Fig.1 Effect of methanol solution volume fraction on the extraction effect of aflatoxin B1

      由圖1可知,不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇溶液對(duì)AFB1提取效果影響較大,隨著甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)的提高,AFB1得率不斷增大,當(dāng)甲醇溶液的體積分?jǐn)?shù)為55%時(shí),AFB1的得率達(dá)到最大值,為2.27 μg/kg,之后又逐漸下降,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是隨著料液比的增加,固液接觸面積和濃度梯度增加,有利于大曲中的AFB1內(nèi)向外擴(kuò)散,使得AFB1得率增加。當(dāng)料液比繼續(xù)增加,醇溶性的雜質(zhì)溶解度增加,使AFB1的溶解被抑制,因此確定甲醇溶液的最佳體積分?jǐn)?shù)為55%。

      2.1.2 超聲波功率對(duì)AFB1提取效果的影響

      超聲波功率對(duì)大曲中AFB1的提取效果的影響結(jié)果見圖2。

      圖2 超聲波功率對(duì)黃曲霉毒素B1提取效果的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the extraction effect of aflatoxin B1

      由圖2可知,當(dāng)超聲波功率范圍為140~200W時(shí),AFB1得率隨著超聲波功率的增大不斷增加,說明黃曲霉毒素的提取率在不斷提高;當(dāng)超聲波功率為200 W時(shí),AFB1的得率達(dá)到最大值,為2.33 μg/kg,繼續(xù)升高超聲波功率,AFB1得率逐漸降低,分析原因可能是隨著超聲波頻率增大,溫度升高,有利于大曲中其他醇溶性雜質(zhì)的溶出,影響黃曲霉毒素B1的測(cè)定。因此,綜合考慮確定最適超聲波功率為200 W。

      2.1.3 提取時(shí)間對(duì)AFB1提取效果的影響

      提取時(shí)間對(duì)大曲中AFB1的提取效果的影響結(jié)果見圖3。

      圖3 提取時(shí)間對(duì)黃曲霉毒素B1提取效果的影響Fig.3 Effect of the extraction time on the extraction effect of aflatoxin B1

      由圖3可知,提取時(shí)間為15~25 min時(shí),AFB1得率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)增長(zhǎng)速率較快;當(dāng)提取時(shí)間為25 min時(shí),AFB1的得率達(dá)到最大值,為2.58 μg/kg,分析原因可能是由于黃曲霉毒素在甲醇/水溶液中的溶解度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,同時(shí)由于萃取過程中溫度升高,提取液黏度減少,擴(kuò)散系數(shù)增加,促使提取速度加快。提取時(shí)間過度延長(zhǎng),使得提取溫度過高,雜質(zhì)的溶出量增加,使黃曲霉毒素的檢測(cè)受到干擾,另一方面成本費(fèi)用增大,造成溶劑損失,影響環(huán)保。綜合各方面因素考慮,確定黃曲霉毒素B1的最佳提取時(shí)間為25 min。

      2.1.4 提取溫度對(duì)AFB1提取效果的影響

      提取溫度對(duì)大曲中AFB1的提取效果的影響結(jié)果見圖4。

      圖4 提取溫度對(duì)黃曲霉毒素B1提取效果的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the extraction effect of the aflatoxin B1

      由圖4可知,提取溫度為20~30℃時(shí),AFB1得率隨提取溫度的升高逐漸提高;當(dāng)提取溫度為30℃時(shí),AFB1得率達(dá)到最大值2.43 μg/kg,提取溫度再增加,AFB1得率呈緩慢下降的趨勢(shì),這是因?yàn)闇囟壬吆笫笰FB1結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,同時(shí)雜質(zhì)的浸出量也增加,從而影響了提取效果。因此,確定黃曲霉毒素B1的最適提取溫度為30℃。

      2.2 AFB1提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)

      2.2.1 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

      在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)(A)、超聲波功率(B)、提取時(shí)間(C)、提取溫度(D),以黃曲霉毒素B1得率(Y)為響應(yīng)值。利用Minitab軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)[18],其因素與水平見表1,試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

      表1 AFB1提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for AFB1 extraction process optimization

      表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

      2.2.2 回歸方程的建立及顯著性分析

      利用Design-Expert8.06軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得到二次多項(xiàng)回歸模型方程:

      對(duì)該模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。

      表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation

      由表3可知,回歸方程模型P值為0.000 1<0.01,表明該方程擬合度較好。失擬項(xiàng)P值為0.219>0.05,表明失擬項(xiàng)不顯著,模型不失擬,選擇合理。該模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9406,說明該模型能解釋94.06%響應(yīng)值的變化,校正決定系數(shù)R2adj=0.871 3,說明該模型擬合程度較好[19],試驗(yàn)誤差較小,因此可用此模型對(duì)大曲中AFB1的提取工藝條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

      根據(jù)回歸方程一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小,可知影響大曲中AFB1提取效果的主次因素為B(超聲波功率)>A(甲醇溶液體積分?jǐn)?shù))=D(提取溫度)>C(提取時(shí)間)[20]。模型的一次項(xiàng)A、B、C、D對(duì)結(jié)果影響均不顯著(P>0.05);二次項(xiàng)A2、B2、D2、C2對(duì)結(jié)果影響均極顯著(P<0.01);交叉項(xiàng)AB、AC、BC對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05),其他項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響均不顯著(P>0.05)。

      2.2.3 AFB1提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面分析

      各個(gè)因素間的交互作用對(duì)大曲中AFB1提取效果影響的響應(yīng)曲面圖及其等高線圖見圖5。

      等高線的形狀反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小,圓形表示兩因素交互作用不顯著,而橢圓形則與之相反[21]。由圖5可知,甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、提取時(shí)間和提取溫度間的交互作用對(duì)大曲中AFB1提取效果的影響均出現(xiàn)拋物面型關(guān)系,所得到的響應(yīng)面都存在一個(gè)極大值點(diǎn),其中甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、提取時(shí)間分別與提取溫度的交互作用等高線呈橢圓形,對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05)。

      圖5 甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、提取時(shí)間和提取溫度對(duì)AFB1提取效果影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interactions between methanol solution volume fraction,ultrasonic power,extraction time and temperature on the extraction effect of AFB1

      經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化,根據(jù)擬合二階模型公式得到理論上大曲中黃曲霉毒素B1的最佳提取工藝條件為甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)54.91%,超聲波功率199.44 W,提取時(shí)間24.86 min,提取溫度29.83℃,在此最優(yōu)條件下,AFB1得率的理論值為2.59 μg/kg??紤]到實(shí)際操作的可行性,將上述最優(yōu)條件修訂為甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)55%,超聲波功率200 W,提取時(shí)間25 min,提取溫度為30℃。

      2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

      為了驗(yàn)證該模型的有效性及實(shí)用性,在此最佳提取條件下對(duì)該模型做3次驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果測(cè)得AFB1得率為2.58 μg/kg,與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,因此,該模型能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際AFB1的提取狀況。

      3 結(jié)論

      本研究在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、提取時(shí)間和提取溫度4個(gè)因素,利用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行4因素3水平的Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì),通過響應(yīng)面優(yōu)化得到大曲中AFB1的最佳提取工藝條件:甲醇溶液體積分?jǐn)?shù)55%,超聲波功率200 W,提取時(shí)間25min,提取溫度為30℃。在此最優(yōu)條件下,大曲中AFB1的得率為2.58 μg/kg。

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