甘蔗糖廠濾泥中葉綠素微波輔助提取工藝優化

郭海蓉，王曉飛，李媛媛

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

甘蔗糖廠濾泥中葉綠素微波輔助提取工藝優化

郭海蓉，王曉飛，李媛媛

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004)

通過響應面法分析優化微波輔助提取甘蔗糖廠濾泥中葉綠素的工藝條件，并與傳統溶劑法進行比較分析。結果表明微波輔助提取濾泥中葉綠素的最佳工藝條件為：微波輻射時間60s，提取溫度34℃，液料比7∶1(mL/g)，最大提取量預測值為0.280mg/g，實測值為0.277mg/g，葉綠素提取量比傳統工藝高出6.95%，且提取時間大大減少。

響應面法；甘蔗糖廠；濾泥；微波；葉綠素

葉綠素是脂溶性卟啉類化合物，不溶于水，為光合作用的主要物質[1]。葉綠素廣泛應用于食品、醫藥和日用化學工業中，在食品方面，我國1982年6月就將葉綠素銅鈉鹽列為食品添加劑；在醫藥方面，葉綠素有極好的消炎、促進愈合作用，還可防治感冒等癥狀；在日用化學工業上，利用葉綠素的光敏特性，可用作彩色膠片的敏化劑，還可把它作為染料給羽毛上色等[2]。因此，葉綠素有廣闊的開發價值和應用空間。甘蔗糖廠在制糖時排出大量的濾泥，含有大量的葉綠素，至今還未有很好利用，若能將濾泥中的葉綠素提取出來，將大大提高糖廠的經濟效益[3]。響應面分析法是采用多元二次回歸方法作為函數估計的工具來擬合因素和響應值之間的函數關系，依此可對函數的響應面和等高線進行分析尋求最佳工藝參數。微波輔助萃取法是一項不同于傳統萃取法的新萃取方法，具有高選擇性、溶劑用量少、能耗低、升溫均勻、速率快等特點，近年來在工業、分析、檢測等領域的應用越來越廣泛[4]。

本實驗選用甘蔗糖廠濾泥為原料，微波輔助提取葉綠素，并對其提取工藝進行優化，旨在實現濾泥的高效利用，并為葉綠素分離純化提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

甘蔗糖廠濾泥 廣西南寧金光糖廠；95%乙醇 廣西上思糖廠。

DWF-90電動植物粉碎機 上海微型電機廠；S7A79三星微波爐 蘇州三星電子有限公司；78HW-1型恒溫磁力攪拌器 杭州儀器表電機廠；HH.S21-6型電熱恒溫水浴鍋 北京長安科學儀器廠；UV- 2501PC紫外可見分光光度計 日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 葉綠素的測定

根據葉綠素a和葉綠素b分別于波長678、660nm兩處有吸收峰，以乙醇做溶劑大概藍移15nm，即在663、645nm處有吸收波峰。本實驗采用分光光度法測定葉綠素含量，主要是以Arnon計算法為基礎。

葉綠素質量濃度的Arnon法計算公式：

式中：Ca、Cb為葉綠素a、b的質量濃度；C總為總葉綠素的質量濃度；A663、A645分別為葉綠素溶液在波長663nm和645nm處的吸光度。

1.2.2 濾泥中葉綠素的微波輔助提取方法

稱取一定量(50g)經烘干粉碎的濾泥，置于錐形瓶內，加入一定量95%乙醇溶劑，分別用溶劑提取法和微波輔助提取法進行多次提取濾泥中的葉綠素，直到提取液無色為止。真空抽濾得到提取液，收集濾液，濾泥用一定體積的95%乙醇溶劑洗滌，濾出洗液至提取液中，記錄提取液的總體積，通過紫外分光光度計測出663、645nm處的吸光度，根據Arnon公式即可計算出葉綠素的含量。

1.2.3 葉綠素單因素試驗

在提取過程中，利用單因素試驗對影響葉綠素提取量的微波功率、微波輻射時間、提取溫度、液料比、提取時間5個因素進行考察。

1.2.4 響應面試驗設計及數據處理

在一定的微波功率和提取時間下，以微波輻射時間、提取溫度、液料比3因素為自變量，葉綠素提取量為指標，利用響應面分析程序(response su rface analysis，RSA)進行試驗設計及數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 微波輻射時間對葉綠素提取量的影響

準確稱量粉碎后的濾泥50g 5份，分別加入95%乙醇100mL，然后在微波爐中依次輻射處理0、30、50、70、90s，用95%乙醇在常溫下提取1h后過濾，再加200mL 95%乙醇沖洗至無色，通過測定提取液中葉綠素的吸光度，根據Arnon公式計算出葉綠素的含量進行比較，確定較好的微波輻射時間。

圖1 微波輻射時間對葉綠素提取量的影響Fig.1 Effect of microwave irradiation time on extraction rate of chlorophyll

從圖1可以看出，微波處理0s(即傳統提取方法)，所得到的葉綠素含量最低，而輻射后的葉綠素的提取量明顯提高，而且相差較大。其原因可能是濾泥經微波輻射后，溫度升高，加快了溶劑分子與濾泥微粒之間的運動(如布朗運動和分子擴散運動)，提高了傳質速度與強度，使葉綠素快速溶解到乙醇中。微波輻射50s左右時效果最好，其原因是隨著輻射時間的增加，擴散傳質速度越來越快，但由于微波具有熱效應，隨著溫度的不斷升高，葉綠素性質越來越不穩定，使部分葉綠素分解，導致葉綠素含量降低。

2.1.2 不同功率對葉綠素提取量的影響

其他條件同2.1.1節，研究不同微波爐功率450、600、750W對葉綠素提取量的影響，測定各個樣品的提取液中葉綠素的吸光度，并計算葉綠素含量以進行比較。

圖2 提取功率對葉綠素提取量的影響Fig.2 Effect of microwave power on extraction rate of chlorophyll

由于受設備的限制，對微波功率調試3檔。從圖2可知，微波功率的影響不大。分析其原因可能是所處理物理量比較小，即使在低功率上，微波所釋放的能量完全超過濾泥所需能量。綜合考慮，選擇功率為600W進行實驗。

2.1.3 提取溶劑用量對葉綠素提取量的影響

其他條件同2.1.2節，在濾泥中分別按液料比5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1加入95%酒精溶劑，葉綠素提取量結果如圖3所示。

圖3 液料比對葉綠素提取量的影響Fig.3 Effect of liquid-to-material ratio on extraction rate of chlorophyll

從圖3可知，隨著液料比的增加，葉綠素的提取量也隨之增加。在液料比5∶1～8∶1范圍內，由于乙醇用量較少，葉綠素在提取液中的含量增長稍快，溶劑中的葉綠素與濾泥中的葉綠素很容易形成傳質平衡，隨乙醇用量的增加，提取液中葉綠素含量降低，葉綠素傳質平衡右移，從濾泥中向提取液中擴散，葉綠素的提取量增加。當乙醇量超過一定比例后，濾泥內的葉綠素大部分都被萃取出來，這時再加入溶劑效果就不明顯，提取葉綠素的量增勢趨于平緩。

2.1.4 提取溫度對葉綠素提取量的影響

圖4 提取溫度對葉綠素提取量的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of chlorophyll

從圖4可以看出，葉綠素的提取量隨溫度的升高而增加，在15～0℃增長明顯。隨溫度的升高，葉綠素分子熱運動加劇，將加快傳質的速率；同樣溫度的升高，使得葉綠素提取過程的傳質平衡右移，葉綠素提取量開始增加。當溫度超過40℃，開始下降，最后趨于平緩，隨著溫度升高，超過60℃，葉綠素提取量減少，所需提供的能耗則相應的增加。

2.1.5 提取時間對葉綠素提取量的影響

圖5 提取時間對葉綠素提取量的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction rate of chlorophyll

從圖5可知，提取量隨著提取時間的延長，開始增加迅速，最后趨于平緩。微波預處理后，濾泥組織結構遭到破壞，葉綠素傳質擴散阻力急劇下降，在80min左右時，大部分葉綠素已經擴散溶解到溶劑當中，而傳統的提取要4～12h才能提取完全，顯示了經微波處理后擴散迅速的特點。當提取時間超過80min時，葉綠素的提取量增加不明顯，主要是由于葉綠素大部分已經被提取出來。在后期的浸提過程中，由于試驗周圍環境的影響，可能會導致已提取的葉綠素變質而使其含量下降。綜合考慮，選擇提取時間為80min。

2.2 響應面分析法對葉綠素提取工藝的優化

根據單因素試驗結果可知，不同微波功率對葉綠素提取的影響差別甚微，提取時間達到80min后，葉綠素的提取量幾乎不變，其他因素的影響均呈現先增后減趨勢，存在極值點，故在微波功率600W和提取時間80min下，選取輻射時間、提取溫度、料液比3個因素為自變量，葉綠素提取量為響應值，采用響應面分析法在3因素3水平上對葉綠素提取過程優化，達到最大限度提取葉綠素的目的。試驗因素與水平設計見表1。

表1 葉綠素提取工藝響應面分析因素及水平Table 1 Factors and levels in response surface analysis

對X1微波輻射時間、X2提取溫度、X3液料比各水平進行編碼：Z1=(X1-50)/10，Z2=(X2-30)/10，Z3= (X3-8)/1，以Z1、Z2、Z3為自變量，以葉綠素提取量Y為響應值，分析方案及試驗結果見表2。

表2 葉綠素提取工藝響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

對表2數據進行回歸分析，獲得甘蔗濾泥葉綠素提取量對編碼自變量微波輻射時間、提取溫度、料液比的二次多項回歸方程：

回歸方程中各變量對響應值影響的顯著性由F檢驗來判定，P值越小，則相應變量的顯著程度越高，模型的分析見表3。由表3可以看出，校正系數為0.9806，表明此模型有較好的擬合度，且試驗所選的3個因素間均存在顯著影響。

表3 回歸方程方差分析結果Table 3 Variance analysis of the regression equation for extraction rate of chlorophyll

根據回歸方程做出相應的響應面圖及其等高線圖，以確定微波輻射時間、提取溫度、液料比3因素對葉綠素提取量的影響，結果見圖6。

圖6 各因素交互作用響應面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots of Y=f(Z1, Z2and Z3)

從響應面的最高點和等高線可以看出所選的范圍內存在極值，分析得到最大響應值(Y)對應編碼值為Z1＝-0.033、Z2＝0.416、Z3＝0.122，即在微波輻射時間60s、提取溫度34℃、液料比7∶1時提取量最大值為0.280mg/g。分別采用按響應面法優化得到的最佳微波輔助提取條件和傳統溶劑法提取甘蔗濾泥中的葉綠素，比較兩種方法，結果見表4。

表4 兩種方法的葉綠素提取結果對比Table 4 Comparison of extraction rates of chlorophyll extracted by two methods

從表4可知，微波輔助提取法的葉綠素提取量均高于傳統提取法，通過計算平均值可以看出微波法比傳統法高出6.95%，與理論預測值(0.280mg/g)相比相對誤差為1.07%。一方面，由于濾泥中的葉綠素是以葉綠蛋白的形式存在，微波預處理濾泥原料時，除了發生熱效應外，同時由于微波磁場力作用，使得葉綠素和葉蛋白迅速分離。這樣葉綠素在后期的提取過程中，更加容易地溶解在溶劑中；但是傳統溶劑提取法在提取過程中，部分葉綠素仍然和葉蛋白結合，沒有分離，所以即使經過長時間的提取，葉綠素提取量也要相對低一些；另一方面，甘蔗糖廠濾泥經過微波預處理過程后，形成很多微小裂洞，可以使得葉綠素能夠自由的滲出，進入乙醇溶劑當中。

3 結 論

在單因素試驗基礎上，采用響應面分析法，建立二次多項數學模型，依據回歸分析得到微波輔助提取甘蔗糖廠濾泥中葉綠素的最佳工藝條件為：微波輻射時間60s、提取溫度34℃、液料比7∶1(mL/g)，在此條件下，最高提取量預測值0.280mg/g，實測值0.277mg/g，葉綠素提取量比傳統工藝高出6.95%，且提取時間大大減少。

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Optimization of Microwave-assisted Extraction Process for Chlorophyll from Filter Mud in Sugar Cane Mill Factories

GUO Hai-rong，WANG Xiao-fei，LI Yuan-yuan
(College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Response surface analysis was used for optimizing the microwave-assisted extraction of chlorophyll from filter mud in sugar cane mill factories. The results showed that the optimal conditions for microwave-assisted extraction of chlorophyll were microwave irradiation time of 60 s, extraction temperature of 34 ℃ and material-to-liquid ratio of 1∶7 (g/mL). Under these conditions, the predicted chlorophyll yield was 0.280 mg/g, which was close to the actual chlorophyll yield of 0.277 mg/g. Compared with the traditional extraction, microwave-assisted extraction revealed an enhanced yield of chlorophyll by 6.95% with considerably time-saving benefits.

response surface analysis；sugar cane mill；filter mud；microwave；chlorophyll

TS249.4

A

1002-6630(2011)16-0201-05

2011-07-04

廣西科學基金項目(桂科基0663023)

郭海蓉(1962—)，女，副教授，碩士，研究方向為糖料資源功能研究與綜合利用。E-mail：ghrsyh@gxu.edu.cn