超高壓提取苦蕎黃酮的工藝優化及動力學模型

王居偉 馬挺軍 陜 方 賈昌喜

(北京農學院食品科學學院1，北京 102206)

(山西省農業科學院農產品加工研究所2，太原 030031)

超高壓提取苦蕎黃酮的工藝優化及動力學模型

王居偉1馬挺軍1陜 方2賈昌喜1

(北京農學院食品科學學院1，北京 102206)

(山西省農業科學院農產品加工研究所2，太原 030031)

為獲得超高壓提取苦蕎黃酮的最佳工藝條件，并描述提取的動力學過程，以壓力、保壓時間、乙醇體積分數和液料比為試驗因子，苦蕎黃酮得率為響應值，分別采用單因素試驗和Box－Behnken試驗對工藝條件進行優化。根據Fick第一擴散定律，以所得數據為樣本建立超高壓提取苦蕎黃酮的動力學模型。結果表明:影響苦蕎黃酮得率的因素主次順序為乙醇體積分數＞液料比＞壓力＞保壓時間。確定超高壓提取苦蕎黃酮的最佳工藝條件為:壓力 388.1 MPa，保壓時間 8.09 min，乙醇體積分數 95.31%，液料比 19.82 mL·g－1，在此條件下苦蕎黃酮得率為2.185%，優于傳統的回流提取。

苦蕎黃酮 超高壓 提取 動力學模型

苦蕎為蓼科雙子葉植物，又名韃靼蕎麥(Fagopyrum tataricum)［1］?？嗍w籽粒營養豐富，并含有一些其他糧食作物不含或少含的營養物質，包括生物類黃酮、多肽、糖醇和D－手性肌醇等高活性功能成分［2－3］?？嗍w黃酮是存在于苦蕎的花、莖、葉和籽粒中的一種多酚類天然產物，主要包括蘆丁、槲皮素、異槲皮苷、牡荊苷、異牡荊苷、山奈酚和山奈酚－3－O－蕓香糖苷等，其中蘆丁含量最高，約占75%以上［1］。苦蕎黃酮的含量因不同階段、不同器官而有所不同，以花、葉的含量最高，外層粉、殼、心粉中含量較低［4－5］。據研究苦蕎黃酮類化合物具有抑制心肌損傷，降血脂，增強免疫力，抗氧化和抑菌殺菌等作用［6－10］。目前蕎麥黃酮的提取方法包括回流提取法、酶法提取、超聲提取、微波提取、超濾法和超臨界流體萃取法等［11－16］，其中主要采用回流提取法。本試驗采用超高壓技術提取苦蕎粉中黃酮的工藝，設定不同壓力、保壓時間、乙醇體積分數和液料比，比較提取得率，確定最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

UHPF/3 L/600 MPa超高壓處理設備:包頭科發公司;TU－1800紫外可見光分光光度計:北京普析通用儀器有限公司;FW100粉碎機:天津市泰斯特儀器有限公司;101A－2干燥箱:上海市實驗儀器總廠;RE－52AA旋轉蒸發儀:上海亞榮生化儀器廠。

苦蕎:由山西農科院提供，在65℃條件下烘干至恒重，粉碎后過60目篩，保存備用。

蘆丁標準品:中國食品藥品檢定研究院;乙醇、亞硝酸鈉(分析純):北京化工廠;無水三氯化鋁(分析純):天津市津科精細化工研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準曲線的測定

準確稱取蘆丁標準品20 mg，用70%乙醇溶解并定容至50 mL。分別移取標準溶液 0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL 于 50 mL 容量瓶中，加 70% 乙醇至10 mL。另加5%NaNO2溶液2 mL，搖勻放置6 min，加10%Al(NO3)3溶液2 mL，搖勻放置6 min后加4%NaOH溶液20 mL，用70%乙醇定容至刻度，搖勻靜置15 min，于510 nm波長處測定吸光度。以蘆丁含量為橫坐標，吸光度為縱坐標作標準曲線。通過線性擬合得到回歸方程y=363.61x+0.017 3(R2=0.999 8)，其中x為蘆丁含量/g，y為波長510 nm處測定吸光值。結果表明蘆丁含量在 0.000 8～0.004 0 g范圍內與吸光值線性關系良好。

1.2.2 樣品處理

準確稱取一定質量的苦蕎粉，按照設定液料比

1.2.3 提取工藝設計

分別考察不同壓力、保壓時間、乙醇體積分數和液料比對苦蕎粉中黃酮含量的影響，以確定各因素合適范圍。在單因素試驗基礎上，綜合考慮4個因素對提取物中黃酮得率的影響，并根據Box－Behnken的中心組合試驗設計原理對各因素進行3水平試驗設計。表1為試驗因子編碼表。加入一定量乙醇水溶液混勻，抽真空密封于鋁箔袋中。將其置于超高壓容器內(T=18℃)，按照設計參數進行處理。卸壓后分離液渣并回收溶劑。剩余物用70%乙醇溶解并定容至50 mL。樣品測定時精確吸取2 mL，操作同1.2.1，根據回歸方程計算苦蕎粉中黃酮含量。生破碎等變化，擴大了溶劑與組織的接觸面積，降低了有效成分的傳質阻力，提高了得率［17］。在400 MPa時可能苦蕎蛋白和多糖分子之間形成靜電復合物，從而阻塞通路，導致得率降低［18－19］。高壓處理使苦蕎蛋白分子內部疏水性氨基酸殘基暴露出來，表面疏水區域增加，吸附部分自由黃酮，導致得率降低［18］。

表1 苦蕎黃酮提取因素及水平

2.2 保壓時間對苦蕎黃酮的影響

在乙醇體積分數80%、提取壓力300 MPa、液料比30 mL·g－1、室溫條件下考察不同保壓時間對苦蕎黃酮得率的影響，結果如圖2。

圖2 保壓時間對苦蕎黃酮得率的影響

2 結果與分析

2.1 提取壓力對苦蕎黃酮得率的影響

在保壓時間6 min、乙醇體積分數80%、液料比30 mL·g－1、室溫條件下考察不同提取壓力對黃酮得率的影響，結果如圖1。

圖1 不同提取壓力對苦蕎黃酮得率的影響

由圖1可知，在100～400 MPa的范圍內，壓力增大得率增加21.81%。增大壓力可以提高苦蕎細胞內外壓力差，從而加快溶劑通過苦蕎粉顆粒表面毛細孔浸潤到組織細胞內部的速率，并在短時間內達到溶解平衡。迅速卸壓過程中反向壓力差作為傳質動力，加快了有效成分向外擴散的速率，且提取溶劑所形成的強渦流使細胞的細胞壁和細胞內各種膜發

由圖2可知，保壓時間在4～8 min范圍內，隨時間延長，苦蕎黃酮得率增長6.51%，在8～16 min范圍內得率僅增加3.34%。由于提取壓力較高，溶劑能在較短時間內滲透到細胞內部，且黃酮的溶解擴散迅速達到平衡，因此苦蕎黃酮提取時間較短。確定超高壓提取苦蕎黃酮的提取時間在8 min最適宜。

2.3 乙醇體積分數對苦蕎黃酮的影響

在提取壓力300 MPa、保壓時間6 min、料液比30 mL·g－1、室溫條件下考察不同乙醇體積分數對苦蕎黃酮得率的影響，結果如圖3。

圖3 乙醇體積分數對苦蕎黃酮得率的影響

由圖3可知，乙醇體積分數在25% ～50%范圍內，乙醇體積分數增大得率增加1.48倍;乙醇體積分數在50% ～75%范圍內，隨乙醇體積分數提高得率變化緩慢，僅增加7.42%;繼續提高乙醇體積分數，得率有所下降?？赡艿脑蚴?當乙醇體積分數超過75%時，色素、醇溶性雜質，親脂性強的成分溶出量增加，與黃酮類物質競爭，導致得率下降。

2.4 液料比對苦蕎黃酮的影響

在乙醇體積分數80%、提取壓力300 MPa、保壓時間6 min、室溫條件下考察不同液料比對苦蕎黃酮得率的影響，結果如圖4。

圖4 液料比對苦蕎黃酮得率的影響

由圖4可知，液料比在10～20 mL·g－1范圍內，黃酮得率隨液料比提高增大了19.60%;在20～50 mL·g－1范圍內，隨液料比增大得率變化不明顯。在提取過程中，苦蕎粉中黃酮濃度逐漸降低，溶液中濃度逐漸提高。液料比越大，濃度梯度越大，擴散速率越大。進一步提高液料比會因溶液中黃酮濃度變化不大而使曲線趨于平緩。試驗確定液料比為20 mL·g－1較為適宜。

2.5 超高壓提取苦蕎黃酮工藝參數優化

采用Box－Behnken試驗設計研究壓力、保壓時間、乙醇體積分數和液料比對苦蕎黃酮得率的影響，并建立數學模型，以確定苦蕎黃酮提取的最優條件。

2.5.1 數學模型的建立和顯著性檢驗

試驗設計及結果見表2。

采用 Design－Expert 7.0.0軟件對 Box－Behnken試驗的數據進行擬合，整理得到苦蕎黃酮得率(Y)的回歸方程:

表2 Box－Behnken試驗設計及結果

表3 回歸系數方差分析

由表3可知，回歸模型的決定系數 R2為0.984 6，回歸模型達到高度顯著水平(P＜0.000 1)。其中，一次項、二次項對試驗結果有顯著性影響。且失擬項P=0.777 0＞0.05，影響不顯著，說明該回歸模型與實測值能較好地擬合。對表3中各回歸系數進行t檢驗，根據α=0.05顯著水平剔除方程(1)中不顯著的回歸系數，簡化后的回歸方程為:

2.5.2 主效應分析

由于式(1)中各因素均經無量綱線性編碼處理，且所有回歸系數之間都是不相關的，因此，可以由回歸系數絕對值的大小來直接比較各因素一次項對苦蕎黃酮得率的影響［20］。4個試驗因素的效應影響大小排序為:乙醇體積分數 ＞液料比 ＞壓力 ＞保壓時間。

2.5.3 單因素效應分析

將式(1)中4個因素中的3個固定在零水平，分別得到壓力(X1)、保壓時間(X2)、乙醇體積分數(X3)、液料比(X4)的單因素模型，分別為式(3)～式(6)。將4個因素分別固定在－2，－1，0，+1，+2的5個水平，得到各因子的單因素效果圖(圖5)。

圖5 各單因素水平與苦蕎黃酮得率的回歸曲線

2.5.4 兩因素間的交互效應分析

分別固定回歸模型中任意兩個因素在零水平，可以得到另外兩個因素的雙因素模型。在此重點考察壓力(X1)和保壓時間(X2)，壓力(X1)和乙醇體積分數(X3)間的交互效應，并根據模型做出響應面和等高線圖。

圖6表明壓力與保壓時間交互作用較弱，最優點十分接近于壓力300 MPa和保壓時間7 min，并在附近達到最大值。

圖6 壓力(X1)與保壓時間(X2)響應面與等高線圖

由圖7可知，壓力與液料比交互作用較為顯著，其最優點接近于壓力300 MPa和液料比20 mL·g－1，并在這兩點附近達到得率最大值。

圖7 壓力(X1)與液料比(X4)響應面與等高線圖

2.5.5 確定各因素的最優組合

利用Design－Expert 7.0.0分析得到一個穩定點:壓力 388.1 MPa，保壓時間 8.09 min，乙醇體積分數95.31%，液料比19.82 mL·g－1，并判斷該點為最大值點，苦蕎黃酮得率為2.291%。按所得條件重復驗證3次，得到苦蕎黃酮平均得率為2.185%，略低于預測值。

2.6 對比試驗

參照前人所得苦蕎黃酮熱回流提取工藝條件進行對比試驗［21］，結果見表4。試驗表明超高壓提取得率明顯優于熱回流提取，且具有提取時間短，操作簡便等優點。

表4 回流提取和超高壓提取最優條件結果比較

2.7 超高壓提取苦蕎黃酮的動力學模型

2.7.1 動力學模型的建立

超高壓提取由3個步驟組成，一是溶劑向組織內部滲透，二是溶質溶解并擴散到固液界面，三是溶質從固液界面向溶劑主體擴散。其中，提取速率主要由第3 步決定［22］。

由Fick第一擴散定律可得:

式中:n為苦蕎黃酮的物質的量，D為擴散系數，S為固液界面積，為濃度梯度，負號表示擴散沿濃度梯度減小方向進行。

在提取過程中，苦蕎粉中黃酮濃度逐漸降低，溶液中黃酮濃度則不斷提高。因此在固液界面層中，黃酮濃度梯度不斷減小，可表示為:

超高壓提取中，擴散系數D主要與擴散面處的物質濃度c及壓力 P 有關［23－24］，可表示為:

D=D0Pmcn(m，n＞0) (9)

式中:D0為固有擴散系數，與擴散體系的特性及溫度等因素有關。

將式(8)、(9)代入式(7)中，假定溶液中苦蕎黃酮的物質的量在反應開始時為0，t時刻為cV，其中V為溶液體積，積分可得:

設苦蕎粉粒數目為ω，顆粒粒度為σ，質量為G，密度為ρ，則:

另設液料比為M，R為苦蕎粉充分潤濕時所需的溶劑體積與質量之比，經測量R=1.08。

將式(13)，(14)代入式(10)得:

以Box－Behnken試驗數據為樣本，采用 SAS 9.0軟件進行回歸分析可得:

式(17)即為超高壓提取苦蕎黃酮的動力學方程。

2.7.2 動力學模型的驗證

設計均勻試驗對所得模型進行驗證(表5)，并對實測值及預測值進行相關性分析。

表5 相同條件下實測值與預測值的比較

動力學模型的預測值與實測值之間相關性良好，決定系數R2為0.986。表明該模型能夠較好地描述超高壓提取苦蕎黃酮的動力學過程。

3 討論

已有文獻報道超高壓提取槐花［25］、金銀花［26］、刺五加葉［27］等材料中總黃酮的工藝條件，結果顯示超高壓提取得率高，時間短。田龍［28］報道了水浸提苦蕎黃酮的優化工藝條件為料液比34∶250(g∶mL)，pH 8.0，100 ℃下提取 105 min，得率為 1.440%。張杰［29］研究了超聲波法提取苦蕎黃酮的優化工藝條件為乙醇體積分數80%，提取溫度60℃，料液比1∶30條件下提取30 min，所得黃酮含量為0.095 mg·mL－1。本文研究了超高壓提取苦蕎黃酮的工藝，苦蕎黃酮得率為2.185%，與其他方法相比，具有得率高，提取時間短，操作簡便等優點，且超高壓提取在常溫下進行，避免了因熱效應引起黃酮化合物降解以及生理活性降低，超高壓提取天然產物具有可行性。

4 結論

超高壓提取苦蕎黃酮最優工藝條件為:在壓力388.1 MPa，保壓時間 8.09 min，乙醇體積分數95.31%，液料比19.82 mL·g－1，黃酮得率為2.185%。影響超高壓提取苦蕎黃酮的各因素主次順序為:乙醇體積分數＞液料比＞壓力＞保壓時間。

建立了超高壓提取苦蕎黃酮的動力學模型:c=4.993P0.0271t0.0039(M － 1.08)－0.8180(R2=0.965 1)。在不同工藝條件下對模型進行驗證，模擬值與驗證值相關性良好(R2=0.986)，表明該模型能夠較好地描述超高壓提取苦蕎黃酮的動力學過程。

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Technical Optimization and Dynamic Model for Ultrahigh Pressure Extraction of Buckwheat Flavone

Wang Juwei1Ma Tingjun1Shan Fang2Jia Changxi1
(College of Food Science，Beijing University of Agriculture1，Beijing 102206)
(Agricultural Products Processing Research Institute，Shanxi Academy of Agricultural Sciences2，Taiyuan 030031)

To find out the optimal extraction condition for the technology of ultrahigh pressure extraction of buckwheat flavone and describe the dynamic process，the approach was based on the single factor experiments and Box－Behnken experimental design with pressure，dwell time，concentration of ethanol and the ratio of solvent to material as variables and the yield of buckwheat flavone as response value.Based on the Fick＇s first law，the dynamic model of ultrahigh pressure extraction of buckwheat flavone was established on the data obtained from experiments.The results showed that the effect order of four factors on the content of buckwheat flavone was as follow:concentration of ethanol，the ratio of solvent to material，pressure，and dwell time.The optimal extraction conditions were obtained as follow:pressure 388.1 MPa，dwell time 8.09 min，the concentration of ethanol 95.31%and the ratio of solvent to material 19.82 mL·g－1.Under the optimum conditions，the extraction yield of buckwheat flavone was 2.185%，higher than that by reflux extraction.

buckwheat flavone，ultrahigh pressure，extraction，dynamic model

TS201.1

A

1003－0174(2011)12－0093－07

國家現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS－08－D－2)

2011－02－25

王居偉，男，1987年出生，碩士，天然產物提取與利用

馬挺軍，男，1973年出生，副教授，天然產物提取與利用