溫度控制對微波萃取葉黃素酯的影響

張 同，趙 婷，惠伯棣*

(北京聯合大學應用文理學院，北京 100191)

溫度控制對微波萃取葉黃素酯的影響

張 同，趙 婷，惠伯棣*

(北京聯合大學應用文理學院，北京 100191)

探索溫度控制對微波輔助萃取葉黃素酯萃取率的影響。首先測定不同輸出功率對萃取溶媒升溫的影響，然后以萬壽菊干花顆粒為樣品，探討升溫功率、萃取時間和萃取溫度對萃取率的影響，并比較相同溫度條件下微波萃取與溶劑法的萃取率。結果表明：分子中含有O－H鍵的溶媒升溫較快；升溫功率的變化對萃取率的影響有限。萃取時間的延長可導致萃取率下降；在1600W、20min和分別為50、50、40℃條件下，正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃萃取率分別為83%～95.23%、81.44%～96.59%和91.72%～94.40%。在相同溫度條件下，微波萃取可有效地提高葉黃素酯的萃取率。

葉黃素酯；微波萃取；溫度；萃取率

類胡蘿卜素(carotenoid)可以分為含氧(xanthophyll)和不含氧(hydrocarbon)兩大類。葉黃素(lutein)屬于含氧類胡蘿卜素[1]，系統命名為3,3′-二羥基-β,α-胡蘿卜素(3,3′-dihydroxy-β,α-carotene)，化學式為 C40H56O2，相對分子質量568.88，能溶于大多數有機試劑。研究表明，葉黃素在人體內可發揮多種重要功能，其具有清除自由基、阻止脂質過氧化[2]、預防老年性黃斑衰退、減低藍光對視網膜的損傷[3-4]、調節人體免疫力[5]等功能。葉黃素廣泛存在于自然界的高等植物中。萬壽菊(Tagetes erecta Linn)是菊科(Composite)萬壽菊屬(Tagetes Linn)植物，原產于中美洲，其花含有豐富的類胡蘿卜素，主要為葉黃素、玉米黃素(zeaxanthin)、β-胡蘿卜素(βcarotene)等。其中葉黃素在萬壽菊花中的含量可超過0.2%(以鮮質量計)[6]。萬壽菊花中的葉黃素主要存在形式為全反式異構體的酯。其可在人體內水解為自由態的單體(free lutein)[7]。萬壽菊花瓣是目前生產自由態葉黃素的主要原料。

目前的萃取方法有亞臨界流體萃取法和有機溶劑萃取法等。目前我國制備葉黃素酯的產業主要采用的是有機試劑萃取法，這種方法已被采用多年，其產率和產品質量相當穩定。其常用的萃取溶媒為低級烷烴等[8]。在使用有機溶劑萃取時可利用微波來提高萃取率，但實際應用并不多。

大部分關于微波輔助萃取葉黃素的研究報告只闡述了微波功率、萃取時間等因素對萃取率的影響[9-11]。近些年來，有些研究報告中開始提到了在優化微波輔助萃取工藝時溫度因素的影響[12-13]。過去大部分研究中所使用的微波萃取設備是通過調節功率來控制萃取溫度，但這些設備不能精確控制過程中的溫度。因此，當體系吸收大量微波能量后，萃取溶媒極易過熱，造成沸騰。這也使得萃取時間較短，大多在20s以內。本研究所使用的微波萃取設備可以在密閉條件下控制升溫功率和時間，設備上配備有較靈敏的溫度和壓力傳感系統，可實現溫度和壓力同步實時監測。因此，可以較準確地控制萃取過程中的溫度。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

萬壽菊干花顆粒(含水量為13%，總類胡蘿卜素含量為13.21mg/g，其中96.76%為葉黃素酯[14]) 山東諸城蓮春色素有限公司。

正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃均為AR級。

MARSX型微波萃取設備 美國CEM公司；Multispec-1501型紫外-可見光分光光度計 日本Shimadzu公司。

本研究所用微波萃取設備在給樣品控溫時分為升溫和恒溫兩個階段，控溫方式有兩種：①使用設定功率升溫，當樣品達到設定溫度時，功率輸出停止。當樣品溫度下降時，負反饋調節功率輸出，使用功率與升溫功率相同；②升溫時使用較高功率，當樣品達到設定溫度時，功率輸出停止。當樣品溫度下降時，負反饋調節功率輸出，使用較低功率。本研究采用第2種控溫方式，原因是：在恒溫階段，采用這種方式可顯著增加微波功率輸出的時間，使微波破壞細胞壁的作用增強，從而獲得較高的萃取率。

1.2 方法

1.2.1 萬壽菊干花顆粒的粉碎

取一定量的萬壽菊干花顆粒，用干粉粉碎機粉碎(咖啡磨亦可)，將其粉碎，粉碎顆粒過40目標準篩，收集過篩組分準備萃取。

1.2.2 微波功率對萃取溶媒溫度的影響

在密閉反應罐中裝入10mL萃取溶媒，分別用400、800、1600W功率的微波對其持續加熱，使溶劑由10℃升溫到50℃，記錄每種溶劑的升溫時間。在本實驗中選擇3種溶劑作為萃取溶媒，分別為正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃。

1.2.3 升溫功率對萃取率的影響

在密閉反應罐中裝入10mL萃取溶媒和0.2g已粉碎好的萬壽菊花粉，分別用400、800、1600W功率的微波對其持續加熱，使萃取溫度由10℃升溫到50℃后恒溫萃取10min。在恒溫過程中，同步實時監測萃取罐中溶媒的溫度和壓力，使系統能及時負反饋調節微波功率的輸出，防止溶媒過熱現象的發生。萃取完成，以萃取劑為空白迅速測定吸光度，計算、比較各升溫功率下的萃取率，確定最適升溫功率。

1.2.4 萃取時間對萃取率的影響

在密閉反應罐中裝入10mL萃取溶媒和0.2g已粉碎好的萬壽菊花，用1.2.3節所得的最佳微波加熱萃取功率從10℃升至40℃。之后，用功率為400W的微波功率負反饋調節，分別恒溫萃取10、20、30min。萃取完成后測定各萃取液中總類胡蘿卜素的吸光度，計算、比較各萃取時間下的萃取率，確定最適的萃取時間。

1.2.5 萃取溫度對萃取率的影響

在密閉反應罐中裝入10mL萃取劑和0.2g已粉碎好的萬壽菊花，用1.2.3節所得的最佳微波加熱萃取功率微波加熱，使萃取體系從10℃分別升至30、40、50℃。之后，用功率為400W的微波負反饋調節，恒溫萃取一段時間(1.2.4節所得的最佳時間)，其中正己烷恒溫萃取20min、乙酸乙酯和四氫呋喃恒溫萃取10min。萃取完成后測定各萃取液中總類胡蘿卜素的吸光度，計算、比較各設定溫度條件下的萃取率，確定最適萃取溫度。

1.2.6 微波輔助萃取法與溶劑萃取法的比較

在試管中裝入10mL萃取劑和0.2g已粉碎好的萬壽菊花粉，用試管塞封口。在試管塞上加裝45cm長的玻璃管作為空氣冷凝管，以防止萃取溶媒的揮發。將試管置于恒溫水浴中，在1.2.5節所得最適萃取溫度和1.2.4節所得最適萃取時間條件下進行恒溫萃取。測定萃取液中總類胡蘿卜素的吸光度，計算、比較萃取率，并將結果與1.2.5節所得結果比較。

1.2.7 萃取溶媒中葉黃素酯含量的測定和萃取率的計算

萃取完成后，以萃取溶媒為空白，測定萃取液在450nm波長處的吸光度。因為萬壽菊干花顆粒所含的類胡蘿卜素中絕大部分為葉黃素酯，占總類胡蘿卜素的96.76%，所以，本研究使用萃取液中總類胡蘿卜素的吸光度作為葉黃素酯的吸光度計算。根據朗伯-比爾定律，按式(1)計算其中葉黃素酯的濃度，之后再用式(2)計算葉黃素酯的萃取率。

式中：x為樣品中所含的葉黃素類化合物質量/g；y為樣品溶液的體積/mL；A為樣品在波長450nm處的吸光度；A1cm1%為吸光系數(在1cm光程長的比色杯中1g/100mL質量濃度溶質的理論吸光度值)，此處為2200。

2 結果與分析

2.1 微波功率對萃取溶媒溫度的影響

圖1 微波功率對萃取溶媒溫度的影響Fig.1 Effect of microwave power on the time required to heat three solvents from 10 ℃ to 50 ℃

正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃這3種溶劑的介電常數分別為1.58、6.02和7.58。從圖1可以看出，隨著微波功率的增加，3種溶劑的升溫時間迅速縮短。介電常數越高的物質對微波能量的損耗因子也就越大是物質對微波吸收的基本規律，本實驗所得結果基本符合這個規律。但在400W和800W微波作用下，乙酸乙酯的升溫時間要比四氫呋喃的略短，其原因應該是因為四氫呋喃的黏度較低、熱對流較快、散熱速度較快造成的。從分子結構上來看，具有O－H鍵分子結構的溶劑比只具有C－H鍵分子結構的溶劑升溫顯著要快。

2.2 升溫功率對萃取率的影響

圖2 升溫功率對萃取率的影響Fig.2 Effect of microwave power on extraction rate of lutein esters

由圖2可見，除了升溫功率為400W時，以正己烷為萃取劑的萃取率較低，其他條件的試驗都取得了較好的萃取率。

當升溫功率為400W時，正己烷吸收微波能量較少，升溫時間長。在這種情況下，雖然微波對細胞壁的破壞作用時間也較長，但與其他兩種溶媒相比萃取率較低。由此可見，這個功率對吸收微波能量較少溶媒中萃取物的細胞壁的破壞作用有限。

當微波功率為800W時，正己烷、四氫呋喃和乙酸乙酯3種萃取劑都獲得了較好的萃取率。但圖2顯示正己烷的升溫時間明顯長于其他兩種溶劑。這意味著在正己烷作為萃取溶媒的樣品中微波作用于細胞壁的時間比其他兩種溶劑的樣品要長。

當微波功率為1600W時，葉黃素酯的萃取率略有下降。這是由于其分子的鍵能接受過多的微波輻射能而引起分子的降解所致。但圖2顯示3種溶劑的升溫時間基本一致。這表明在3種萃取溶媒的樣品中微波作用于細胞壁的時間一樣。因此，在以下的試驗中，選定1600W作為升溫功率，以求結果的可比性。

2.3 萃取時間對萃取率的影響

圖3 萃取時間對萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of lutein esters

由圖3可見，使用正己烷為萃取劑時，最佳萃取時間是20min，而使用乙酸乙酯和四氫呋喃為萃取劑時，最佳萃取時間為10min。其原因是正己烷對微波的損耗因子較小，吸收微波量較少，無論是破壞細胞壁作用還是升溫作用均未達到最佳效果。因此，在10min時仍有很多葉黃素酯未被萃取出來。而20min時，大部分葉黃素酯被萃取出來。之后，延長時間的微波輻射致使葉黃素酯開始降解。

乙酸乙酯和四氫呋喃對微波的損耗因子較大，吸收微波量較多，因此10min時就有大量的葉黃素酯被萃取出來，而隨著萃取時間的延長，微波輻射使葉黃素酯降解。因此，在下面的試驗中，正己烷樣品的萃取時間使用20min，乙酸乙酯和四氫呋喃樣品的萃取時間為10min。

2.4 萃取溫度對萃取率的影響

由圖4可見，使用正己烷和乙酸乙酯為萃取劑時，隨溫度升高萃取率也逐漸升高，在50℃得到最高萃取率。當體系溫度從30℃上升到50℃時，二者的萃取率增幅均超過10%，較為顯著。使用四氫呋喃為萃取劑時，在40℃時萃取率最高，而在50℃時萃取率有所下降。其原因是隨著溫度升高，萃取劑吸收更多的微波，微波的破壞細胞壁作用和升溫作用都隨之加大，因此萃取率也隨之提高，而四氫呋喃在溫度過高時因吸收大量微波使少部分葉黃素酯降解。

圖4 萃取溫度對萃取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of lutein esters

2.5 微波輔助萃取法與溶劑萃取法的比較

上述微波輔助萃取實驗的結果表明，3種不同的萃取溶媒在一定升溫功率、萃取時間和溫度條件下均可獲得較理想的回收率。在1.2.6節，設置相同的萃取時間和溫度，不使用微波能量介入，進行萃取，以證明在相同時間和溫度條件下微波能量介入的影響。

圖5 微波萃取與溶劑萃取的比較Fig.5 Comparison of extraction rates of lutein esters obtained by microwave-assisted extraction and solvent extraction

由圖5可見，在相同萃取時間和溫度下微波輔助萃取葉黃素酯的萃取率顯著高于溶劑萃取的，增幅均在30%左右。這說明在2450MHz的微波作用下，細胞結構的破壞對提高萃取率有顯著作用。

3 討論與結論

3.1 本研究的目的是微波輔助萃取葉黃素酯時萃取溫度的影響，因此，在設計上沒有將升溫溫度、萃取時間和溫度等因素置于平行的地位而采用多因素正交試驗設計，而是將萃取溫度的探索實驗置于核心地位，其他各項試驗的目的均是為比較不同溫度下的萃取率而設計的。在最后一部分，進行了微波輔助萃取和溶劑萃取效果的比較，其目的是證實細胞結構破壞對提高萃取率的影響，從而可以更加客觀評價萃取溫度控制所起的作用。

3.2 通過對比2.4節與2.5節結果可以看出，2450MHz頻率的微波使萃取率增加的重要原因為[15]，細胞內部水分吸收的微波能使細胞內部溫度將迅速上升，壓力亦隨之上升，細胞結構隨之破裂，內容物擴散進萃取溶媒中。

3.3 2.4節結果表明：萃取時間的延長導致了萃取率的下降，而下降的原因只能是葉黃素酯降解，由此可以證明葉黃素酯分子也吸收了2450MHz的微波能量。

3.4 正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃這3種試劑在2450MHz的微波條件下可以被有效地加熱。用這3種試劑作為萃取溶媒，在30～50℃范圍內利用微波輔助提取葉黃素酯，隨著萃取溫度升高萃取率也隨之提高，其中正己烷和乙酸乙酯的萃取率可提高10%以上。綜合食品安全性等各種因素考慮，乙酸乙酯可以被考慮作為微波輔助萃取葉黃素酯的溶媒。

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Effect of Temperature Control on Microwave-Assisted Extraction of Lutein Ester

ZHANG Tong，ZHAO Ting，HUI Bo-di*
(College of Applied Arts and Science, Beijing Union University, Beijing 100191, China)

Our present work aimed to investigate the effect temperature control on microwave-assisted extraction of lutein esters.The effect of different levels of microwave power on the time required to heat three different solvents from 10 ℃ to 50 ℃ was explored. Meanwhile, the extraction rate of lutein esters from dried marigold flower powder was investigated with respect to microwave power, extraction time and extraction temperature. In addition, a comparative investigation into the extraction of lutein esters was conducted using one of three different extraction solvents with and without the assistance of microwave treatment at the same temperature. The results obtained showed that solvent media molecules composed of O－H bond revealed rapid warm-up. However, heating power had limited impact on extraction rate of lutein esters. Prolonged extraction time could result in decreased extraction rate. Under the optimal extraction conditions of 1600 W, 20 min and 50, 50 ℃ and 40 ℃, the extraction rates of lutein esters with hexane, ethyl acetate or hydrocarbon furan as the extraction solvent were 83%－95.23%, 81.44%－96.59% and 91.72%－94.40%, respectively. At the same temperature, microwave-assisted extraction greatly improved the extraction rate of lutein esters when compared with solvent extraction alone.

lutein ester；microwave；temperature；extraction rate

TS254.1

A

1002-6630(2012)08-0029-04

2011-03-22

2010年北京聯合大學“創新人才建設計劃”項目

張同(1985—)，男，碩士研究生，研究方向為生物活性物質制備及生理功能。E-mail：123king@163.com

*通信作者：惠伯棣(1959—)，男，教授，博士，研究方向為類胡蘿卜素生物化學。E-mail：bodi_hui@ygi.edu.cn