黑米黑色素微波輔助提取工藝優化

馬 萍 郭希娟 郭增旺

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319）

黑米在中國有著悠久的種植史，它含有豐富的脂肪油、蛋白質、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，有較強的清除自由基和抗氧化的能力。因此，黑米在食品、醫藥加工和化妝行業都具有重要意義［5，6］。已有的相關研究［7－9］多進行單因素的研究，即使綜合考慮多個因素用的也是正交試驗，雖然找到了所在試驗水平組合中的最佳組合，但未能在一定范圍內找到最優方案，而二次回歸通用旋轉組合法［10］通過二次回歸方程來擬合多個因素和響應值之間的函數關系，通過分析回歸方程來尋求最佳工藝參數。本研究擬以食用黑米為原料，利用微波技術，以乙醇溶液為浸提劑，采用二次回歸通用旋轉組合法建立黑米中黑色素與其影響因素的模型，為開發黑米黑色素開發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；

無水乙醇：分析純，沈陽華東試劑廠；

蒸餾水：本實驗室自制；

旋轉蒸發儀：RE-52AA型，上海亞榮生化儀器廠；

可見分光光度計：722s型，上海精密科學儀器有限公司；

電子天平：FA1604N型，上海精密科學儀器有限公司；

臺式離心機：TD4A型，長沙英泰儀器有限公司；

真空干燥箱：ZK-82B型，上海市實驗儀器廠；

家用微波爐：D8023C6TL-K4C型，廣東格蘭仕集團有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取的工藝流程

黑米→洗凈烘干→粉碎過篩（60目）→稱量（取4.00g）加入提取劑→微波浸泡提取→過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pH＝2→沉降→4 000r/min離心30min得沉淀→真空干燥產品→計算提取率

1.2.2 黑米黑色素得率 按式（1）計算：

1.2.3 二次回歸通用旋轉組合試驗 根據以往的相關研究［5，7－9］，結合本實驗室實際情況，本試驗在微波功率為中火時，采用二次回歸通用旋轉組合設計，研究微波輻照時間、乙醇濃度和液料比對黑色素得率的影響，利用Design-expert 8.0統計分析軟件進行數據處理，建立黑米黑色素得率和各因素的數學模型，并對模型進行分析優化提取工藝條件，其因素水平編碼見表1。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Factors andcode levels

2 結果與分析

2.1 二次回歸通用旋轉組合設計試驗結果及其分析

黑米黑色素提取的組合設計試驗結果見表2。

表2 試驗方案及結果Table 2 Experiment structural matrix and results

由表2數據進行多元回歸分析，得到黑米黑色素得率與時間、乙醇濃度、液料比的編碼的回歸方程：

表3的方差分析說明，乙醇濃度、料液比的一次項、二次項及時間的二次項均顯著，交互項X1X2和X2X3顯著。模型的F值為46.449 2，P值＜0.000 1，遠遠小于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差異不顯著，模型的校正的決定系數為0.955 6，說明該回歸模型可以解釋95.56%的響應值變化，所以可以用此模型對黑米黑色素的提取進行分析和預測［11，12］。

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

2.2 單因素效應分析

將所得回歸模型中的因素任意固定兩個在零水平，得：

并以此在研究的范圍內作圖，揭示單個因素變動時對黑色素的影響，其結果見圖1。

由圖1可知，隨著微波作用時間的延長，黑米黑色素的得率先增加而后減小，其原因可能是時間延長溫度增加，黑色素成分被分解，導致得率減小，因此在微波輔助提取黑色素時，時間不是越長越好。隨著提取過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，當乙醇濃度增加到84%后，黑色素得率達到最大值。另外液料比編碼在［－1.68，0.29］之間時，黑色素得率與液料比幾乎呈線性增長，在液料比編碼為0.29時黑色素得率達到最大值然后開始下降。從以上分析可見，這3種因素不能無限制的增加，超過一定范圍便會使黑色素提取降低。

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

2.3 試驗因子間互作效應分析

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間的延長呈先上升后下降的趨勢。特別當乙醇濃度大于70%時，微波作用時間對黑米黑色素得率影響較小。當時間一定時，隨著乙醇濃度的增加黑色素得率增加速度變快，但當時間超過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，微波作用時間比較長時，黑米黑色素的得率下降，因此在黑米黑色素提取時乙醇濃度大于70%、微波作用時間短時提取效果較好。

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，乙醇濃度越大黑米黑色素的得率越高，當料液比在較高水平時，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 微波時間和乙醇濃度對黑米黑色素提取影響的響應面及等高線圖Figure 2 RSM and contour line plots between extraction time and solvent

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

2.4 各因素對結果的重要性分析

為了判斷各個因素對試驗指標影響的大小，根據文獻［12］計算各因子的貢獻率，各因素的貢獻率Δj為：

對各因素的貢獻率進行比較，得到3個因素對黑米黑色素得率影響的主次順序為：乙醇濃度＞液料比＞時間。

2.5 提取工藝的優化和驗證

對黑米黑色素的二次多項式回歸模型進行分析，得到最優理論組合為微波作用時間為94s，料液比為1∶18（m∶V），乙醇濃度為80%，理論得率為5.24%。為檢驗所得結果的可靠性，采用上述優化提取條件進行驗證實驗，重復實驗3次得黑米黑色素平均得率為4.97%，相對誤差為5.15%，說明回歸模型擬合效果較好。

3 結論

本試驗在微波輔助的條件下，通過二次回歸通用旋轉組合試驗，得到了黑米色素和影響因素直接的二次關系，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），微波作用時間94s，該條件下黑米黑色素得率為4.97%。

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5 曾盔，黃斌，王潔，等.黑米黑色素的提取與精制［J］.食品科學，2006，27（12）：304～307.

6 任順成，王國良，王鵬，等.十種天然黑色素穩定性研究［J］.中國糧油學報，2009，4（6）：137～142.

7 王暉.微波輔助提取黑米黑色素影響因素研究［J］.廣東農業科學，2013（7）：92～94.

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9 張吉祥，趙文靜，白曉杰.正交試驗法優化黑米黑色素的超聲輔助提取工藝［J］.食品科學，2010，31（4）：39～41.

10 李麗輝，林親錄，符日道.脫脂米糠制備膳食纖維工藝條件的優化［J］.食品與機械，2011，27（6）：110～113.

11 熊建功，邵承斌，曹霞霞，等.二次通用旋轉設計優化紫玉米芯色素提取工藝［J］.重慶工商大學學報（自然科學版），2011，28（6）：614～621.

12 馬萍，郭希娟，李思荻.響應面法優化紅小豆中總酚的提取［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2011，23（5）：64～68.