響應面法優化醬渣中大豆異黃酮超聲輔助乙醇提取工藝

唐銀 朱梓瑞 許樹榮 何貴萍 李碩 呂遠平

摘要：以醬渣為原料，利用響應面法優化醬渣中大豆異黃酮的超聲輔助乙醇提取工藝。在單因素試驗的基礎上，探究乙醇濃度、提取溫度、提取時間、超聲功率對大豆異黃酮提取率的影響，并利用Box-Behnken響應面法優化提取工藝。結果表明，在乙醇濃度54.6%、提取溫度49.7 ℃、提取時間127.9 min、超聲功率436.7 W條件下提取率最高，為0.711%。簡化條件進行驗證試驗，得到大豆異黃酮的提取率為0.708%，與理論值基本吻合，模型可靠。該研究為醬渣的綜合利用及大豆異黃酮的提取提供了理論參考。

關鍵詞：醬渣；大豆異黃酮；響應面法；超聲提取

中圖分類號：TS201.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1000-9973（2023）04-0115-05

Abstract： With sauce residue as the raw material， response surface methodology is used to optimize the ultrasonic-assisted ethanol extraction process of soy isoflavones from sauce residue. Based on the single factor test， the effects of ethanol concentration， extraction temperature， extraction time and ultrasonic power on the extraction rate of soy isoflavones are studied. The Box-Behnken response surface method is used to optimize the extraction process. The results show that the extraction rate is the highest of 0.711% when the ethanol concentration is 54.6%， the extraction temperature is 49.7 ℃， the extraction time is 127.9 min， and the ultrasonic power is 436.7 W. Simplifying the conditions for verification test， and the results show that the extraction rate of soy isoflavones is 0.708%， which is close to the theoretical value， indicating that the model is reliable. The study has provided theoretical references for the comprehensive utilization of sauce residue and the extraction of soy isoflavones.

Key words： sauce residue; soy isoflavones; response surface methodology; ultrasonic extraction

大豆異黃酮是一類主要存在于大豆及其豆制品中的次級代謝產物，具有較高的營養價值和藥用價值[1—2]。大豆異黃酮因具有明顯的抗氧化、抗腫瘤、增強免疫力等作用[3—4]，被廣泛應用于醫療和食品等行業[5]。

醬渣是醬油釀造的副產物，每生產1噸醬油將產生0.67 噸醬渣[6]。醬渣水分含量較高，在空氣中極易腐敗變質，若不妥善處理將造成嚴重的環境污染。醬渣中含有豐富的蛋白質、油脂、粗纖維及大豆異黃酮等[7]，具有較高的利用價值；而醬渣中較高的鹽含量制約了其深加工利用的發展[8]。目前將醬渣用于制備動物飼料和肥料的工藝附加值低，且存在適口性差或易導致土壤鹽化等問題[9-10]。因此，進行大豆異黃酮的提取是醬渣高值化利用的一個重要方向[11]。

大豆異黃酮的提取方法主要有微波提取法、溶劑萃取提取法、超聲波提取法、超臨界流體萃取提取法等[12]。微波提取法和超臨界流體萃取提取法具有不利于純化或提取成本過高的缺點[13—14]。傳統溶劑提取法雖然提取成本比較低，但提取率不高。超聲波提取法是利用超聲波產生強烈的攪拌等作用，使原料中的大豆異黃酮進入溶劑中，能夠提高大豆異黃酮的提取率[15]。因此，本文將結合超聲波與溶劑萃取提取技術提取大豆異黃酮，并應用響應面優化提取條件，以尋找一種成本低廉、提取率高且具有較高經濟效益的提取方法，為醬渣的綜合利用及大豆異黃酮的提取提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬渣：四川合江縣永興誠釀造有限責任公司；染料木素標準品（純度≥98%）：上海同田生物技術有限公司；石油醚、無水乙醇等：均為國產分析純，成都市科隆化學品有限公司。

1.2 主要儀器與設備

UV-6000PC紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；H1850高速臺式離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；RE-52A旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；KQ5200DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；SMF01磨粉機 浙江紹興蘇泊爾用品有限公司；SQP電子天平 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 醬渣的預處理

將新鮮醬渣置于60 ℃烘箱中干燥，烘干后用粉碎機粉碎得到干醬渣樣品；取適量干醬渣，按照料液比1∶10用石油醚浸泡24 h，過濾除去石油醚并烘干得到脫脂醬渣。

1.3.2 大豆異黃酮的提取

準確稱取脫脂醬渣1 g于100 mL具塞錐形瓶中，以料液比1∶50加入60%乙醇溶液并攪拌均勻，設置溫度50 ℃、超聲功率420 W，在此條件下提取120 min，提取結束后將提取液轉移至離心管中，于6 000 r/min條件下離心20 min，離心所得上清液即為大豆異黃酮粗提液。

1.3.3 標準曲線的制作

準確稱取5 mg染料木素標準品于50 mL容量瓶中，以95%乙醇溶液定容，再以95%乙醇溶液為空白對照，在259 nm處測定吸光度。分別以染料木素含量（μg/mL）和吸光度為橫、縱坐標，繪制標準曲線，見圖1。染料木素標準溶液的濃度與吸光度具有較好的線性關系，回歸方程為y=0.118 2x+0.116 3，R2=0.999 5。

1.3.4 樣品檢測及提取率計算

取200 μL“1.3.2”中所得的粗提液于10 mL容量瓶中，以95%乙醇溶液定容，再以95%乙醇溶液為空白對照，在259 nm處測定吸光度，并按下式計算醬渣中大豆異黃酮的提取率。

w=c×n×Vm×1 000×100%。

式中：w為醬渣中大豆異黃酮提取率，%；c為測試液中大豆異黃酮濃度，μg/mL；n為稀釋倍數；V為提取液的體積，mL；m為樣品質量，g。

1.3.5 單因素試驗設計

按“1.3.2”中方法對醬渣中大豆異黃酮進行提取。選擇乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時間、超聲功率5個因素，考察各個因素對醬渣中大豆異黃酮提取率的影響。

1.3.5.1 乙醇濃度對大豆異黃酮提取率的影響

在料液比為1∶50的條件下，設置提取溫度50 ℃、超聲功率300 W、提取時間60 min，分別選擇乙醇濃度為40%、50%、60%、70%、80%、90%進行試驗，并計算提取率。

1.3.5.2 料液比對大豆異黃酮提取率的影響

在乙醇濃度為60%的條件下，設置提取溫度50 ℃、提取時間60 min、超聲功率300 W，分別選擇料液比為1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70進行試驗，并計算提取率。

1.3.5.3 提取溫度對大豆異黃酮提取率的影響

在乙醇濃度為60%的條件下，設置料液比1∶50、提取時間60 min、超聲功率300 W，分別選擇提取溫度為40，45，50，55，60 ℃進行試驗，并計算提取率。

1.3.5.4 提取時間對大豆異黃酮提取率的影響

在乙醇濃度為60%的條件下，設置料液比1∶50、提取溫度50 ℃、超聲功率300 W，分別選擇提取時間為30，60，90，120，150，180 min進行試驗，并計算提取率。

1.3.5.5 超聲功率對大豆異黃酮提取率的影響

固定乙醇濃度60%、料液比1∶50、提取溫度50 ℃、提取時間60 min，分別選擇超聲功率為240，300，360，420，480，540，600 W進行試驗，并計算提取率。

1.3.6 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，選擇乙醇濃度、提取溫度、提取時間、超聲功率4個因素，利用Design Expert 10軟件進行響應面試驗設計，設計方法見表1。

2 結果與討論

2.1 大豆異黃酮提取的單因素試驗結果

2.1.1 乙醇濃度的影響

由圖2可知，當乙醇濃度較低時，大豆異黃酮的提取率隨著乙醇濃度的增大而增大；而當乙醇濃度超過60%后，大豆異黃酮的提取率降低。根據相似相溶原理，乙醇濃度的增大使溶液的極性與大豆異黃酮的極性逐漸接近，大豆異黃酮更容易溶出，提取率增大；而當乙醇濃度過高時，溶液中蛋白質、糖類等大分子聚集，使物料質構緊密，阻礙了大豆異黃酮的溶出[16]，故合適的乙醇濃度為60%左右。

2.1.2 料液比的影響

由圖3可知，大豆異黃酮的提取率隨著液料比的增大而增大，但在料液比達到1∶50后，大豆異黃酮的提取率增大不明顯。當料液比較小時，高濃度的溶液影響了大豆異黃酮分子溶出，導致提取率較低；隨著料液比的增大，溶液濃度降低，大豆異黃酮分子擴散速度加快，提取率增大；當料液比達到1∶50時，大豆異黃酮的提取接近飽和，因此提取率不再隨料液比的增大而增大[17]。考慮到提取成本以及操作難度，固定料液比為1∶50。

2.1.3 提取溫度的影響

由圖4可知，大豆異黃酮的提取率隨著提取溫度的升高先增大后減小，并在溫度為50 ℃時最高。溫度的提高加快了分子運動，使異黃酮加快溶出，提取率增大；但過高的溫度會導致醬渣中蛋白質等變性凝固，物料質構變得質密堅實，阻礙了大豆異黃酮溶出，使提取率下降[18]。因此，控制提取溫度為50 ℃左右。

2.1.4 提取時間的影響

由圖5可知，隨著提取時間的增加，大豆異黃酮的提取率總體呈上升趨勢；但當提取時間大于120 min時，大豆異黃酮的提取率開始下降。可能是因為隨著提取的進行，大豆異黃酮逐漸進入溶液中，提取率逐漸提升；但當提取時間太長時，大豆異黃酮可能發生了降解，導致提取率降低[19]。本試驗合適的提取時間為120 min左右。

2.1.5 超聲功率的影響

由圖6可知，當超聲功率小于420 W時，大豆異黃酮的提取率隨著超聲功率的增大而提升；當超聲功率大于420 W時，大豆異黃酮的提取率明顯減小。可能是因為隨著超聲功率的增大，超聲波產生的機械作用增強，使醬渣中大豆異黃酮分子振動加快，大豆異黃酮分子更易溶出；當超聲功率過大時，超聲空化作用所產生的空化泡半徑變小，空化泡爆裂所產生的能量減小，大豆異黃酮分子的振動減弱，導致其溶出效率降低，使提取率下降[20]。因此，適宜的超聲功率為420 W左右。

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面試驗結果

以A（乙醇濃度）、B（提取溫度）、C（提取時間）、D（超聲功率）為變量，以醬渣中大豆異黃酮的提取率為響應值，根據Design Expert 10軟件提供設計的組合進行試驗，結果見表2。

2.2.2 響應面模型分析

響應面模型方差分析結果見表3。

對表2中試驗數據進行回歸分析，得出醬渣中大豆異黃酮提取率的回歸方程，提取率=0.69-0.039A+0.028B+0.016C+0.020D+3.25×10-3AB+6.25×10-3AC+0.013AD-0.011BC-0.016BD-0.018CD-0.035A2-0.045B2-0.024C2-0.017D2。

由表3可知，本試驗模型的P<0.01，回歸模型極顯著，失擬項的P=0.485 6，表明該模型可用于分析和預測超聲輔助乙醇提取醬渣中大豆異黃酮的提取率。

模型中乙醇濃度、提取溫度、提取時間及超聲功率的P值均小于0.01，表明這4個因素對醬渣中大豆異黃酮提取率的影響都顯著。各因素的F值分別為280.60，149.30，46.96，75.72，可知各因素對醬渣中大豆異黃酮提取率的影響程度由高到低為A（乙醇濃度）>B（提取溫度）>D（超聲功率）>C（提取時間）。

2.2.3 響應面交互作用分析

由軟件根據回歸方程得到響應面與等高線，通過等高線的形狀可以看出兩因素交互對大豆異黃酮提取率的影響強弱，等高線為圓形則影響弱，等高線為橢圓則影響強。

乙醇濃度與提取溫度、乙醇濃度與提取時間的兩兩交互作用不強，對大豆異黃酮提取率的影響不顯著（P>0.05），響應面圖與等高線圖不做展示；提取溫度與提取時間兩兩交互作用強，對大豆異黃酮提取率的影響顯著（P<0.05），乙醇濃度與超聲功率、提取溫度與超聲功率、提取時間與超聲功率兩兩交互作用極強，對大豆異黃酮提取率的影響極顯著（P<0.01），見圖7～圖10。

2.2.4 最佳工藝確定及驗證試驗

通過軟件分析，醬渣中大豆異黃酮提取的最優條件為乙醇濃度54.6%、提取溫度49.7 ℃、提取時間127.9 min、超聲功率436.7 W，在此條件下，大豆異黃酮的理論提取率為0.711%。考慮到試驗條件，根據實際情況，選擇乙醇濃度55%、提取溫度50 ℃、提取時間130 min、超聲功率420 W進行3次重復試驗，得到大豆異黃酮提取率平均值為0.708%，與理論值接近，說明該模型預測與實際較為吻合，采用響應面法優化得到的大豆異黃酮提取工藝具有一定理論參考價值。

3 結論

本試驗以大豆異黃酮提取率為指標，采用單因素試驗與響應面試驗優化醬渣中大豆異黃酮的提取工藝。結果表明，最佳提取條件為乙醇濃度54.6%、提取溫度49.7 ℃、提取時間127.9 min、超聲功率436.7 W，將此條件優化后進行驗證試驗得到大豆異黃酮的提取率為0.708%，與理論值0.711%接近。該研究結果可以為醬渣的綜合利用提供理論參考，為大豆異黃酮的提取提供理論技術指導。

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