陕北小米中多酚的提取工艺研究
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摘 要：对陕北小米中多酚的提取工艺进行了优化，采用了单因素试验和响应面优化试验相结合的方法。首先进行了单因素试验，在单因素的基础上利用响应面软件设计试验，通过试验数据建立该提取过程的数学模型，然后进行方差分析及统计，得到对应的回归方程，用该模型预测出最佳提取条件并验证，得出用该模型优化提取过程是合理可靠的，同时得出该提取过程的最佳工艺条件為：提取时间128 min，提取温度50 ℃，料液比1∶21 g·mL-1，搅拌速率37 r·min-1时，陕北小米中多酚的平均提取率为3.245%。
关 键 词：陕北小米;多酚;提取;响应面
中图分类号：TQ 041+.7 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1626-05
Abstract： The single factor experiment and response surface experiment were used to optimize the extraction process of polyphenol from millet of Northern Shaanxi. Firstly， the single factor experiment was carried out， and then the response surface software was used to design the experiment on the basis of single factor experiment results. The mathematical model of the extraction process was established through experimental data， then analysis of variance and statistics were carried out， the regression equation of the model was obtained. The best extraction process conditions were determined by the model， and the best extraction process conditions were tested and verified. The results showed that the optimized extraction process was reasonable and reliable. The optimal extraction conditions were as follows： the extraction time 128 min，the temperature 50 ℃， the ratio of material and liquid 1：21 g·mL-1， the stirring rate 37 r·min-1. Under above conditions， the polyphenol average extraction rate of millet was 3.245%.
Key words： Millet of Northern Shaanxi; Polyphenol; Extraction; Response surface methodology
陕北小米是一种深受男女老少喜爱的食物，它具备很高的营养价值和一定的保健功能。小米中含有氨基酸、多酚类化合物、维生素、蛋白质、碳水化合物、脂肪等主要成分，在人体免疫调节、抗氧化及预防冠心病等方面发挥重要作用[1-5]。多酚类物质被称为 “第七类营养素”，它具有强抗氧化性、增强血管壁、有助于胃的消化、降低血液中脂肪含量、增强抵抗力等作用，还可以利尿、降血压、抑制细菌和癌细胞生长以及帮助消化等[6-10]。
目前，对小米的研究主要集中在维生素及蛋白质等方面，对其中多酚的研究较少[11-13]。因此，本文采用小米多酚为研究对象，对其进行提取研究。采用陕北小米为原料，用热浸提法对小米中多酚进行提取。首先采用了单因素试验的方法，对提取时间、搅拌速率、提取温度和料液比这四个因素进行了优化[14]。在单因素的基础上，设计响应面优化试验[15-16]。选取对提取率影响较大的三个因素进行响应面试验设计并分析，最终确定陕北小米中多酚提取的最佳工艺条件。
1 试验部分
1.1 仪器与试剂
UV-2450型紫外可见分光光度计（日本岛津公司），DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器（郑州科丰仪器设备有限公司）。
没食子酸（天津市大茂化学试剂厂），福林酚（合肥巴斯夫生物科技有限公司），碳酸钠（国药集团化学试剂有限公司）。
1.2 没食子酸标准曲线的测定
准确称取没食子酸标准品50 mg，用水溶解后定容到500 mL容量瓶中，得质量浓度为0.1 mg·mL-1的标准溶液。分别精确吸取标准溶液1、2、3、4、5 mL于试管中，并补充蒸馏水至5 mL，各加入1 mL稀释比为1∶20的福林酚试剂，摇匀后加入质量分数为15%碳酸钠溶液2 mL，放置室温下反应2 h，用紫外可见分光光度计测定在760 nm下的吸光度 值[17-18]，然后绘制标准曲线见图1，求出回归方程：y=8.94x+0.044 8，R2=0.999，表明没食子酸在0.02～0.1 mg·mL-1质量浓度范围内线性关系良好。 1.3 小米多酚的检测
陕北小米提取液中多酚的提取率测定采用福林酚法[19]。准确量取经过过滤和稀释的提取液5 mL于试管中，加入1 mL稀释比为1∶20的福林酚试剂，再加入2 mL 15%的碳酸钠溶液，摇匀。放置室温下2 h，使其充分反应。在波长760 nm下测量吸光度值。
1.4 小米多酚提取率的计算
1.5 小米多酚的提取方法
准确称取干燥的陕北小米10 g，放置于三口烧瓶中，烧瓶内加入适量的蒸馏水，放入转子。将三口烧瓶置于恒温水浴中，开启搅拌。恒温下提取一定的时间，过滤，取上清液，采用福林酚法检测并计算多酚的提取率[20]。
2 结果与讨论
2.1 单因素法
由图2可以看出小米多酚的提取率在前2 h是逐渐增加的，2 h时达到最大，随着时间的继续增加，小米多酚的提取率反而减小，因此选择提取时间为2 h;由图3可以看出，小米多酚的提取率在50 ℃时达到最大，继续升高温度反而降低提取率，说明温度过高有可能会导致多酚分解[21-23]，因此选择提取温度为50 ℃;由图4可以看出，随着搅拌速率的增加多酚的提取率也一直在增加，在35 r·min-1时提取率达到最大，后继续增加搅拌速率反而降低了提取率，可见适当的搅拌才能对提取起到加强的作用，因此，选择搅拌速率为35 r·min-1;由图5可以看出，提取的料液比在1∶10～1∶20 g·mL-1的范围内，随着提取液的增加，多酚的提取率显著增加，而在 1∶20～1∶30 g·mL-1的范围内，提取液越多，多酚的提取率变化不大，因此，选择料液比为1∶20 g·mL-1。综上所述，可得陕北小米多酚的最佳提取工艺条件为：提取时间2 h、提取温度50 ℃、搅拌速率 35 r·min-1、料液比1∶20 g·mL-1。在此工艺条件下得到多酚的提取率为2.869%。
2.2 响应面法
单因素试验只能表明各个因素单独作用对提取的影响，而采用响应面法进行优化，可以得出各因素间交互作用对提取率的影响[24-25]。因此，基于单因素试验结果，对其数据进行分析，然后采用响应面法对提取条件进行优化。首先，选取对小米多酚提取率影响较大的三个因素：提取时间、搅拌速率和料液比，然后利用响应面软件中的 Box- Behnken进行试验设计。
小米多酚提取试验的因素与水平设计见表1，试验设计及小米多酚提取率见表2，小米多酚提取模型的方差分析见表3。
由方差分析表3可以看出，该陕北小米多酚提取模型的P值为0.001 5，小于0.01，说明此提取模型是显著的，可以用于该提取过程。失拟误差项P值为0.054 9，大于0.05，为不显著，说明该模型误差小，拟合度高。因此，可以用该模型对陕北小米多酚的提取过程进行分析和估计，同时得到该模型的拟合方程为：
Y=3.15+0.066X1-0.046X2+2.875X3-0.12X1X2-
0.074X1X3-0.19X2X3-0.26X12-0.22X22-0.19X32。
用响应面软件分析还可以得出三个因素之间两两交互作用对提取率影响的3D立面图，见图6-8，图中曲面越陡峭的一方说明其对应的因素对提取率的影响越大[26-27]。
由图6-8中，曲面颜色越深的一方，说明其越陡峭，由曲面的陡峭程度可以看出，提取时间的影响>搅拌速率的影响>料液比的影响，与方差分析表中得出的结论（P值越小，影响越大）一致。
通过该回归模型可以预测出陕北小米多酚提取的最优条件为：提取时间2.14 h（约为128 min），搅拌速率36.89 r·min-1（约为37 r·min-1），料液比1∶21.2 g·mL-1 （约为1∶21 g·mL-1），此时预测提取率为3.257%。
2.3 验证试验
为了验证该模型得到的提取参数的可靠性，采用3次平行试验来验证响应面的预测结果，结果见表4。
由表4可知，3次验证试验得到的小米多酚的平均提取率为3.245%，与理论预测值3.257%接近。因此，得出用响应面优化法得到的陕北小米多酚提取工艺条件是准确可靠的。
3 结 论
本文对陕北小米多酚的提取工艺进行了优化，采用了单因素试验和响应面优化试验相结合的方法，通过试验数据建立该提取过程的数学模型，然后进行方差分析及统计，得到对应的回归方程，最后得到了一条优化的提取工艺路线：提取时间为128 min，提取温度为50 ℃，料液比为1∶21 g·mL-1，搅拌速率为37 r·min-1，此时，陕北小米多酚的平均提取率为3.245%，与建立的提取模型结论基本一致。由此说明用响应面优化软件进行试验的设计及分析，可以很好地完成陕北小米多酚提取条件的优化，为小米多酚的后续研究奠定一定的基础。
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