玉米苞叶多酚提取工艺优化

谢 昕

（河南职业技术学院，河南郑州 450046）

玉米是我国三大主粮之一，种植面积大、产量高。玉米苞叶是玉米果穗的外苞叶，每1 hm2玉米可采集苞叶600 kg[1]，玉米苞叶通常被当作燃料或直接废弃[2]。农业废弃物资源化利用是农村环境治理的重要内容，是应对经济新常态、促投资、稳增长的积极举措。玉米苞叶入药始载于《滇南本草图说》，其性平味甘，有利尿消肿、调中开胃、益肺宁心、清湿热等功效，主治急慢性肾炎、水肿、急性胆囊炎、胆道结石和高血压等。现在医学认为，玉米苞叶还可以预防动脉粥样硬化、高血脂、降低餐后血糖[3]。试验以乙醇为提取溶剂，利用超声辅助响应面法优化玉米苞叶多酚的提取工艺，提高了提取率，降低了提取成本，为玉米苞叶的开发利用提供了理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

TU-1810型紫外分光光度计，北京普析公司产品；LD-T300型高速多功能粉碎机，上海顶帅公司产品；KX-1740QT型超声波清洗器，北京科玺公司；TDL-5-A型台式离心机，上海安亭公司产品。

玉米苞叶，来源于河南省中牟国家农业科技园区；食用酒精，河南浩宇食品添加剂有限公司产品；硫酸锂，天津市华东试剂厂产品；没食子酸，天津市瑞金物化学品有限公司产品；其他试剂均为分析纯。

1.2 多酚含量的测定

配制0.1 mg/mL的没食子酸标准溶液，分别准确移取 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 mL 于 10 mL容量瓶中，分别加入6 mL蒸馏水与0.5 mL福林酚试剂，摇匀，3 min后加入1.5 mL 10%碳酸钠溶液，定容，于75℃水浴中10 min，冷却，于波长765 nm处测吸光度，绘制曲线，得线性回归方程。

1.3 玉米苞叶多酚提取方法

玉米苞叶洗净、晾干、冷冻干燥、粉碎，准确称取粉未1 g，加一定量乙醇溶液；在一定温度下，以某一功率超声提取一定时间，以转速2 000 r/min离心5 min，取上清液5 mL置于10 mL容量瓶中，余下按1.2项下操作显色，测吸光度。玉米苞叶多酚得率计算公式如下：

式中：c——玉米苞叶多酚质量浓度，μg/mL；

V——提取剂体积，mL；

m——样品质量，g。

1.4 试验方法

1.4.1 单因素试验

（1） 粒度大小。选择玉米苞叶粉为40，60，80，100，120目分别提取多酚。乙醇体积分数60%，料液比1∶20（g∶mL），提取温度60℃，提取时间1 h，超声功率70 Hz等条件不变。

（2）乙醇体积分数。选择乙醇体积分数为40%，50%，60%，70%，80%分别提取多酚。粒度100目，料液比1∶20（g∶mL），提取温度60℃，提取时间1 h，超声功率70 Hz等条件不变。

（3） 料液比。选择料液比为1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30分别提取多酚。粒度100目，乙醇体积分数60%，提取温度60℃，提取时间1 h，超声功率70 Hz等条件不变。

（4） 提取温度。选择提取温度为30，35，40，45，50，55，60，65℃分别提取多酚。粒度100目，乙醇体积分数60%，料液比1∶20，提取时间1 h，超声功率80 Hz等条件不变。

（5） 提取时间。选择提取时间为20，25，30，35，40，45，50，55，60 min分别提取多酚。粒度100目，乙醇体积分数60%，料液比1∶20，提取温度55℃，超声功率70 Hz等条件不变。

（6） 超声功率。选择超声功率60，70，80，90，100，120 Hz分别提取多酚。粒度100目，乙醇体积分数60%，料液比1∶20，提取温度55℃，提取时间45 min等条件不变。1.4.2 响应面试验设计

采用单因素试验结果，考查乙醇体积分数（A）、提取温度（B）、提取时间（C） 和超声功率（D） 对玉米苞叶多酚得率（Y）的影响，利用响应面法优化各关键因素。根据Box-Behnken试验设计原理，以多酚得率为指标，运用Design Expert 8.0.6软件，设计四因素三水平响应面试验，建立预测模型并获得最佳工艺参数。

因素与水平设计见表1。

表1 因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 粒度大小的影响

玉米苞叶粉粒度在100目时多酚得率最高，为3.38±0.20 mg/g。玉米苞叶密度较小，体积较大，提取离心后上清液体积较小；且当增加料液比至1∶30时，多酚得率为2.91±0.21 mg/g。因此，确定粒度大小为100目。

2.1.2 乙醇体积分数的影响

当乙醇体积分数60%时，得率最高，为3.61±0.16 mg/g。多酚具有一定的脂溶性，乙醇水溶液的极性与玉米苞叶多酚的极性相近，便于多酚溶出；乙醇水溶液极性较大，杂质的溶出量增加，主要使树脂、挥发油等溶出；使用中等浓度乙醇水溶液可抑制鞣酸、蛋白质、黏液等高分子杂质的溶出[4]。因此，确定乙醇体积分数为60%。

2.1.3 料液比的影响

料液比为1∶25时，多酚得率最高，为3.52±0.17 mg/g。多酚得率随料液比增加而增加，但超过1∶20之后多酚得率增加辐度较小，且溶剂用量增加，增大提取成本。因此，确定料液比为1∶20。

2.1.4 提取温度的影响

提取温度在50～70℃多酚得率变化不大，温度过高多酚得率反而下降。提高温度有利于溶质的扩散和溶剂的渗透，确定55℃为提取温度。

2.1.5 提取时间的影响

提取时间在45 min左右达到最大，之后又有下降的趋势。超声可以加快到达提取传质平衡的时间[4]，比单纯用乙醇提取需要2 h[5]，大大缩短了提取时间。因此，确定提取时间为45 min。

2.1.6 超声功率的影响

超声功率在60 Hz时多酚得率最大。超声波的空化作用提高目标物从固相转移到液相的传质速率，但功率过高会在超声仪器钢板表面附近产生大量气泡，增加声传播损失，反而削弱提取效率[6]；功率过大，还可造成不稳定多酚分子的分解，多酚得率降低。确定超声功率为60 Hz。

单因素对多酚得率的影响见图1。

2.2 响应面优化

图1 单因素对多酚得率的影响

2.2.1 回归模型及方差分析

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验设计，以乙醇体积分数（A）、提取温度（B）、提取时间（C）和超声功率（D）为自变量，按四因素三水平进行试验设计，以玉米苞叶多酚得率（Y）为响应值，进行响应面分析。

试验方案及结果见表2，方差分析结果见表3。

使用试验设计软件Design Expert 8.0.6对表2数据进行拟合，得到玉米苞叶多酚得率（Y）与乙醇体积分数（A）、提取温度（B）、提取时间（C） 和超声功率（D）的二次多项回归模型为

表2 试验方案及结果

表3方差分析结果显示，该回归模型达到极显著水平（回归模型p＜0.000 1），实测值与预测值具有高度相关性（R2=0.930 2），方程可靠性高；失拟项差异不显著（F=1.37，p＞0.05），残差主要由随机误差产生，实测值与预测值具有较好拟合度，该模型对于玉米苞叶总多酚提取工艺能进行很好的分析和预测；4个影响因素的主次顺序为乙醇体积分数＞超声功率＞提取温度＞提取时间（F值：A＞D＞B＞C；p值：C＜B＜D＜A）。响应值与试验因素之间是非线性关系 （A，D，AB，A2，B2，C2，D2项对试验结果影响极显著，p＜0.01；C，AC，AD，CD项对试验结果影响不显著，p＞0.05）。因此，可使用该模型对玉米苞叶多酚的提取工艺进行分析和预测。

表3 方差分析结果

2.2.2 响应面分析 响应面及等高线图见图2。

图2 响应面及等高线图

从图2中可看出，A，B，C，D 4个因素两两交互作用对玉米苞叶多酚得率的影响。乙醇体积分数的曲线较陡，对多酚得率的影响最显著；超声功率的曲线较陡，对多酚得率的影响较为显著；提取温度和提取时间的曲线较为平缓，响应值变化较小，对多酚得率的影响比较不显著。根据图2和方差分析结果，因素的影响顺序为乙醇体积分数＞超声功率＞提取温度＞提取时间。

2.2.3 最佳条件的确定及验证试验

根据回归模型，利用软件Design Expert 8.0.6对试验条件进行优化，得出超声辅助玉米苞叶多酚提取最佳条件为乙醇体积分数70%，提取温度58.78℃，提取时间44.29 min，超声功率55.19 Hz，在此条件下预测多酚得率最大为3.711 mg/g。根据试验条件，对各因素进行修正为乙醇体积分数70%，提取温度58℃，提取时间44 min，超声功率55 Hz。在此条件下进行6次验证试验，多酚得率平均值为3.719 mg/g，RSD为0.030%，与预测值相对误差为0.216%，试验稳定性和重现性好，验证了数学模型的有效性。超声辅助对提高玉米苞叶多酚得率具有应用价值，为玉米苞叶的开发利用提供了理论依据和技术支持。

3 结论

影响多酚提取的因素较多，如乙醇体积分数、提取温度、提取时间、提取次数、粒度大小、料液比。单因素试验表明，增加提取次数为2，3次，提取率有增加但增幅不大，并且在确定最佳提取工艺的基础上，进行提取次数的影响试验，二次提取多酚利率平均值为3.724 mg/g，较一次提取增加了0.1%，再考虑到提取时间和提取成本，确定提取次数为1次[7]。

玉米苞叶密度较小，体积较大，提取离心后上清液体积较少；且当增加料液比至1∶30时多酚得率为2.91±0.21 mg/g，确定提取时粒度大小为100目。

试验采用超声辅助乙醇提取多酚，提取设备简单，提取成本较低，提取效率较高，适用于玉米苞叶多酚的提取，且在实验室试验的基础上，增加原料量进行小试（玉米苞叶粉500 g）和中试（玉米苞叶粉5 000 g），按照最佳提取工艺进行多酚提取，多酚得率平均值为1.845 g/500 g和18.612 g/5 000 g，达到预期效果。

参考文献：

[1]白瑜.玉米苞叶特性及成型性能的试验研究 [D].杨凌：西北农林科技大学，2008.

[2]王天雷.玉米苞叶制工艺品 [J].中小企业科技，2014（5）：27.

[3]王瑷丽，卢锋，孙景和.玉米苞叶的药理作用 [J].吉林农业，2016（3）：124.

[4]曹勇，马艳梅，商雪娇，等.响应面法优化超声辅助醇提取黄芪中的多酚最佳工艺 [J].食品工业科技，2014，35 （16）：278-280.

[5]常丽新，贾长虹，郁春乐.响应面优化玉米苞叶多酚的提取工艺研究 [J].食品工业科技，2014，35（2）：259-263.

[6]梁惠花，刘晓河，王志宝.油菜蜂花为中总多酚的超声提取及含量测定 [J].张家口医学院学报，2003，20（4）：8-9.

[7]郭雪峰，岳永德.多酚类化合物的提取、分离纯化和含量测定方法的研究进展 [J].安徽农业科学，2007，35（26）：8 083-8 086.◇