正交試驗(yàn)優(yōu)化磁場(chǎng)法提取枸杞黃酮工藝

周 蕓，張 珍*，張盛貴，畢 陽(yáng)，張 佩，龐 晨，胡 偉，劉振斌，周 林，肖 俠

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

正交試驗(yàn)優(yōu)化磁場(chǎng)法提取枸杞黃酮工藝

周 蕓，張 珍*，張盛貴，畢 陽(yáng)，張 佩，龐 晨，胡 偉，劉振斌，周 林，肖 俠

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

以新鮮枸杞為原料，采用磁場(chǎng)法提取枸杞黃酮。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化磁場(chǎng)處理的條件。結(jié)果表明，在磁感應(yīng)強(qiáng)度640mT、磁化時(shí)間40min、磁化溫度65℃、浸提回流時(shí)間60min的條件下，枸杞黃酮的提取率可達(dá)到290.81mg/100g。

枸杞黃酮；磁化處理；有機(jī)溶劑提取

枸杞(Lycium barbarumL.)是茄科(Solanaceae)多年生落葉小灌木的成熟果實(shí)，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，素有“紅寶”之稱[1]，其果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，不僅含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、粗纖維、礦物質(zhì)、胡蘿卜素以及多種微量元素，而且含有多種生物活性成分，具有“補(bǔ)腎益精，養(yǎng)肝明目”的功效[2-3]，千百年來(lái)被人們作為延年益壽的補(bǔ)品。黃酮類(lèi)物質(zhì)作為枸杞中的一種生物活性成分，具有止咳、平喘、祛痰、抗癌等功效，并能擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈、降低血膽固醇，有增強(qiáng)心臟收縮、減少心臟搏動(dòng)次數(shù)及明顯的抗氧化等作用[4-5]，因而具有很大的市場(chǎng)前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取一般采用有機(jī)溶劑提取，微波輔助提取和超聲波輔助提取[6]。磁場(chǎng)強(qiáng)化萃取技術(shù)是借助外加磁場(chǎng)以強(qiáng)化化工分離過(guò)程的一種新技術(shù)，被稱為“綠色分離技術(shù)”，它可以利用磁場(chǎng)產(chǎn)生的特殊能量通過(guò)改變抗磁性物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，使其理化性質(zhì)發(fā)生變化[7]，同時(shí)對(duì)反應(yīng)的速率也存在影響，可以強(qiáng)化萃取[8]、離子交換[9]、吸附[10]、絮凝[11]等過(guò)程。文獻(xiàn)中報(bào)道的有關(guān)磁場(chǎng)強(qiáng)化萃取技術(shù)的研究相對(duì)較少，涉及的萃取對(duì)象范圍也比較狹窄。本研究通過(guò)采用外加恒定磁場(chǎng)溶劑浸提法提取枸杞黃酮，研究磁化處理的關(guān)鍵影響因素，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高提取效率，以期為枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)提供全新的思路和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

新鮮枸杞采自甘肅省景泰縣，經(jīng)過(guò)去籽、除雜、榨汁濃縮后制成可溶性固形物含量為63.8%的枸杞漿，后貯藏于－20℃冰箱備用；無(wú)水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉均為A R。

釹鐵硼永磁鐵；冷凝回流裝置；7202B分光光度計(jì)尤尼克上海儀器有限公司。

1.2 工藝流程

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn)

基礎(chǔ)試驗(yàn)條件：2.000g枸杞漿、磁感應(yīng)強(qiáng)度640mT、磁化時(shí)間60min、磁處理溫度55℃、之后75℃水浴浸提回流80min，測(cè)定黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率。

單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：磁感應(yīng)強(qiáng)度分別取320、640、960、1280、1600mT；磁處理時(shí)間分別取30、60、90、120、150min；磁處理溫度取45、55、65、75、85℃；浸提回流時(shí)間取0、40、80、120、160min。在基礎(chǔ)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行各因素的黃酮提取試驗(yàn)。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇因素、設(shè)置水平，采用L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定磁場(chǎng)輔助萃取枸杞黃酮的最佳工藝參數(shù)。

1.3.3 測(cè)定方法

1.3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

參照文獻(xiàn)[12-13]的方法并加以改進(jìn)，以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)品。準(zhǔn)確稱取經(jīng)105℃干燥至質(zhì)量恒定的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品10mg置于10mL容量瓶中，加65%乙醇溶液稀釋至刻度，搖勻后稀釋得到質(zhì)量濃度0.2g/L蘆丁對(duì)照品使用液。

準(zhǔn)確吸取上述蘆丁對(duì)照品使用液0、1、2、4、6、8、10、12mL，轉(zhuǎn)入25mL容量瓶?jī)?nèi)，加入65%乙醇溶液定容至12.5mL，分別加入5%亞硝酸鈉溶液0.7mL，搖勻放置5min，加入10%硝酸鋁溶液0.7mL，搖勻后放置6min，加入1.0mol/L氫氧化鈉溶液5mL，用65%乙醇溶液定容至刻度，以零管做空白，放置15min后，在波長(zhǎng)500nm處測(cè)定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程y＝0.0005x－0.0131，R2＝0.9995，其中：y為吸光度；x為標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度/(μg/mL)。

1.3.3.2 枸杞黃酮含量的測(cè)定

吸取枸杞黃酮提取液10.0mL置于25mL容量瓶?jī)?nèi)，按1.3.3.1節(jié)方法，在波長(zhǎng)500nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算枸杞黃酮提取率[12]。

式中：A為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品提取液中黃酮含量/μg；C為樣品定容體積/mL；V為待測(cè)液體積/mL；m為樣品質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007統(tǒng)計(jì)分析，重復(fù)3次，結(jié)果用平均值表示，并用S P S S軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用ANOVA進(jìn)行Turkey多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 磁感應(yīng)處理強(qiáng)度對(duì)黃酮提取的影響

圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響Fig.1 Effect of magnetic intensity on the yield of wolfberry flavonoids

由圖1可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度640mT時(shí)，枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率最大為270.60mg/100g，且在5%置信水平上有顯著差異，之后隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)。因?yàn)橐掖肌⑺鶠榭勾判晕镔|(zhì)，在適當(dāng)外加恒定磁場(chǎng)條件下抗磁性分子將產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩，分子因此獲得附加能量，使得抗磁性物質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生改變，即擴(kuò)散系數(shù)增加、溶解度增大等，明顯改善了其分離性能[14]，進(jìn)而強(qiáng)化了乙醇提取黃酮的過(guò)程。在磁場(chǎng)作用下，該萃取體系的分配系數(shù)會(huì)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，越不利于萃取過(guò)程的進(jìn)行和黃酮的分離[15]，所以當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到640mT時(shí)，枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率最大。

2.1.2 磁化時(shí)間對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響

圖2 磁化時(shí)間對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響Fig.2 Effect of magnetic treatment time on the yield of wolfberry flavonoids

由圖2可知，磁處理時(shí)間60min時(shí)，黃酮提取率達(dá)到最高值276.27mg/100g，在5%置信水平有顯著差異，之后隨著磁處理時(shí)間的延長(zhǎng)黃酮提取率逐漸降低并且降低趨勢(shì)不顯著。說(shuō)明隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，可能會(huì)伴有其他類(lèi)物質(zhì)的溶出，抑制了黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取。因此外加恒定磁場(chǎng)處理的時(shí)間從節(jié)約時(shí)間和成本的角度出發(fā)選擇60min。

2.1.3 磁處理溫度對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響

圖3 磁處理溫度對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響Fig.3 Effect of magnetic treatment temperature on the yield of wolfberry flavonoids

由圖3可知，磁處理溫度45℃時(shí)提取率明顯低于其他磁處理溫度時(shí)黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率，這是因?yàn)榧訜峥梢宰饔糜诖艌?chǎng)處理后的抗磁性物質(zhì)，使其表面張力變小，擴(kuò)散系數(shù)增加，從而加大了對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取。當(dāng)磁處理溫度達(dá)到65℃時(shí)，枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率有最大值，為271.15mg/100g，且與75、85℃的試驗(yàn)結(jié)果在5%置信水平上有顯著性差異，但與55℃結(jié)果無(wú)顯著性差異，因?yàn)椴煌鸥袘?yīng)強(qiáng)度對(duì)于不同萃取體系中的擴(kuò)散系數(shù)影響不同，在磁場(chǎng)作用下該萃取體系的相平衡呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)，所以溫度越高，越不利于萃取過(guò)程進(jìn)行的現(xiàn)象越明顯[15-16]。考慮到節(jié)約資源與成本，選擇55℃為最佳磁處理溫度。

2.1.4 浸提回流時(shí)間對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取的影響

圖4 浸提時(shí)間對(duì)黃酮類(lèi)提取的影響Fig.4 Effect of reflux extraction time on the yield of wolfberry flavonoids

由圖4可知，磁化處理后枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)提取率在浸提時(shí)間80min達(dá)到最高值270.41mg/100g，與0、160min的試驗(yàn)結(jié)果有顯著性差異，但與40、120min的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著性差異，即浸提時(shí)間40min后黃酮類(lèi)物質(zhì)提取率的變化不顯著。這是因?yàn)榇艌?chǎng)處理使黃酮類(lèi)物質(zhì)的分子內(nèi)聚力減小，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶解度增大，從而縮短了黃酮類(lèi)萃取達(dá)到平衡的時(shí)間，加速了枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取過(guò)程[15]。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇浸提時(shí)間40min為最佳提取時(shí)間。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 磁場(chǎng)法提取枸杞黃酮工藝優(yōu)化L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Orthogonal array design L16 (45) and corresponding results

由表1極差分析得出，對(duì)枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取影響因素是：C＞A＞B＞D，即各因素對(duì)黃酮類(lèi)物質(zhì)提取量產(chǎn)生影響的主次順序?yàn)椋捍呕瘻囟龋敬鸥袘?yīng)強(qiáng)度＞磁化時(shí)間＞浸提回流時(shí)間。從正交試驗(yàn)直觀結(jié)果可知，最佳提取工藝為A2B1C2D2，即磁感應(yīng)強(qiáng)度640mT、磁化時(shí)間40min、磁化溫度65℃、水浴回流時(shí)間60min。因?yàn)橐掖肌⑺瓤勾判晕镔|(zhì)處于磁場(chǎng)中時(shí)，分子產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩，分子因此獲得附加能量[17]，在加熱的共同作用下，使抗磁性物質(zhì)內(nèi)部分子的內(nèi)聚力減少，分子勢(shì)壘降低，引起宏觀物理性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化，如表面張力的減小，黏度增大，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶解度增大等，進(jìn)而加速了黃酮萃取的過(guò)程[18-19]。在磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化時(shí)間、磁化溫度以及水浴回流時(shí)間這4個(gè)因素的共同作用下，使得正交試驗(yàn)得出的枸杞黃酮提取率高于單因素試驗(yàn)的結(jié)果。

2.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由于L16(45)正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合A2B1C2D2在L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒(méi)有出現(xiàn)，所以需對(duì)最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)得枸杞中黃酮類(lèi)物質(zhì)提取率為290.81mg/100g，正交試驗(yàn)中任何一種組合的提取率都高，可見(jiàn)正交試驗(yàn)所確定的工藝參數(shù)為最佳。

2.2.3 對(duì)照實(shí)驗(yàn)

比較磁場(chǎng)輔助有機(jī)溶劑萃取枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)與有機(jī)溶劑直接萃取黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 黃酮提取率對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Comparison of the yields of wolfberry flavonoids by magnetic field-assisted extraction and organic solvent extraction

由圖5可以看出，采用磁場(chǎng)輔助有機(jī)溶劑法提取枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)，其提取率在0.05的置信水平上顯著高于有機(jī)溶劑直接提取黃酮類(lèi)物質(zhì)，可見(jiàn)磁化處理能夠提高黃酮類(lèi)物質(zhì)的提取率。

3 結(jié) 論

通過(guò)研究磁場(chǎng)輔助有機(jī)溶劑提取枸杞黃酮類(lèi)物質(zhì)，得出最佳提取工藝為磁感應(yīng)強(qiáng)度640mT、磁處理時(shí)間40min、磁處理溫度65℃、水浴浸提回流時(shí)間60min，在此工藝條件下枸杞黃酮的提取率為290.81mg/100g。

[1]張?jiān)葡? 王萍, 劉敦華. 枸杞活性成分的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2008, 29(2): 79-82.

[2]薛立文, 李以暖. 枸杞子的營(yíng)養(yǎng)和保健功能[J]. 廣東微量元素科學(xué),2000, 7(6): 1-4.

[3]霍超, 徐桂花. 枸杞生理功效和活性成分的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng), 2007(11): 50-53.

[4]QIAN Jianya, LIU Dong, HUANG Agen. The effciency of flavonoids in polar extracts ofLycium chineseMill fruit as free radical scavenger[J].Food Chemistry, 2004, 87(2): 283-288.

[5]黃元慶, 魯建華, 沈泳. 枸杞總黃酮類(lèi)化合物抗脂質(zhì)過(guò)氧化研究[J].衛(wèi)生研究, 1999, 28(2): 115-116.

[6]魏永祥, 商希禮, 張杰, 等. 枸杞天然活性成分提取的研究進(jìn)展[J].山東化工, 2009, 38(7): 18-21.

[7]杜娟, 馮瑞玉, 趙靜, 等. 磁場(chǎng)改變物質(zhì)理化性質(zhì)及其分離效果的研究進(jìn)展[J]. 河北化工, 2006, 29(11): 21-24.

[8]PALYSKA W, CHEMIELEWSKI A G. Magnetic field assisted solvent extraction of Cu(Ⅱ)with D2EHPA[J]. Separation Science and Technology,2002, 26(1/3): 127-138.

[9]吳雪輝. 磁場(chǎng)對(duì)磁性陰離子交換樹(shù)脂脫色糖液效能的強(qiáng)化研究[J]. 廣西蔗糖, 2001, 3(1): 36-38.

[10]邱峰, 呂秀榮, 張洪林, 等. 在磁場(chǎng)中活性炭吸附有機(jī)物的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(4): 558-560.

[11]熊德琪, 黃先湖. 應(yīng)用磁化效應(yīng)提高含酚廢水處理效果[J]. 水處理技術(shù), 2001, 27(1): 50-52.

[12]孔令明, 李芳, 蘇興成. 枸杞中黃酮類(lèi)化合物的提取研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2008, 29(8): 45-47.

[13]張穎, 張立睦, 周紅英, 等. 不同產(chǎn)地枸杞子中黃酮含量的測(cè)定[J].中國(guó)中醫(yī)藥科技, 2004, 11(2): 102-103.

[14]胡愛(ài)軍, 丘泰球. 物理場(chǎng)強(qiáng)化萃取新技術(shù)及應(yīng)用[J]. 安徽化工, 2002,115(1): 26-29.

[15]孫巍. 永磁場(chǎng)對(duì)液-液萃取過(guò)程的影響[D]. 天津: 天津大學(xué), 2006.

[16]SUN Yongli, LIU Yong, WU Songhai, et al. Effect of magnetic field on the extraction process of acetone-water-trichloroethane system[J]. Chin J Chern Eng, 2007, 15(6): 916-918.

[17]胡暉, 宋海華, 賈紹義, 等. 磁場(chǎng)對(duì)乙醇-水, 正丙醇-水體系汽液平衡的影響[J]. 磁性材料與器件, 2002, 33(6): 12-14.

[18]石競(jìng)競(jìng), 劉有智. 新型物理場(chǎng)強(qiáng)化萃取技術(shù)及應(yīng)用[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2005, 26(6): 9-11.

[19]張軍, 李書(shū)光, 胡松青. 磁處理技術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 15(4): 71-73.

Using Orthogonal Array Design to Optimize the Extraction of Wolfberry Flavonoids by Magnetic Field Treatment

ZHOU Yun，ZHANG Zhen*，ZHANG Sheng-gui，BI Yang，ZHANG Pei，PANG Chen，
HU Wei，LIU Zhen-bin，ZHOU Lin，XIAO Xia
(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

This work reports the application of magnetic field treatment to extract flavonoids from wolfberries. The optimal extraction conditions were determined by one-factor-at-a-time and orthogonal array design methods as follows: 40 min magnetic field treatment at 65 ℃ and 640 mT and then 60 min reflux solvent extraction. Under these conditions, the yield of flavonoids was 290.81 mg/100 g of wolfberries.

wolfberry flavonoids；magnetic treatment；organic solvent extraction

TS201.2

A

1002-6630(2012)18-0098-04

2011-09-16

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD52B07)

周蕓(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榛钚猿煞痔崛　-mail：275774843@qq.com

*通信作者：張珍(1971—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)樾螽a(chǎn)品加工及功能活性物質(zhì)提取。E-mail：zhangzhen@gsau.edu.cn