響應面優化超聲提取楊桃多酚的工藝研究

蔣　邊,潘進權,李　恒,盧冬梅,覃嘉倩,謝瑞敏,何榮海

(1.嶺南師范學院生命科學與技術學院,廣東湛江 524048;2.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013)

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響應面優化超聲提取楊桃多酚的工藝研究

蔣邊1,潘進權1,李恒1,盧冬梅1,覃嘉倩1,謝瑞敏1,何榮海2

(1.嶺南師范學院生命科學與技術學院,廣東湛江 524048;2.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013)

利用響應面法對楊桃總多酚的超聲提取工藝進行優化。以楊桃為原料,總多酚提取得率為評價指標,在單因素實驗的基礎上,選取超聲時間、乙醇濃度、液料比、超聲溫度進行了四因素三水平的 Box-Behnken 中心組合研究,并運用 Design Expert 8.05b軟件對實驗數據進行分析。結果表明,最佳超聲提取工藝條件為:超聲時間為31 min,乙醇濃度為59%,液料比為53∶1 mL/g,超聲溫度為60℃,此時楊桃總多酚提取得率為28.5mg/g。與響應面預測值相比,驗證實驗結果吻合性良好。

楊桃，多酚，超聲，提取，響應面

楊桃為酢漿草科五斂子屬熱帶常綠喬木,一年多生,豐產、穩產,是我國南方重要的熱帶水果之一,主要分布在我國廣東、廣西、福建、海南、臺灣及云南等地。楊桃含有較豐富的糖類、有機酸、維生素、氨基酸[1]等營養成分和多酚[2]、多糖[3]等活性成分,還具有生津利尿、解毒、去風熱[4]等作用,因而具有豐富的營養、活性和藥理價值。但是,楊桃果實在貯藏和加工過程中容易發生酶促褐變,從而影響其外觀品質和營養品質;且其屬易爛水果,保鮮期很短,貯藏性極差。因此楊桃的進一步精深加工及開發利用,可以在一定程度上解決楊桃不易貯藏的問題,具有廣闊的開發前景。天然植物多酚不僅安全、無毒,而且具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗癌、調血脂和預防慢性疾病等多種活性[5-10],已逐漸應用在醫藥、食品、化妝品、農業等領域。研究證實,楊桃中富含豐富的多酚,其多酚具有較強的氧自由基吸收能力、總抗氧化能力和抑制肝癌細胞HepG2增殖活性[2]。目前,已有研究采用傳統溶劑浸提法[11]和微波法[12]提取楊桃中的多酚,但是截至發稿前未見報道采用超聲波技術從楊桃中提取多酚以及利用響應面分析方法優化其提取工藝的研究。

本研究采用具有操作簡單快捷,提取率高,提取溫度低,提取物結構不易被破壞等優勢的超聲波提取法[13],結合響應面分析法對楊桃總多酚的提取工藝進行優化,以期獲得簡單、安全、高效、節能的楊桃多酚提取工藝,為進一步推動楊桃多酚的工業生產和深加工,加大開發利用楊桃資源和獲得新型植物多酚提供重要理論基礎。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

楊桃廣東省湛江市愛華超市;福林酚試劑國藥集團化學試劑有限公司;沒食子酸、無水Na2CO3、無水乙醇等均為分析純。

FB323自動內校電子分析天平上海舜宇恒平科學儀器有限公司;TD6低速離心機長沙湘智離心機儀器有限公司;UV-3000PC型紫外可見分光光度計上海美普達儀器有限公司;手提式高速中藥粉碎機青州市三寶中藥機械廠;電熱鼓風干燥器上海一恒科學儀器有限公司;KQ-500V型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1福林酚法測定楊桃總多酚提取得率配制0、10、20、30、40、50 μg/mL的沒食子酸標準溶液,分別取上述不同濃度的沒食子酸標準溶液0.5 mL,加入濃度為1∶1的福林酚試劑1 mL,7.5% Na2CO3溶液3 mL,25℃下反應30 min,于765 nm處測定吸光值。以標準品的質量為橫坐標、吸光值為縱坐標,繪制沒食子酸標準曲線[14]。取稀釋后的樣品溶液0.5 mL,按照上述方法測定。樣品中總多酚提取得率(以沒食子酸計,mg/g)=C×V×N×10-3/W。式中,C為根據標準曲線求得的樣品濃度值(μ/mL);V為粗提液體積(mL);N為稀釋倍數;W為原料重量(g)。

1.2.2楊桃總多酚的提取方法將楊桃切碎后50℃條件下烘干,粉碎后40目過篩,所得樣品低溫干燥條件下保存備用。精密稱取楊桃粉末樣品,按一定液料比加入一定濃度的乙醇溶液,超聲提取后冷卻,然后 4000 r/min離心,收集上層清液,定容到100 mL容量瓶中待測,每組做3次平行實驗。

1.3實驗設計

1.3.1單因素實驗設計超聲提取的頻率為40 kHz,超聲功率為500 W。其他因素條件固定,依次分別以超聲時間(10、20、30、40、50、60 min)、乙醇濃度(20%、40%、60%、80%、100%)、液料比(10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1(mL/g))和超聲溫度(30、40、50、60、70、80℃)為單因素,考察各因素對楊桃總多酚提取含量的影響,確定其最佳因素水平。采取漸變式優化法,研究第一個單因素(超聲時間)時其他因素水平固定為:乙醇濃度60%,液料比20∶1 mL/g,超聲溫度50℃。

1.3.2響應面實驗設計根據單因素實驗結果,確定四個因素的三個水平,以總多酚提取得率為評價指標,進行響應面優化實驗的中心組合設計。因素及其水平如表1所示,-1、0、1分別代表各因素的低、中、高3個水平。

2　結果與分析

2.1沒食子酸標準曲線

由圖1可知,沒食子酸標準曲線回歸方程為 y=0.025x-0.001,R2=1。

表1　Box-Behnken中心組合設計的因素和水平表

圖1　沒食子酸標準曲線Fig.1　Standard curve of gallic acid

2.2單因素實驗

2.2.1超聲時間對楊桃總多酚提取得率的影響由圖2可知,楊桃總多酚的提取得率先隨著超聲時間的延長而提高,這主要是隨著超聲時間的增加,有利于楊桃多酚的溶出;當超聲時間為30 min左右,達到最高值,總多酚提取得率為20.12mg/g;超過此超聲時間,總多酚提取得率反而有所降低,這可能是長時間的超聲振動導致多酚結構破壞[15]。李群梅等[11]采用傳統的有機溶劑法提取60 min,楊桃多酚的提取量為3.9mg/g,因而,超聲波的機械作用和空化作用增加分子運動頻率和速度,增強了溶劑的穿透能力,提高了多酚類物質的溶出速度和數量,大大的縮短了提取時間,提高了多酚提取得率。

圖2　超聲時間對總多酚提取得率的影響Fig.2　Effect of ultrasonic time on extraction rate of total polyphenols

2.2.2乙醇濃度對楊桃總多酚提取得率的影響多酚是一類極性范圍很廣的化合物,當提取溶劑的極性與楊桃多酚的極性接近時,有利于多酚的提取[16]。由圖3可知,不同濃度的乙醇對楊桃多酚的提取效果不同,隨著乙醇濃度的增加,楊桃總多酚的提取得率先增加后降低,在乙醇濃度為60%時,達到最大值。當乙醇濃度大于60%,總多酚提取得率降低,主要是因為在植物體內多酚一部分以游離的形式存在液泡中,一部分以與蛋白質、多糖通過氫鍵或疏水鍵結合的形式存在于細胞壁中,高體積分數的乙醇使蛋白質變性,影響與之結合多酚的溶出,從而導致多酚提取率的下降[17]。

圖3　乙醇濃度對總多酚提取得率的影響Fig.3　Effect of ethanol concentration on extraction rate of total polyphenols

2.2.3液料比對楊桃總多酚提取得率的影響由圖4可知,在相同提取條件下,隨著液料比增大,多酚提取率逐漸上升,主要是因為從細胞內到溶劑之間擴散的濃度梯度增大,多酚提取率不斷增加[18],當達到50∶1 mL/g后提取率開始下降,說明多酚的溶出量已達飽和,因而選取最佳液料比為50∶1 mL/g。

圖4　液料比對總多酚提取得率的影響Fig.4　Effect of ratio of solvents to raw material on extraction rate of total polyphenols

2.2.4超聲溫度對楊桃總多酚提取得率的影響由圖5可知,楊桃總多酚的提取得率先隨著超聲溫度的增加而逐漸增加,這是由于高溫增加細胞壁滲透性,同時增加提取溶劑的溶解度和擴散系數,降低溶劑的黏度,從而提高提取得率[18]。在超聲溫度為60℃時,楊桃多酚的提取得率最大,進一步提高超聲溫度,總多酚提取得率反而降低,其原因是溫度過高破壞多酚類物質結構,并導致提取溶劑的揮發,楊桃中其他雜質溶出率增加,造成總多酚提取得率減小[19]。

圖5　超聲溫度對總多酚提取得率的影響Fig.5　Effect of ultrasonic temperature on extraction rate of total polyphenols

2.3響應面分析法優化超聲提取條件結果分析

2.3.1響應面優化方差分析在單因素實驗的基礎上,根據 Box-Behnken中心組合實驗設計原理,設計四因素三水平的響應面分析實驗。實驗設計及結果見表2。

表3　總多酚提取得率方差分析結果

由表3可知,在超聲提取楊桃總多酚的工藝參數中,在所選的各因素水平范圍內,影響總多酚提取得率的因素按主次順序排列為:超聲時間>液料比>乙醇濃度>超聲溫度。模型中因素X1(超聲時間)和X3(液料比)對總多酚提取得率的影響分別為極顯著和顯著;因素X12、X22和X32對總多酚提取得率的影響極顯著;X1X3即超聲溫度和液料比交互作用極顯著,X2X3即乙醇濃度和液料比交互作用顯著,其他變量的影響均不顯著(p>0.05)。

由圖6a可知,當液料比不變時,隨著超聲時間的延長,多酚提取得率先增大后減小;當超聲時間不變時,隨著液料比的增加,多酚提取得率逐步增加,后期趨于平緩,這與單因素實驗結果吻合。分析圖6b,同樣與單因素實驗結果相吻合。超聲溫度和液料比、乙醇濃度和液料比的等高線圖均為橢圓,則說明兩兩的交互作用明顯,且前者的交互作用更加顯著[20],與方差分析結果吻合。

圖6　影響總多酚提取得率的因素之間的交互作用Fig.6　The interaction between factors that affect extraction rate of total polyphenols

2.3.2響應面最優條件優化、預測和驗證通過回歸模型的預測,得到超聲提取楊桃多酚的最優工藝條件為:超聲時間為31.39 min,乙醇濃度為59.01%,液料比為53.37∶1 mL/g,超聲溫度為59.97℃,總多酚提取得率預測值為28.35mg/g。為檢驗 RSM 的可靠性,采用上述最優條件進行驗證實驗,同時考慮操作的方便性,將提取工藝參數修正為超聲時間為31 min,乙醇濃度為59%,液料比為53∶1 mL/g,超聲溫度為60℃,實際測得的楊桃總多酚平均提取得率為28.5mg/g。理論預測值與驗證實驗的平均值相接近,說明該模型可以較好地預測楊桃總多酚超聲提取得率。

3　結論

通過響應面分析法對實驗結果進行分析,結果

為回歸模型擬合度好。采用超聲波提取楊桃中的多酚,影響楊桃總多酚提取得率的主次因素順序為:超聲時間>液料比>乙醇濃度>超聲溫度。最適宜的超聲提取工藝條件為:超聲時間為31 min,乙醇濃度為59%,液料比為53∶1 mL/g,超聲溫度為60℃,在此條件下楊桃總多酚提取得率為28.5mg/g,所得值與模型預測值28.35mg/g高度相符。與呂群金[12]等采用微波法提取楊桃多酚所得多酚提取得率為18.725mg/g相比,超聲波輔助提取楊桃多酚得率更高,且此方法安全無毒、成本低、操作簡單。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction of polyphenol from Carambola by response surface methodology

JIANG Bian1,PAN Jin-quan1,LI Heng1,LU Dong-mei1,QIN Jia-qian1,XIE Rui-min1,HE Rong-hai2

(1.School of Life Science and Technology,Lingnan Normal University,Zhanjiang 524048,China; 2.School of Food and Bioengineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The response surface methodology was used to optimize ultrasound-assisted extraction of total polyphenols from Carambola.With Carambola as raw material,the extraction rate of total polyphenols for evaluation index,then based on single factor experiment,an ultrasonic procedure for the extraction of total polyphenols from carambola was established.A three-level-four-factor test was employed in this study to optimize the factorial parameters(ultrasonic time,ethanol concentration,ratio of solvents to raw material and ultrasonic temperature)by employing Box-Behnken design of response surface methodology and Design Expert 8.05b software was used to analyze test data.The result showed that the best ultrasonic extraction technology conditions were as follows:ultrasonic time 31 min,alcohol concentration 59%,ratio of solvents to raw material 53∶1 mL/g,ultrasonic temperature 60℃,the carambola total polyphenols obtained rate was 28.5mg/g.The experimental vaule was basically agreed with the predictive value of response surface analysis.

Carambola;polyphenols;ultrasound;extraction;response surface

2015-10-14

蔣邊(1989-),女,碩士研究生,助理實驗師,主要從事天然產物提取與分離、功能性食品的開發,E-mail:651447420@qq.com。

嶺南師范學院自然科學研究青年項目(QL1504)；嶺南師范學院自然科學研究引進人才項目(ZL1408)。

TS254.1

B

1002-0306(2016)07-0248-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.039