響應面法優化番石榴葉多酚的超聲提取工藝

楠 極,李遠志

(1.內蒙古農業大學職業技術學院,內蒙古包頭 014109;2.華南農業大學食品院,廣東廣州 510642)

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響應面法優化番石榴葉多酚的超聲提取工藝

楠 極1,李遠志2,*

(1.內蒙古農業大學職業技術學院,內蒙古包頭 014109;2.華南農業大學食品院,廣東廣州 510642)

以番石榴葉為原料,研究了多酚物質的超聲輔助提取工藝，探討了各因素對多酚物質提取含量的影響。通過二次響應面法,確定了超聲輔助提取番石榴葉多酚物質的最佳提取條件,以1∶30(g/mL)的料液比加入51%的乙醇,在60 ℃的溫度、60 W的超聲波功率下提取47 min,多酚物質含量可達143.38 mg/g。

番石榴葉,多酚物質,超聲輔助提取,響應面法

番石榴葉為桃金娘科植物番石榴(PsidiumguajavaL.)的干燥葉及帶葉嫩莖,具有一定的營養價值和保健作用,主要分布在廣東、廣西、福建、臺灣、海南、四川等地[1]。番石榴葉具有收斂、止瀉、消炎作用,對腹瀉、久痢、腸炎、腸胃潰瘍、濕疹、瘙癢等癥狀有明顯緩解效果[2]。研究還發現,番石榴葉能軟化血管、降低血脂、血糖和膽固醇,并具有抗氧化、抗菌活性和治療咳嗽等功效[3]。而大量實驗研究證明,番石榴葉中產生這些功效作用的主要成分是多酚類物質[4-5]。因此提取番石榴葉中功能性成分多酚物質具有一定意義。

植物多酚提取方法主要有溶劑浸提法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法和超臨界流體萃取法等。超聲輔助提取是一種物理破碎手段,主要是利用超聲波強化提取過程,提高了植物有效成分的浸提。超聲波產生了獨特的機械振動和空化作用。當超聲強度達到一定程度時,能夠破壞植物細胞壁結構,使細胞壁瞬間破裂,植物細胞內的有效成分得以釋放,直接進入溶劑產生較高的提取率[6-7]。超聲輔助提取法與其他提取方法相比,具有操作簡單、不需要昂貴的儀器設備、提取時間短、提取效率高、提取安全無毒等優點[8]。石恩慧[9]等利用超聲提取板栗總苞多酚,得率為23.20%;蔣邊[10]等利用超聲提取楊桃多酚,得率為28.5 mg/g;張旭等[11]利用超聲提取核桃青皮渣中多酚,得率為5.520%。查閱相關文獻,沒有發現用超聲輔助提取番石榴葉多酚物質的報道。本文采用響應面法對超聲輔助提取番石榴葉中多酚物質的工藝進行優化,為其更有效地開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干番石榴葉 廣州市清香農產有限公司;沒食子酸標準品、福林酚試劑、無水碳酸鈉、無水乙醇 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

中藥粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;FA2004上皿電子天平 上海精科儀器公;KQ3200DB型數控超聲波清洗器 120 W,昆山市超聲儀器有限公司;RE-52A旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;SHZ-D循環真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;TU-1800紫外可見分光光度計 北京普析通儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 提取方法 將番石榴葉烘干(45 ℃)粉碎,過篩(40～60目)分離,稱取1 g番石榴葉粉置于250 mL錐形瓶中,加入一定量一定濃度的乙醇水溶液,用保鮮膜封口,完全浸潤后,經超聲波處理一定時間后抽真空過濾,將濾液定容到50 mL容量瓶中待測,每組做三次平行實驗。

1.2.2 多酚物質含量的測定 番石榴葉中多酚物質含量的測定方法參照楠極[12]微波輔助提取法中的多酚物質含量的測定方法。計算提取液中多酚物質含量時,參照楠極[4]所作標準曲線回歸方程(Y=0.0008X+0.0184,R2=0.9993)算出濃度,再換算成每克干番石榴葉粉中的多酚物質含量。

1.2.3 單因素實驗 參考相關文獻[13-14],以乙醇濃度50%、料液比1∶30(g/mL)、提取溫度60 ℃、超聲波功率84 W(70%)、提取時間45 min為固定水平,變換各單因素水平進行實驗,考察其對番石榴葉多酚物質含量的影響。各因素水平為乙醇濃度30%、40%、50%、60%、70%、80%,料液比1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 g/mL,提取溫度30、40、50、60、70 ℃,提取時間10、20、30、40、50、60、70 min,超聲波功率48、60、72、84、96、108、120 W。每組實驗重復3次。

1.2.4 Plackett-Burman設計優化提取條件 參照文獻[15-17],依據單因素實驗的結果,利用“Two-Level”即二水平設計篩選主要因素。A為乙醇濃度,B為料液比,C為提取溫度,D為超聲波功率,E為提取時間,1取每個因素里最高含量所對應的水平,-1取每個因素里最低含量所對應的水平,實驗因素水平編碼見表1。

表1 實驗因素及水平編碼

1.2.5 響應面法Box-Behnken設計優化提取條件 參照文獻[15-17],根據設計要求,采用Box-Behnken設計方案,實驗因素水平編碼見表2。

1.3 數據分析

利用SAS(SAS package version 9.0)軟件對數據進行多元回歸擬合。

表2 實驗因素及水平編碼

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 乙醇濃度對多酚物質含量的影響 由圖1可以看出,隨著乙醇濃度的增加番石榴葉提取液中多酚物質的含量先增大后減小,乙醇濃度為50%時出現了最大值,乙醇濃度超過50%時多酚物質的含量顯著下降,在實驗中表現為乙醇濃度低于50%時提取液顏色為黃綠色,當乙醇濃度超過50%時提取液顏色為綠色。這可能是大量的葉綠素被提取出來占據了優勢,影響了多酚物質在乙醇溶液中的最佳溶解濃度[12]。所以乙醇濃度選擇在50%左右為宜。

圖1 乙醇濃度對多酚物質含量的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the content of polyphenol

2.1.2 料液比對多酚物質含量的影響 由圖2可以看出,乙醇用量(料液比)從1∶20到1∶25含量增幅不大,在1∶30時含量增高顯著,之后隨著料液比的增大,多酚物質含量的增加趨勢變得緩慢,基本達到了平穩。所以考慮到提取溶劑量過大,對回收造成困難,另外從節約使用原料的角度,料液比選擇1∶30即可。

圖2 料液比對多酚物質含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the content of polyphenol

2.1.3 提取溫度對多酚物質含量的影響 由圖3可以看出,隨著提取溫度的升高多酚物質的含量先增大后降低。當提取溫度低于40 ℃時,隨著提取溫度的升高,提取液中多酚物質的含量緩慢上升。當提取溫度高于40 ℃時,隨著提取溫度的繼續升高,提取液中多酚物質的含量迅速上升,60 ℃時多酚含量達到最高。隨后,隨著溫度的升高提取液中多酚物質的含量有所下降。這可能是因為隨著溫度的升高,植物組織軟化加快,促進膨脹,增加可溶性物質的溶解度和擴散速度,但是溫度過高時多酚物質發生非酶促氧化聚合或分解反應,導致含量有所下降[18]。因此,提取溫度選擇在60 ℃為宜。

圖3 提取溫度對多酚物質含量的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the content of polyphenol

2.1.4 提取時間對多酚物質含量的影響 由圖4可以看出,隨著提取時間的延長多酚物質含量基本勻速上升,當提取時間為40～50 min時達到最高點,之后伴隨時間的繼續延長稍有下降。這可能是因為隨著提取時間過度的拖延,提取液中的多酚物質會發生氧化、聚合、分解等各種反應,從而使其含量有所下降。因此,提取時間選擇在45 min為宜。

圖4 提取時間對多酚物質含量的影響Fig.4 Effect of extraction time on the content of polyphenol

2.1.5 超聲波功率對多酚物質含量的影響 由圖5可以看出,超聲波功率對多酚物質含量影響并不大,功率從48 W到120 W,多酚物質的含量都持續著緩慢上升的狀態,但不顯著。所以考慮到功率過高增加了其他物質的溶出,對后期的分離純化造成困擾,超聲波功率選擇48 W即可。

圖5 超聲波功率對多酚物質含量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on the content of polyphenol

2.2 Plackett-Burman設計實驗結果與統計分析

按照Placket-Burman設計方案進行實驗,結果見表3。

由表4可知,五個因素對多酚物質含量影響的大小順序為乙醇濃度>提取時間>提取溫度>超聲波功率>料液比。其中,乙醇濃度、提取時間、提取溫度對含量的影響顯著,因此,選擇乙醇濃度、提取時間、提取溫度作為進一步優化的因素做響應面分析,以確定這些因素所對應的最優水平。

表3 Placket-Burman實驗結果

表4 各因素方差分析

2.3 二次響應面設計實驗結果與統計分析

按照Box-Behnken設計方案進行實驗,結果見表5。

表6 方差分析

表5 Box-Behnken實驗結果

得到多元二次回歸模型:

Y1=142.4267+0.86375X1+0.555X2+0.73375X3-1.309583X12-0.085X1X2-0.8925X1X3-4.507083X22-0.355X2X3-1.929583X32

從表6可知:模型的一次項對番石榴葉多酚物質超聲波提取的線性效應均表現顯著;一次項中,X2對番石榴葉多酚物質超聲波提取的曲面效應高度顯著、而X1和X3表現極顯著;二次項均對番石榴葉多酚物質超聲波提取的曲面效應極顯著;交互項X1X3交互效應高度顯著,其他交互項不顯著;表明各影響因素對番石榴葉多酚物質超聲波提取的影響不是簡單的線性關系。此外,還可以看出各因素對番石榴葉多酚物質超聲波提取的影響的大小順序為:X1>X3>X2,即乙醇濃度>提取時間>提取溫度。

2.3.1 交互作用 圖6是對番石榴葉多酚含量影響較大的交互作用的響應面,乙醇濃度與提取時間的交互作用對多酚含量的影響顯著,其他因素交互作用不顯著。由圖6可以看出,當提取溫度處在最佳值60 ℃時,在一定范圍乙醇濃度與提取時間所得到的響應面和等高線圖存在極值,即是響應面的最高點,在此提取條件下,所得多酚物質的含量最高。當提取時間一定時,隨著乙醇濃度的增加,多酚物質含量先增大后減小;當提取乙醇濃度一定時,隨著提取時間的增加,多酚物質含量先增大后減小。同時可以看出,在本實驗水平范圍之內,乙醇濃度和提取時間的曲面坡度均比較陡,說明這兩個因素對多酚提取的影響都比較大。

圖6 乙醇濃度與提取時間對多酚含量的影響的響應面Fig.6 Response surface for ethanol concentration and extraction time on the extraction amount of polyphenol

2.3.2 響應面的典型分析 為了進一步確證最佳點的值,采用SAS軟件對實驗模型進行響應面典型分析,以獲得最大含量時的各提取條件,得番石榴葉多酚物質超聲波提取最優條件為:乙醇濃度51.44%,提取溫度60.27 ℃,提取時間46.78 min,在此條件下,多酚物質的含量理論值為142.61 mg/g。采用上述最優提取條件進行驗證實驗,同時考慮到實際操作的情況,將提取工藝參數修正為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時間47 min,在此條件下提取3次,實際測得的平均多酚物質含量為143.38 mg/g,與理論預測值誤差在10%以內。表明該回歸模型對番石榴葉多酚物質提取進行分析和預測是合適的。

3 結論

采用超聲波輔助提取法,首先由Placket-Burman設計方案確定了對提取效果有顯著影響的三個因素,分別為提取時間、乙醇濃度、提取溫度。接著選擇這三個因素進行響應面分析。三因素所對應的最佳水平為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時間47 min,在此條件下多酚物質含量可達143.38 mg/g。

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Optimization of ultrasonic extraction of polyphenol from guava leaf using response surface methodology

NAN Ji1,LI Yuan-zhi2,*

(1.Vocational and Technical College of Inner Mongolia Agricultural University,Baotou 014109,China; 2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Using guava leaf as raw material,extraction of guava leaf polyphenol by ultrasound-assisted method was studied in this paper. The influence of various factors on the extraction efficiency of polyphenol was discussed. With quadratic response surface design,the optimal extracting conditions for ultrasound-assisted extraction were established:51% alcohol(v/v),the 1∶30(g/mL)of material-solution ratio,60 ℃,60 W ultrasonic power for 47 min. Under these conditions,the content of polyphenol reached 143.38 mg/g.

guava leaf;polyphenol;ultrasound-assisted extraction;response surface methodology

2016-06-17

楠極(1985-)，女，碩士，講師，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：nanji855@qq.com。

*通訊作者:李遠志(1953-)，男，教授，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：liyzh@scau.edu.cn。

廣東省農業攻關科技計劃項目(2012B020401004)。

TS209

B

1002-0306(2016)22-0300-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.050