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甜玉米芯多酚純化工藝研究

2017-04-10 00:37:49林樅雨李鑒昊王佳寧馬永強(qiáng)
農(nóng)產(chǎn)品加工 2017年3期
關(guān)鍵詞:質(zhì)量

林樅雨,王 鑫,李鑒昊,王佳寧,馬永強(qiáng)

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150076;2.哈爾濱桃李食品有限公司,黑龍江哈爾濱 150078)

甜玉米芯多酚純化工藝研究

林樅雨1,王 鑫1,李鑒昊2,王佳寧1,*馬永強(qiáng)1

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150076;2.哈爾濱桃李食品有限公司,黑龍江哈爾濱 150078)

以甜玉米芯為原料,對(duì)多酚純化的工藝條件及其抗氧化活性進(jìn)行研究。對(duì)多酚純化工藝條件進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析,以純化后多酚純度為指標(biāo),采用AB-8型樹(shù)脂確定甜玉米芯多酚純化的最佳工藝條件為pH值7,靜態(tài)吸附5 h,靜態(tài)解析5 h,洗脫體積分?jǐn)?shù)60%,洗脫流速2 mL/min,進(jìn)樣質(zhì)量濃度2.5 mg/mL,進(jìn)樣流速2 mL/min,在此條件下可得純度最佳的多酚純化液。

甜玉米芯;多酚;純化;大孔樹(shù)脂

0 引言

我國(guó)植物資源十分豐富,甜玉米因其獨(dú)特口感備受歡迎。隨著玉米產(chǎn)品消費(fèi)越來(lái)越高檔化,國(guó)內(nèi)玉米的研究主要集中于可以食用的籽粒上,對(duì)于甜玉米芯營(yíng)養(yǎng)成分的提取純化和利用方面的研究卻很少[1],每年數(shù)萬(wàn)噸的玉米芯被焚燒,造成浪費(fèi)資源的同時(shí)又污染環(huán)境[2]。因此,利用玉米芯提取多酚,可以成為農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展的新方向。玉米芯深加工試驗(yàn)大大提高了玉米副產(chǎn)品的利用價(jià)值,具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和廣闊發(fā)展前景[3]。

研究發(fā)現(xiàn),植物多酚在化學(xué)、生物和制藥等方面有活性作用。植物多酚結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性,因此有多種分類(lèi)方法,從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看,植物單寧可分為水解單寧和縮合單寧兩大類(lèi),兩類(lèi)單寧的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)截然不同,因此化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用范圍差別較大[4]。植物多酚作為許多植物中很主要的功能性成分,已成為天然產(chǎn)物研究的熱點(diǎn)[5]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜玉米芯(產(chǎn)地綏化),市售;D101,D4020,AB-8,S-8,NKA-9型大孔樹(shù)脂;無(wú)水乙醇、鹽酸、碳酸鈉、沒(méi)食子酸、福林酚試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

R209型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海申勝生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品;SHB-IV型雙A循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司產(chǎn)品;722型紫外分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司產(chǎn)品;KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品;TG16-WS型離心機(jī),上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋,天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品;SHZ-8型水浴恒溫振蕩器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品;LabV1型恒流泵,保定申辰泵業(yè)有限公司產(chǎn)品;ALC-210.2型電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 甜玉米芯多酚提取純化工藝研究

1.3.1 甜玉米芯多酚提取

取5份預(yù)處理后的甜玉米芯10 g于500 mL的燒杯中,以1∶25的料液比加入體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇,用保鮮膜蓋嚴(yán),放置于功率為250 W的超聲振蕩器中超聲處理60 min,將超聲處理后的樣液放置于50℃的水浴鍋中分別浸提2 h。水浴完畢后,以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min。離心后的樣液經(jīng)過(guò)抽濾獲得澄清液體。澄清液體經(jīng)旋蒸后定容至500 mL,作為粗提液待用。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[6]

采用福林酚法,以沒(méi)食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品,測(cè)定甜玉米芯中多酚成分的含量。準(zhǔn)確稱取50.00 mg沒(méi)食子酸,先加入少量蒸餾水待沒(méi)食子酸溶解后,加蒸餾水定容至500 mL,混勻后得質(zhì)量濃度為100 μg/mL的沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。量取標(biāo)準(zhǔn)液0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30 mL,并置于10 mL比色管中,加蒸餾水定容至2 mL,搖勻后加1.0 mL福林酚試劑,4 min后加入10%碳酸鈉溶液1.0 mL,于25℃水浴條件下靜置2 h,測(cè)定溶液于波長(zhǎng)765 nm處的吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo)、沒(méi)食子酸含量(μg) 為橫坐標(biāo),得線性回歸方程。

1.3.3 大孔樹(shù)脂的預(yù)處理[7]

將AB-8,S-8,D101,D4020,NKA-9型等5種類(lèi)型樹(shù)脂用95%的乙醇溶液浸泡24 h,去除樹(shù)脂表面吸附的雜質(zhì)。倒掉乙醇溶液,先用蒸餾水一直沖洗大孔樹(shù)脂達(dá)到中性,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸浸泡樹(shù)脂12 h,然后再用蒸餾水沖洗直至中性,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液,浸泡12 h后再用蒸餾水洗至中性并浸泡備用。

1.3.4 大孔樹(shù)脂的靜態(tài)吸附與解析

在大孔樹(shù)脂預(yù)處理結(jié)束后,用濾紙吸干樹(shù)脂表面存在的水分,準(zhǔn)確稱取2.0 g不同種類(lèi)的樹(shù)脂分別置于50 mL離心管中,加入30 mL質(zhì)量濃度為2.5 mg/mL的甜玉米芯多酚粗提液,置于水浴恒溫振蕩器中,以轉(zhuǎn)速120 r/min振蕩8 h,每隔1 h測(cè)定多酚含量,并按式(1)和(2)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)。

式中:C0——樹(shù)脂吸附前多酚質(zhì)量濃度,mg/mL;

C1——樹(shù)脂吸附后多酚質(zhì)量濃度,mg/mL;

V——多酚粗提液體積,mL;

M——樹(shù)脂質(zhì)量,g。

樹(shù)脂在靜態(tài)吸附結(jié)束后抽濾,用蒸餾水充分沖洗此時(shí)的樹(shù)脂,去除其他吸附物,用濾紙把樹(shù)脂吸干,放入50 mL離心管中,加入30 mL體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液,在水浴恒溫振蕩器中振蕩5 h,每隔1 h測(cè)定多酚含量,根據(jù)解析量隨時(shí)間變化的關(guān)系繪制出樹(shù)脂的解析曲線,相關(guān)指標(biāo)按照式(3)和(4)計(jì)算。

式中:C2——乙醇解析后多酚質(zhì)量濃度,mg/mL;

V'——乙醇解析后多酚的溶液體積,mL。

M,C0,C1,V含義同前公式。

通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),計(jì)算出各種樹(shù)脂對(duì)多酚的吸附率、解析率及吸附解析平衡時(shí)間,對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)分析,選出純化效果最佳的樹(shù)脂。

1.3.5 大孔樹(shù)脂的動(dòng)態(tài)吸附與解析

將預(yù)處理后的大孔樹(shù)脂裝入玻璃層析柱中,預(yù)先在柱子底端加一層薄薄的棉花,加一定體積的蒸餾水,在層析柱口用玻璃棒引流,緩慢加入處理后的樹(shù)脂到預(yù)定的徑長(zhǎng)比處。打開(kāi)旋轉(zhuǎn)塞排水至水層與樹(shù)脂高度一致時(shí),沿著玻璃棒緩慢加入多酚粗提液,等到高度與樹(shù)脂平齊時(shí)關(guān)閉旋塞,動(dòng)態(tài)吸附6 h。吸附結(jié)束后用2倍柱體積的蒸餾水沖洗,去除雜質(zhì)后用2倍柱體積的乙醇溶液上柱,將多酚物質(zhì)解析出來(lái),收集后進(jìn)行旋蒸和定容,測(cè)定解析液中多酚濃度。

1.3.6 甜玉米芯多酚純化工藝的單因素試驗(yàn)

(1)pH值對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝的影響。在大孔樹(shù)脂預(yù)處理結(jié)束后,用濾紙吸干樹(shù)脂表面存在的水分,準(zhǔn)確稱取2.0 g的AB-8型樹(shù)脂置于小型離心管中,用蒸餾水把多酚粗提液的質(zhì)量濃度稀釋成2.5 mg/mL,用0.1 mol/L的檸檬酸與碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)多酚粗提液的pH值,使其分別達(dá)到3,5,7,9,11,同時(shí)用沒(méi)有調(diào)節(jié)pH值的樣液作為對(duì)照組。取30 mL粗提液于離心管中,置于水浴恒溫振蕩器中,在恒定轉(zhuǎn)速下振蕩8 h,測(cè)定多酚含量,計(jì)算吸附量。

(2)進(jìn)樣質(zhì)量濃度對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝的影響。以1∶15的徑長(zhǎng)比按照濕法裝柱法裝填樹(shù)脂,用蒸餾水把多酚粗提液的質(zhì)量濃度分別稀釋成1.5,2.0,2.5,3.0,3.5 mg/mL,吸取40 mL不同質(zhì)量濃度樣液進(jìn)行上樣的操作,吸附3 h后用2倍柱體積的蒸餾水清洗除雜,旋動(dòng)旋塞并調(diào)節(jié)樣液的流速至4 mL/min,用體積分?jǐn)?shù)60%的乙醇溶液解析樹(shù)脂上的多酚物質(zhì)。旋蒸后定容,測(cè)定洗脫液吸光度,計(jì)算吸附量。

(3)進(jìn)樣流速對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝的影響。以1∶15的徑長(zhǎng)比按照濕法裝柱法裝填樹(shù)脂,用蒸餾水把多酚粗提液的質(zhì)量濃度稀釋成2.5 mg/mL,吸取40 mL的該樣液經(jīng)恒流泵通過(guò)樹(shù)脂,分別以1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mL/min的速度進(jìn)行上樣操作,吸附3 h后用2倍柱體積的蒸餾水清洗除雜,旋動(dòng)旋塞并調(diào)節(jié)樣液的流速至4 mL/min,用體積分?jǐn)?shù)60%的乙醇溶液解析樹(shù)脂上的多酚物質(zhì)。旋蒸定容后測(cè)定洗脫液吸光度,計(jì)算吸附量。

(4)洗脫體積分?jǐn)?shù)對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝的影響。以1∶15的徑長(zhǎng)比按照濕法裝柱法裝填樹(shù)脂,用蒸餾水把多酚粗提液的質(zhì)量濃度稀釋成2.5 mg/mL,吸取40 mL的該樣液進(jìn)行上樣操作,吸附3 h后用2倍柱體積的蒸餾水清洗去除雜質(zhì),旋動(dòng)旋塞并調(diào)節(jié)樣液的流速至4 mL/min,分別用體積分?jǐn)?shù)為30%,40%,50%,60%,70%的乙醇溶液解析樹(shù)脂上的多酚物質(zhì)。旋蒸后定容測(cè)定洗脫液吸光度,計(jì)算出相應(yīng)的多酚質(zhì)量濃度。

(5)洗脫流速對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝的影響。以1∶15的徑長(zhǎng)比按照濕法裝柱法裝填樹(shù)脂,用蒸餾水把多酚粗提液的質(zhì)量濃度稀釋成2.5 mg/mL,吸取40 mL的該樣液進(jìn)行上樣的操作,吸附3 h后用2倍柱體積的蒸餾水清洗除雜,旋動(dòng)旋塞并使樣液的流速分別至2,3,4,5,6 mL/min,用體積分?jǐn)?shù)60%的乙醇溶液解析樹(shù)脂上的多酚物質(zhì)。旋蒸后定容測(cè)定洗脫液吸光度,計(jì)算出相應(yīng)的多酚質(zhì)量濃度。

1.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)5個(gè)單因素試驗(yàn),選擇進(jìn)樣質(zhì)量濃度、進(jìn)樣流速、洗脫體積分?jǐn)?shù)和洗脫流速4個(gè)因素,設(shè)立3個(gè)水平,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L9(34)對(duì)甜玉米芯多酚的純化進(jìn)行優(yōu)化。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

如圖1繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,在沒(méi)食子酸含量為0~35 μg時(shí)呈線性關(guān)系。此標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程為Y=0.022 1X+0.009 6,相關(guān)系數(shù) R2=0.998 9。證明該曲線線性關(guān)系良好,可用于計(jì)算甜玉米芯多酚的含量。

2.2 大孔樹(shù)脂的靜態(tài)吸附特性

吸附率隨吸附時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 吸附率隨吸附時(shí)間變化曲線

由圖2可知,伴隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng),多酚的吸附量總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),而且AB-8與D101型樹(shù)脂的多酚吸附率高于D4020,S-8,NKA-9型等3種樹(shù)脂。AB-8型樹(shù)脂在8 h時(shí)達(dá)到了最大的吸附率,其值為71.20%;但是5,6,7,8 h的多酚吸附率差異不大,從生產(chǎn)實(shí)際方面考慮,選取5 h為AB-8型樹(shù)脂的最佳吸附時(shí)間。D101型樹(shù)脂在8 h時(shí)吸附率達(dá)到了最大吸附率,其值為55.82%;5 h之后樹(shù)脂的吸附率變化不顯著,所以選取5 h為最佳吸附時(shí)間。同理,NKA-9,D402,S-8型大孔樹(shù)脂最佳吸附時(shí)間均為5 h。

2.3 大孔樹(shù)脂的靜態(tài)解析特性

解析率隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 解析率隨時(shí)間變化曲線

隨著解析時(shí)間延長(zhǎng),解析率也逐漸增大,8 h時(shí)解析率達(dá)到最大值;但5,6,7,8 h解析率差距不大,考慮到節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間的問(wèn)題,選擇5 h為最佳解析時(shí)間。由圖3可知,AB-8型大孔樹(shù)脂解析率明顯高于其他幾種樹(shù)脂,故選用AB-8型大孔樹(shù)脂進(jìn)行多酚純化研究。

2.4 大孔樹(shù)脂的靜態(tài)吸附解析單因素試驗(yàn)

2.4.1 pH值對(duì)甜玉米芯多酚純化的影響

吸附量隨pH值變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知,甜玉米芯多酚在酸性條件下比較穩(wěn)定,pH值對(duì)多酚吸附量的影響不是很大。當(dāng)環(huán)境變堿性時(shí),純度隨pH值增大而減小。多酚類(lèi)含有多個(gè)羥基,水溶液中呈酸性,堿性條件下,氫離子會(huì)結(jié)合氫氧根,從而破壞多酚結(jié)構(gòu),降低了吸附量,沒(méi)有調(diào)節(jié)pH值的粗提液純化效果較好,所以粗提液的pH值不需要調(diào)節(jié)。

2.4.2 進(jìn)樣質(zhì)量濃度對(duì)甜玉米芯多酚純化工藝效果的影響

吸附量隨進(jìn)樣質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖5。

圖4 吸附量隨pH值變化曲線

圖5 吸附量隨進(jìn)樣質(zhì)量濃度變化曲線

比較低的進(jìn)樣質(zhì)量濃度對(duì)于樹(shù)脂對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的吸附很有利。但是,樹(shù)脂基礎(chǔ)濃度過(guò)低的多酚溶液,會(huì)造成接觸面積變小,降低樹(shù)脂與溶液接觸面積,也就降低了二者的接觸機(jī)會(huì),吸附效果不好。由圖5可知,多酚的吸附量在2.5 mg/mL的粗提物質(zhì)量濃度處達(dá)到了最大值。進(jìn)樣質(zhì)量濃度超過(guò)2.5 mg/mL時(shí),吸附量變化并不明顯,所以最佳進(jìn)樣質(zhì)量濃度確定為2.5 mg/mL。

2.4.3 進(jìn)樣流速對(duì)甜玉米芯多酚純度的影響

吸附量隨進(jìn)樣流速變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 吸附量隨進(jìn)樣流速變化曲線

由圖6可知,進(jìn)樣流速越慢,吸附量越大,其中以流速為1 mL/min最佳。流速過(guò)快,樹(shù)脂尚未吸附完全,多酚類(lèi)物質(zhì)即流出,而緩慢流速則利于樣液中多酚在樹(shù)脂中充分?jǐn)U散和吸附,進(jìn)樣流速為1 mL/min和2 mL/min時(shí)的吸附量差距不大,考慮到節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間,故選擇進(jìn)樣流速為2 mL/min。

2.4.4 洗脫體積分?jǐn)?shù)對(duì)甜玉米芯多酚純度的影響

多酚質(zhì)量濃度隨洗脫體積分?jǐn)?shù)變化曲線見(jiàn)圖7。

圖7 多酚質(zhì)量濃度隨洗脫體積分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖7可知,多酚質(zhì)量濃度曲線伴隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加,呈現(xiàn)出先上升后平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí),多酚質(zhì)量濃度最大。洗脫劑極性影響了各種物質(zhì)的溶解性,高體積分?jǐn)?shù)的乙醇在增加酚類(lèi)物質(zhì)析出的同時(shí),也會(huì)溶解更多的非酚類(lèi)有機(jī)物質(zhì),因此可能會(huì)影響多酚的純度。為了保持多酚高質(zhì)量濃度,選擇最佳洗脫體積分?jǐn)?shù)為60%。

2.4.5 洗脫流速對(duì)甜玉米芯多酚純度的影響

多酚質(zhì)量濃度隨洗脫流速變化曲線見(jiàn)圖8。

圖8 多酚質(zhì)量濃度隨洗脫流速變化曲線

洗脫流速太快會(huì)延長(zhǎng)解析時(shí)間,產(chǎn)生嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象;而過(guò)低的洗脫流速會(huì)延長(zhǎng)實(shí)際生產(chǎn)周期。圖8反映出了樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附解析多酚特性隨洗脫流速變化的影響情況,洗脫流速加快,多酚質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先下降的趨勢(shì)。洗脫流速在2 mL/min時(shí)達(dá)到最大值,故選擇2 mL/min作為甜玉米芯多酚純化工藝的最佳洗脫流速。

2.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化純化條件

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知,通過(guò)分析各因素對(duì)多酚純化條件影響程度從小到大依次為進(jìn)樣流速、洗脫體積分?jǐn)?shù)、洗脫流速、進(jìn)樣質(zhì)量濃度。最優(yōu)方案為A1B2C2D2,即進(jìn)樣質(zhì)量濃度2.5 mg/mL,進(jìn)樣流速2 mL/min,洗脫體積分?jǐn)?shù)60%,洗脫流速2 mL/min,此時(shí)多酚純度為74.02%。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3 結(jié)論

(1)以甜玉米芯為原料,采用大孔樹(shù)脂層析法對(duì)多酚粗提液進(jìn)行純化,以吸附量和解析率為指標(biāo)篩選得到最佳樹(shù)脂型號(hào)為AB-8。

(2)通過(guò)靜態(tài)吸附和解析試驗(yàn),確定最佳時(shí)間均為5 h。

(3)利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定最佳純化工藝為pH值7,進(jìn)樣質(zhì)量濃度2.5 mg/mL,進(jìn)樣流速2 mL/min,洗脫體積分?jǐn)?shù)60%,洗脫流速2 mL/min;此時(shí)多酚純化效果最好,純度為74.02%。

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The Research of the Polyphenol in Sweet Corn Cob Purification Technology

LIN Congyu1,WANG Xin1,LI Jianhao2,WANG Jianing1,*MA Yongqiang1
(1.Key Laboratory for Food Science and Engineering in Heilongjiang College and University,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin,Heilongjiang 150076,China;2.Harbin Peach Food Co.,Ltd.,Harbin,Heilongjiang 150078,China)

This experienment uses sweet corn cobs as raw material to study the best conditions of polyphenols and antioxidant activity.In purified polyphenols recovery,use purity of indicators and know that the sweet corn cob polyphenol purification optimum conditions are pH 7,adsorption time of 5 hours,5 hours to desorption and the elution concentration 2.5 mg/mL,elution flow rate 2 mL/min,elution volume fraction of 60%,resin type of AB-8.

sweet corn cobs;polyphenols;purified;macroporous resin

TS914.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646(X).2017.02.014

1671-9646(2017)02a-0043-05

2016-11-09

林樅雨(1991— ),男,在讀碩士,研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

*通訊作者:馬永強(qiáng)(1963— ),男,碩士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)品。

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民生周刊(2014年7期)2014-03-28 01:30:54
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