微波輔助提取小米中多酚類活性物質(zhì)的研究

王若蘭,田志琴,李東嶺,孔祥剛,游 慧,張立國

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

微波輔助提取小米中多酚類活性物質(zhì)的研究

王若蘭,田志琴,李東嶺,孔祥剛,游 慧,張立國

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

以晉谷 9號小米作為原料,采用微波輔助提取技術(shù),研究了乙醇體積分數(shù)、微波作用時間、微波功率、料液比及提取次數(shù)對小米多酚得率的影響,并進行了響應(yīng)面設(shè)計.獲得單因素最佳條件為:乙醇體積分數(shù) 70%,微波萃取時間 90 s,微波功率 440 W,料液比 1︰12,萃取次數(shù)為2次;響應(yīng)面試驗的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分數(shù) 66%,微波時間 120 s,微波功率 414 W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取得率為 105.38 mg/100 g.

小米;多酚;微波提取;響應(yīng)面分析

0 前言

小米 (Setaria italica),中國古稱稷或粟,亦稱作粱.脫殼制成的糧食,因其粒小,直徑 2 mm左右,故名.原產(chǎn)于中國北方黃河流域,是我國北方地區(qū)的主要糧食作物之一,小米營養(yǎng)豐富、易消化吸收,是中華民族傳統(tǒng)的食物.目前其栽植面積有140萬 hm2,年產(chǎn)量 270萬～450萬 t.無論從營養(yǎng)膳食的角度,還是從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的角度來看,小米資源的開發(fā)利用都具有非常重要的意義[1].

近年來,多酚類物質(zhì)成為了國內(nèi)外食品學(xué)科的研究熱點之一,大量研究表明,多酚類物質(zhì)在抗氧化、清除自由基、殺菌、抑菌、抗癌、抗衰老、降血糖、降血脂、預(yù)防心血管疾病等方面具有獨特的生理功效[2-5].Sanaa Ragaee等[6]比較了大麥、珍珠小米、黑麥、高粱的總酚含量,得出小米中的總酚含量為 (1 387±13.3)μg/g.而我國現(xiàn)有文獻報道對小米多酚的提取得率只有 30 mg/100 g[7].另外,小米中的多酚含量與其品種有關(guān)[8],因此筆者以中國小米產(chǎn)量最大的山西品種晉谷 9號作為原料,采用一種新型、高效的提取方法——微波輔助提取來探求小米多酚提取的最佳工藝,以期提高小米多酚得率._

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小米:產(chǎn)地山西,品種為晉谷 9號;小米籽粒經(jīng)篩選除去雜質(zhì)后粉碎過 80目篩,脫脂后待用.

沒食子酸標準品:GeneralMaterial公司;Foin-Ciocalteu顯色劑:自制;無水乙醇、石油醚、碳酸鈉均為國產(chǎn)分析純;

752N紫外可見分光光度計:上海菁華科技儀器有限公司;M700美的微波爐:廣東美的微波爐制造有限公司;JXFM110型錘式旋風(fēng)磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;GL—20GⅡ型高速冷凍離心機:上海安亭科學(xué)儀器廠.

1.2 方法

1.2.1 多酚類物質(zhì)的提取

精確稱取一定質(zhì)量處理好的小米粉放入錐形瓶中,加入一定量不同體積分數(shù)的無水乙醇浸提液后搖勻,在一定的微波功率下浸提一定時間,將粗提液離心過濾后定容得到待測提取液.

1.2.2 小米中多酚類物質(zhì)的測定

以 Foin-Ciocalteu法[9-10]測定總酚含量,以沒食子酸作為標準物.

1.2.2.1 Foin-Ciocalteu顯色劑的配置[11]

稱取 50.0 g鎢酸鈉和 12.5 g鉬酸鈉,用 350 mL蒸餾水溶于 1 000 mL回流瓶中,加入 25 mL磷酸和 50 mL濃鹽酸,充分混勻,微沸回流 10 h;再加入 75.0 g硫酸鋰,25 mL蒸餾水和數(shù)滴溴水,然后開口繼續(xù)煮沸 15 min,使得溴水完全揮發(fā)為止;冷卻后定容至 500 mL,過濾,濾液呈黃綠色,置于棕色試劑瓶中保存?zhèn)溆?此液在冰箱中可長期保存,使用時加入 1倍體積的蒸餾水稀釋即可.

1.2.2.2 總酚標準曲線繪制

精確稱取沒食子酸標準品 25 mg,用水溶解并定容到 250 mL,得 0.1 mg/mL的對照品標準溶液.精確吸取對照樣品溶液 0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.5 mL于 10 mL容量瓶中,再加入 1 mLFolin-Ciocalteau試劑,搖勻后加入 2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室溫下反應(yīng) 2 h后測定A760,繪制標準曲線.得回歸方程為 y=0.068 7x-0.000 4.見圖 1,其中 y為沒食子酸含量 (mg),x為吸光度,R2=0.999 0,具有良好的線性關(guān)系.

圖1 沒食子酸標準曲線

1.2.2.3 提取液中總多酚含量的測定

移取待測提取液 1 mL于 10 mL容量瓶中,依次加入 1 mL Folin-Ciocalteu顯色劑,搖勻后加入2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室溫下反應(yīng)2 h后,于 760 nm處測定吸光值,根據(jù)標準曲線計算總多酚的沒食子酸當量,總酚含量以每 100 g小米粉的沒食子酸當量 (mg)表示.

1.2.3 單因素試驗

通過單因素試驗研究乙醇體積分數(shù)、微波萃取時間、微波功率、料液比 (質(zhì)量體積比,g/mL,下同)及提取次數(shù)對小米多酚提取得率的影響,確定出最佳工藝參數(shù)范圍.

1.2.4 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以乙醇體積分數(shù)、微波萃取時間、微波功率、料液比為試驗因素,根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗設(shè)計原理,利用Design-Exper7.0軟件進行 4因素 3水平試驗確定最佳工藝參數(shù),響應(yīng)面因素與水平見表1.

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 乙醇體積分數(shù)對提取率的影響

精確稱取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,分別加入水,體積分數(shù)為 20%、40%、60%、80%、100%的乙醇溶液各 50 mL,在 440 W微波功率條件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后進行總多酚含量的測定,結(jié)果見圖 2.

圖2 乙醇體積分數(shù)對提取率的影響

由圖 2可知,其他條件一定時,隨著乙醇體積分數(shù)的升高,小米粉中總多酚類物質(zhì)的提取率先升高,當乙醇體積分數(shù)超過 70%后,總多酚類物質(zhì)的提取率呈下降趨勢.這是由于多酚類物質(zhì)在植物體內(nèi)通常與蛋白質(zhì)、多糖等以氫鍵和疏水鍵形式結(jié)合,因此提取溶劑除必須是多酚類物質(zhì)的良好溶劑外,還必須具有斷裂氫鍵的作用,水和有機溶劑的復(fù)合體系最適合多酚類物質(zhì)的提取,最常用的是丙酮、甲醇和乙醇與水的復(fù)合體系.本研究結(jié)合前期預(yù)試驗結(jié)果,考慮到對環(huán)境友好因素、產(chǎn)品中有害物的殘留和節(jié)約成本,采用乙醇 -水復(fù)合體系作為提取溶劑,其中乙醇的體積分數(shù)應(yīng)在 70%以下.

2.1.2 微波萃取時間對提取率的影響

“動機是一切活動的原動力”，它是推動學(xué)生自主管理活動的主觀因素，是進行自主管理的前提，在一定意義上講，自主管理動機制約著自主管理的方向、態(tài)度，影響著自主管理的方法和成果。自我管理的直接動力來源于小學(xué)生自我服務(wù)，行為自律的需要。真正的自我服務(wù)、自我管理是兒童發(fā)自內(nèi)心的行動，具有明確的目的性和計劃性。因此，引導(dǎo)自我管理首先要強化自我管理的意識。

精確稱取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分數(shù)為 70%的乙醇 50 mL,在440 W微波功率條件下分別萃取 (萃取 2次)30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s,然后進行總多酚含量的測定,結(jié)果見圖 3.

圖3 微波萃取時間對提取率的影響

由圖 3可知,其他條件一定時,小米粉中總多酚類物質(zhì)的提取率在 90 s內(nèi)隨著萃取時間的延長而升高,90 s后總多酚類物質(zhì)的提取率略有下降.這可能是微波萃取時間越長,較高的溫度會導(dǎo)致小米粉中多酚受熱分解,結(jié)構(gòu)遭到破壞.因此,萃取時間控制在 90 s.

2.1.3 微波功率對提取率的影響

精確稱取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分數(shù)為 70%的乙醇 50 mL,分別在 136 W、264 W、440 W、616 W、800 W的微波功率下萃取 90 s(萃取 2次),然后進行總多酚含量的測定,結(jié)果見圖 4.

圖4 功率對提取率的影響

由圖 4可知,其他條件一定時,隨著微波功率的升高,小米粉中總多酚類物質(zhì)的提取率先升高,當微波功率超過 440 W后,總多酚類物質(zhì)的提取率呈下降趨勢,因為微波功率過高,會導(dǎo)致熱量的大量聚集,這一方面會導(dǎo)致小米粉中的多酚受熱分解,結(jié)構(gòu)遭到破壞;另一方面過高的溫度致使乙醇揮發(fā),乙醇體積分數(shù)降低,從而降低多酚的提取效果.所以本試驗微波處理功率取 440 W為最佳.

2.1.4 提取次數(shù)對提取率的影響

精確稱取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分數(shù)為 70%的乙醇 60 mL,在440 W微波功率條件下分別進行 1次萃取、2次萃取、3次萃取,每次 90 s,然后進行總多酚含量的測定,結(jié)果見圖 5.

圖5 提取次數(shù)對提取率的影響

2.1.5 料液比對提取率的影響

精確稱取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,分別加入體積分數(shù)為 70%的乙醇 30 mL、40 mL、50 mL、60 mL、70 mL,在 440 W 微波功率條件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后進行總多酚含量的測定,結(jié)果見圖 6.

圖6 料液比對提取率的影響

由圖 6可知,其他條件一定時,小米粉中總多酚類物質(zhì)的提取率隨料液比的增大而增大,但超過 1︰12后,提取率趨于穩(wěn)定.因為過低的料液比不利于小米粉中總酚的完全溶出,而過高的料液比增加了溶劑的使用量.故料液比選用 1︰12.

2.2 小米粉中多酚類物質(zhì)提取最佳工藝條件的確定

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計和試驗結(jié)果

試驗以小米粉中多酚類物質(zhì)的提取率為響應(yīng)值,據(jù)此采用 Design-Expert7.0軟件安排試驗,見表2.

2.2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果方差分析

運用Design Expert7.0軟件對 29個試驗點的響應(yīng)值進行回歸分析,擬合后得到關(guān)于乙醇體積分數(shù)、微波處理時間、微波功率及料液比的二次多項式回歸模型為:多酚得率 (Y)=99.61-3.29A+3.93B+2.88C+5.29D-5.33AB+1.28AC-2.14AD-4.39BC-2.22BD-1.64CD-11.36A2-0.53B2-7.92C2-9.19D2.

對此模型進行方差分析 (見表3),結(jié)果表明,該模型極顯著 (P＜0.000 1),其決定系數(shù) R2=0.938 7,說明該模型能解釋 93.87%響應(yīng)值的變化,因而該模型擬合程度良好4,表明該響應(yīng)面方程不需做進一步的優(yōu)化,該模型可用于預(yù)測;“Adeq Precision”(信噪比 )值為 11.497,該值高亦表明該模型可用于預(yù)測.因此,此模型可很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系.

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

在此回歸模型中,因素 D、A2、C2、D2對小米多酚的提取率影響極顯著,因素 A、B、C、AB、BC對小米多酚的提取率影響顯著.因素 AC、AD、BD、CD、B2對響應(yīng)值的影響不顯著.同時各因素的均方值可以反映出各個因素對試驗指標的重要性,均方值越大,表明對試驗指標的影響越大.從表3可知影響小米多酚提取得率的 4個因素順序是:D ＞B ＞A ＞C.

2.2.3 響應(yīng)面試驗中各個因素之間的交互作用分析

圖 7～圖 12為某兩個因素對小米多酚提取率的交互影響.

由圖 7可知,當固定微波功率 440 W,料液比1︰12,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,小米多酚提取率先增大后減少;隨著微波萃取時間的增加,多酚得率逐漸增大;兩因素間有顯著的交互效應(yīng).

表3 回歸模型方差分析

從圖 8可以看出,當固定微波萃取時間 90 s,微波功率 440 W,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,小米多酚提取得率先增大后減少;隨著料液比的增加,小米多酚得率先增大后趨于穩(wěn)定.

從圖 9可以看出,當固定微波萃取時間 90 s,料液比 1︰12,隨著乙醇體積分數(shù)的增大,小米多酚提取率先增大后減少;隨著微波功率的增加,小米多酚得率也呈先增大后下降的趨勢.

圖9 乙醇體積分數(shù)和微波功率對多酚得率的影響

圖 10為微波萃取時間和微波功率對多酚含量的影響,結(jié)果表明當固定乙醇體積分數(shù) 70%,料液比 1︰12時,隨著微波萃取時間的增大,小米多酚得率逐漸增大;隨著微波功率的增加,小米多酚得率先增大后減少.

圖10 微波萃取時間和微波功率對多酚得率的影響

由圖 11可知,當固定乙醇體積分數(shù) 70%,微波功率 440 W,隨著微波萃取時間的增加,小米多酚提取率逐漸增加,這說明時間越長越有利于小米多酚類物質(zhì)的充分溶出,因此適當延長微波萃取時間有利于提高小米多酚的得率;隨著料液比的增加,小米多酚的提取率先升高后趨于穩(wěn)定.

圖11 微波萃取時間和料液比對多酚得率的影響

圖 12為微波功率和料液比的交互作用對小米多酚提取得率的影響,當固定乙醇體積分數(shù)70%,微波萃取時間 90 s,小米多酚得率隨著微波功率的增加先增大后減小,隨著料液比的增加先增大后趨于穩(wěn)定.

圖12 微波功率和料液比對多酚得率的影響

2.2.4 最佳提取條件的確定和試驗驗證

從響應(yīng)面分析可以得到從小米粉中提取多酚類物質(zhì)的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分數(shù)65.91%,微波時間 120 s,微波功率 413.3 W,料液比 1︰12.46,在此工藝條件下得到小米多酚提取率為 105.46 mg/100g.

為檢驗該法的可靠性,考慮到實際操作的便利,將最佳工藝參數(shù)修正為:乙醇體積分數(shù) 66%,微波時間 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取得率為 105.38 mg/100 g,接近最佳提取率.

3 結(jié)論

通過單因素試驗和響應(yīng)面法優(yōu)化試驗,進行微波輔助提取小米多酚類物質(zhì)的研究.獲得單因素最佳條件為:乙醇體積分數(shù) 70%、微波萃取時間 90s、微波功率 440 W、料液比 1︰12、萃取次數(shù)為 2次;響應(yīng)面試驗的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分數(shù) 66%,微波時間 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取率為105.38 mg/100 g.

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STUDY ON M ICROWAVE EXTRACTION OF B IOACTIVE POLYPHENOL COMPOUND FROM FOXTA IL M ILLET

WANG Ruo-lan,TIAN Zhi-qin,L IDong-ling,KONG Xiang-gang,YOU Hui,ZHANG Li-guo
(School of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper studied the effects of the ethanol volume fraction,the microwave time,the microwave power,the solid-liquid ratio and the extraction times on the yield of polyphenol in foxtailmillet(jingu No.9)by using microwave-assisted extraction technique,and conducted the response surface analysis.According to the single factor tests,the optimal conditionswere as follows:ethanol volume fraction 70%,microwave ti me 90 seconds,microwave power 440W,solid-liquid ratio 1︰12,and extraction t wice.According to the response surface analysis,the optimal conditions were as follows:ethanol volume fraction 66%,microwave ti me 120 seconds,microwave power 414W,and solid-liquid ratio 1︰12,and the yield of polyphenol from foxtailmillet was 105.38 mg/100 g under the conditions.

foxtailmillet;polyphenol;microwave extraction;response surface analysis

TS201.2

B

1673-2383(2010)06-0015-06

2010-09-25

王若蘭 (1960-),女,河南開封人,教授,研究方向為糧食儲藏技術(shù)及品質(zhì)控制.