甘薯廢棄物中多酚物質(zhì)的提取及抗氧化活性

張寬朝, 李冬磊

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽合肥 230036)

甘薯廢棄物中多酚物質(zhì)的提取及抗氧化活性

張寬朝, 李冬磊

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽合肥 230036)

植物源多酚類化合物具有廣泛的生理活性。采用傳統(tǒng)生物化學(xué)方法對存在于甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚物質(zhì)進行提取分離,并探索其相關(guān)用途,以提高甘薯的資源利用率。在設(shè)計溶劑對比試驗基礎(chǔ)上,對溶劑體積分數(shù)、提取溫度、時間、料液質(zhì)量體積比4個單因素進行正交試驗,然后采用酒石酸亞鐵分光光度法測定了總酚含量。結(jié)果表明,甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚物質(zhì)提取的適宜工藝條件為乙醇體積分數(shù)55%,溫度50℃,時間70 min,料液質(zhì)量體積比1 g∶20 mL,該類甘薯渣多酚粗提液具有對 H2O2的清除能力及還原能力,為一類有開發(fā)價值的天然抗氧化劑。

甘薯;廢棄物;多酚類物質(zhì);抗氧化性

甘薯(Ipomoea batatasLam.),俗稱番薯、地瓜、紅芋、白薯、紅苕等,因地區(qū)不同而有不同的名稱,在我國栽培較廣,主要產(chǎn)區(qū)有華東、東北、華北、西南等地[1-2]?！侗静菥V目》、《本草綱目拾遺》等古代文獻記載,紅薯有“煮食補脾胃,益氣力,御風(fēng)寒,益顏色”等作用,除具有多種食療保健及藥用價值外,還有“補虛乏,益氣力,健脾胃,強腎陽”的功效,使人“長壽少疾”[1-2]。但長期以來,僅限于從甘薯塊根中直接提取淀粉,我國甘薯的深加工產(chǎn)品較少,產(chǎn)品附加值較低。甘薯淀粉的生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大量甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物和廢液,不僅浪費資源,也污染環(huán)境[3]。

植物中多酚類化合物是植物體內(nèi)最重要的次生代謝產(chǎn)物,是一類具有多個酚羥基化合物的總稱,因具有廣泛的生理活性(如抗氧化及抗自由基、抑菌、抗病毒、抗衰老、預(yù)防心腦血管疾病、抗癌、促進腸胃消化、降血糖、降低血脂肪、增加身體抵抗力等)而逐漸成為當(dāng)前人們研究的熱點與重點[4-5]。

作者以安徽省舒城縣等地甘薯加工廠的大量加工后固形廢棄物為材料,采用生物和化學(xué)方法,對其中多酚類物質(zhì)進行提取,探索開發(fā)途徑,以促進甘薯中活性成分的開發(fā),為從農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物中提取多酚類物質(zhì)提供參考,促進甘薯資源利用率的提升。

1 材料與方法

1.1 材料

甘薯工業(yè)固形廢棄物:安徽省舒城縣甘薯加工廠提供;焦性沒食子酸、酒石酸鉀鈉、硫酸亞鐵、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、甲醇、乙醇、丙酮等均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料預(yù)處理 將甘薯加工廠固形廢棄物于

50℃烘干后粉碎,避光保存,備用。

1.2.2 單因素試驗

1)溶劑種類的選擇 在料液質(zhì)量體積比1 g∶10 m L,固定的提取溫度為30℃和提取時間為60 min的條件下,分別用體積分數(shù)60%甲醇、60%乙醇和蒸餾水提取,比較不同溶劑對提取液中甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚含量的影響,選擇適合用于甘薯多酚物質(zhì)提取的溶劑。

2)溶劑體積分數(shù)對多酚提取的影響 固定提取溫度為30℃、料液質(zhì)量體積比1 g∶10 m L、提取時間 60 min,分別用體積分數(shù) 20%、40%、60%、80%、100%的乙醇對甘薯渣多酚物質(zhì)進行提取,分析乙醇體積分數(shù)對甘薯渣多酚物質(zhì)提取效果的影響。

3)提取時間對多酚提取的影響 以體積分數(shù)60%的乙醇為溶劑,提取溫度30℃,料液質(zhì)量體積比 1 g ∶10 m L 的條件下 ,選擇 20、40、60、80、100 min的時間進行提取,分析提取時間對甘薯渣多酚物質(zhì)提取效果的影響。

4)提取溫度對多酚提取的影響 在料液質(zhì)量體積比1 g∶10 m L和提取時間為60 min、乙醇體積分數(shù)為 60%的條件下 ,分別選擇 20、30、40、50、60、70℃對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚進行提取,分析提取溫度對甘薯渣多酚物質(zhì)提取效果的影響。

5)料液質(zhì)量體積比對多酚提取的影響 在提取溫度為30℃和提取時間為60 m in、乙醇體積分數(shù)為60%的條件下,分別以1 g∶5 mL～1 g∶30 m L比對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚進行提取,分析料液質(zhì)量體積比對甘薯渣多酚物質(zhì)提取效果的影響。

1.2.3 正交試驗設(shè)計 根據(jù)單因素試驗確定的范圍,將乙醇體積分數(shù)、提取溫度、提取時間、料液質(zhì)量體積比作為考察因素,以總多酚質(zhì)量分數(shù)為指標(biāo),用L9(34)正交表安排試驗。

1.2.4 多酚含量的測定 以焦性沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品,采用酒石酸亞鐵分光光度法測定總酚含量[6]。

1)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 分別準(zhǔn)確移取0.2 mg/m L焦性沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)儲備液 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于 6支試管中,依次加入體積分數(shù)60%丙酮水溶液至試管總體積均為1.0 m L,然后再依次向其中加入1.0 mL顯色劑,用緩沖溶液定容,搖勻,放置20 min,540 nm處測定吸光度,以焦性沒食子酸含量(μg)為橫坐標(biāo),以對應(yīng)的A540nm為縱坐標(biāo),制作標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=0.003 4x-0.008 4,R2=0.989 6。

2)甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚類物質(zhì)得率的測定 在一定實驗條件下對原料進行多酚物質(zhì)提取,4 000 r/min離心10 min,取上清液,即得多酚粗提液。按1.2.4.1方法,測定提取液吸光度,計算甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚類物質(zhì)的得率(μg/g)。

3)多酚提取率計算

多酚提取率計算式如下:

式中:W為多酚提取率,μg/g;C為酒石酸亞鐵分光光度法測定的提取液多酚質(zhì)量,μg;n為酒石酸亞鐵分光光度法測定時提取液稀釋倍數(shù);V為提取液體積,m L;m為提取時甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物質(zhì)量,g。

1.2.5 多酚抗氧化能力測定

1)清除 H2O2能力的測定[7]取2.5 mL用p H 7.4的磷酸鹽緩沖液配制的10 mmol/L H2O2,加入不同濃度的測試液2.5 mL,混合均勻后230 nm處測吸光度,此吸光度記為A1,以不加試樣液的 H2O2吸光度為A0,以不加 H2O2的試樣溶液吸光度為A2。

2)還原能力的測定[8]p H 6.6的磷酸鹽緩沖液2.5 mL中分別加入不同濃度的試樣液2.5 mL、質(zhì)量分數(shù)1%鐵氰化鉀溶液2.5 m L,混合均勻,50℃恒溫20 min,加入質(zhì)量分數(shù)10%三氯乙酸溶液2.5 m L,3 000 r/min離心10 min。取上層清液2.5 mL加蒸餾水2.5 mL和質(zhì)量分數(shù)0.1%FeCl3溶液0.5 m L,700 nm處測定吸光度,吸光度越高,還原能力越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取溶劑的選擇

鑒于多酚類物質(zhì)極性較大,易溶于極性溶劑。實驗中采用乙醇、甲醇兩種常規(guī)有機溶劑以及蒸餾水研究甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取的效果(圖1)。圖1表明,3種不同溶劑的提取效果存在一定差異,其中以體積分數(shù)60%乙醇的提取效果最好,而60%甲醇和蒸餾水的提取效果差異不大。因此,作者采用乙醇、水混合體系作為提取溶劑。

圖1 不同溶劑對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響Fig.1 Effect of different solvents on the extracting result of polyphenols from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.

2.2 乙醇體積分數(shù)對多酚提取效果的影響

表1表明,乙醇體積分數(shù)在20%～60%之間時,甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚的提取量隨乙醇體積分數(shù)上升迅速增加,在乙醇體積分數(shù)為60%時達到峰值。

表1 乙醇體積分數(shù)對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響Tab.1 Effect of different ethanol concentration on the extracting result of polyphenols from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.

2.3 提取時間對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響

圖2表明,甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚的提取量隨提取時間的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,在60 min時達到峰值,60 min后隨著時間的增加多酚提取量出現(xiàn)下降。

圖2 不同提取時間對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響Fig.2 Effect of extracting time on the extracting result of polyphenols from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.

2.4 料液質(zhì)量體積比對多酚提取量的影響

圖3表明,隨著料液質(zhì)量體積比的增加,甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚的提取量略有增加,料液質(zhì)量體積比達到1 g∶10 mL時,多酚提取量達到最大,其后,多酚提取率隨料液比的繼續(xù)增加而逐漸降低。

圖3 不同料液質(zhì)量體積比對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響Fig.3 Effect of different solid-liquid ratios on the extracting result of polyphenols from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.

2.5 提取溫度對多酚提取量的影響

圖4表明,隨著提取溫度的升高,多酚提取量增加,當(dāng)提取溫度為40℃時,多酚提取量達到最大,再增加提取溫度,多酚提取量逐漸下降。

2.6 甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取工藝條件的優(yōu)化

根據(jù)以上單因素試驗結(jié)果,設(shè)計四因素3水平的正交試驗L9(34),對影響甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取率的4個主要影響因素乙醇體積分數(shù)、提取時間、料液質(zhì)量體積比、提取溫度進行研究,以便進一步優(yōu)化多酚提取條件。

圖4 不同提取溫度對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取效果的影響Fig.4 Effect of different extracting temperature on the extracting result of polyphenols from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.

表2 因素水平表Tab.2 Factors and levels

表3 試驗方案及結(jié)果Tab.3 Results of L9(34)orthogonal test and range analysis

續(xù)表3

由表3結(jié)果可知,影響甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中多酚物質(zhì)提取量4個因素主次順序為:C>B>A>D,即提取時間>溫度>乙醇體積分數(shù)>料液質(zhì)量體積比,表明提取時間對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取影響最大,其次為提取溫度和乙醇體積分數(shù),料液比影響較小。

2.7 甘薯渣多酚對 H2 O2的清除率

過氧化氫(H2O2)是生物細胞產(chǎn)生的常見活性氧之一,具有類似氧自由基的損傷作用。因此,清除 H2O2對抗氧化防御有十分重要的意義。圖5表明,隨著粗提液多酚濃度的遞增,提取物對過氧化氫的清除率也隨之增高。

圖5 不同質(zhì)量濃度多酚粗提液過氧化氫(H2 O2)清除能力Fig.5 H2 O2 scavenging abilities of polyphenols extracted

2.8 多酚還原能力的測定

對于抗氧化劑來說,其抗氧化活性和還原能力之間有著直接的聯(lián)系?？寡趸瘎┻€原能力越強,表明其抗氧化活性越強,故可通過測定樣品的還原能力來說明其抗氧化活性的大小。圖6表明,在實驗濃度范圍內(nèi),多酚粗提液具有較好的還原能力,是良好的電子供應(yīng)者,且多酚質(zhì)量分數(shù)越高還原能力越強。

圖6 不同質(zhì)量濃度多酚粗提液還原能力Fig.6 The deoxidizing ability of polyphenols extracted

3 討 論

3.1 有機溶劑法提取多酚物質(zhì)

多酚是多羥基化合物,易溶或可溶于水、醇類、醚類、酮類、酯類等,所以,溶劑萃取法因其工藝簡便、成本低、純度高而成為目前國內(nèi)使用最廣泛的多酚提取方法之一。在溶劑萃取法提取多酚過程中,溶劑的作用就是最大限度地削弱生物分子間的作用力,盡可能地增加目的分子與溶劑分子間的相互作用力[9][10]。因此,實驗中乙醇、甲醇、蒸餾水對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取的效果差異可能與3種提取劑的極性大小有關(guān),也可能與甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物細胞膜的通透性有關(guān),或者可能與植物組織中蛋白質(zhì)、生物堿、花色苷等物質(zhì)鍵的締合方式有關(guān)。

作為極性有機溶劑,既有親水基團又有疏水基團,從廣義上說,也是一種表面活性劑[9]。在生化物質(zhì)的提取過程中,受到提取劑濃度、p H、提取時間、提取液體積、溫度等各種外界條件的影響。實驗發(fā)現(xiàn),隨著提取劑乙醇體積分數(shù)的增大,多酚提取量逐漸增大。但當(dāng)乙醇體積分數(shù)達到80%以上時,無法使用酒石酸亞鐵分光光度法來測量多酚體積分數(shù),推測可能由于提取液中除多酚外的雜質(zhì)逐漸增多,或因為提取溶劑中水分的揮發(fā)減少引起反應(yīng)體系通透性變差,造成多酚含量測定體系中具明顯的絮狀沉淀。隨著提取時間的增加,多酚物質(zhì)的溶解程度逐漸增強,多酚提取量逐漸增加,但當(dāng)多酚溶解達到平衡后,提取時間的增加對多酚提取量的貢獻程度降低,且因析出的多酚受光、熱、多酚氧化酶等各種外界因素的影響,極易被氧化,因此,隨著時間的增加多酚提取量反而出現(xiàn)下降的情況。溶劑萃取法提取多酚時,增加提取液的用量,提高料液比,可以增加被提取物質(zhì)與溶劑的接觸率,提高生化物質(zhì)的提取效果,提升多酚物質(zhì)的提取量,但是,料液質(zhì)量體積比過大導(dǎo)致的過量提取液,會使多酚物質(zhì)的濃度降低,減少有效提取效率。溫度過高或過低均影響多酚物質(zhì)的提取。一般來說,溫度升高則導(dǎo)致互溶的程度增加,也可以增大分子的擴散速度,提高多酚物質(zhì)的提取率,但溫度的繼續(xù)增加,多酚提取量開始下降,可能與多酚的熱穩(wěn)定性有關(guān)。

3.2 植物多酚的抗氧化活性

植物多酚作為一類儲量豐富、具有生物活性的天然化合物,能夠有效清除人體內(nèi)的過剩自由基[11]。自由基是具有未配對價電子的原子、原子團、分子和離子[11]。生物機體自由基的生成、代謝與機體健康密切相關(guān),正常生命過程中產(chǎn)生的自由基是維持生命所必需的,但過量自由基的產(chǎn)生會對機體脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)和糖類等生命分子造成損害,引發(fā)癌癥等多種疾病[12]。多酚通過還原反應(yīng)降低環(huán)境中氧含量,同時作為氫供體,能提供質(zhì)子,與環(huán)境中自由基結(jié)合,清除自由基,且對自由基誘發(fā)的生物大分子損傷起到保護作用[5]。實驗發(fā)現(xiàn),隨著甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物粗提液多酚濃度的遞增,提取物對過氧化氫的清除率也隨之增高,而且,多酚粗提液具有較好的還原能力,是良好的電子供應(yīng)者。

4 結(jié) 語

通過對乙醇法提取甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚正交試驗結(jié)果分析可知,提取時間對甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物多酚提取影響最大,其次為提取溫度和乙醇體積分數(shù),料液質(zhì)量體積比影響較小。在以后的研究中應(yīng)該重點研究提取時間和提取溫度對多酚提取的影響。作者優(yōu)化得出了從甘薯工業(yè)加工后固形廢棄物中提取多酚的最佳條件:提取溫度50℃、乙醇體積分數(shù)55%、提取時間70 m in、料液質(zhì)量體積比1 g∶20 m L。

研究中發(fā)現(xiàn),隨著粗提液多酚質(zhì)量分數(shù)的增加其清除 H2O2的能力及還原能力相應(yīng)增加,表明甘薯渣多酚具有良好的抗氧化性能,是一種有效的外源性天然抗氧化劑。

作者采用的原料是甘薯加工廠在甘薯塊根中提取淀粉后的固體廢渣,其多酚含量雖已有一定損失,但實驗發(fā)現(xiàn)其中仍含有較高的多酚含量,這為進一步促進甘薯工業(yè)廢棄物中多酚等有效成分的綜合利用,提高甘薯資源的附加值提供了一定的依據(jù)。

（References）：

[1]趙秀玲.甘薯的營養(yǎng)成分與保健作用[J].中國食物與營養(yǎng),2008,(10):58-60.

ZHAO Xiu-ling.Nutrient component and hygienic function of sweet potato[J].Food and Nutrition in China,2008,(10):58-60.(in Chinese)

[2]夏春麗,于永利,張小燕.甘薯的營養(yǎng)保健作用及開發(fā)利用[J].食品工程,2008,(3):28-31.

XIA Chun-li,YU Yong-li,ZHANG Xiao-yan.Nutrition and utilization of sweet potato[J].Food Engineering,2008,(3):28-31.(in Chinese)

[3]張汆,李敏,賈小麗,等.甘薯資源的綜合利用[J].糧食與食品工業(yè),2009,16(1):22-25.

ZHANGCuan,L IM in,JIA Xiao-li,et al.Comprehensive utilization of sweet potato resources[J].Cereal and Food Industry,2009,16(1):22-25.(in Chinese)

[4]彭功波,鄭先波,冀愛青,等.果樹多酚類物質(zhì)生理功能及應(yīng)用研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2010,26(11):157-163.

PENG Gong-bo,ZHENG Xian-bo,JI Ai-qing,et al.The Advances of Study and Applications on Physiological Functions of Fruit Polyphenols[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2010,26(11):157-163.(in Chinese)

[5]李健,楊昌鵬,李群梅,等.植物多酚的應(yīng)用研究進展[J].廣西輕工業(yè),2008,(12):1-3,9.

L IJian,YANG Chang-peng,LI Qun-mei.Advances in study of plant polyphenols’application[J].Guangxi Journal of Light Industry,2008,(12):1-3,9.(in Chinese)

[6]李志洲,劉軍海.回歸正交實驗設(shè)計優(yōu)化提子中多酚類物質(zhì)的提取工藝[J].食品工業(yè)科技,2009,30(3):240-243.

L IZhi-zhou,LIU Jun-hai.Optimization of extract processing of polyphenol in kyohogrape by orthogonal regression design[J].Science and Technology of Food Industry,2009,30(3):240-243.(in Chinese)

[7]王靜,劉大川.紫(白)蘇葉黃酮類化合物抗氧化性能的研究[J].中國油脂,2004,29(3):33-36.

WANG Jing,LIU Da-Chuan.Antioxidative activity of flavonoids from folium perillae(purple&green leaves)[J].China Oils and Fats,2004,29(3):33-36.(in Chinese)

[8]顏棟美,姚艾東.金花茶多酚抗氧化性能的研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,30(2):42-45.

YAN Dong-mei,YAO Ai-dong.Study on anti-oxidation o F tea-polyphenols inCamellia chryscath[J].Journal of Henan University of Technology Natural Science Edition,2009,30(2):42-45.(in Chinese)

[9]蔣立科,羅曼.生物化學(xué)實驗設(shè)計與實踐[M].北京:高等教育出版社,2007.

[10]蔣立科,羅曼.生物化學(xué)過程工程學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[11]黃優(yōu)生,謝明勇,聶少平,等.山楂提取物的抗氧化活性研究[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報,2010,29(2):189-192.

HUANG You-sheng,XIE Ming-yong,NIE Shao-ping,et al.Anti-oxidative activity of extracts from haw thorn[J].Journal of Food Science and Biotechnology,2010,29(2):189-192.(in Chinese)

[12]林櫻姬,趙萍,王雅.植物多酚的提取方法和生物活性研究進展[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,(6):105-107.

LIN Ying-ji,ZHAO Ping,WANG Ya.The progress of study on extracting methods and biological activity of plant polyphenols[J].Shaanxi Journal of Agricultural Sciences,2009,(6):105-107.(in Chinese)

Extraction and Antioxidant Activity of Polyphenols from Waste of Processed Ipomoea batatas Lam.

ZHANG Kuan-chao, L IDong-lei

(School of Life Science,Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

In order to increase the utilization rate of resources,the process parameters for extracting the polyphenol from solid waste of processed Ipomoea batatas Lam.w as studied using single factor experiment and the orthogonal tests in this manuscript.The optimum extraction process conditions determined and listed as follow s:ethanol 55%,temperature 50℃,extraction time of 70 min,and ratio of materials and solution was 1∶20(W∶V).The results also showed that the polypheno lic extract had the ability to clear away H2O2 and the deoxidizing ability,and is a promising natural antioxidant.

Ipomoea batatasLam.,waste,polyphenol substance,antioxidant activity

TS 201.2

A

1673-1689(2011)04-0565-06

2010-08-15

張寬朝(1981-),男,安徽渦陽人,實驗師,主要從事生物化學(xué)研究。Email:zhangkch1980@126.com

book=570,ebook=330