蘆筍下腳料皂苷超聲提取工藝

孫 健，李 曼，王麗衛(wèi)，趙 兵

(1.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.北京城市學(xué)院生物醫(yī)藥學(xué)部，北京 100083)

蘆筍下腳料皂苷超聲提取工藝

孫 健1,2，李 曼3，王麗衛(wèi)1,2，趙 兵1,*

(1.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.北京城市學(xué)院生物醫(yī)藥學(xué)部，北京 100083)

采用超聲強(qiáng)化技術(shù)對(duì)蘆筍下腳料中的皂苷成分進(jìn)行提取，通過兩輪均勻試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果得到的最優(yōu)提取工藝為液料比1∶1、溫度30℃、占空比0.4∶1.6、功率200W、提取時(shí)間30min、pH5.05、酒精體積分?jǐn)?shù)70%，該工藝條件下單次提取得率為7.5%(干基)；兩次提取累積回收率達(dá)到93.37%，3次提取累積回收率達(dá)到98.40%。在2L循環(huán)超聲提取裝置中的放大實(shí)驗(yàn)表明，兩次提取累積回收率達(dá)到97.49%，3次可提取完全。表明超聲強(qiáng)化方法適用于蘆筍下腳料中皂苷的提取。

蘆筍；皂苷；均勻試驗(yàn)；超聲循環(huán)提取

蘆筍(Asparagus officinalis L.)又名石刁柏、龍須菜，在國(guó)際上有“蔬菜之王”的美稱，在歐洲其消費(fèi)量?jī)H次于番茄、青刀豆、蘑菇和豇豆[1]。被世界衛(wèi)生組織列為世界十大最具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的蔬菜之首，是國(guó)際上公認(rèn)的防癌保健蔬菜。諸多研究表明蘆筍可有效阻止腫瘤細(xì)胞的增殖[2-3]，對(duì)抑制子宮癌、肝癌及可移植性腫瘤等有特殊療效[4]，可以明顯抑制腫瘤細(xì)胞核酸生物合成[5]。

蘆筍含有多種活性成分，如黃酮[6]、蘆筍多糖[7]、皂苷、氨基酸[8]、微量元素等。其中皂苷是其主要的活性成分之一，研究發(fā)現(xiàn)蘆筍皂苷有誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[9]、抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)[10]、抑菌活性[11]等。

我國(guó)蘆筍種植面積已達(dá)到170萬(wàn)畝(約11萬(wàn)3300公頃)，年產(chǎn)約140萬(wàn)噸，居世界第一位，加工企業(yè)143家，年產(chǎn)值65億元。蘆筍加工全是以保鮮、速凍和罐頭銷售出口，附加值低。在加工過程中每年產(chǎn)生約60萬(wàn)噸老莖和筍皮等下腳料，這些下腳料含水量很高，極易腐敗發(fā)臭，不僅浪費(fèi)資源，而且造成嚴(yán)重環(huán)境污染。本實(shí)驗(yàn)以蘆筍加工后的下腳料為原料，建立蘆筍皂苷的常溫超聲快速提取工藝，并進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，對(duì)于蘆筍下腳料的綜合、高值化利用具有參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘆筍下腳料由秦皇島長(zhǎng)勝農(nóng)業(yè)有限公司提供，主要為蘆筍地上除去可鮮食的部分，新鮮樣品粉碎到20目備用。

菝葜皂苷元標(biāo)準(zhǔn)品 中國(guó)食品藥品檢定研究院；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

100D超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、500mL不銹鋼錐形提取容器、CTXNW-2B超聲循環(huán)提取機(jī) 北京弘祥隆生物技術(shù)開發(fā)有限公司；RE-6000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；pH計(jì) 梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司；2802UV/VIS分光光度計(jì) 上海尤尼柯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蘆筍總皂苷檢測(cè)方法的建立

蘆筍中皂苷主要為甾體皂苷類，其水解產(chǎn)物為菝葜皂苷元[12-13]。本實(shí)驗(yàn)選取菝葜皂苷元作為標(biāo)準(zhǔn)品，吸取一定量配制的菝葜皂苷元標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于20mL的刻度試管中，在70℃水浴中將溶劑揮發(fā)至干。分別加入200μL 5g/100mL香草醛乙酸溶液，再加入800μL高氯酸?；靹蚝?0℃水浴中靜置15min[14-15]。冷卻至室溫加5mL冰醋酸，隨行試劑做空白，于190～1100nm波長(zhǎng)進(jìn)行掃描，對(duì)照品在535nm處有最大吸收，因此選定535nm為檢測(cè)波長(zhǎng)，在該波長(zhǎng)處進(jìn)行了蘆筍皂苷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。其回歸方程為y=0.0034χ＋0.0461，R2=0.9941。結(jié)果表明，菝葜皂苷元在0～400μg范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。

圖1 蘆筍總皂苷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve for total saponins determination

1.3.2 均勻設(shè)計(jì)進(jìn)行蘆筍皂苷提取

本試驗(yàn)所用均勻設(shè)計(jì)表由DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(V6.5.5.8版本)產(chǎn)生[16]，根據(jù)產(chǎn)生的均勻設(shè)計(jì)表分別對(duì)占空比、超聲提取功率、提取時(shí)間、液料比、提取溫度、pH值、酒精體積分?jǐn)?shù)等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。將粉碎后樣品加入一定量的含水乙醇后用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值，加入超聲提取設(shè)備中進(jìn)行提取，提取后樣品進(jìn)行液固分離和真空干燥，得到的粗品按標(biāo)準(zhǔn)曲線方法進(jìn)行總皂苷含量測(cè)定。測(cè)定結(jié)果按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：0.928為樣品含水量；M為皂苷測(cè)定時(shí)稱取的粗提物質(zhì)量；50為稀釋倍數(shù)；n為提取次數(shù)；Xi為不同提取次數(shù)下的單次提取得率；8.75為索氏提取的提取得率。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)放大

按得到的最優(yōu)提取條件，用2L超聲循環(huán)提取機(jī)進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件與均勻試驗(yàn)得到的最優(yōu)提取條件相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆筍皂苷提取第一輪均勻試驗(yàn)結(jié)果

各因素水平根據(jù)已有文獻(xiàn)加以確定[17-18]，按設(shè)計(jì)的均勻試驗(yàn)組合進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)提取得到的樣品進(jìn)行了提取得率的計(jì)算，表1的結(jié)果表明不同試驗(yàn)處理之間皂苷提取得率差異較大。

表1 第一輪均勻試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the first round uniform design

為了得到蘆筍皂苷提取的最佳條件，采用偏最小二乘回歸分析方法以提取得率為目標(biāo)值進(jìn)行建模，并在模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行求解得到最佳提取條件。其模型如下：

式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別為占空比、功率、時(shí)間、液料比、溫度、pH值、酒精體積分?jǐn)?shù)。

通過對(duì)得到的方程進(jìn)行求解可知，使該方程的目標(biāo)函數(shù)為最大值(10.10%)時(shí)得到的各自變量的值為占空比1.44∶0.86、功率250W、提取時(shí)間10min、料液比1∶1、提取溫度70℃、pH9.0、酒精體積分?jǐn)?shù)78.6%。

對(duì)最佳提取條件進(jìn)行驗(yàn)證，其提取得率為7.92%。與預(yù)測(cè)值有很大差距，分析其原因可能因?yàn)樵囼?yàn)中選取的因素與水平不合理，造成預(yù)測(cè)值不能很好的與實(shí)測(cè)值吻合。因此，需要在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)和進(jìn)行均勻試驗(yàn)。

2.2 均勻試驗(yàn)因素及水平的優(yōu)化

由于第一次均勻試驗(yàn)中選取的因素較多，且水平的選取僅根據(jù)已有的文獻(xiàn)分析，所以需要根據(jù)第一次均勻?qū)嶒?yàn)結(jié)果對(duì)因素及水平進(jìn)行優(yōu)化。以提取得率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(standardised regression coefficient，SRC)計(jì)算，表示該因素對(duì)結(jié)果影響的大小，正負(fù)表示該因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)作用的正負(fù)效應(yīng)[14]，結(jié)果見圖2。

圖2 以提取得率為目標(biāo)函數(shù)各因素的SRC結(jié)果Fig.2 SRC (standard regression coefficient) of each factor based on extraction rate of saponins

從圖2可以看出，液料比以及提取溫度對(duì)提取得率影響較小，因此在第二輪均勻試驗(yàn)中固定液料比1∶1、溫度30℃。

2.3 蘆筍皂苷提取第二輪均勻試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的因素水平重新進(jìn)行第二輪均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 第二輪均勻試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the second round uniform design

對(duì)第二輪均勻試驗(yàn)進(jìn)行建模，其模型為：

式中，X1、X2、X3、X4、X5分別為占空比、功率、時(shí)間、pH值、酒精體積分?jǐn)?shù)。

該方程目標(biāo)函數(shù)為最大值(7.22%)時(shí)各自變量的值為占空比0.4∶1.6、功率200W、提取時(shí)間30min、pH5.05、酒精體積分?jǐn)?shù)70%。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該提取條件下提取得率為7.50%，與預(yù)測(cè)值吻合較好。

2.4 提取次數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

在提取實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究提取次數(shù)對(duì)提取效果的影響，提取結(jié)果如表3所示。

表3 提取次數(shù)對(duì)提取效率的影響Table 3 Effect of number of repeated extractions on extraction rate of saponins

通過對(duì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨著提取次數(shù)增加，單次提取得率均降低明顯。兩次提取累積回收率達(dá)到93.37%，3次提取累積回收率達(dá)到98.40%，進(jìn)行兩次提取即能實(shí)現(xiàn)樣品中皂苷的高效回收。

2.5 放大實(shí)驗(yàn)

上述提取工藝研究實(shí)驗(yàn)是在容量為500mL的錐形提取容器中進(jìn)行，而目前工業(yè)化大生產(chǎn)使用的提取設(shè)備為超聲循環(huán)提取裝置，因此有必要進(jìn)行超聲循環(huán)提取實(shí)驗(yàn)研究。采用2L超聲循環(huán)提取機(jī)進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

放大前后的實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，放大實(shí)驗(yàn)的出膏率、提取得率及累積回收率均優(yōu)于放大前結(jié)果。這是由于超聲循環(huán)提取機(jī)樣品混合更均勻，物料循環(huán)流動(dòng)，使物料接受超聲場(chǎng)處理更均勻，超聲場(chǎng)作用效率更高。

表4 放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of scale-up experiments

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用超聲強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)蘆筍皂苷的常溫快速提取，避免了提取過程中活性物質(zhì)損失，顯著提高了提取效率和降低了提取能耗。本實(shí)驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，明顯降低了試驗(yàn)次數(shù)，經(jīng)過兩次均勻試驗(yàn)得到的最優(yōu)提取條件與試驗(yàn)值吻合。兩次提取累積提取率達(dá)到93.37%，3次提取累計(jì)回收率達(dá)到98.40%。2L超聲循環(huán)提取裝置中兩次提取累積提取率達(dá)到97.49%，3次提取完全，放大實(shí)驗(yàn)提取效果優(yōu)于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)的效果。

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Ultrasonic-assisted Extraction of Saponins from Asparagus officinalis Scraps

SUN Jian1,2，LI Man3，WANG Li-wei1,2，ZHAO Bing1,*
(1. State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China；2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3. Department of Biomedical, Beijing City University, Beijing 100083, China)

In order to improve the utilization rate of Asparagus officinalis L. scraps, ultrasonic assistance was applied for the extraction of saponins from the materials. After two rounds of uniform design, the optimal extraction conditions for achieving maximum extraction rate of saponins were material-to-liquid ratio of 1∶1 (m/V), extraction temperature of 30 ℃, duty cycle of 0.4∶1.6 (ratio of occupied to empty space), ultrasonic power of 200 W, extraction time of 30 min, extraction pH of 5.05 and ethanol concentration of 70%. Under the optimal conditions, the extraction rate of saponins was up to 7.5%, and the recovery rate was 98.78% after three rounds of extraction. The saponins could be fully recovered by three rounds of extractions in a 2 L circulated ultrasonic-assisted extraction device. Therefore, ultrasonic-assisted extraction is suitable for the extraction of saponins from Asparagus officinalis L. scraps.

Asparagus officinalis L.；steroid saponins；uniform design；ultrasonic circulation extraction

O629

A

1002-6630(2011)14-0152-04

2010-06-23

孫健(1980—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)橹参锾烊划a(chǎn)物提取。E-mail：sunjian@home.ipe.ac.cn

*通信作者：趙兵(1966—)，男，研究員，博士，研究方向?yàn)橹参锛?xì)胞工程與天然產(chǎn)物提取。E-mail：bzhao@home.ipe.ac.cn