馬鈴薯皮多酚類物質(zhì)的超聲波提取工藝研究

曹艷萍，李 霄，薛成虎，代宏哲

(1.西北政法大學(xué) 公安學(xué)院，陜西 西安 710063;2.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000)

馬鈴薯塊莖中的總酚含量以干重計(jì)在0.1% ～0.3%之間，且主要存在于馬鈴薯的皮和皮層之間，約有50%存在于皮及鄰近的組織中［1］。馬鈴薯皮是馬鈴薯深加工的副產(chǎn)品。在馬鈴薯食品及馬鈴薯深加工產(chǎn)品如淀粉等的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的馬鈴薯皮渣，近年來(lái)有用于制沼氣、飼料等研究的報(bào)道，但多數(shù)作為廢棄物被丟掉，造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。多酚化合物具有抗癌、抗血糖癥等保健作用以及抗氧化作用［2］。歷經(jīng)幾十年的研究與開(kāi)發(fā)，富含多酚類物質(zhì)的植物提取物已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域。馬鈴薯多酚類物質(zhì)是其重要的次生代謝產(chǎn)物，具有極強(qiáng)的抗氧化能力。但目前國(guó)內(nèi)有關(guān)馬鈴薯中酚類物質(zhì)研究的報(bào)道較少，本論文以馬鈴薯皮為原料，探索馬鈴薯皮中多酚類物質(zhì)的超聲波輔助提取工藝。旨在為馬鈴薯的深度開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料、試劑與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

材料:經(jīng)處理的馬鈴薯薯皮及馬鈴薯塊莖中心薯肉樣品。馬鈴薯為榆林市售。

試劑:沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99%，購(gòu)于中國(guó)藥品生物制品檢定所)，其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純，購(gòu)于西安化學(xué)試劑廠。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

722S可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司)、JP300型超聲波提取器(武漢嘉鵬電子有限公司)、RE－52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、SHZ－D(Ⅲ)、循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)、LGJ－18C普通型冷凍干燥機(jī)(北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原料的處理

將外表無(wú)褐變的馬鈴薯清洗干凈，去除表面水分，削皮，厚度約3～4 mm，沸水中熱燙5 min滅酶，干燥后粉碎過(guò)60目篩，密封備用［3］。取馬鈴薯中心組織部分做同樣處理。

2.2 總酚的提取

分別采用常溫冷浸、回流、索氏、超聲、冷浸后超聲提取等不同方法對(duì)馬鈴薯多酚類物質(zhì)進(jìn)行提取比較，結(jié)果表明冷浸后超聲提取效果最佳，本文采用冷浸后超聲提取的方法，對(duì)其工藝條件進(jìn)行優(yōu)化選擇。

提取工藝

被測(cè)干樣品→固液混合→浸泡→超聲輔助提取→真空濃縮→冷凍干燥→多酚提取物

2.3 總酚的測(cè)定F－C法

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

根據(jù)文獻(xiàn)［4］配置F－C顯色劑和沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液;選擇最大吸收峰波長(zhǎng);制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程。

2.3.2 樣品總酚含量的測(cè)定

將多酚提取物用蒸餾水溶解，并稀釋定容于25 mL容量瓶中，吸取0.5 mL該待測(cè)樣液，加入2.5 mL F－C顯色劑，充分振蕩后靜置3～4 min，再分別加入2.5 mL 10%碳酸鈉溶液，用蒸餾水定容至50 mL，搖勻置于25℃恒溫水。浴中反應(yīng)1 h，充分冷卻后，以空白試劑為對(duì)照，在最大波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，根據(jù)回歸方程計(jì)算總酚含量［5］。

2.4 單因素試驗(yàn)

采用單因素輪換法，分別對(duì)影響馬鈴薯中總多酚提取率的主要因素，提取溶劑、溶劑的濃度、溶劑的酸度、料液比、超聲時(shí)間、提取次數(shù)進(jìn)行選擇。

2.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以提取溶劑的濃度、料液比、超聲提取時(shí)間、提取次數(shù)為試驗(yàn)因素，以總酚含量為考察指標(biāo)，選用L9(34)正交表設(shè)計(jì)，按“2.2”項(xiàng)及“2.3.2”項(xiàng)下操作，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果。

2.6 粗品的制備

分別稱取烘至恒重的馬鈴薯薯皮、馬鈴薯中心組織部分樣品干粉各200 g，在最優(yōu)提取工藝條件下，按“2.2”項(xiàng)下進(jìn)行操作，得粗品，稱重，計(jì)算得率。并按“2.3.2”項(xiàng)下操作測(cè)定總酚含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

按“2.3.1”項(xiàng)下進(jìn)行操作，得沒(méi)食子酸最大吸收峰波長(zhǎng)779 nm，回歸方程為:A=133.21c+0.0661，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.9985。溶液在 0.001 ～0.007 mg/mL濃度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。

3.2 單因素試驗(yàn)

3.2.1 提取劑的選擇

分別采用蒸餾水、丙酮、乙酸乙酯、75%的乙醇對(duì)馬鈴薯皮多酚類物質(zhì)進(jìn)行提取，經(jīng)722S可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為779 nm下測(cè)提取液的吸光度(A)，所得總酚含量結(jié)果如圖1所示。研究結(jié)果表明:四種提取劑所得總酚含量各不相同，以采用75%的乙醇溶液提取的結(jié)果較好。因此，以下實(shí)驗(yàn)均采用乙醇進(jìn)行提取。

圖1 不同提取劑所得總酚含量

3.2.2 乙醇濃度的選擇

圖2為乙醇濃度對(duì)馬鈴薯皮中多酚提取率的影響。結(jié)果表明:在4種乙醇不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下所得的總酚含量相差較為明顯，在較低濃度下總酚含量隨濃度的升高而升高，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時(shí)達(dá)到最大值。之后隨著濃度的升高總酚含量反而下降，因此，本實(shí)驗(yàn)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的乙醇作為單因素試驗(yàn)的溶劑，并選定乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%、55%、65%作為正交實(shí)驗(yàn)的水平因素。

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多酚提取率的影響

圖3 超聲波提取時(shí)間對(duì)多酚提取率的影響

3.2.3 提取時(shí)間的選擇

圖3為超聲波輔助提取時(shí)間對(duì)馬鈴薯皮中多酚提取率的影響。結(jié)果表明:馬鈴薯皮中多酚類物質(zhì)的提取得率在超聲20 min時(shí)達(dá)到最高，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，多酚提取得率又有所下降。這可能是由于酚類物質(zhì)本身的還原性使多酚氧化，在氧氣及光照條件下，隨著浸提時(shí)間的增長(zhǎng)，多酚提取得率先增加后減少。因此，本實(shí)驗(yàn)選20 min作為單因素試驗(yàn)的溶劑，并選定提取時(shí)間在10 min、15 min、20 min作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)水平。

3.2.4 料液比的選擇

圖4為不同料液比對(duì)馬鈴薯皮中多酚提取率的影響。結(jié)果顯示:隨著料液比的增加，乙醇水混合體系對(duì)馬鈴薯皮中多酚類物質(zhì)的提取得率呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)料液比達(dá)到1∶15時(shí)，多酚得率達(dá)到最高，之后隨著料液比的增加，多酚得率又有減小的趨勢(shì)，這可能是由于隨著料液比的增加，其他醇溶性成分溶出，從而使得率下降。同時(shí)，料液比過(guò)大也會(huì)造成溶劑和能源的浪費(fèi)，并給后續(xù)工作造成困難。因此，本實(shí)驗(yàn)選取1∶15作為單因素試驗(yàn)的溶劑，并選定料液比在 1∶10、1∶15、1∶20 時(shí)作為正交實(shí)驗(yàn)的水平。

圖4 料液比對(duì)多酚提取率的影響

圖5 提取次數(shù)對(duì)多酚提取率的影響

3.2.5 提取次數(shù)的選擇

圖5為提取次數(shù)對(duì)馬鈴薯皮中多酚提取率的影響。結(jié)果表明:馬鈴薯中酚類物質(zhì)的提取得率隨著提取次數(shù)的增加而增加，經(jīng)3次提取后其提取得率趨于定值。表明用乙醇水混合液對(duì)馬鈴薯多酚經(jīng)3次提取后多酚已基本提出。在第一次浸提時(shí)，馬鈴薯組織內(nèi)外多酚濃度達(dá)到擴(kuò)散平衡后，組織中的多酚不再外滲，更換浸提液后，再次達(dá)到平衡，從而降低馬鈴薯組織液中多酚的濃度，提高了提取得率;但繼續(xù)增加浸提次數(shù)，多酚得率不再增加。同時(shí)，提取次數(shù)過(guò)多也會(huì)造成溶劑和能源的浪費(fèi)，并給后續(xù)工作造成困難。因此，本實(shí)驗(yàn)選定提取次數(shù)在1、2、3次作為正交實(shí)驗(yàn)的水平。

3.2.6 pH 值的選擇

圖6為pH值對(duì)馬鈴薯皮中多酚提取結(jié)果的影響。結(jié)果顯示:隨著pH值的增加，多酚得率逐漸降低，但其中未調(diào)pH值的乙醇水混合體系對(duì)多酚的提取率達(dá)到最高。因此，在下面的正交實(shí)驗(yàn)中，我們不考慮pH值對(duì)多酚得率的影響。

圖6 pH值對(duì)多酚提取率的影響

3.3 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，分別選擇乙醇濃度、料液比、提取時(shí)間以及提取次數(shù)為考察因素，以總酚得率為考察指標(biāo)，選用L9(34)正交表設(shè)計(jì)，因素、水平見(jiàn)表1，L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及和差分析見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)的因素與水平

表2 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果(n=3)試驗(yàn)號(hào) A B C D 總酚含量mg/g

表3 方差分析

從表2及表3的結(jié)果可知，在所選因素水平下，4種因素的最佳組合為A2B1C3D3，即:乙醇濃度為55%，料液比為1∶10，超聲波輔助提取3次，每次提取時(shí)間為20 min。在該組合條件下進(jìn)行提取，測(cè)得提取液總酚含量:馬鈴薯皮中3.29 mg/g，馬鈴薯塊莖中心組織部分1.2 mg/g。提取物經(jīng)冷凍干燥得馬鈴薯皮多酚提取物粉末，其產(chǎn)率為1.3%。

通過(guò)極差及方差分析可知，各試驗(yàn)因素及因素水平對(duì)總酚提取率的影響不完全相同，順序?yàn)镈＞C＞A＞B，即:提取次數(shù)＞提取時(shí)間＞乙醇濃度＞料液比。在所選水平范圍內(nèi)提取次數(shù)對(duì)提取效果的影響顯著。

4 結(jié)論

(1)不同因素對(duì)提取效果的影響依次為:提取次數(shù)、提取時(shí)間、乙醇濃度、料液比。其中提取次數(shù)對(duì)提取率影響顯著。

(2)超聲波輔助提取馬鈴薯多酚類物質(zhì)的最佳提取工藝條件為:乙醇體積分?jǐn)?shù)為55%，料液比為1∶10，超聲波輔助提取3次，每次20 min。

(3)以優(yōu)化工藝提取的馬鈴薯皮多酚粗品得率為 1.3%。

(4)馬鈴薯中的多酚物質(zhì)主要存在于馬鈴薯的皮和皮層之間，越靠近塊莖的中心，濃度越低。

［1］吳文標(biāo)，盛德賢，呂世安，等.馬鈴薯酚類化合物的研究［J］.中國(guó)馬鈴薯，2001，15(3):158 －161.

［2］郭新竹，寧正祥.天然酚類化合物及其保健作用［J］.食品工業(yè)，2002，(3):28 －29.

［3］婁在祥，王洪新，陳尚未，等.牛蒡葉多酚的超聲波輔助提取及其抗氧化活性、成分分析研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(8):261 －264.

［4］曹艷萍，代宏哲，曹煒，等.Folin－Ciocaileu比色法測(cè)定紅棗總酚［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(4):1299 －1302.