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    樟子松樹皮中松多酚的提取工藝研究及提取方法比較

    2013-12-06 07:13:48趙玉紅翟亞楠王振宇
    食品工業(yè)科技 2013年4期
    關(guān)鍵詞:樟子松超聲波乙醇

    趙玉紅,翟亞楠,王振宇,2,*

    (1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040)2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090)

    植物多酚是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的天然大分子化合物,含量僅次于木質(zhì)素、纖維素和半纖維素,含多酚較多的常見植物超過600種[1-2]。近年來研究發(fā)現(xiàn)松科植物的體內(nèi)含有大量的多酚類化合物,具有一系列獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和生物活性,統(tǒng)稱為松多酚。松多酚的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具有抗腫瘤[3]、抗氧化[4-5]、降血糖、降血脂[6]、抗動(dòng)脈硬化、防治冠心病與中風(fēng)等心腦血管疾病[7]以及抗菌等多種生理功能,在食品、醫(yī)藥、化妝品、日用化學(xué)品以及保健品[8-9]等方面起到了一定的作用。樟子松(Pinus Sylvestris L.)是松科松屬裸子植物,又名海拉爾松,是歐洲赤松的一個(gè)變種,屬于高大常綠喬木,在我國主要分布于黑龍江和內(nèi)蒙古東部大興安嶺山區(qū)及海拉爾一帶沙丘地區(qū)。國內(nèi)對(duì)樟子松中松多酚的提取、成分、組成、功能、理化性質(zhì)以及開發(fā)利用價(jià)值等的研究很少,國外對(duì)于該植物化學(xué)成分的研究主要包括:Karonen等[10]從樟子松樹皮中提取酚類物質(zhì),研究提取物的抗氧化能力。Sinkkonen等[11-12]從樟子松樹皮中提取出二氫黃酮和木酚素,并且對(duì)它們的特性進(jìn)行研究。Lara Valentín等[13]研究了樟子松樹皮的組成成分,并且評(píng)估了該樹皮是否是一個(gè)合適的真菌生物降解基質(zhì)。Isabel Miranda等[14]研究了不同壓裂徑粒后云杉和樟子松樹皮顆粒的化學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)以東北林區(qū)的樟子松樹皮為研究對(duì)象,采用傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取法、超聲波輔助提取法和超聲波-復(fù)合酶法對(duì)樟子松樹皮中松多酚進(jìn)行提取,旨在確定樟子松松多酚較適宜的提取方法和提取工藝條件,為樟子松進(jìn)一步利用和深度開發(fā)提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器

    樟子松 產(chǎn)自黑龍江省伊春;果膠酶(酶活力500U/mg)、纖維素酶(酶活力100U/mg) 上海寶曼生物科技有限公司;其他試劑 均為分析純。

    FW135高速萬能粉碎機(jī)、DK-98-IIA電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;722可見分光光度計(jì)上海光譜儀器有限公司;DH G-9240電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;TDL-40B-W臺(tái)式低速離心機(jī) 湖南湖南星科科技有限公司;KQ-500DE數(shù)控超聲波器 昆山市超聲儀器有限公司;電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 提取工藝流程 樹皮采下后于自然光下曬至恒重,將干燥后的樹皮在粉碎機(jī)中粉碎成粉末,過40目篩,得到樟子松樹皮粉備用。樟子松樣品分別用有機(jī)溶劑提取法、超聲波輔助提取法和超聲波-復(fù)合酶法進(jìn)行提取處理,提取后抽濾,上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),定容,用比色法測(cè)定吸光度,并計(jì)算總多酚含量。

    1.2.2 松多酚的測(cè)定 松多酚的測(cè)定采用Folin-Ciocalteu法[15]測(cè)定,其反應(yīng)原理為酚類化合物在堿性條件下可以將鎢鉬酸還原,生成藍(lán)色的化合物,顏色的深淺與酚類化合物含量呈正相關(guān),在波長765nm左右有最大吸收。

    1.2.2.1 沒食子酸溶液的制備 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(1000μg/mL):稱?。?.110±0.01)g沒食子酸(GA,相對(duì)分子質(zhì)量188.14),于100mL容量瓶中溶解并定容至刻度,搖勻(現(xiàn)配)。

    沒食子酸工作液:用移液管分別移取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL的沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液于100mL容量瓶中,分別用水定容至刻度,搖勻,濃度分別為10、20、30、40、50μg/mL。

    1.2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定 用移液管分別移取沒食子酸工作液、水(做空白對(duì)照)各1.0mL于10mL棕色容量瓶中,分別加入5.0mL 10%福林酚試劑,搖勻。反應(yīng)3~8min內(nèi),加入4.0mL 7.5%的Na2CO3溶液,充分混勻后定容。置于25℃恒溫水浴中反應(yīng)1h后,用10mm比色皿于765mm波長下測(cè)定吸光值。以沒食子酸的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo)繪制沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。

    1.2.2.3 樣品測(cè)定方法 精密吸取適量樣品溶液于10mL棕色容量瓶中,再分別加入5.0mL 10%福林酚試劑,搖勻。反應(yīng)3~8min內(nèi),加入4.0mL 7.5%的Na2CO3溶液,充分混勻后定容。置于25℃恒溫水浴中反應(yīng)1h后,用10mm比色皿于765mm波長下測(cè)定吸光值。由標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得相對(duì)應(yīng)的濃度,計(jì)算出松多酚的得率。

    1.2.2.4 松多酚得率的計(jì)算 松多酚得率(mg/g)=(C×V)/(G×1000)

    式中,C為多酚濃度(μg/mL);V為提取液體積(mL);G為樣品重量(g)。

    1.2.3 不同方法提取松多酚適宜工藝條件的研究

    1.2.3.1 有機(jī)溶劑提取工藝條件的研究 以乙醇濃度(30%、40%、50%、60%、70%、80%)、料液比(1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40)、提取時(shí)間(1、2、3、4、5、6h)、提取溫度(30、40、50、60、70、80℃)這4個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定適宜提取工藝條件。研究某一個(gè)單因素時(shí),固定其他因素取值,分別為料液比1∶20,提取溫度50℃,提取時(shí)間2h,乙醇濃度60%。

    1.2.3.2 超聲波輔助提取工藝條件的研究 以超聲功率(200、250、300、350、400、450W)、超聲溫度(30、40、50、60、70、80℃)、超聲時(shí)間(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5h)、溶液pH(1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)這4個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定適宜提取工藝條件。研究某一個(gè)單因素時(shí),固定其他因素取值,分別為超聲溫度60℃,超聲時(shí)間2.5h,超聲功率300W,溶液pH3.0。

    1.2.3.3 超聲波-復(fù)合酶輔助提取工藝條件的研究以超聲波適宜條件(超聲溫度60℃,超聲時(shí)間2.5h,溶液pH3.0,超聲功率300W)處理后進(jìn)一步用復(fù)合酶(纖維素酶∶果膠酶=1∶1)進(jìn)行處理。以酶解時(shí)間(20、40、60、80、100、120min)、酶解溫度(30、35、40、45、50、55℃)、酶解pH(3.6、4.0、4.4、4.8、5.2、5.6)、加酶量(1%、2%、3%、4%、5%、6%)這4個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定適宜提取工藝條件。研究某一個(gè)單因素時(shí),固定其他因素取值,分別為酶解溫度45℃,加酶量4%,酶解pH 4.0,酶解時(shí)間40min。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

    以沒食子酸的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo)繪制沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖1所示。

    由圖1可見,沒食子酸在濃度在0~80μg/mL內(nèi)與其吸光值呈線性關(guān)系,在此范圍內(nèi)線性回歸方程為y=0.0111x+0.0069,相關(guān)系數(shù)R2為0.9992,表明線性關(guān)系良好。

    圖1 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Gallic acid standard curve

    2.2 有機(jī)溶劑提取工藝條件的研究

    2.2.1 乙醇濃度對(duì)松多酚提取得率的影響 乙醇濃度對(duì)松多酚提取的影響見圖2。由圖2可知,隨著乙醇濃度的增加,松多酚得率先呈上升趨勢(shì),在乙醇濃度為60%時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為10.90mg/g,之后隨乙醇濃度增加呈下降趨勢(shì)。原因可能是隨著乙醇濃度的增大,多酚-蛋白質(zhì)等的連接鍵被逐步破壞,多酚在乙醇水溶液中的溶解度增大,在乙醇濃度60%達(dá)到峰值,然而隨后增加乙醇濃度,溶劑中的水分越來越少,所以通透性越來越差,細(xì)胞內(nèi)的多酚物質(zhì)向外擴(kuò)散的難度大,所以提取率低[16]。故乙醇濃度確定為60%。

    圖2 不同乙醇濃度對(duì)松多酚得率的影響Fig.2 Effect of different ethanol concentration on extraction rate

    2.2.2 料液比對(duì)松多酚提取得率的影響 料液比對(duì)松多酚提取的影響見圖3。由圖3可知,隨著料液比的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在料液比為1∶25時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為12.00mg/g,之后隨料液比的增加呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)榱弦罕葹?∶25時(shí),溶劑對(duì)多酚的溶解已基本達(dá)到飽和,繼續(xù)增加溶劑用量,并不能提高多酚的提取量。而料液比越大,在濃縮過程中消耗的時(shí)間越長,使多酚被氧化的可能性提高,同時(shí)也加大了濃縮時(shí)的能量消耗[17]。故料液比確定為1∶25。

    圖3 不同料液比對(duì)松多酚得率的影響Fig.3 Effects of the different ratio of raw material and solution on extraction rate

    2.2.3 提取時(shí)間對(duì)松多酚提取得率的影響 提取時(shí)間對(duì)松多酚提取的影響見圖4。由圖4可知,隨著提取時(shí)間的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在提取時(shí)間為4h時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為12.36mg/g,之后隨提取時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)??赡茉蚴请S著提取時(shí)間的延長,松多酚逐漸被浸出,但達(dá)到一定時(shí)間以后,多酚開始被空氣或溶劑中的氧逐漸氧化,也可能發(fā)生了降解反應(yīng),從而使得多酚得率降低[18]。故提取時(shí)間確定為4h。

    圖4 不同提取時(shí)間對(duì)松多酚得率的影響Fig.4 Effect of different extraction time on extraction rate

    2.2.4 提取溫度對(duì)松多酚提取得率的影響 提取溫度對(duì)松多酚提取的影響見圖5。由圖5可知,松多酚的提取率在不斷增大,但是在溫度不斷升高時(shí),耗費(fèi)的熱能將大大增加;且溫度較高時(shí),在密閉容器中將產(chǎn)生很高的內(nèi)壓,在非密閉容器中乙醇與水發(fā)生共沸而快速揮發(fā),且松多酚易被氧化[19]。綜合考慮提取溫度確定為60℃。

    圖5 不同提取溫度對(duì)松多酚得率的影響Fig.5 Effect of different temperature on extraction rate

    2.3 超聲波輔助提取工藝條件的研究

    2.3.1 超聲功率對(duì)松多酚提取得率的影響 超聲功率對(duì)松多酚提取的影響見圖6。由圖6可知,隨著超聲功率的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在超聲功率為300W時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為20.18mg/g,之后隨超聲功率增加呈下降趨勢(shì)。通常超聲波功率的提高加劇了細(xì)胞的破裂,有利于溶劑分子的滲透,從而有利于酚類物質(zhì)的溶出;當(dāng)超聲波功率超過一定限度時(shí),可能破壞了多酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu),從而造成提取率降低[20]。故超聲功率確定為300W。

    圖6 不同超聲功率對(duì)松多酚得率的影響Fig.6 Effect of different ultrasonic wave power on extraction rate

    2.3.2 超聲溫度對(duì)松多酚提取得率的影響 超聲溫度對(duì)松多酚提取的影響見圖7。由圖7可知,隨著溫度的升高,松多酚的提取率在不斷增大,多酚類化合物在高溫條件下很不穩(wěn)定,易受到破壞,而且溫度過高容易導(dǎo)致溶劑揮發(fā)損失;而溫度過低不利于超聲的空化作用,因此也會(huì)降低松多酚的提取效果[21]。綜合考慮提取溫度確定為60℃,在此條件下多酚得率為19.19mg/g。

    圖7 不同超聲溫度對(duì)松多酚得率的影響Fig.7 Effect of different ultrasonic temperature on extraction rate

    2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)松多酚提取得率的影響 超聲時(shí)間對(duì)松多酚提取的影響見圖8。由圖8可知,隨著超聲時(shí)間的增加,松多酚得率先呈上升趨勢(shì),在超聲功率為2.5h時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為22.53mg/g,之后隨超聲時(shí)間增加趨于平緩略有下降趨勢(shì)。這是由于超聲波會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生劇烈的渦流擴(kuò)散,增大細(xì)胞內(nèi)外有效成分的濃度差,從而加快溶質(zhì)的傳質(zhì)速率。因此在到一定時(shí)間后,細(xì)胞內(nèi)部的多酚類物質(zhì)的濃度與細(xì)胞外面周圍多酚的濃度基本達(dá)到了平衡,此時(shí)再延長超聲時(shí)間,松多酚停止了由內(nèi)部向周圍溶液的擴(kuò)散。松多酚類物質(zhì)的提取率增加平緩[22]。故超聲時(shí)間確定為2.5h。

    圖8 不同超聲時(shí)間對(duì)松多酚得率的影響Fig.8 Effect of different ultrasonic time on extraction rate

    2.3.4 溶液pH對(duì)松多酚提取得率的影響 溶液pH對(duì)松多酚提取的影響見圖9。由圖9可知,隨著pH的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在pH為3.0時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為22.98mg/g,之后隨pH增加呈下降趨勢(shì)。通過調(diào)節(jié)水-乙醇-組織體系的酸度,打斷了組織中的氫鍵、鹽鍵、疏水作用力等,增加了組織細(xì)胞的通透性,提高了松多酚的提取得率。多酚本身的分子結(jié)構(gòu)決定了其化學(xué)性質(zhì),多酚物質(zhì)在酸性條件下比在堿性條件下對(duì)氧和光的敏感性都低[23]。因此提高浸提體系的酸度也有利于多酚的浸提。故溶液pH確定為3.0。

    圖9 不同pH對(duì)松多酚得率的影響Fig.9 Effect of different pH on extraction rate

    2.4 超聲波-復(fù)合酶輔助提取工藝條件的研究

    2.4.1 酶解時(shí)間對(duì)松多酚提取得率的影響 酶解時(shí)間對(duì)松多酚提取的影響見圖10。由圖10可知,隨著酶解時(shí)間的增加,松多酚得率先呈上升趨勢(shì),在酶解時(shí)間為40min時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為28.65mg/g,之后隨酶解時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)。一方面,隨著酶解時(shí)間的延長,細(xì)胞壁及細(xì)胞間層的纖維素和果膠質(zhì)形成的阻擋層已被有效破解,松多酚大多已從細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散到溶液中,細(xì)胞內(nèi)外的松多酚濃度已達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡,延長提取時(shí)間對(duì)提高溶液中松多酚濃度作用有限;另一方面,纖維素酶和果膠酶的酶促反應(yīng)產(chǎn)物在溶液中濃度的積累會(huì)對(duì)酶促反應(yīng)造成抑制,此外,細(xì)胞中的某些酚類、單寧及花色素本來就是纖維素酶的天然抑制劑,隨著酶解的進(jìn)行,這些抑制劑在溶液中的濃度增高也會(huì)抑制酶進(jìn)一步地發(fā)揮作用[24]。故酶解時(shí)間確定為40min。

    圖10 不同酶解時(shí)間對(duì)松多酚得率的影響Fig.10 Effect of different enzymatic hydrolysis time on extraction rate

    2.4.2 加酶量對(duì)松多酚提取得率的影響 加酶量對(duì)松多酚提取的影響見圖11。由圖11可知,隨著加酶量的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在加酶量為4%時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為27.75mg/g,之后隨加酶量增加呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘孜锕潭ǖ臈l件下,當(dāng)加酶量低于適宜值時(shí),酶解不完全,松多酚釋放的較少;當(dāng)加酶量達(dá)到適宜值時(shí),酶與底物接觸達(dá)到飽和酶解反應(yīng)較徹底,此時(shí)若再增加酶濃度,底物濃度不能對(duì)酶液達(dá)到飽和,反而抑制酶的作用[25]。所以,對(duì)一定的底物濃度均存在一個(gè)適宜酶用量,并非酶添加量越大酶解效果越好。故加酶量確定為4%。

    圖11 不同加酶量對(duì)松多酚得率的影響Fig.11 Effect of different enzymatic addition on extraction rate

    2.4.3 酶解溫度對(duì)松多酚提取得率的影響 酶解溫度對(duì)松多酚提取的影響見圖12。由圖12可知,隨著酶解溫度的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在酶解溫度為45℃時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為28.65mg/g,之后隨酶解溫度增加呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谖催_(dá)到酶的最適作用溫度前,升高溫度促進(jìn)酶解作用,使酶對(duì)細(xì)胞壁的破壞作用加強(qiáng),進(jìn)一步促使松多酚從細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)分子的擴(kuò)散速率隨溫度增加而增大,增加溫度還能提供酶解反應(yīng)所需的能量。達(dá)到一定溫度后多酚得率達(dá)到最高,之后再繼續(xù)提高溫度,部分酶逐漸變性失活,從而酶促反應(yīng)受到抑制[26]。故酶解溫度確定為45℃。

    圖12 不同酶解溫度對(duì)松多酚得率的影響Fig.12 Effect of different enzymatic hydrolysis temperature on extraction rate

    2.4.4 酶解pH對(duì)松多酚提取得率的影響 酶解pH對(duì)松多酚提取的影響見圖13。由圖13可知,隨著酶解pH的增加,多酚得率先呈上升趨勢(shì),在酶解pH為4.0時(shí)達(dá)到最高,多酚得率為29.64mg/g,之后隨酶解pH增加呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槊傅幕钚圆课挥嘘P(guān)基團(tuán)必須具有一定的解離形式,而pH會(huì)影響酶的活性中心或與之有關(guān)的基團(tuán)的解離狀態(tài)。同時(shí)每種酶都有最適pH,在此pH下催化反應(yīng)的速率最高。對(duì)最適pH偏離不很大時(shí),酶雖不變性,但會(huì)使酶活性部位的基團(tuán)離子化發(fā)生改變,從而降低酶的活力;pH發(fā)生較大偏離時(shí),維護(hù)酶的三維結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵就會(huì)受到干擾,導(dǎo)致酶蛋白自身的變性[27]。故酶解pH確定為4.0。

    圖13 不同酶解pH值對(duì)松多酚得率的影響Fig.13 Effect of different enzymatic hydrolysis pH on extraction rate

    2.5 三種提取方法比較

    分別用有機(jī)溶劑提取法、超聲波輔助提取法和超聲波-復(fù)合酶法提取的適宜工藝條件提取樟子松樹皮中總多酚,其總多酚提取得率分別為12.56、23.01、30.12mg/g。

    傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取時(shí),細(xì)胞壁不容易破裂,有效成分的溶出要通過穿過細(xì)胞壁方式進(jìn)行,擴(kuò)散阻力較大,相對(duì)來說提取率較低。超聲波輔助提取法是利用超聲波具有的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)及熱效應(yīng),加強(qiáng)了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散和溶解,加速了有效成分的浸出,松多酚提取率較有機(jī)溶劑法提取率要高。超聲波復(fù)合酶法全過程為超聲波處理和復(fù)合酶酶解兩個(gè)階段,第一階段是通過超聲波空化效應(yīng)對(duì)原料的破碎作用,使不易被浸出細(xì)胞壁的化學(xué)成分和溶劑充分接觸;第二階段是在超聲波處理后再通過復(fù)合酶解細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)及胞間連接物[28],使松多酚提取率增加。由此可以看出超聲波-復(fù)合酶輔助提取法提取效率最高、提取效果最好,超聲波輔助提取法次之,二者提取效果均好于有機(jī)溶劑提取法。

    3 結(jié)論

    3.1 有機(jī)溶劑提取樟子松樹皮中多酚的適宜工藝條件為:乙醇濃度為60%,料液比為1∶25(g/mL),提取時(shí)間為4h,提取溫度為60℃。超聲波輔助提取樟子松樹皮中多酚適宜工藝條件為:超聲功率為300W,超聲時(shí)間為2.5h,超聲溫度為60℃,溶液pH為3.0。超聲波-復(fù)合酶法提取樟子松樹皮中多酚適宜提取工藝條件為:酶解時(shí)間為40min,酶解溫度為45℃,加酶量為4%,酶解pH為4.0。

    3.2 三種提取方法在最適宜條件下的松多酚得率分別為12.56、23.01、30.12mg/g。超聲波-復(fù)合酶輔助提取法提取時(shí)間最短、提取效率最高,提取效果最好,超聲波輔助提取法次之,二者提取效果均好于有機(jī)溶劑提取法。

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