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    響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取野木瓜多酚工藝

    2014-12-16 08:08:08陳光靜王曉靜闞建全
    食品工業(yè)科技 2014年21期
    關(guān)鍵詞:面法丙酮體積

    夏 季,鄭 炯,2,3,陳光靜,王曉靜,闞建全,2,3,*

    (1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715;2.重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400715;3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(重慶),重慶400715)

    野木瓜(Stauntonia chinensis)屬薔薇科野木瓜屬植物,果無蒂,果成熟后,香氣濃郁,在我國分布廣,資源豐富,能人工栽培,但利用率較低[1-2]。野木瓜中含有豐富的多酚類物質(zhì)[3],主要包括黃酮類、酚酸、單寧、芪類和木脂素類等物質(zhì)[4],具有抗炎、抗菌、抗癌、抗過敏、抗氧化、預(yù)防糖尿病、肥胖和心血管疾病等作用,可作為功能食品的有效成分[5-12]。相關(guān)研究表明,黃酮類物質(zhì)能有效預(yù)防人和動(dòng)物的增齡性認(rèn)知能力衰退和神經(jīng)退行性變[13]。近年來,植物多酚因其在人體健康方面的積極作用已成為研究熱點(diǎn)[14],但國內(nèi)外關(guān)于野木瓜的研究主要集中在野木瓜中的多糖[15-17]和皂苷成分[18-24]、野木瓜產(chǎn)品開發(fā)[25-26]及野木瓜的藥理作用[27],關(guān)于野木瓜多酚的報(bào)道較少。對(duì)野木瓜中的多酚物質(zhì)進(jìn)行提取并用于保健食品的開發(fā)具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

    超聲波提取法是利用超聲波的機(jī)械破損和空化作用,以期達(dá)到縮短浸提時(shí)間的效果,該方法具有提取溫度低、得率高、操作簡(jiǎn)便快捷、提取物結(jié)構(gòu)不易被破壞等特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于多種天然植物資源如茶葉[28]、葡萄[29]、石榴[30]、玉米[31]、板栗[32]、蘋果[33]中多酚的提取,但其對(duì)野木瓜多酚的提取研究尚未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)擬采用超聲波提取法提取野木瓜多酚,運(yùn)用Folin-Ciocalteu法測(cè)定野木瓜多酚的得率,并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),得到野木瓜多酚提取的最佳工藝條件,以期為野木瓜多酚的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器

    重慶綦江吹角村的野木瓜,粉碎后得野木瓜粉備用。石油醚、丙酮、鎢酸鈉、鉬酸鈉、硫酸鋰(均為分析純) 成都金山化學(xué)試劑有限公司;無水碳酸鈉(分析純) 重慶川東化工(集團(tuán))有限公司化學(xué)試劑廠;沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品 美國Sigma公司。

    DD-5000型立式低速離心機(jī) 成都彼岸生物科技有限責(zé)任公司;DY-10-200DT型超聲波清洗器 重慶東悅儀器有限公司;HHS-24電熱恒溫水浴鍋 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;RE-5220旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 重慶東悅儀器有限公司;SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司;UV-2450紫外可見分光光度計(jì) 日本島津;WF130萬能粉碎機(jī) 江陰市天元藥化機(jī)械有限公司。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 向100mL容量瓶中精確加入沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品0.010g,用蒸餾水溶解并定容至 100mL。分別吸取 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL 上述標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到10mL容量瓶中,添加1mL事先制備好的Folin-ciocalten試劑[34],搖勻后,加入15%Na2CO3溶液2mL,用蒸餾水定容至刻度線。室溫下反應(yīng)2h,于765nm 波長下測(cè)定吸光度值[35],以沒食子酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

    1.2.2 野木瓜多酚的提取與測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1.0g野木瓜粉,按一定料液比加入一定體積分?jǐn)?shù)的丙酮溶液后,于一定時(shí)間和溫度條件下超聲處理,然后以4000r/min離心提取液8min,收集上層清液,重復(fù)離心兩次,合并兩次離心所得上層清液,再40℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),收集殘留物并定容至25mL棕色容量瓶中待測(cè)[36]。

    向10mL容量瓶中依次準(zhǔn)確加入0.1mL待測(cè)提取液、1mL Folin-Ciocalteu 試劑、2mL 15%Na2CO3溶液,用蒸餾水定容至刻度線,搖勻后室溫下反應(yīng)2h,于765nm波長下測(cè)定吸光度值,根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算其對(duì)應(yīng)的多酚質(zhì)量濃度,根據(jù)下式計(jì)算多酚得率:

    式中:C為待測(cè)提取液中多酚的質(zhì)量濃度,mg/mL;N為稀釋倍數(shù);V為待測(cè)提取液定容后體積,mL;m為野木瓜粉質(zhì)量,g。

    1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

    1.2.3.1 超聲時(shí)間對(duì)野木瓜多酚得率的影響 固定丙酮體積分?jǐn)?shù)60%,料液比1∶16,提取溫度50℃,超聲功率100W,分別采用 10、20、30、40、50min 的超聲時(shí)間提取多酚,平行實(shí)驗(yàn)3次,測(cè)定多酚得率。

    1.2.3.2 超聲溫度對(duì)野木瓜多酚得率的影響 固定丙酮體積分?jǐn)?shù)60%,料液比1∶16,提取時(shí)間30min,超聲功率100W,分別采用40、50、60、70、80℃的超聲溫度提取多酚,平行實(shí)驗(yàn)3次,測(cè)定多酚得率。

    1.2.3.3 丙酮體積分?jǐn)?shù)對(duì)野木瓜多酚得率的影響固定料液比1∶16,提取溫度60℃,提取時(shí)間30min,超聲功率100W,分別采用體積分?jǐn)?shù)為50%、60%、70%、80%、90%的丙酮溶液提取多酚,平行實(shí)驗(yàn)3次,測(cè)定多酚得率。

    1.2.3.4 料液比對(duì)野木瓜多酚得率的影響 固定丙酮體積分?jǐn)?shù)60%,超聲溫度60℃,超聲時(shí)間30min,超聲功率 100W,分別采用 1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶20的料液比提取多酚,平行實(shí)驗(yàn)3次,測(cè)定多酚得率。

    1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 分別以超聲時(shí)間(A)、超聲溫度(B)、丙酮體積分?jǐn)?shù)(C)、料液比(D)為變量,研究單因素對(duì)野木瓜多酚得率的影響,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用Box-Behnken設(shè)計(jì),通過響應(yīng)曲面分析優(yōu)化野木瓜多酚提取的工藝條件。實(shí)驗(yàn)的因素水平編碼表見表1。

    表1 響應(yīng)面分析因素和水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

    1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

    利用 Design-Expert 8.0.5 軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)和分析,采用ORIGIN 8.6進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

    得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程 y=15.33x-0.0115,式中 x 為沒食子酸質(zhì)量濃度(mg/mL),y為吸光度,R2=0.9994。

    2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.2.1 超聲時(shí)間對(duì)野木瓜多酚得率的影響 由圖1可知,野木瓜多酚得率隨超聲時(shí)間的延長先增加后減少,在超聲提取30min時(shí)達(dá)到最大,之后降低,其原因可能是超聲時(shí)間過長使細(xì)胞內(nèi)溫度升高,以及多酚暴露在空氣中時(shí)間的延長,使得多酚發(fā)生氧化、縮合、降解等反應(yīng)的概率增加,導(dǎo)致野木瓜多酚的表觀得率下降[32,37-38]。因此,選取 30min 作為較佳超聲時(shí)間。

    2.2.2 超聲溫度對(duì)野木瓜多酚得率的影響 由圖2可知,野木瓜多酚得率隨超聲溫度的升高先增加后減少,當(dāng)超聲溫度升高到60℃時(shí),野木瓜多酚得率達(dá)到最大,隨后開始下降。其原因是超聲溫度的升高加劇分子的運(yùn)動(dòng),使多酚更容易滲出,但過高的溫度會(huì)破壞多酚的結(jié)構(gòu),降低野木瓜多酚的得率。因此,選取60℃為較佳提取溫度。

    圖1 超聲時(shí)間對(duì)野木瓜多酚提取的影響Fig.1 Effects of extraction time on the extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis

    圖2 超聲溫度對(duì)野木瓜多酚提取的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on the extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis

    2.2.3 丙酮體積分?jǐn)?shù)對(duì)野木瓜多酚得率的影響 由圖3可以看出,隨著丙酮體積分?jǐn)?shù)的增加,總酚得率先增加后減小,丙酮體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)提取效果最佳。這是由于多酚是水溶性物質(zhì),根據(jù)相似相溶原理,提取多酚需使用與多酚極性相似的溶劑以使其充分溶出[39]。多酚在植物體內(nèi)常以氫鍵的形式與蛋白質(zhì)等形成穩(wěn)定復(fù)合物,過低體積分?jǐn)?shù)的丙酮不足以使氫鍵破壞或破壞程度不夠,導(dǎo)致多酚得率不高[40];過高體積分?jǐn)?shù)的丙酮使溶劑極性降低,導(dǎo)致多酚得率下降,并且丙酮體積分?jǐn)?shù)過高會(huì)增加脂溶性物質(zhì)的溶出[41],不利于后續(xù)多酚的分離純化。因此,確定丙酮體積分?jǐn)?shù)為60%。

    圖3 不同體積分?jǐn)?shù)的丙酮對(duì)野木瓜多酚提取的影響Fig.3 Effects of different concentrations of acetone on the extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis

    2.2.4 料液比對(duì)野木瓜多酚得率的影響 由圖4可知,隨著料液比的增加,野木瓜多酚得率增加,說明溶劑比例大有利于多酚物質(zhì)的溶出。但當(dāng)料液比增加到1∶16后,多酚得率基本保持不變,且料液比過大容易造成溶劑的浪費(fèi),綜合考慮多酚得率及提取成本,最終確定最優(yōu)料液比為1∶16。

    圖4 料液比對(duì)野木瓜多酚提取的影響Fig.4 Effects of ratio of material to liquid on the extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis

    2.3 響應(yīng)面優(yōu)化法確定野木瓜多酚的最佳提取條件

    2.3.1 響應(yīng)模型的建立與分析 實(shí)驗(yàn)采用 Box-Behnken 設(shè)計(jì),利用 Design-Expert 8.0.5 軟件分析超聲時(shí)間A、超聲溫度B、丙酮體積分?jǐn)?shù)C、料液比D 4個(gè)影響因素對(duì)野木瓜多酚得率的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

    表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experiment design and the result

    表3 二次響應(yīng)模型方差分析Table 3 ANOVA results for response surface quadratic model

    由表3方差分析可知,模型的p<0.0001,表明該模型具有高度顯著性。失擬項(xiàng)p=0.1093在p<0.05水平上差異不顯著,表明該模型具有較高擬合度,實(shí)驗(yàn)誤差小,說明該模型具有實(shí)際應(yīng)用意義。超聲時(shí)間(A)和料液比(D)對(duì)野木瓜多酚得率影響極顯著,二項(xiàng)式A2、B2、C2的p值都達(dá)到極顯著水平,D2對(duì)野木瓜多酚得率影響顯著,超聲時(shí)間是對(duì)野木瓜多酚得率影響最大的因素。野木瓜多酚得率與各因素變量的二次方程模型為:

    R1=8.05200-0.32583A+0.063333B+0.057500C+0.17833D-0.025000AB+0.22000AC-0.26750AD+0.025000BC+0.28000BD+0.022500CD-0.27058A2-0.54433B2-0.33558C2-0.20183D2。

    各因素之間的響應(yīng)面圖如圖5所示。若響應(yīng)曲面坡度趨于陡峭,表明響應(yīng)值對(duì)于操作條件的改變非常敏感,若曲面坡度相對(duì)平緩,則表明操作條件的改變對(duì)響應(yīng)值影響較小。響應(yīng)面在底面的投影即等高線趨向橢圓且橢圓的軸線與坐標(biāo)軸存在一定角度,則表明兩因素交互作用明顯,若等高線的形狀趨于圓形或橢圓的軸線與坐標(biāo)軸角度較小,則表明兩因素交互作用較弱[42]。根據(jù)上述響應(yīng)面的性質(zhì)分析,超聲時(shí)間與丙酮體積分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間與料液比、超聲溫度與料液比間交互顯著,其余3組間交互不顯著,與方差分析表結(jié)果一致。圖5(a)顯示,當(dāng)丙酮體積分?jǐn)?shù)和料液比一定時(shí),多酚得率隨超聲時(shí)間的變化較快,超聲時(shí)間約為25min、超聲溫度約為60℃時(shí)多酚得率最大。由圖5(b)可以看出,當(dāng)超聲溫度與料液比一定時(shí),在丙酮體積分?jǐn)?shù)較低的情況下,多酚得率對(duì)超聲時(shí)間的變化敏感,超聲時(shí)間為25min左右多酚得率最大。圖5(c)顯示,當(dāng)超聲溫度與丙酮體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),在超聲時(shí)間為20min的情況下,多酚得率隨料液比的增大而較快增加,料液比為1∶20時(shí)多酚得率最大,超聲時(shí)間為40min時(shí),多酚得率隨料液比的增加變化不明顯。圖5(d)中,固定超聲時(shí)間和料液比,多酚得率隨超聲溫度和丙酮體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小,超聲溫度為60℃、丙酮體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)多酚得率達(dá)到最大。由圖5(e)可以看出,固定超聲時(shí)間和丙酮體積分?jǐn)?shù),多酚得率隨超聲溫度的增加先增加后減少,超聲溫度在60~65℃范圍內(nèi)多酚得率最大。圖5(f)顯示,當(dāng)超聲溫度和超聲時(shí)間一定時(shí),多酚得率隨丙酮體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小,但變化緩慢,料液比為1∶18、丙酮體積分?jǐn)?shù)為60%左右多酚得率較大。

    2.3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)所建立的模型進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化組合,得到最佳工藝條件為超聲時(shí)間20min,超聲溫度63.3℃,丙酮體積分?jǐn)?shù)58%,料液比1∶20,此時(shí)野木瓜多酚得率預(yù)測(cè)值為8.426mg/g。為了操作方便,以超聲時(shí)間20min,超聲溫度63℃,丙酮體積分?jǐn)?shù)58%,料液比1∶20為工藝條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示在該工藝條件下,野木瓜多酚得率為8.402mg/g,與上述預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.3%,證實(shí)該模型可用于野木瓜多酚的提取。

    3 結(jié)論

    采用超聲輔助提取法提取野木瓜中的多酚物質(zhì),通過單因素實(shí)驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝條件:超聲時(shí)間20min,超聲溫度63℃,丙酮體積分?jǐn)?shù)58%,料液比1∶20,在最優(yōu)條件下,野木瓜多酚的得率為8.402 mg/g,與預(yù)測(cè)值8.426mg/g的相對(duì)誤差為0.3%,此工藝條件可以為野木瓜多酚的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

    圖5 各兩因素交互作用對(duì)野木瓜多酚得率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface showing the pairwise interactive effects of four operating parameters on the extraction of polyphenols from Stauntonia chinensis

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