響應(yīng)面法優(yōu)化新疆紅肉蘋(píng)果多糖的超聲輔助提取工藝

齊 娜,楊天歌,孟永宏,鄧 紅,郜 杰,郭玉蓉

(陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)院,陜西西安 710062)

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響應(yīng)面法優(yōu)化新疆紅肉蘋(píng)果多糖的超聲輔助提取工藝

齊 娜,楊天歌,孟永宏,鄧 紅,郜 杰,郭玉蓉

(陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)院,陜西西安 710062)

以新疆紅肉蘋(píng)果為原料,采用超聲輔助法提取新疆紅肉蘋(píng)果中的多糖物質(zhì)。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn),考察了提取溫度、提取時(shí)間、超聲功率、液料比四個(gè)因素對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響;在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化了超聲輔助提取多糖的工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,新疆紅肉蘋(píng)果多糖的最佳提取參數(shù)為:提取溫度65 ℃、提取時(shí)間71 min、超聲波功率450 W、液料比為45∶1(mL/g),在該條件下,其多糖的得率最高達(dá)到4.53%,與理論預(yù)測(cè)的4.65%接近;實(shí)驗(yàn)獲得的回歸數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)紅肉蘋(píng)果多糖的得率。該研究結(jié)果可為充分開(kāi)發(fā)利用新疆紅肉蘋(píng)果資源提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

紅肉蘋(píng)果,多糖,超聲輔助,響應(yīng)面法,提取工藝

中國(guó)是蘋(píng)果屬植物的起源中心,新疆野蘋(píng)果是第三紀(jì)孑遺物種,被認(rèn)為是栽培蘋(píng)果的祖先[1-2]。紅肉蘋(píng)果是新疆野蘋(píng)果的一個(gè)珍貴種質(zhì),其花、果皮及果肉均為紅色,因不能鮮食而不為廣大消費(fèi)者所知,但該蘋(píng)果含有大量的花色苷、多酚、類(lèi)黃酮等生物活性物質(zhì),在種質(zhì)資源的研究和加工利用方面有非常高的潛在利用價(jià)值[3-4]。

多糖(polysaccharide)是一類(lèi)有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降低膽固醇等多種生物活性的大分子,具有廣闊的應(yīng)用前景[5-7]。研究證明,不同來(lái)源的植物多糖其功能作用也不同。蘋(píng)果多糖存在于果皮與果肉組織中,目前科研人員在蘋(píng)果多糖的提取研究中做了許多工作[8-10],蘇鈺琦[9]等人采用不同方法從蘋(píng)果渣中提取蘋(píng)果多糖,優(yōu)化了工藝參數(shù)。竇嬌[11]等人研究了榨前分離蘋(píng)果皮中蘋(píng)果多糖的超聲波輔助法提取,并對(duì)多糖進(jìn)行了分離純化。

但是,有關(guān)蘋(píng)果多糖的提取研究幾乎都是針對(duì)富士、秦冠等蘋(píng)果汁加工副產(chǎn)物蘋(píng)果渣所進(jìn)行的,對(duì)于新疆紅肉蘋(píng)果多糖的研究還是空白。目前僅見(jiàn)王燕[12]等人研究了新疆紅肉野蘋(píng)果‘紫紅1號(hào)’發(fā)現(xiàn)“其果肉花色苷含量高達(dá)228.3 mg·kg-1FW,且總酚和類(lèi)黃酮含量分別達(dá)到2523 mg·kg-1FW和2514 mg·kg-1FW”。對(duì)于紅肉蘋(píng)果多糖的提取條件、含量、組成成分以及功能活性等是否與已知的蘋(píng)果多糖一致等情況均不知,所以有必要進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)研究。

此外,超聲波(2×104～109Hz)在植物有效成分的提取中應(yīng)用廣泛且提取效率高[13-14],響應(yīng)曲面法[15]可快速有效地確定多因子系統(tǒng)的最佳條件,已經(jīng)應(yīng)用于各類(lèi)實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化中。本實(shí)驗(yàn)利用響應(yīng)曲面法和超聲輔助法探討不同因素對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響,確定最佳提取參數(shù),以獲得一種簡(jiǎn)便快捷、經(jīng)濟(jì)高效的提取工藝方法,為后續(xù)生物活性功能研究的深入開(kāi)展打下基礎(chǔ),也為新疆紅肉蘋(píng)果資源的開(kāi)發(fā)利用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新疆紅肉蘋(píng)果“紅勛一號(hào)”(于2015年9～10月成熟期采摘,0 ℃冷藏備用)產(chǎn)地新疆塔城;乙醇、苯酚、硫酸、葡萄糖等試劑 均為分析純,西安吉祥化學(xué)試劑公司。

BS224S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;SB25-12DTDN型超聲儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;GZX-9146型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 多糖的提取、分析與得率計(jì)算

1.2.1.1 多糖的提取 參照文獻(xiàn)[16]確定了多糖的提取步驟:將紅肉蘋(píng)果破碎得到果渣,低溫烘干果渣后粉碎,過(guò)篩。以一定的液料比、在一定的溫度以及一定的超聲功率下提取一定的時(shí)間,然后進(jìn)行抽濾,在55 ℃下旋蒸濃縮。濃縮液用70 mL的95%乙醇進(jìn)行醇沉,抽濾;分析粗提物多糖含量。最后將多糖粗提物放在50 ℃烘箱中烘干,稱(chēng)重。

1.2.1.2 新疆紅肉蘋(píng)果多糖的含量分析 實(shí)驗(yàn)采用苯酚-硫酸法[17]測(cè)定多糖的含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:配制0.2 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液,分別吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL,以水補(bǔ)至2.0 mL,然后加入6%苯酚水溶液1.0 mL,再迅速加入濃硫酸5.0 mL,顯色后在冷水中冷卻,以蒸餾水代替糖溶液作空白對(duì)照,用紫外-可見(jiàn)分光光度法在490 nm的波長(zhǎng)處測(cè)定吸光值,以吸光值為縱坐標(biāo),葡萄糖的濃度為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品多糖含量分析:準(zhǔn)確稱(chēng)取50 mg多糖粗提物,定容至50 mL,測(cè)定樣品吸光值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算多糖含量。

1.2.1.3 多糖得率的計(jì)算 新疆紅肉蘋(píng)果多糖的得率按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算:

多糖得率(%)=[(粗多糖質(zhì)量×多糖含量)/紅肉蘋(píng)果渣質(zhì)量]×100

1.2.2 新疆紅肉蘋(píng)果多糖提取工藝條件研究

1.2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)條件研究 參照文獻(xiàn)[11,18]設(shè)計(jì)紅肉蘋(píng)果多糖提取的單因素實(shí)驗(yàn)條件如下:提取溫度為55、60、65、70、75 ℃(液料比50∶1、提取時(shí)間70 min、超聲功率450 W不變);提取時(shí)間為10、30、50、70、90 min(液料比50∶1、提取溫度65 ℃、超聲功率450 W不變);超聲功率為300、350、400、450、500 W(液料比50∶1、提取溫度65 ℃、提取時(shí)間70 min不變);液料比為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1(mL/g)(超聲功率450 W、提取溫度65 ℃、提取時(shí)間70 min不變),以此來(lái)研究各因素對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響。

1.2.2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在1.2.2.1單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)原理,選取提取溫度X1、提取時(shí)間X2、超聲功率X3及液料比X4共4個(gè)對(duì)多糖提取影響顯著的因子,以多糖得率為響應(yīng)值,采用4因子3水平的響應(yīng)面分析法,得到二次回歸方程,并獲得最佳工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因子與水平

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次,結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用設(shè)計(jì)專(zhuān)家(Design-Expert.V 8.0.6.1)軟件作圖,并用此統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

按照1.2.1.2的方法繪制的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示,由該曲線獲得的回歸方程為Y=1.7889X-0.0425,R2=0.9952,以此計(jì)算下面所有實(shí)驗(yàn)得到的粗提物中多糖的含量。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve for glucose

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 提取溫度對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響 由圖2可知,隨著溫度的升高,多糖得率逐漸增大,當(dāng)達(dá)到65 ℃后,多糖得率增加減緩;再繼續(xù)升高溫度則多糖得率提高不顯著。但溫度越高,雜質(zhì)的溶出就越多,還可能會(huì)加快多糖的分解?？紤]到溫度高對(duì)多糖提取純度的不良影響和能耗問(wèn)題,所以選取65 ℃為最適提取溫度。此結(jié)果與李錦運(yùn)[8]等人的研究趨勢(shì)基本一致,考慮到超聲的良好輔助作用及熱效應(yīng),本實(shí)驗(yàn)選擇了相對(duì)較低的65 ℃以利于多糖的提取。

圖2 提取溫度對(duì)紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響Fig.2 The effect of temperature on the yield of polysaccharide of red flesh apple

2.2.2 提取時(shí)間對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響 由圖3可以看出,隨著時(shí)間的增加,多糖得率逐漸增大,當(dāng)達(dá)到70 min時(shí),多糖得率最大,隨后逐漸減低。這可能是因?yàn)闀r(shí)間延長(zhǎng)超聲引起的熱量積聚或機(jī)械剪切作用導(dǎo)致多糖的結(jié)構(gòu)變化而損失[19];提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致多糖分解,雜質(zhì)溶出。因此超聲時(shí)間選擇為70 min 較為合理。此結(jié)果與馬文杰[10]等人的研究趨勢(shì)基本一致,由于超聲提取具有高效性,所以本實(shí)驗(yàn)提取時(shí)間較李錦運(yùn)[8](5.7 h)、馬文杰(3 h)等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大大縮短。

圖3 提取時(shí)間對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響Fig.3 The effect of time on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.3 超聲功率對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響 超聲功率越高,越容易獲得較大的超聲強(qiáng)度,但超聲強(qiáng)度對(duì)多糖提取率的影響需要考慮超聲波與介質(zhì)相互作用的程度和提取物的性質(zhì)[19-20]。從圖4可以看出,超聲功率在300～450 W時(shí),隨超聲功率的增加,超聲波對(duì)細(xì)胞壁的破碎作用增強(qiáng),細(xì)胞內(nèi)多糖溶出速率增加,得率逐漸提高,但功率大于450 W時(shí),隨著超聲功率增大,多糖得率反而降低,可能因?yàn)檫^(guò)高的超聲波功率使多糖降解導(dǎo)致新疆紅肉蘋(píng)果多糖的破壞從而得率下降。因此,超聲功率選450 W較為合理。

圖4 超聲功率對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic power on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.4 液料比對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響 由圖5可以看出,當(dāng)液料比較小時(shí)(20∶1～30∶1),部分多糖不能溶出,得率較低;隨著料液比的增多,液固兩相接觸面增大水溶性物質(zhì)溶解加快,多糖溶出增加得率逐漸增大;當(dāng)液料比達(dá)到50∶1時(shí),多糖得率最大,隨后逐漸降低。這可能是由于料液比的過(guò)大,其他雜質(zhì)成分的溶出也相對(duì)增多。且增大料液比會(huì)延長(zhǎng)濃縮時(shí)間,增加操作費(fèi)用,考慮到降低能耗和成本等方面,選擇液料比40∶1～50∶1(mL/g)時(shí)較為合理。此結(jié)果與馬文杰[10]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

圖5 液料比對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率的影響Fig.5 The effect of liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化多糖的提取工藝

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果 通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化多糖的提取工藝,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析,利用設(shè)計(jì)專(zhuān)家(Design-Expert 8.0)軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,得到多糖得率的回歸方程模型如下:

Y=4.64+0.00276X1+0.13X2+0.001X3+0.022X4+0.015X1X2+0.021X1X3+0.088 X1X4-0.001X2X3-0.018X2X4-0.082X3X4-0.35X12-0.45X22-0.29X32-0.37X42

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表

注:*為影響顯著(p<0.05);**為影響極顯著(p<0.01)。

根據(jù)表3的結(jié)果可知,提取時(shí)間對(duì)多糖得率的影響顯著,其余三個(gè)因素不顯著,但四個(gè)因素的二次項(xiàng)(X12、X22、X32、X42)均影響極顯著;各因素對(duì)響應(yīng)值的排序?yàn)?提取時(shí)間(X2)>液料比(X4)>提取溫度(X1)>超聲功率(X3)。通常響應(yīng)曲面圖(圖6)可以直觀的反應(yīng)兩因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響,即如果相應(yīng)曲面比較陡,說(shuō)明此時(shí)各因素對(duì)響應(yīng)值的影響較為顯著,反之,則各因素對(duì)響應(yīng)值的影響較小。從圖6(a)～(f)中可以看出影響因素兩兩交互作用與響應(yīng)值的關(guān)系,總的影響趨勢(shì)基本一樣,交互作用多紅肉蘋(píng)果多糖的影響不顯著,這與表3的結(jié)果(因素交互作用的p值均大于0.05)相一致。但是圖6中的c、d、e曲面相對(duì)來(lái)說(shuō)比較陡一些,說(shuō)明提取時(shí)間與溫度、超聲功率與提取時(shí)間、提取時(shí)間和液料比的交互作用對(duì)新疆紅肉蘋(píng)果多糖得率有影響(這可能與提取時(shí)間的顯著影響有關(guān)),但交互作用影響不顯著(p>0.05);其次是b、a、f圖曲面相對(duì)較平緩,說(shuō)明提取溫度與超聲功率、液料比與提取溫度、超聲功率與液料比的交互作用對(duì)多糖得率的影響很小。

圖6 兩因素交互作用對(duì)多酚得率影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plots showing the effects of two factors interaction on the polyphenols yield

2.3.2 最佳條件的確定和回歸模型的驗(yàn)證 通過(guò)響應(yīng)面分析得到超聲波輔助提取新疆紅肉蘋(píng)果多糖最佳工藝條件為:提取溫度65.2 ℃、提取時(shí)間71.4 min、超聲功率449.8 W、液料比45.15∶1(mL/g),在此條件下的多糖理論得率為4.65%。

在實(shí)際操作中對(duì)上述條件稍作調(diào)整,最終確定的最佳工藝條件為提取溫度65 ℃、提取時(shí)間71 min、超聲功率450 W、液料比為45∶1(mL/g);在修正的條件下,進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到紅肉蘋(píng)果多糖實(shí)際的提取率為4.53%,此結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的4.65%較為接近。因此,采用RSM 法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)可靠。

3 結(jié)論

超聲輔助響應(yīng)面提取新疆紅肉蘋(píng)果多糖的最佳工藝條件為:提取溫度 65 ℃、提取時(shí)間71 min、超聲功率 450 W、液料比為45∶1(mL/g);在此條件下實(shí)際的多糖得率可達(dá)到4.53%。本研究結(jié)果為進(jìn)一步探討紅肉蘋(píng)果多糖的生物活性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),也為新疆紅肉蘋(píng)果資源的開(kāi)發(fā)利用和豐富植物多糖種類(lèi)提供參考。

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Optimization of ultrasonic extraction process of polysaccharide from red flesh apple of XingJiang with response surface method

QI Na,YANG Tian-ge,MENG Yong-hong,DENG Hong*,GAO Jie,GUO Yu-rong

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062,China)

The polysaccharides from red flesh apple was extracted by ultrasonic assisted method using Xinjiang red flesh apple as raw materials. Firstly,the effects of the four main factors(time of operation,liquid ratio,ultrasonic power and temperature)on the yield of polysaccharides in red flesh apple was discussed through single-factor experiments. The extraction technological condition of polysaccharides from red flesh apple was optimized with response surface method after single-factor test. The results showed that the optimal parameter was as follows:the extraction temperature was 65 ℃,time was 71 min,the ultrasonic power was 450 W and liquid-solid ratio was 45∶1(mL/g). Under this condition,the yield of polysaccharide in red flesh apple with ultrasonic extraction was the best of 4.53%,and it is close to the theoretical prediction of 4.65%. The mathematical model obtained in this experiment can accurately predict the yield of polysaccharide in red flesh apple. This results will provide a experimental basis to develop the resources of wild red flesh apple in Xinjiang.

red fiesh apple;polysaccharides;ultrasonic assisted method;response surface;extraction process

2016-05-27

齊娜(1993-),女,碩士,研究方向:食品科學(xué),E-mail:1030841929@qq.com。

*通訊作者:鄧紅(1967-),女,博士,副教授,研究方向:食品工程,E-mail:hongden@snnu.edu.cn。

陜西師范大學(xué)中央高校經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(GK201405005);農(nóng)業(yè)部蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)(CARS-28)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)20-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.20.000