不同方法提取甜玉米芯多酚對比研究

林樅雨，馬永強，王鑫，李煜，戴傳榮，黃赫雁

（哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱150076）

不同方法提取甜玉米芯多酚對比研究

林樅雨，馬永強*，王鑫，李煜，戴傳榮，黃赫雁

（哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱150076）

以美國脆王甜玉米芯為原料，分別采用乙醇浸提、超聲波輔助和微波輔助提取甜玉米芯多酚并選擇最優(yōu)方法，通過單因素試驗及L9（34）正交試驗設(shè)計，確定甜玉米芯多酚最佳提取條件。結(jié)果表明：超聲波輔助提取法效果明顯優(yōu)于乙醇浸提法和微波輔助提取法，甜玉米芯多酚提取率為95.10%。單因素試驗及正交設(shè)計表明當甜玉米芯多酚提取3次，提取溫度40℃，超聲時間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL）時，多酚提取率達到最高，為96.04%，多酚得率為16.24mg/g。本試驗為甜玉米芯多酚分離純化的進一步研究提供試驗依據(jù)。

甜玉米芯；多酚；乙醇浸提法；微波輔助法；超聲波輔助法

我國作為世界傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，植物資源豐富，主要經(jīng)濟作物——玉米年產(chǎn)量在1.5億t以上，作為副產(chǎn)物的玉米芯也達到了4 000多萬t[1]，已然變成一種數(shù)量可觀的生物資源，但一直以來國內(nèi)對玉米芯的研究較少，回收利用率不高使絕大部分玉米芯只能作為動物飼料或直接焚燒，造成了極大資源浪費和環(huán)境污染。本試驗所研究的甜玉米又稱為蔬菜玉米。甜玉米起源于美國，有100多年的栽培歷史，在20多年前傳入了中國。甜玉米含有豐富和均衡的營養(yǎng)成分，且具有較好的口感，很受消費者喜歡，被稱為“黃金食品”[2]。陳家明[3]等研究表明甜玉米芯一般占甜玉米重量的20.0%～30.0%，其中含有主要成分為：纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和木聚糖，還有其他成分，如粗脂肪、糖類、粗蛋白、礦物質(zhì)等[4]，也包括蘆丁、金絲桃苷、龍膽酸等多種植物多酚[5]，其含量多于1.34%。植物多酚又被叫做植物單寧，大量存在于植物體的組織中，如黃酮、咖啡酸、兒茶素、綠原酸、榭皮素、金絲桃苷等。K. Frendenberg根據(jù)多酚結(jié)構(gòu)特點又將其分成縮合單寧（condensed tannin）與水解單寧（hydrolysable tannin）兩類[6]，方便了進一步的研究。

眾所周知，多酚具有多種生理功能和藥理功能，清除自由基、抗腫瘤、抑菌、抗輻射、降血脂、抗氧化、防曬美白和提高免疫力等對人類健康有益的作用[7-9]，可以改善并提高膳食的結(jié)構(gòu)，是一種既營養(yǎng)又保健的食用佳品。為了增加甜玉米的綜合利用價值和有效資源開發(fā)，改善農(nóng)業(yè)廢料對環(huán)境帶來的危害，實驗以甜玉米芯多酚物質(zhì)的幾種提取方法為對比，選取最優(yōu)方法進行工藝優(yōu)化研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料取自黑龍江綏化產(chǎn)美國脆王甜玉米。

沒食子酸標準品、無水乙醇（分析純）、福林酚試劑（分析純）、碳酸鈉（分析純）和蒸餾水等。

1.2 儀器與設(shè)備

FW177型中草藥粉碎機、DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；R209型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海申勝生物技術(shù)有限公司；SHB-IV型雙A循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；FA1104B型電子天平：上海越平科學儀器有限公司；722型紫外分光光度計：上海元析儀器有限公司；TDL80-2B型高速離心機：上海安亭科學儀器廠制造；JY-98-111DN型超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技有限公司；XH-MC-1型祥鵠實驗室微波催化合成/反應(yīng)儀：北京祥鵠科技發(fā)展有限公司。

1.3 材料的預(yù)處理

將甜玉米去粒后用烘盤裝甜玉米芯，放于陽臺晾干后斬塊，用粉碎機粉碎甜玉米芯，再過80目篩，備用[10]。

1.4 標準曲線的繪制

采用福林酚法，以沒食子酸為標準品，測定甜玉米芯中多酚的含量[11-12]。

準確稱取50mg沒食子酸標準品，先加入少量蒸餾水待沒食子酸溶解后，加蒸餾水定容至500mL，混勻后得到濃度為100μg/mL的沒食子酸標準溶液。量取標準液0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mL于10mL比色管中，加蒸餾水定容至2mL，搖勻后加1mL福林酚試劑，4min后加入1mL 10%碳酸鈉溶液，25℃水浴2 h，測定溶液在765 nm波長處的吸光值（A765），進行3組平行試驗，以吸光度為縱坐標，沒食子酸含量（μg）為橫坐標，得線性回歸方程y=0.022x+0.009，R2= 0.998 0，具有良好的線性關(guān)系。

1.5 總多酚的測定

以福林酚顯色法測定。取甜玉米芯提取液1mL于10mL容量瓶內(nèi)，再加入1mL福林酚試劑，4min后加入1mL 10%碳酸鈉溶液，25℃水浴下反應(yīng)2 h，測定溶液在765nm波長處的吸光值（A765），根據(jù)標準曲線計算甜玉米芯提取液中總多酚的沒食子酸當量，總多酚含量以每100 g甜玉米芯的沒食子酸當量（mg）表示。

1.6 總多酚提取率的測定

利用如下公式計算總多酚提取率（P）

式中：m為提取的多酚總質(zhì)量，mg；M為樣品含有的多酚總質(zhì)量，mg。

1.7 不同方法提取甜玉米芯多酚[13]

1.7.1 乙醇浸提法提取甜玉米芯多酚工藝

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液作為浸提液，在70℃水浴條件下反應(yīng)2h，水浴完畢后，將高速離心機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計算總多酚提取率。

1.7.2 微波輔助法提取甜玉米芯多酚工藝[14]

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液做為浸提液，調(diào)節(jié)微波功率至600W，溫度至60℃的條件下提取3min，將高速離心機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計算總多酚提取率。

1.7.3 超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚工藝[15]

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液做為浸提液，在溫度50℃，超聲波功率300W的條件下提取60min，將高速離心機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，將樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計算總多酚提取率。

1.8 不同提取條件對甜玉米芯多酚提取率的單因素試驗

根據(jù)1.7.1、1.7.2和1.7.3的提取工藝，比較它們的總多酚提取率，選取提取率最高的方法研究提取次數(shù)、提取溫度、超聲時間、超聲功率、乙醇濃度和料液比對甜玉米芯多酚提取率的影響。

以1.7.3的提取工藝為基礎(chǔ)，分別調(diào)節(jié)提取次數(shù)為1、2、3、4和5次，提取溫度為30、40、50、60、70℃，超聲時間為20、40、60、80、100min，超聲功率為200、250、300、350、400W，乙醇濃度50%、60%、70%、80%和90%，料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35（g/mL）。

1.9 正交試驗

在1.8的基礎(chǔ)上，進行正交試驗對甜玉米芯多酚提取工藝進行優(yōu)化，以總多酚提取率為指標，確定甜玉米芯多酚提取的最佳工藝條件。

根據(jù)單因素試驗確定基準試驗因素為：提取次數(shù)3次，料液比為1∶25（g/mL）。選擇試驗因素為提取溫度（A）、超聲時間（B）、超聲功率（C）和乙醇濃度（D），設(shè)立3個水平，利用正交試驗設(shè)計L9（34）對甜玉米芯中多酚的超聲波輔助提取工藝進行優(yōu)化，正交試驗因素及水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平Table1 Factorsand levels in orthogonalarray design

2 結(jié)果與分析

2.1 提取甜玉米芯多酚的優(yōu)化方法選擇

提取甜玉米芯多酚的優(yōu)化方法選擇見表2。

表2 不同方法提取甜玉米芯多酚的測定結(jié)果Table2 Themeasurement resultswith differentmethods for extracting of sweet corn cob polyphenols

乙醇浸提法即有機溶劑提取法，是選用對目標成分具有良好溶解性并可以斷裂氫鍵的有機溶劑將其從原料中提取浸出的方法。微波輔助法是利用微波能來提高萃取效率的技術(shù)[16]。微波在傳遞過程中穿透植物體并被植物體吸收，產(chǎn)生熱能，在熱效應(yīng)作用下，植物細胞內(nèi)的溫度迅速上升，使細胞中的水分氣化，產(chǎn)生的壓力使細胞膜破裂，增大了提取物與溶劑之間的接觸面積，增加了系統(tǒng)內(nèi)的熱動力，使提取成分更容易溶解于提取液中，從而提高了提取效率。而超聲輔助提取是多酚提取方法的一種，超聲波輔助提取的強化動力來源于其空化作用，空化作用引起了湍動效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)和聚能效應(yīng)等[17]。超聲波被多個研究證明能夠顯著地減少提取時問并增加提取率從而促進許多植物原材料活性成分的提取[18]。

由表2可知，3種提取甜玉米芯多酚的效果為：超聲波輔助法＞微波輔助法＞乙醇浸提法，且超聲波輔助法效果明顯優(yōu)于其余兩種，故選擇超聲波輔助法進行正交優(yōu)化試驗。

2.2 超聲波輔助法單因素試驗

2.2.1 提取次數(shù)對甜玉米芯多酚提取率的影響

提取次數(shù)對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖1。

由圖1所示，當提取次數(shù)在3次之前，甜玉米芯多酚提取率呈顯著上升趨勢，是因為在一定的提取次數(shù)內(nèi)，多酚經(jīng)乙醇作用而大量溶解。在3次之后增長趨勢逐漸變得平緩，主要由于原料里所剩多酚已經(jīng)不多，呈現(xiàn)附著狀態(tài)，很難被溶解出來?？紤]到試驗成本和試劑用量，故可選取3次為最佳提取次數(shù)。

圖1 提取次數(shù)對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.1 Effectsofextraction timeson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

2.2.2 提取溫度對甜玉米芯多酚提取率的影響

提取溫度對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖2。

圖2 提取溫度對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.2 Effectsof extraction tem peratureson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖2所示，50℃為最佳提取溫度。當溫度低于50℃時，多酚提取率隨溫度的增高呈顯著上升趨勢，這是因為更高的溫度可以加快機體內(nèi)分子的運動水平，使多酚從甜玉米芯粉末中快速溶出。在高于50℃后，多酚得率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，是因為過高的溫度會使乙醇大量揮發(fā)，導(dǎo)致溶劑濃度降低，從而影響了多酚的提取率。

2.2.3 超聲時間對甜玉米芯多酚提取率的影響

超聲時間對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖3。

圖3 超聲時間對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.3 Effectsof ultrasonic tim eon extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖3所示，60min為最佳超聲時間。當超聲時間少于60min時，多酚提取率隨著時間呈明顯的上升趨勢，但在高于60min之后，多酚提取率呈下降趨勢，這是由于在一定的空化作用下機體發(fā)生破碎，多酚分子得以釋放，加快了目標物質(zhì)的溶出，但過長的超聲時間會使空化效應(yīng)作用力有所減少，影響多酚的析出，而且會破壞多酚的分子結(jié)構(gòu)的化學鍵，溶出更多的雜質(zhì)。

2.2.4 超聲功率對甜玉米芯多酚提取率的影響

超聲功率對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖4。

圖4 超聲功率對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.4 Effectsof ultrasonic power on extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖4所示，300W為最佳超聲功率。當功率低為300W時，多酚提取率隨功率的加大呈顯著上升趨勢。隨著功率的繼續(xù)加大，多酚的提取率又急劇下降，主要是由于超聲功率的增強，使空化作用和機械剪切的攪拌作用也隨之增強，甜玉米芯細胞加速裂解后使多酚物質(zhì)快速溶出，當功率過大時，超聲可能會引起溶液瞬時升溫，使局部過熱，從而造成了分子裂解，提取率呈現(xiàn)下降的趨勢[19]。

2.2.5 乙醇濃度對甜玉米芯多酚提取率的影響

乙醇濃度對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖5。

圖5 乙醇濃度對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.5 Effectsof ethanolconcentrationson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖5所示，乙醇濃度70%為最佳濃度。當試劑濃度低于70%時，多酚提取率隨濃度的增加顯現(xiàn)上升趨勢，這是因為一定濃度的乙醇溶液可以破壞內(nèi)部硫水鍵與氫鍵，打開甜玉米芯細胞結(jié)構(gòu)，使得多酚物質(zhì)充分析出，當乙醇濃度大于70%之后，多酚得率呈明顯下降趨勢，原因是高濃度的乙醇導(dǎo)致玉米芯中的組織細胞通透性變?nèi)?，同時乙醇也會大量地揮發(fā)，作用于物料的減少。

2.2.6 料液比對甜玉米芯多酚提取率的影響

料液比對甜玉米芯多酚提取率的影響見圖6。

圖6 料液比對甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.6 Effectsof solid-liquid ratioson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖6可看出，料液比在1∶15（g/mL）～1∶25（g/mL）之間，多酚提取率呈上升趨勢，因為溶劑較多，可增加與物料的表面積接觸，加快了目標物質(zhì)的溶出。在1∶25（g/mL）之后，多酚提取率增長平緩，由于料液比的增加會溶解出更多的非酚類物質(zhì)，這不僅浪費有機試劑還引入了雜質(zhì)。綜合經(jīng)濟成本及后續(xù)進行的濃縮處理等因素的考慮，故可確定料液比單因素的最佳條件為1∶25（g/mL）。

2.3 正交試驗優(yōu)化提取條件

正交試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table3 Orthogonalarray designmatrix and experimental results

通過正交試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可知，影響甜玉米芯多酚提取率因素的主次為D>C>A>B，即乙醇濃度>超聲功率>提取溫度>超聲時間，理論最佳提取組合為A2B2C2D2，因為這個組合不在正交已做的9組試驗中，所以對其驗證并進行3組平行試驗，結(jié)果表明該組合對甜玉米芯多酚的提取率為95.88%，比正交試驗最佳組合A1B2C2D2的結(jié)果低，由于超聲作用會使混合液溫度快速上升，溫度過高，會造成乙醇揮發(fā)，溶液濃度降低，因此試驗得出甜玉米芯多酚提取率最佳條件為提取3次，提取溫度40℃，超聲時間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL）。賴富饒等[15]的研究結(jié)果表明：提取溫度40℃，超聲時間45min，超聲功率200W，乙醇濃度80%，料液比1∶15（g/mL）時，多酚提取率最高。與本文的工藝參數(shù)不同，可能是由于原材料產(chǎn)地不同而造成的總多酚含量不同，還可能是由于采用的超聲輔助提取儀器不同，但最終提取率與本文結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

1）應(yīng)用乙醇浸提法、微波輔助法和超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚，以總多酚提取率為指標，可知超聲波輔助法（95.10%）的甜玉米芯多酚提取率明顯高于乙醇浸提法（50.84%）和微波輔助法（72.73%），因此選取超聲波輔助法進行正交優(yōu)化試驗。

2）由正交試驗結(jié)果可以看出，超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚試驗的影響因素主次是乙醇濃度>超聲功率>提取溫度>超聲時間，通過驗證和計算得出最佳參數(shù)為提取3次，提取溫度40℃，超聲時間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL），多酚提取率達到最高，為96.04%，多酚得率為16.24mg/g。

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Com parison of Polyphenols of Sweet Corn Cob Extracted by Different M ethods

LINCong-yu，MA Yong-qiang*，WANGXin，LIYu，DAIChuan-rong，HUANGHe-yan
（Collegeof Food Engineering，Harbin University ofCommerce，Key Laboratory for Food Science and Engineering in Heilongjiang Collegeand University，Harbin 150076，Heilongjiang，China）

In thisstudy，the American Krispy King sweetcorn cob，as theexperimentalmaterials，wasextracted by the ethanol，ultrasonic-assisted and microwave-assisted to decide the bestmethod.Through the single factorexperimentand L9（34）orthogonaldesign to determine the optimum extraction conditionsofpolyphenolsof sweetcorn cob.The resultsshowed thatultrasonic-extractionmethodwasbetter than ethanolextraction andmicrowave-assisted extraction，and the extraction rate of polyphenolswas 95.10%.Single factor experimentand orthogonal design experiments showed thatwhen ultrasonic-assisted extracted three times，extraction temperature 40℃，ultrasonic time 60min，ultrasonic power 300W，ethanol concentration 70%and solid-liquid ratio 1∶25（g/mL），thehighestextraction rateofpolyphenolswas96.04%and theyieldofpolyphenolswas16.24mg/g.This studycanprovideexperimentalreferencesforfurtherdevelopmentandutilizationofpolyphenolsofsweetcorncob.

sweetcorncob；polyphenol；ethanolextraction；microwave-assistedmethod；ultrasonic-assisted method

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.014

2016-08-14

哈爾濱商業(yè)大學研究生創(chuàng)新科研項目（YJSCX2015-392HSD）

林樅雨（1991—），男（漢），碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

*通信作者：馬永強（1963—），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：食品化學。