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      黑豆種皮中原花青素的提取和純化研究

      2018-03-01 02:36:59朱學(xué)伸趙文林淑鑫王仁雷
      現(xiàn)代食品科技 2018年1期
      關(guān)鍵詞:樣液種皮黑豆

      朱學(xué)伸,趙文,林淑鑫,王仁雷

      (江蘇第二師范學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)化工學(xué)院,江蘇省生物功能分子重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210013)

      黑豆(Phaseolus vulgaris)是豆科植物大豆的成熟的黑色種子。黑豆的種皮是黑色的,子葉有黃色或者綠色的,分為黃仁黑豆、青仁黑豆和恒春黑豆3個(gè)品種。種植面積較廣,原產(chǎn)于我國(guó)黑龍江、吉林、遼寧和安徽,現(xiàn)在山東、河南、河北和江蘇均有種植。黑豆的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很豐富,具有高蛋白、低脂肪的特點(diǎn),并含有維生素和多種微量元素。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為,黑豆是一種經(jīng)濟(jì)、有助于抗衰老、具有醫(yī)食同療的特殊功能食品,尤其是其黑紫色的豆皮富含具有抗氧化作用的原花青素[1]。

      原花青素(procyanidins,PC)是自然界中廣泛存在于植物體中的一類(lèi)多酚類(lèi)化合物,是從植物中分離到的一種無(wú)色的物質(zhì),一般將在無(wú)機(jī)酸存在時(shí)、在加熱條件下可以產(chǎn)生紅色花青素的一類(lèi)多酚化合物統(tǒng)稱(chēng)為原花青素[2]。原花青素由兒茶素、表兒茶素單體和不同數(shù)量的兒茶素或表兒茶素聚合體組成,聚合體又分為低聚體和高聚體[3]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為,人體的許多疾病都和體內(nèi)存在的自由基有關(guān),大量研究表明,原花青素是目前研究發(fā)現(xiàn)的容易獲得、最強(qiáng)效的自由基清除劑。原花青素低聚體具有高效的抗氧化活性,其清除自由基能力是VE的50倍、Vc的20倍[4]。還具有保護(hù)心血管系統(tǒng)、降血糖、抗腫瘤、延緩皮膚衰老、抑菌和抗疲勞等作用,并作為保健食品被大量生產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于藥品、食品、保健食品和化妝品等領(lǐng)域[5],是極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值與市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值的天然產(chǎn)物。

      原花青素大多存在于植物的樹(shù)皮、果皮及種皮中,目前市場(chǎng)上原花青素主要來(lái)源于松樹(shù)皮、葡萄皮、葡萄籽和荔枝皮等,但從黑豆種皮中提取、純化原花青素并進(jìn)行系統(tǒng)化分析的報(bào)道較少。本文旨在研究黑豆種皮中原花青素的提取、純化方法。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      黑豆(產(chǎn)自福建省三明市);無(wú)水乙醇、甲醇、鹽酸(ω%:36.0~38.0)和氫氧化鈉等試劑(南京化學(xué)試劑股份有限公司);檸檬酸(西隴化工股份有限公司);檸檬酸三鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);Tris(Biosharp公司);兒茶素標(biāo)準(zhǔn)品(Sigma-aldrich公司);香草醛(生物工程股份有限公司);AB-8大孔樹(shù)脂(西安瀚宇樹(shù)脂科技有限公司)。

      1.2 儀器與設(shè)備

      高功率數(shù)控超聲波清洗器(超聲儀器有限公司);破壁料理機(jī)(九陽(yáng)股份有限公司);BSA224S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);SHZ-Ⅲ循環(huán)水式真空泵(科爾儀器設(shè)備有限公司);安泰生物安全柜(蘇凈集團(tuán)有限公司);分光光度計(jì)(Thermo公司);數(shù)顯恒溫水浴鍋(榮華儀器制造有限公司);冷凍干燥機(jī)(Telstar公司);真空濃縮儀(Eppendorf公司)。

      1.3 方法

      1.3.1 原花青素濃度的測(cè)量方法

      采用香草醛-鹽酸法測(cè)量黑豆種皮原花青素粗提物的濃度。以甲醇為溶劑,配置濃度為2%的香草醛甲醇溶液,現(xiàn)配現(xiàn)用。測(cè)量時(shí),取1 mL提取液于試管中(若提取液濃度過(guò)高,將其稀釋10倍后再?。?,加入5 mL的2%香草醛甲醇溶液,再加入1 mL的濃鹽酸,震蕩搖勻后,于500 nm波長(zhǎng)下測(cè)量吸光值。

      以?xún)翰杷貫闃?biāo)準(zhǔn)品,配置濃度分別為0.1 mg/mL、0.2 mg/mL、0.3 mg/mL、0.4 mg/mL、0.5 mg/mL的兒茶素標(biāo)準(zhǔn)溶液,使用香草醛-鹽酸法于500 nm下測(cè)量吸光值。以?xún)翰杷貪舛龋╩g/mL)為x軸,吸光度值A(chǔ)為y軸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并得到直線方程如下:

      y=0.98x +0.0193,R2= 0.9931

      1.3.2 原花青素提取單因素試驗(yàn)

      1.3.2.1 乙醇濃度對(duì)原花青素提取效果的影響

      剝?nèi)∫欢康暮诙狗N皮,使用料理機(jī)磨碎成粉末,稱(chēng)取1 g黑豆種皮粉末置于錐形瓶中,分別加入55%、60%、65%、70%和75%的5個(gè)不同濃度的乙醇溶液,料液比為1:20(m/V),使用封口膜封閉錐形瓶。然后將樣品放入超聲波清洗儀中,使用100%功率,在60 ℃下提取30 min。將提取液進(jìn)行抽濾除去固體顆粒,分別取1 mL提取液按照香草醛-鹽酸法測(cè)定原花青素含量。

      1.3.2.2 提取時(shí)間對(duì)原花青素提取效果的影響

      剝?nèi)∫欢康暮诙狗N皮,使用料理機(jī)磨碎成粉末,稱(chēng)取1 g黑豆種皮粉末置于錐形瓶中,加入60%的乙醇溶液,料液比為1:20(m/V),使用封口膜封閉錐形瓶。然后將樣品放入超聲波清洗儀中,使用100%功率,在60 ℃下進(jìn)行提取,設(shè)定5個(gè)不同的提取時(shí)間分別為20 min、30 min、40 min、50 min和60 min。將提取液進(jìn)行抽濾除去固體顆粒,分別取1 mL提取液按照香草醛-鹽酸法測(cè)定原花青素含量。

      1.3.2.3 料液比對(duì)原花青素提取效果的影響

      剝?nèi)∫欢康暮诙狗N皮,使用料理機(jī)磨碎成粉末,稱(chēng)取1 g黑豆種皮粉末置于錐形瓶中,加入60%的乙醇溶液,設(shè)定5個(gè)不同的料液比分別為1:10、1:20、1:30、1:40、1:50(m/V),使用封口膜封閉錐形瓶。然后將樣品放入超聲波清洗儀中,使用100%功率,在60 ℃下提取,提取時(shí)間為30 min。將提取液進(jìn)行抽濾除去固體顆粒,分別取1 mL提取液按照香草醛-鹽酸法測(cè)定原花青素含量。

      1.3.2.4 提取溫度對(duì)原花青素提取效果的影響

      剝?nèi)∫欢康暮诙狗N皮,使用料理機(jī)磨碎成粉末,稱(chēng)取1 g黑豆種皮粉末置于錐形瓶中,加入60%的乙醇溶液,料液比為1:20(m/V),使用封口膜封閉錐形瓶。然后將樣品放入超聲波清洗儀中,使用100%功率,設(shè)置5個(gè)不同的溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃進(jìn)行提取,提取時(shí)間30 min。將提取液進(jìn)行抽濾除去固體顆粒。分別取1 mL提取液按照香草醛-鹽酸法測(cè)定原花青素含量。

      1.3.2.5 原花青素提取正交試驗(yàn)方法

      為了更加準(zhǔn)確的確定黑豆種皮原花青素的提取條件,根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)原理,在前述的乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度、料液比、提取次數(shù)4個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,分別選取較優(yōu)的3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn),重復(fù)兩次并取平均值,最后進(jìn)行結(jié)果分析。原花青素提取率的計(jì)算:

      提取率(%)=(粗提液中原花青素質(zhì)量/黑豆種皮質(zhì)量)×100%

      1.3.3 原花青素粗提物的純化研究

      按照1.3.3優(yōu)化的最優(yōu)方法得到的黑豆種皮原花青素粗提液經(jīng)真空濃縮[6]、冷凍、干燥成粉末備用。采用大孔樹(shù)脂層析柱進(jìn)行純化處理。大孔樹(shù)脂多為工業(yè)型原料,含有堿等防腐劑,因此使用前須預(yù)處理除去雜質(zhì)。取適量大孔樹(shù)脂于無(wú)水乙醇中靜置24 h,令樹(shù)脂充分水合后用蒸餾水洗至無(wú)醇;其次用5%的鹽酸溶液浸泡樹(shù)脂12 h,用蒸餾水洗至中性;再置于5%氫氧化鈉溶液中浸沒(méi)12 h后用蒸餾水沖洗;最后置于蒸餾水中備用[7];采用大孔樹(shù)脂濕法裝柱待用[8],研究動(dòng)態(tài)的吸附與解析條件。

      1.3.3.1 確定最佳上樣液流速

      配制上樣液濃度為0.6 mg/mL,測(cè)出吸光值A(chǔ)0。將20 mL AB-8大孔樹(shù)脂濕法裝柱,分別以0.4、0.6、0.8、1.0 mL/min的流速上樣,流出液每到10 mL收集一次,測(cè)吸光值A(chǔ)1。當(dāng)A1值趨于穩(wěn)定時(shí),停止上樣,繪制泄露曲線,確定最佳上樣液流速。

      1.3.3.2 確定吸附液的最適濃度

      量取20 mL AB-8大孔樹(shù)脂,濕法裝柱。上樣液質(zhì)量濃度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL,分別測(cè)上樣液的吸光度值A(chǔ)0[9],以最佳上樣液流速上樣20 mL,待上樣液全部通過(guò)層析柱后,測(cè)出流出液的吸光值A(chǔ)1,計(jì)算吸附率并繪制曲線,確定吸附液的最適濃度。

      1.3.3.3 選擇最佳洗脫流速

      量取20 mL AB-8大孔樹(shù)脂,以上述最佳濃度的溶液上樣使其吸附飽和,先用適量的去離子水洗脫有機(jī)酸、糖類(lèi)等雜質(zhì)(可進(jìn)行速度調(diào)試),然后用靜態(tài)吸附試驗(yàn)選擇出最優(yōu)濃度的乙醇溶液洗脫,分別以0.5、1、1.5 mL/min的流速洗脫,每收集10 mL流出液時(shí),測(cè)吸光值A(chǔ)2,繪制相應(yīng)曲線,選擇最佳洗脫流速。

      1.3.4 原花青素純化產(chǎn)物的紅外色譜定性分析

      稱(chēng)量純化后的黑豆皮原花青素固體粉末約2 mg,與溴化鉀充分研磨,進(jìn)行干燥處理。經(jīng)壓片處理5 min后,得到原花青素-溴化鉀圓片,在紅外分光光度計(jì)中進(jìn)行紅外光譜掃描,得到紅外光譜圖[10]。

      1.4 數(shù)據(jù)分析

      數(shù)據(jù)處理及作圖采用SPSS和Microsoft Excel分析軟件。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 原花青素提取效果單因素實(shí)驗(yàn)分析

      圖1 乙醇濃度(a)、提取時(shí)間(b)、料液比(c)、和提取溫度(d)對(duì)原花青素提取效果影響的結(jié)果Fig.1 Effects of ethanol concentration (a), extraction time (b),solid-liquid ratio (c) and extraction temperature (d) on the extraction of procyanidins

      根據(jù)圖1(a)結(jié)果所示,乙醇的濃度在低于60%時(shí),隨著乙醇濃度的增加,黑豆種皮中原花青素的提取效果呈上升趨勢(shì);當(dāng)乙醇的濃度高于60%時(shí),隨著乙醇濃度的增加,提取效果反而呈下降趨勢(shì),乙醇濃度過(guò)高反而不利于提取。因此,采用55%、60%、65%作為正交試驗(yàn)中乙醇濃度三個(gè)水平。

      提取時(shí)間對(duì)原花青素提取效果影響的結(jié)果如圖1(b)所示。提取時(shí)間在40 min之前,黑豆種皮中原花青素的提取效果隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而呈上升趨勢(shì);提取時(shí)間在40 min之后,提取效果隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì),提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致原花青素的穩(wěn)定性下降,反而降低了提取率。

      因此,采用30 min、40 min和50 min作為正交試驗(yàn)的提取時(shí)間三個(gè)水平。

      根據(jù)圖1(c)結(jié)果所示,黑豆種皮中原花青素的提取濃度隨著料液比的增大而升高,但是料液比過(guò)高會(huì)造成材料的浪費(fèi)。再根據(jù)提取率來(lái)看,料液比在低于1:30時(shí),提取率隨著料液比的增高而降低,料液比在1:30~1:10之間,提取率有峰值,料液比為1:20 (m/V)的時(shí)候提取率水平較高,但仍低于料液比為1:50的提取率。但是1:50的溶液量過(guò)多,考慮到后期的濃縮以及溶液的節(jié)省問(wèn)題,因此,采用1:30、1:20、1:10 (m/V)作為正交試驗(yàn)的中料液比的三個(gè)水平。

      提取溫度對(duì)原花青素提取效果影響的結(jié)果如圖1(d)所示。提取溫度在50 ℃之前,黑豆種皮中原花青素的提取效果隨著提取溫度的升高而呈上升趨勢(shì);提取溫度在50 ℃之后,提取效果隨著提取溫度的升高而呈下降趨勢(shì),提取時(shí)間過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致原花青素的穩(wěn)定性下降,反而降低了提取率。因此,采用40 ℃、50 ℃和60 ℃作為正交試驗(yàn)中提取溫度三個(gè)水平。

      2.2 原花青素提取效果正交實(shí)驗(yàn)分析

      在正交單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,對(duì)影響黑豆種皮原花青素粗提物提取效果的4個(gè)主要因素:乙醇濃度(A)、提取時(shí)間(B)、料液比(C)和提取溫度(D)進(jìn)行分析,分別選取3個(gè)水平,采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最佳提取條件實(shí)驗(yàn)分析,具體設(shè)計(jì)參照表1。

      表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The design of orthogonal experiment

      由表2的正交試驗(yàn)結(jié)果可知,料液比和乙醇濃度對(duì)黑豆種皮的原花青素提取效果影響較大,相比較之下,提取溫度和提取時(shí)間影響較小。

      四個(gè)因素對(duì)黑豆種皮中原花青素的提取效果的顯著性依次是:料液比(m/V)>乙醇濃度(%)>提取溫度(℃)>提取時(shí)間(min)。根據(jù)均值的結(jié)果得出,黑豆種皮原花青素的最優(yōu)提取條件是A2B3C1D2。但根據(jù)料液比的單因素試驗(yàn),當(dāng)料液比為1:10(m/V)時(shí),提取率較低,浪費(fèi)原材料,并且乙醇易揮發(fā),會(huì)導(dǎo)致溶液過(guò)少,不利于工業(yè)化生產(chǎn),所以最終選用的料液比為1:20(m/V)。因此確定的最優(yōu)提取條件為A2B3C2D2,即乙醇濃度為60%、提取時(shí)間為50 min、料液比為1:20(m/V)、提取溫度為60 ℃。

      童錫迪等[11]、張海暉等[12]、孫智達(dá)等[13]和姜霞等[14]分別研究了蓮子殼、板栗殼中、沙棗果肉和葡萄籽中原花青素的最佳提取工藝,研究結(jié)果顯示乙醇濃度介于50%~72%之間,提取溫度在介于40 ℃和76 ℃之間,料液比為1:7(m/V)至1:15(m/V)不等,由于均未使用超聲波輔助提取,所以提取時(shí)間都較長(zhǎng)。

      QIN等人使用超聲波輔助提取法研究了紅景天中原花青素的最優(yōu)提取條件,其最佳提取條件如下:料液比為1:40 (m/V)、乙醇濃度為60%,提取溫度為50 ℃,提取時(shí)間為30 min[15],同本文的最終結(jié)果較為接近。因?yàn)樗褂玫奶崛〔牧隙疾煌?,所以最佳提取條件會(huì)有所偏差,但均在一定的較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

      表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果Table 2 The analysis results of orthogonal experiment

      2.3 黑豆種皮原花青素動(dòng)態(tài)吸附和解析研究

      2.3.1 上樣液流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響

      圖2 上樣液流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響Fig.2 Effects of different sampling velocities on the dynamic adsorption

      由圖2上樣液流速對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響曲線可知,不同流速的上樣液導(dǎo)致吸附效率不同。本試驗(yàn)每當(dāng)流出液體積到10 mL時(shí)測(cè)量吸光值,圖中雖然展示流出液體積相同情況下,流速較慢,吸光值越較快達(dá)到飽和。但是上樣液0.4 mL/min的流速需25 min才流出10 mL,而流速為1 mL/min的上樣液只需要10 min。圖中也顯示最后各流速吸光值飽和值相似且1.0 mL/min的流速飽和值略大,因此綜合考慮時(shí)間因素決定選用1.0 mL/min的上樣液流速以提高效率。

      2.3.2 上樣液濃度對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響

      圖3 上樣液濃度對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響Fig.3 Effects of different sampling concentrations on the dynamic adsorption

      由圖3可知,一定范圍內(nèi),吸附率隨著上樣液濃度增大而增大,到了0.6 mg/mL后呈下降趨勢(shì),可能由于上樣液濃度過(guò)大,超出樹(shù)脂吸附限量。因此,選用上樣液濃度為0.6 mg/mL。

      2.3.3 洗脫液流速對(duì)解析速度的影響

      由圖4可知,不同的洗脫液流速進(jìn)行洗脫,洗脫的峰值較為集中,說(shuō)明洗脫流速對(duì)洗脫劑量影響不大,綜合考慮實(shí)驗(yàn)所耗時(shí)間,選擇速度稍快的1.5 mL/min作為最佳解析流速。

      圖4 洗脫液流速對(duì)解析速度的影響Fig.4 Effects of different eluent velocities on the elution efficiency

      本實(shí)驗(yàn)選取AB-8型大孔樹(shù)脂,張繼曼等純化黑豆花色苷時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)最終也選取AB-8型大孔樹(shù)脂[16],王少波等也通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)AB-8型大孔樹(shù)脂吸附與解析率最高[17]。原因可能在于黑豆中原花青素物質(zhì)屬于弱極性化合物,AB-8型樹(shù)脂能較易吸附帶有一定的極性和親水性的物質(zhì)。

      本實(shí)驗(yàn)最佳純化條件為:吸附平衡時(shí)間4 h,解析平衡時(shí)間3 h,上樣液濃度為0.6 mg/mL,流速1.0 mL/min,洗脫液乙醇濃度60%,洗脫液流速1.5 mL/min。

      宋巖等[18]2013年對(duì)黑豆花色苷提取純化研究中,大孔樹(shù)脂吸附平衡與解析時(shí)間分別為40 min和70 min,比本實(shí)驗(yàn)時(shí)間短,原因可能為其靜態(tài)吸附使用了200 mL花色苷粗提樣,吸附迅速達(dá)到飽和,本試驗(yàn)僅用30 mL粗提液,所以時(shí)間較長(zhǎng)。于立梅等以馬尾松樹(shù)皮的原花青素為對(duì)象進(jìn)行純化研究中,通過(guò)LSA-10樹(shù)脂的上樣液與解析液流速與本實(shí)驗(yàn)相同,而上樣濃度為12.5 mg/mL[19],部分原因可能是大孔樹(shù)脂型號(hào)不同導(dǎo)致吸附量不同。

      2.3.4 原花青素提取物的紅外光譜分析

      紅外光譜圖數(shù)據(jù)顯示,黑豆皮原花青素的粗提物、純化物和標(biāo)準(zhǔn)品的透過(guò)率(T%)逐步降低,說(shuō)明純化工藝奏效,純化物含有的吸光雜質(zhì)成分比粗提物少,因此透過(guò)率T值較低。由于提供的標(biāo)準(zhǔn)品為兒茶素,而原花青素除了含有兒茶素外,還有表兒茶素及其他多聚體,因此標(biāo)準(zhǔn)品的峰值較少。純化物出現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)品相同情況的幾次尖峰、雙峰或肩峰,而粗提物卻無(wú)相似的特征峰出現(xiàn)。紅外光譜圖顯示,在1500~1600 cm-1間,出現(xiàn)苯環(huán)振動(dòng)的吸收峰,在3400 cm-1處峰為原花青素的羥基振動(dòng)。因此,紅外圖譜顯示本實(shí)驗(yàn)的純化工藝確實(shí)奏效,純化物含有純度更好的原花青素。

      圖5 黑豆皮原花青素粗提物(a)、黑豆皮原花青素純化物(b)和兒茶素標(biāo)準(zhǔn)品(c)紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of crude extract of procyanidins from black bean seed coats (a), purified substance of procyanidins from black bean seed coats (b), and catechins standard (c)

      3 總結(jié)

      使用超聲波輔助提取法粗提黑豆皮中原花青素的最佳條件為:乙醇濃度為60%、提取時(shí)間為50 min、料液比為1:20(m/V)、提取溫度為60 ℃為最優(yōu)提取條件。

      確立了以AB-8型大孔樹(shù)脂吸附法純化粗提物最優(yōu)條件是0.6 mg/mL的原花青素粗提液為上樣液質(zhì)量濃度,流速為1.0 mL/min,吸附平衡時(shí)間為4 h,60%的乙醇溶液作為洗脫液,洗脫流速1.5 mL/min,解析時(shí)間為3 h。以上研究結(jié)果可為黑豆種皮中原花青素的工業(yè)化提取和純化生產(chǎn)提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)。

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