內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖工藝優(yōu)化

鄭韻英,黃瓊慧,嚴(yán)業(yè)雄,李水源,顏榮森,鐘書明,尹艷鎮(zhèn)

(1.欽州學(xué)院石油與化工學(xué)院,廣西欽州 535099;2.欽州學(xué)院石油與化工學(xué)院,欽州市生物廢棄物資源富硒功能化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西欽州 535000)

火龍果是一種高維生素,低糖類,低脂肪的,一高兩低的水果[1],目前,在我國廣泛種植于廣東、廣西、海南、福建等地[2]?；瘕埞麪I養(yǎng)價(jià)值極高,果肉鮮美甘甜,果皮肉質(zhì)化,富含多糖等生理活性物質(zhì),多糖具有清除自由基、抗疲勞、抗炎等生理功能,并且在抑制腫瘤、抗氧化性、抗凝血、調(diào)節(jié)免疫力等方面發(fā)揮重要作用[3-6]?；瘕埞ひ餐瑯雍卸嗵堑榷喾N生理活性成分[7],然而在日常食用及食品加工過程中,果皮往往會(huì)被忽略,火龍果果皮約占整個(gè)果重的25%[8],若將其充分利用,可使火龍果資源得到更加合理的開發(fā)與利用,有效提高火龍果的經(jīng)濟(jì)附加值。

目前,國內(nèi)外以火龍果果皮為主要原料提取其有效成分的研究報(bào)道較多,如提取黃酮[9]、花青素[10]、膳食纖維[11]、果膠[12]等,而針對(duì)火龍果果皮多糖提取工藝的研究尚未見到。內(nèi)部沸騰提取技術(shù)是一項(xiàng)快速、高效而且在天然產(chǎn)物提取有較好效果的實(shí)驗(yàn)方法,目前該方法廣泛應(yīng)用于植物有效活性成分的提取[13-14]。文獻(xiàn)[15-18]采用內(nèi)部沸騰法提取多糖均取得很好的效果,同時(shí)也表明了該方法具有用時(shí)短、雜質(zhì)少、效果好、收率高和操作簡單等優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)以紅皮白肉火龍果的果皮為實(shí)驗(yàn)材料,因多糖屬于極性大分子,呈弱酸性,所以常選用水,乙醇等極性較強(qiáng)的溶劑進(jìn)行提取[19],因此本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選用乙醇作為解吸劑,水作為提取劑,以火龍果果皮中多糖提取率為考察指標(biāo),采用內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖,在單因素設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化火龍果果皮多糖提取工藝條件,為火龍果果皮的保健功能及藥用功能開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火龍果,紅皮白肉橢圓形,外表鱗片狀,單果質(zhì)量約350 g 廣西欽州市火龍果山莊種植基地;葡萄糖、硫酸、苯酚 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,以上化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?/p>

SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城儀器有限公司;LGJ-10C真空冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;M20研磨機(jī) 德菲科儀;UV-1950紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限公司;BPZ-6090LC真空干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HR/T16臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 火龍果果皮的制備方法 新鮮的火龍果去除果肉后,將果皮用水洗凈后晾干表面水分,切成小塊后冷凍干燥,將干燥的火龍果果皮粉碎后過80目分子篩,備用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 采用苯酚-硫酸法[15],首先將葡萄糖放置105 ℃干燥箱內(nèi)干燥至恒重,而后精確稱量已恒重的葡萄糖0.0152 g,將其溶解配制為100 mL葡萄糖溶液,于6支比色管中分別吸取該溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL,加水補(bǔ)充至2.0 mL,再加1.0 mL 5%苯酚溶液,迅速加入濃硫酸5.0 mL,搖勻,靜置20 min,冷卻至室溫,以空白為對(duì)照,在490 nm的波長下測(cè)定其吸光度,以吸光度為縱坐標(biāo),葡萄糖濃度為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得回歸方程為:Y=0.671X-0.0005,R2=0.9997。

圖1 多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of polysaccharide

1.2.3 火龍果果皮多糖的提取及計(jì)算 首先準(zhǔn)確稱量1.00 g火龍果果皮干粉,加入一定量一定濃度的乙醇解吸劑解吸一段時(shí)間,然后加入一定溫度一定體積的水放置一定的時(shí)間,提取兩次,減壓抽濾,得到提取液并稀釋至100 mL,準(zhǔn)確移取1.00 mL上述稀釋液至25 mL容量瓶中稀釋定容,備用。從上述25 mL容量瓶中準(zhǔn)確移取1.00 mL稀釋液置于25 mL比色管中,然后依次在比色管中加入1.0 mL蒸餾水,加入1.00 mL 5%苯酚溶液,搖勻,迅速加入5.00 mL濃硫酸,蓋上塞,搖勻,在室溫顯色20 min,以空白作為對(duì)照,于490 nm處測(cè)定其吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)回歸方程計(jì)算總糖質(zhì)量濃度,按式(1)計(jì)算總糖含量,按式(2)計(jì)算火龍果果皮多糖提取率[19]:

式中,W總為火龍果果皮總糖質(zhì)量,g;C為火龍果果皮提取液濃度,mg/mL;W為火龍果果皮樣品質(zhì)量,g;E為火龍果果皮多糖提取率,%。

1.2.4 內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖的工藝

1.2.4.1 解吸劑濃度的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末于燒杯中,加入5.0 mL 50%、60%、70%、80%、90%乙醇解吸15 min,然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.2 解吸劑用量的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末于燒杯中,加入5.0 mL 80%乙醇3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 mL,充分解吸25 min,然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶ 25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.3 解吸時(shí)間的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入80%乙醇解吸劑5.0 mL,放置10、15、20、25、30 min進(jìn)行解吸。然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.4 提取溫度的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL 80%乙醇解吸15 min,然后迅速加入25.0 mL溫度為60、70、80、90、100 ℃的蒸餾水即料液比為1∶25 (g/mL),在恒溫的條件下提取6 min,提取2次。

1.2.4.5 料液比的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL80%乙醇解吸15 min,然后按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 (g/mL)的用水量迅速加入其中,在溫度為90 ℃的條件下溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.6 提取時(shí)間的影響 準(zhǔn)確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL80%乙醇解吸15 min,料液比為1∶25 (g/mL),在溫度為90 ℃的條件下恒溫提取4、5、6、7、8 min,提取2次。

1.2.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn),選取對(duì)火龍果多糖提取率影響較為明顯的三個(gè)因素(解吸劑濃度、料液比及提取溫度)設(shè)計(jì)L9(33)即3因素3水平正交實(shí)驗(yàn),詳見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,于100 mL燒杯中放入1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL濃度為80%的乙醇解吸15 min,然后再加入90 ℃ 25.0 mL的蒸餾水恒溫提取6 min。提取兩次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用正交設(shè)計(jì)助手ⅡV3.1軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖的工藝條件

2.1.1 解吸劑濃度對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖2可知,解吸劑濃度(即乙醇的濃度)在50%～80%之間,火龍果果皮多糖提取率逐漸升高,當(dāng)解吸劑濃度為80%時(shí),火龍果果皮提取率達(dá)到最大值,當(dāng)解吸劑濃度繼續(xù)升高,提取率下降。根據(jù)有機(jī)物相似相容原理,60%～80%的乙醇滲透植物細(xì)胞壁的能力是最好的,而80%乙醇溶液能充分滲透火龍果果皮細(xì)胞壁,使火龍果果皮多糖得以充分解吸,當(dāng)乙醇濃度過高時(shí),水溶性多糖易形成沉淀,多糖溶解度變小,解吸不充分,從而導(dǎo)致火龍果果皮多糖提取率下降。因此選擇解吸劑濃度為80%乙醇。

圖2 解吸劑濃度對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.2 The effect of releasing concentration on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.2 解吸劑用量對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖3可知,隨著解吸劑用量的不斷提高,火龍果果皮多糖提取率不斷增加,當(dāng)用量達(dá)到5 mL以后,火龍果果皮多糖提取率上升非常緩慢,趨于平穩(wěn)。原因可能是:解吸劑用量少時(shí),溶劑滲透物料內(nèi)部不完全,解吸不充分,影響多糖分子的溶出;當(dāng)解吸劑用量達(dá)到5.0 mL時(shí),解吸劑完全滲透火龍果果皮物料內(nèi)部,有利于多糖分子充分溶出,提取率較高,繼續(xù)增加解吸劑的用量,火龍果果皮多糖提取率沒有明顯增加。因此,從節(jié)約資源的角度考慮,選擇解吸劑用量為5.0 mL。

圖3 解吸劑用量對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.3 The effect of releasing amount on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.3 解吸時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖4可以看出,解吸時(shí)間在10～15 min時(shí)間段內(nèi),提取率增加很快,當(dāng)解吸時(shí)間達(dá)到15 min時(shí),提取率最高,15 min以后火龍果果皮多糖提取率趨于平穩(wěn)。原因可能是:溶劑與物料之間的作用時(shí)間短,溶劑未能充分滲透果皮細(xì)胞壁,將火龍果果皮內(nèi)部多糖成分充分解吸,從而影響多糖提取率。隨著時(shí)間的增加,滲透越來越充分,解吸更充分,火龍果果皮多糖溶出越來越多,提取率越來越高,15 min提取率達(dá)到最大,再增加時(shí)間提取率基本不變。因此選擇解吸時(shí)間為15 min。

圖4 解吸時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.4 Releasing time on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.4 料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖5可以看出,火龍果果皮提取率先隨著用水量的增加而升高而后趨于恒定,原因可能是用水量逐漸增加,遺留在火龍果果皮內(nèi)部的糖分逐漸減少,多糖提取率逐漸升高,當(dāng)用水量為物料的25倍,即料液比為1∶25 (g/mL)時(shí),提取率最高,提取已基本完成,再增加用水量,火龍果果皮提取率趨于平穩(wěn)。因此選擇料液比為1∶25 (g/mL)。

圖5 料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.5 Effect for ratio of material to solution on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.5 提取溫度對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖6可知,火龍果果皮多糖提取率隨著溫度的上升而升高,當(dāng)提取溫度升至90 ℃時(shí),提取率達(dá)到最高值,再繼續(xù)升高溫度,火龍果果皮多糖提取率反而下降了。原因可能是:溫度較低,多糖溶出較為困難[20],導(dǎo)致物料內(nèi)部多糖分子擴(kuò)散較難,從而影響提取率;而溫度較高,物料內(nèi)部沸騰迅速,分子擴(kuò)散時(shí)間短,火龍果果皮多糖未能及時(shí)溶出,提取過程已結(jié)束,同時(shí)溫度過高,多糖也會(huì)因其熱不穩(wěn)定性而產(chǎn)生分解[21],從而導(dǎo)致提取率下降,因此選擇提取溫度為90 ℃。

圖6 提取溫度對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.6 The effect of extraction temperature on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.6 提取時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響 由圖7可以看出,火龍果果皮多糖的提取率隨著時(shí)間的增加而增加之后趨于平穩(wěn),主要原因是提取時(shí)間短,反應(yīng)體系分子間相互作用不充分,提取效果差,當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到6 min時(shí),物料分子間已充分接觸,提取充分,火龍果果皮多糖提取率高。隨延長時(shí)間,提取率基本不變,從節(jié)約時(shí)間的角度考慮,選擇提取時(shí)間為6 min。

圖7 提取時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.7 The effect of extraction time on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在解吸過程中選取解吸劑用量為5 mL,解吸時(shí)間15 min,在提取的過程中選取提取時(shí)間為6 min,通過L9(33)正交實(shí)驗(yàn),考察解吸劑濃度、提取溫度、料液比三個(gè)因素對(duì)火龍果果皮多糖提取的影響,結(jié)果見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,影響火龍果果皮多糖提取率的因素由大到小的順序依次為:提取溫度、解吸劑濃度、料液比。綜合單因素及正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,可得最佳工藝條件為:A2B2C2,即解吸劑濃度80%、料液比為1∶25 (g/mL)、提取溫度90 ℃。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)最優(yōu)的提取工藝條件,進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn),求取平均值,結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 3 Verification test

由表3可以看出,平行三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到火龍果果皮多糖提取率為5.81%,實(shí)驗(yàn)表明,內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖具有穩(wěn)定性和可行性。

3 結(jié)論

采用內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖,首先考察解吸過程和提取過程中6個(gè)單因素對(duì)火龍果果皮多糖提取工藝的影響,然后根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),最后通過平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖的最佳工藝參數(shù)為:解吸劑濃度為80%乙醇、解吸劑用量為5 mL/g、解吸時(shí)間為15 min、提取溫度為90 ℃、料液比為1∶25 (g/mL)、提取時(shí)間為6 min。在該條件下火龍果果皮多糖提取率為5.81%。內(nèi)部沸騰法提取火龍果果皮多糖,所用時(shí)間比較短、而且提取液中雜質(zhì)含量少,有機(jī)溶劑用量極少,極大地減少對(duì)環(huán)境的污染,提取收率高,所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單,設(shè)備投資小,節(jié)約經(jīng)費(fèi)開支,為火龍果果皮的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

[1]楊明,胡文娥,吳壽中.微波輔助提取火龍果果皮中果膠工藝[J].食品研究與開發(fā),2012,33(2):55-58.

[2]楊志娟,曾真,吳曉萍.火龍果果皮原花青素提取純化及定性分析[J].食品科學(xué),2015,36(2):75-79.

[3]Dong C X,Hayashi K,Mizukoshi Y,et al. Structures of acidic polysaccharides fromBasellarubraL. and their antiviral effects[J]. Carbohydr Polym,2011,84(3):1084-1092.

[4]Zhang M,Cui S W,Cheung P C K,et al. Antimumor polysaccharides from mushrooms:A review on their isolation process,structural characteristics and antitumor activity[J]. Trends Food Sci Tech,2007,18(1):4-19.

[5]Majdoub H,Mansour M B,Chaubet F,et al. Anticoagulant activity of a sulfated polysaccharide from the green alga Arthrospira platensis[J]. Biochim Biophys Acta,2009,1790(10):1377-1381.

[6]Luo Q,Sun Q,Wu L S,et al. Structural characterization of an immunoregulatory polysaccharide from the fruiting bodies of Lepista sordida[J]. Carbohydr Polym,2012,88(3):820-824.

[7]黃梅華,何全光,淡明,等. 火龍果果皮乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)品體外抗氧化能力研究[J]. 食品工業(yè)科技,2017,38(17):70-74,79.

[8]王雪,丁金龍,黃葦,等.火龍果果皮中果膠的提取及其結(jié)構(gòu)研究[J].中國食品添加劑,2015(3):102-106.

[9]王曉波,鐘嬋君,劉冬英,等.火龍果果皮總黃酮對(duì)油脂抗氧化作用的研究[J].食品研究與開發(fā),2012,33(3):19-23.

[10]馬冰雪,潘騰,任中清,等.火龍果果皮花青素提取工藝研究[J]. 北京農(nóng)業(yè),2013(12):213-215.

[11]張玉鋒,孫麗平,莊永亮,等.火龍果果皮中膳食纖維含量及其物理化學(xué)特性[J].食品科學(xué),2012,33(19):164-167.

[12]劉倩倩.超聲波輔助提取火龍果果皮中水溶性膳食纖維工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2015,36(18):257-260,266.

[13]鄭韻英,童張法,韋滕幼. 內(nèi)部沸騰法提取銀葉樹葉中總黃酮的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,38(3):527-531.

[14]曾淼洋,韋藤幼,童張法. 加酸內(nèi)部沸騰法提取氯化兩面針堿及其純化研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2014,28(4):719-724.

[15]陳曉光,韋藤幼,彭夢(mèng)微,等.內(nèi)部沸騰法提取香菇多糖的工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué),2011,32(10):31-34.

[16]翁艷英,韋藤幼,童張法.內(nèi)部沸騰法提取三七多糖的研究[J]. 時(shí)珍國醫(yī)國藥,2011,22(6):1435-1436.

[17]溫?fù)碥?蔣瓊鳳,郭浪.響應(yīng)面法優(yōu)化內(nèi)部沸騰法提取三七多糖[J]. 食品工業(yè)科技,2013,34(23):260-263.

[18]許英偉,肖小年,劉劍青,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化內(nèi)部沸騰法提取生米藠頭多糖[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：理科版,2012,36(5):449-452.

[19]蔡錦源,許金蓉,孫松,等. 響應(yīng)面法優(yōu)選火龍果多糖的微波提取工藝研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,36(3):65-70.

[20]張淑杰,康玉凡. 天然活性多糖研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技,2017,38(2):379-382,389.

[21]馬釗,李景明,李麗梅,等. 洋蔥多糖提取工藝的研究[J].食品工業(yè)科技,2005,26(5):98-99.