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(1.貴州茅臺(tái)(集團(tuán))生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,貴州丹寨 557500; 2.貴州理工學(xué)院食品藥品制造工程學(xué)院,貴州貴陽 550007; 3.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無錫 214122)
藍(lán)莓是杜鵑花科(Ericaceae)越橘屬(Vaccinium)多年生落葉或常綠灌木漿果植物[1],含有豐富的花色苷[2]。貴州野生藍(lán)莓資源豐富,2013年藍(lán)莓種植面積已達(dá)到3880 hm2,年產(chǎn)量為3000 t[3]。藍(lán)莓果渣為藍(lán)莓經(jīng)過壓榨生產(chǎn)果汁后的副產(chǎn)物,富含花色苷、黃酮醇、綠原酸等功能性保健成分[4],花色苷是一種天然水溶性色素,具有抗氧化、抑菌[5]和抑制癌細(xì)胞等活性,是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最有效的天然水溶性自由基清除劑[6],因此富含花色苷的藍(lán)莓果渣可作為功能性食品和保健品很好的天然原料,有一定的研究價(jià)值[7]。
目前對(duì)藍(lán)莓果渣的開發(fā)利用主要圍繞多酚(尤其是花色苷)、膳食纖維開展的,其中以超聲提取藍(lán)莓果渣中花色苷研究最多,評(píng)價(jià)指標(biāo)多以花色苷含量為主,對(duì)藍(lán)莓果渣不同提取工藝的比較鮮有報(bào)道,且缺少量(總多酚含量、花色苷含量)和質(zhì)(抗氧化活性)相結(jié)合的對(duì)比評(píng)價(jià)[3],不能科學(xué)的、全面的為工業(yè)化大規(guī)模開發(fā)利用藍(lán)莓果渣提供依據(jù)。
本研究以藍(lán)莓干果渣為原料,酸化乙醇為溶劑,采用超聲輔助提取工藝,以花色苷含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。在此條件下,對(duì)比了相同干重的藍(lán)莓干果渣、濕果渣分別各自采用超聲輔助提取、無超聲輔助工藝的提取液的總多酚、花色苷含量及抗氧化活性。為后續(xù)工業(yè)化開發(fā)利用藍(lán)莓果渣提供理論依據(jù)。
藍(lán)莓果渣 貴州茅臺(tái)(集團(tuán))生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司提供;沒食子酸(標(biāo)準(zhǔn)品) 中檢所;磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、氯化鈉、三氯乙酸、鐵氰化鉀、硫酸亞鐵、雙氧水、無水乙醇、酒石酸、氯化鉀、醋酸鈉、冰醋酸、抗壞血酸、鹽酸等 均為國產(chǎn)分析純;實(shí)驗(yàn)用水 均為蒸餾水。
0~100%vol酒精計(jì)(三支組) 河北省武強(qiáng)縣同輝儀表廠;PHSJ-4A型pH計(jì) 上海盛磁儀器有限公司;DSH-UV-5500(PC)紫外/可見分光度計(jì) 上海元析儀器有限公司;DJ-A500型電子天平 福州華志科學(xué)儀器有限公司;JY-500A2型高速粉碎機(jī) 浙江省永康市松青五金;WGL-203B型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;SM-1200D型超聲波破碎儀 南京舜瑪儀器設(shè)備有限公司;XODL-2020型低溫恒溫冷卻泵 南京先歐儀器制造有限公司;HJ-1型磁力攪拌器 天津市賽得利斯實(shí)驗(yàn)分析儀器制造廠;HH.S21-Ni4型恒溫水浴鍋 北京科學(xué)儀器有限公司。
1.2.1 樣品的預(yù)處理 藍(lán)莓干果渣:將藍(lán)莓壓榨果汁后的藍(lán)莓果渣冷凍運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)室溫自然解凍、55 ℃烘箱烘干至恒重,粉碎過60目篩處理,備用;藍(lán)莓濕果渣:將藍(lán)莓壓榨果汁后的藍(lán)莓果渣冷凍運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,自然解凍,備用。
1.2.2 藍(lán)莓干果渣花色苷提取工藝 取一定量的藍(lán)莓干果渣,以一定量的一定pH的酸化乙醇(采用1 mol/L HCl溶液調(diào)整pH)為提取溶劑,用一定功率超聲提取一定的時(shí)間,抽濾,取濾液(即提取液)進(jìn)行花色苷含量的測(cè)定。
1.2.3 Plackett-Berman試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以藍(lán)莓干果渣為原料,運(yùn)用Minitab 15軟件進(jìn)行N=11的Plackett-Berman設(shè)計(jì),以花色苷含量為指標(biāo),對(duì)乙醇pH、乙醇濃度、液料比、超聲功率、提取時(shí)間5個(gè)因素顯著性進(jìn)行考察。每個(gè)因素取高(1)、中(0)、低(-1)3個(gè)水平,虛擬值與真實(shí)值對(duì)照表見表1。
表1 Plackett-Berman實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)置Table 1 Level setting of experimental factors of Plackett-Berman
1.2.4 最陡爬坡(Steepest Ascent)試驗(yàn) 最陡爬坡(Steepest Ascent)試驗(yàn)用以確定各顯著因素的最佳響應(yīng)水平,以各因素對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)效應(yīng),按照響應(yīng)值梯度增加為爬坡方向,進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì),能最快、經(jīng)濟(jì)地逼近提取液中花色苷含量最高的水平區(qū)域。Plackett-Berman試驗(yàn)結(jié)果顯示乙醇濃度、液料比和乙醇pH 3個(gè)因素較為顯著,根據(jù)3個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)的正負(fù)效應(yīng)確定各因素爬坡步長為:乙醇濃度取+5,液料比和pH的依次取-5、-0.5,超聲功率固定為500 W,提取時(shí)間固定為20 min。在爬坡試驗(yàn)中,乙醇濃度起始參數(shù)為50%,液料比起始參數(shù)為45 mL/g,乙醇pH起始參數(shù)為4。
1.2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝 運(yùn)用Design Expert軟件,根據(jù)Box-Benhnken法設(shè)計(jì)原理[8],繼續(xù)設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),各因素的虛擬值和真值之間的對(duì)照見表2。
表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素及水平Table 2 Factors and levels of Response Surface Design
1.2.6 花色苷的測(cè)定方法 采用雙波長pH示差法,取兩份提取液0.4 mL,分別加入pH4.5的緩沖溶液(0.4 mol/L醋酸鈉溶液)和pH1.0的緩沖溶液(0.25 mol/L氯化鉀溶液)3.6 mL(稀釋因子D=10),搖勻,靜置15 min,轉(zhuǎn)入光路為1 cm的比色皿中,以蒸餾水代替樣品溶液做空白對(duì)照,分別在520和700 nm波長處測(cè)定吸光度?;ㄉ蘸坑?jì)算公式如下[9-10]:
其中:Y為花色苷含量,以每克果渣中含有的矢車菊-3-O葡糖苷毫克數(shù)計(jì),mg/100 g;ΔA為吸光度,ΔA=(A520 nm pH1.0-A700 nm pH1.0)-(A520 nm pH4.5-A700 nm pH4.5);MW為矢車菊花青素-3-O-葡萄糖苷的分子量,449.2 g/mol;D為稀釋因子,10;V為最終抽濾后的濾液的體積,mL;為藍(lán)莓果渣重量,g;ε為矢車菊花青素-3-O-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù),26900 L·cm-1·mol-1;L為光路長,cm。
1.2.7 藍(lán)莓干果渣、濕果渣提取液的制備 經(jīng)測(cè)定藍(lán)莓濕果渣含水量約為60%,按照上述優(yōu)化的工藝條件下,對(duì)比同樣干重的藍(lán)莓干果渣和藍(lán)莓濕果渣分別采用超聲輔助提取和無超聲輔助提取,提取液中的總多酚和花色苷含量及抗氧化活性。
超聲輔助提取:稱取藍(lán)莓干果渣1 g,加入30 mL濃度為60%,pH為3的乙醇,超聲功率為500 W,提取20 min,制備藍(lán)莓干果渣提取液A;稱取藍(lán)莓濕果渣2.5 g,加入28.5 mL濃度為60%,pH為3的乙醇,超聲功率為500 W,提取20 min,制備藍(lán)莓濕果渣提取液B。
攪拌浸提:稱取藍(lán)莓干果渣1 g,加入30 mL濃度為60%,pH為3的乙醇,攪拌提取20 min,制備藍(lán)莓果渣提取液C;稱取了藍(lán)莓濕果渣2.5 g,加入28.5 mL濃度為60%,pH為3的乙醇,攪拌提取20 min,制備藍(lán)莓果渣提取液D。
1.2.8 總多酚的測(cè)定方法 標(biāo)準(zhǔn)曲線制作:準(zhǔn)確稱取5 mg沒食子酸,用純凈水溶解,定容至10 mL,分別移取0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.8、2.1、2.5、2.9 mL到10 mL容量瓶中,加水定容,其中沒食子酸的濃度分別為20、25、30、35、40、45、90、105、125、145 mg/L。分別取不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0 mL,加入5.0 mL 0.2 mol/L Folin-Cioealteu試劑混合,在0.5~8 min內(nèi)加入4 mL 7.5%(w/v)碳酸鈉溶液,充分混合。將上述混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在25 ℃下避光放置2 h后,在765 nm波長下測(cè)定吸光值。以吸光度Y為縱坐標(biāo),沒食子酸濃度X為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=0.0113x+0.0185,R2=0.99208,線性范圍在0~145 mg/L。
樣品的測(cè)定:將供試液離心(6000 r/min,10 min),取上清液1 mL于10 mL比色管中,依相同方法測(cè)定其在765 nm下吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總多酚含量(以沒食子酸計(jì))[11-12]。
藍(lán)莓果渣中總多酚含量(mg/g)=(提取液中總多酚含量(mg/mL)×提取液體積(mL))/藍(lán)莓果渣重量(g)
1.2.9 抗氧化性實(shí)驗(yàn)
1.2.9.1 總還原力的測(cè)定 在10 mL離心管中分別加入0.2 mol/L,pH6.6的磷酸緩沖溶液2.5 mL和待測(cè)試液1 mL,加入2.5 mL,1%的鐵氰化鉀,混合均勻后于50 ℃反應(yīng)20 min。取出后加入2.5 mL,10%三氯乙酸終止反應(yīng),5000 r/min離心10 min,取上清液2.5 mL,加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL FeCl3,混合后靜置10 min,稀釋至適當(dāng)濃度,在700 nm處檢測(cè)吸光值,VC作為陽性對(duì)照[13]。
1.2.9.2 羥自由基(·OH)清除能力的測(cè)定 反應(yīng)體系共4 mL包括:1.0 mL H2O2(8.8 mmol/L),1.0 mL FeSO4溶液(0.9 mmol/L),1.0 mL水楊酸(9 mmol/L),1.0 mL樣品溶液,H2O2最后加入以啟動(dòng)反應(yīng),反應(yīng)體系在37 ℃水浴中保溫60 min,于510 nm處檢測(cè)吸光度,并計(jì)算·OH清除率,并使用同樣濃度的VC(抗壞血酸)作同樣處理為陽性對(duì)照,計(jì)算公式如下[14]:
式中,A1:1 mL樣品+1 mLFeSO4+1 mL水楊酸-乙醇+1 mLH2O2在510 nm的吸光度;A2:1 mL樣品+1 mLFeSO4+1 mL水楊酸-乙醇+1 mL H2O在510 nm的吸光度;A3:1 mL蒸餾水+1 mLFeSO4+1 mL水楊酸-乙醇+1 mLH2O2在510 nm的吸光度。
樣品活性測(cè)定:向10 mL比色管中加入4.5 mL pH8.2的50 mmol/L Tris-HCl緩沖液,2.2 mL蒸餾水,充分混勻后于25 ℃恒溫水浴20 min,取出后立即加入花色苷提取液2 mL,再加入在25 ℃預(yù)熱過的3 mmol/L鄰苯三酚溶液0.3 mL,(使用10 mmol/L HCl配制,空白管使用10 mmol/L HCl代替鄰苯三酚的HCl溶液)。迅速搖勻后加入比色皿,于325 nm每隔10 s測(cè)一次吸光度,直至反應(yīng)開始后5 min,計(jì)算線性范圍內(nèi)每分鐘吸光度的增加率。使用抗壞血酸作為陽性對(duì)照,計(jì)算公式如下[15]:
式中,k0:鄰苯三酚自氧化速率;k1:加入花色苷后鄰苯三酚自氧化速率。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用Origin 8.5進(jìn)行繪圖,采用Minitab 15軟件進(jìn)行Plackett-Berman試驗(yàn)設(shè)計(jì),采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行Box-Benhnken中心復(fù)合響應(yīng)面設(shè)計(jì)及方差分析。
影響藍(lán)莓干果渣提取液中花色苷含量的因素有乙醇pH、乙醇濃度、液料比、超聲功率、提取時(shí)間等。為對(duì)這5個(gè)因素進(jìn)行全面考察,選用N=11的Plackett-Berman設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。運(yùn)用Minitab軟件分別計(jì)算各因素的效應(yīng),并對(duì)各因素效應(yīng)進(jìn)行t檢驗(yàn),選擇置信度大于95%的因素作為顯著因素作進(jìn)一步考察。
表3 Plackett-Berman設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Design result of Plackett-Berman
由表4得出,對(duì)花色苷含量有極顯著影響的因素為液料比(p<0.01),對(duì)花色苷含量有顯著影響的為乙醇pH和乙醇濃度(p<0.05),根據(jù)T值可知,液料比和乙醇pH對(duì)花色苷提取含量呈負(fù)效應(yīng),即在各自水平范圍內(nèi),液料比與pH與花色苷含量呈負(fù)相關(guān),而乙醇濃度對(duì)花色苷提取呈正效應(yīng),在其水平范圍內(nèi)與花色苷含量呈正相關(guān)。
表4 Plackett-Berman設(shè)計(jì)的各因素的系數(shù)的估計(jì)和顯著性評(píng)價(jià)Table 4 Coefficient estimation and significance evaluation of the factors of Plackett-Berman
最陡爬坡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5。
表5 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 The design and result of the steepest climbing test
由表5得出,提取液中花色苷含量最大值出現(xiàn)在第3次實(shí)驗(yàn)附近,故以序號(hào)3的實(shí)驗(yàn)條件為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平的中心點(diǎn)。
運(yùn)用Design Expert軟件程序,根據(jù)Box-Benhnken法設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),其設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6。
表6 響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Design and results of response surface center combination
利用Design Expert 8.0.6進(jìn)行多元回歸擬合,得到花色苷含量對(duì)實(shí)驗(yàn)因素的二次多項(xiàng)回歸方程:
表7 方差分析表Table 7 Variance analysis table
通過響應(yīng)面及等高線圖可以直觀的看到3個(gè)變量(液料比、乙醇濃度、乙醇pH)對(duì)花色苷含量的影響及3個(gè)變量之間的交互作用。圖1a中,等高線接近圓形,故液料比和乙醇濃度交互作用不明顯,由等高線圖確定液料比的最佳水平范圍為25~35 mL/g,乙醇濃度最佳水平范圍為60%~70%。圖1b中,等高線呈橢圓形,故液料比和乙醇pH交互作用明顯,由等高線圖確定液料比的最佳水平范圍為25~35 mL/g,乙醇pH最佳水平范圍為2~3.5。圖1c中,等高線呈橢圓形,故乙醇濃度和乙醇pH交互作用明顯,由等高線圖確定乙醇濃度的最佳水平范圍為55%~70%,乙醇pH最佳水平范圍為2~3.5。對(duì)回歸方程求解,得到當(dāng)液料比30.5 mL/g,乙醇濃度為63.3%,乙醇pH為2.61時(shí),提取液中花色苷含量由回歸方程得到最大值為:500.91 mg/100 g。
圖1 各因素對(duì)花色苷含量的影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot and its contour plot showing the effect of three factors on anthocyanin content
藍(lán)莓干果渣超聲輔助提取最佳提取工藝參數(shù)為:液料比30.5 mL/g,乙醇濃度為63.3%,乙醇pH為2.61,超聲功率為500 W,提取時(shí)間為20 min??紤]到試驗(yàn)的實(shí)操性,將最佳提取工藝條件修正為:液料比31 mL/g,乙醇濃度為63%,乙醇pH為2.6,超聲功率為500 W,提取時(shí)間為20 min,在此條件下對(duì)藍(lán)莓干果渣進(jìn)行提取,平行進(jìn)行3次試驗(yàn),驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)得花色苷含量為(498.84±1.84) mg/100 g,平均值與預(yù)測(cè)值的絕對(duì)百分比偏差為2.08%,結(jié)果表明,經(jīng)過響應(yīng)回歸方程擬合出的理論值與實(shí)際值相吻合,證明用響應(yīng)面法可以有效的優(yōu)化藍(lán)莓干果渣花色苷的提取工藝。
A、B、C、D 4種提取液中總多酚和花色苷含量見圖2,由圖2可知,采用超聲提取工藝,以藍(lán)莓干果渣為原料的提取液(A)中總多酚含量和花色苷含量分別為9.21 mg/g和429.83 mg/100 mg,以藍(lán)莓濕果渣為原料的提取液(B)的總多酚含量和花色苷含量分別為3.85 mg/g和204.78 mg/100 mg;采用攪拌浸提(無超聲輔助)工藝,以藍(lán)莓干果渣為原料的提取液(C)的總多酚含量和花色苷含量分別為6.91 mg/g和383.69 mg/100 mg,以藍(lán)莓濕果渣為原料的提取液(D)的總多酚含量和花色苷含量分別為3.17 mg/g和198.88 mg/100 mg。相同工藝條件下,以藍(lán)莓干果渣為提取原料的提取液比以藍(lán)莓濕果渣為提取原料的提取液總多酚和花色苷含量高,分析是由于藍(lán)莓干果渣經(jīng)過粉碎、過篩,包裹在組織內(nèi)的花色苷和總多酚類物質(zhì)得到有效的釋放,而藍(lán)莓濕果渣顆粒較大,包裹在其中的花色苷和總多酚類物質(zhì)沒有有效浸提出來所致。相同原料,采用超聲工藝的提取液比采用攪拌浸提(無超聲)工藝的提取液中的總多酚和花色苷含量高,分析是由于超聲波通過其機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)提高花色苷的溶出速率,機(jī)械效應(yīng)可使乙醇產(chǎn)生振動(dòng),強(qiáng)化乙醇和花色苷的擴(kuò)散、傳播,還可以給予乙醇和花色苷以不同的加速度,空化效應(yīng)可以起到破碎果渣細(xì)胞壁的作用,因而可以使總多酚和花色苷有效釋放[16]。
圖2 預(yù)處理方式和提取工藝對(duì)提取液中花色苷和總多酚含量的影響Fig.2 Effects of different pretreatment methods and extraction processes on anthocyanin and total polyphenols content in extract
2.6.1 總還原力 A、B、C、D 4種提取液的總還原力測(cè)定結(jié)果見圖3,由圖3可知,濕果渣為原料的提取液的總還原力更接近VC的總還原力。采用超聲輔助提取工藝,以藍(lán)莓干果渣為原料的提取液(A)的OD值較以藍(lán)莓濕果渣為原料的提取液(B)的還原力OD值低;采用無超聲輔助提取工藝,以藍(lán)莓干果渣為原料的提取液(C)的還原力OD值較以藍(lán)莓濕果渣為原料的提取液(D)的還原力OD值低,由此可見,在相同工藝條件下,以藍(lán)莓濕果渣為提取原料的提取液比以藍(lán)莓干果渣為提取原料的提取液的總還原力高,分析可能是干燥對(duì)果渣中抗氧化活性物質(zhì)有破壞。相同原料,采用超聲提取工藝較無超聲輔助提取工藝提取液還原力高,因?yàn)槌暡捎行Т龠M(jìn)果渣中的抗氧化活性物質(zhì)的溶出。
圖3 預(yù)處理方式和提取工藝對(duì)提取液抗氧化活性的影響Fig.3 Effects of different pretreatment methods and extraction processes on the antioxidant activity of the extract
2.6.2 ·OH清除率測(cè)定結(jié)果 A、B、C、D 4種提取液的·OH清除率見圖4,由圖可知,4種提取液的·OH清除能力約為VC的·OH清除能力的25%~40%,相同原料,采用超聲輔助提取工藝較無超聲輔助提取工藝所提取的提取液的·OH清除率高,分析是因?yàn)槌暡墒构咝п尫啪哂小H清除率的物質(zhì);超聲輔助提取工藝條件下,以藍(lán)莓濕果渣為原料的比以藍(lán)莓干果渣為原料的提取液的·OH清除率高,而無超聲輔助提取工藝條件下,以藍(lán)莓干果渣和濕果渣為原料的提取液的·OH清除率差別不大,分析可能是由于藍(lán)莓果渣中具有·OH清除能力的物質(zhì)多為熱敏性物質(zhì),藍(lán)莓濕果渣并未經(jīng)過干燥處理,較大程度的保持了清除·OH的物質(zhì)的活性,因而表現(xiàn)出更好的·OH清除能力。
圖4 預(yù)處理方式和提取工藝對(duì)提取液羥自由基清除率的影響Fig.4 Effects of different pretreatment methods and extraction processes on the hydroxyl radical scavenging rate of the extract
圖5 預(yù)處理方式和提取工藝對(duì)提取液清除率的影響Fig.5 Effects of different pretreatment methods and extraction processes on the scavenging rate of the extract
通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),得到藍(lán)莓干果渣提取的最佳工藝為:液料比31 mL/g,乙醇濃度63%,pH為2.6,超聲功率為500 W,提取時(shí)間為20 min,在此條件下藍(lán)莓干果渣提取液中花色苷含量為498.84 mg/100 g。