響應(yīng)面優(yōu)化紫果西番蓮維生素C的超聲輔助提取工藝

賀銀菊,2,楊再波,2,彭莘媚,2,楊 艷,彭召旭

(1.黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,貴州都勻 558000; 2.貴州省高校民族藥用植物資源開發(fā)工程研究中心,貴州都勻 558000)

西番蓮(Passion fruit)又稱巴西果、雞蛋果、熱情果,是西番蓮科多年木質(zhì)藤本植物果實(shí)的通稱,氣味芳香濃郁,有“果汁之王”的美譽(yù)[1]。目前西番蓮主要有黃果、紫果、紫紅色果三個(gè)品種,其果實(shí)均由果皮和果肉兩部分組成,果肉呈黃色、味酸,含有豐富的蛋白質(zhì)、還原糖、礦物質(zhì)元素、A族/B族維生素、胡蘿卜素、有機(jī)酸、人體所需要的氨基酸及維生素C,豐富有機(jī)酸的存在使維生素C不易受到損失。因此西番蓮果是維生素C的良好來源,被譽(yù)為水果中的維生素C之王[2-4]。

維生素C是維持機(jī)體正常的生命活動(dòng)所必須的一種物質(zhì),可促進(jìn)膠原蛋白合成,組織修補(bǔ),葉酸的代謝,參與機(jī)體的解毒、膽固醇代謝、預(yù)防多種疾病;同時(shí)還具有抗氧化、抗腫瘤、抗自由基等功效[5-9]。維生素C有較強(qiáng)的還原性,在空氣中易被氧化,弱酸提取可以增強(qiáng)提取液中維生素C的穩(wěn)定性,常用醋酸、草酸、鹽酸、偏磷酸、混酸等[10-13]提取果蔬中的維生素C,酸濃度對(duì)維生素C的提取量有一定的影響[14]。常見的維生素C的測定方法主要有滴定法、電化學(xué)法、光譜法和色譜法等[15],主要提取方法有水提法、酸提取法、醇提取法、超聲輔助提取法微波提取法等[16-19],其中超聲輔助法可縮短提取時(shí)間、提高提取率。

目前對(duì)紫果西番蓮果肉維生素C提取工藝的報(bào)道較少,本文以紫果西番蓮為研究對(duì)象,考察不同酸提取劑對(duì)其果肉中維生素C提取量的影響;在最佳酸提取劑的條件下,用超聲輔助技術(shù)考察液料比、超聲溫度、超聲時(shí)間和超聲功率對(duì)維生素C提取的影響,結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定紫果西番蓮果肉維生素C的最佳工藝,為進(jìn)一步開發(fā)紫果西番蓮的價(jià)值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫果西番蓮 2018年11月采于貴州省平塘縣塘邊鎮(zhèn)新街村,成熟后采摘,去皮取其果肉備用;維生素C標(biāo)準(zhǔn)品 中國食品藥品檢定研究院;草酸、鹽酸 均為分析純。

DZ-2A型真空干燥箱、SHZ-D循環(huán)水真空泵 鄭州英峪予華儀器有限公司;BS1105電子天平 北京賽多利斯天平有限公司;FA2204電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;TU-1901型雙光束紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫果西番蓮維生素C提取工藝 取成熟的紫果西番蓮可食果肉部分5.00 g,按照一定的液料比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 mL/g)加入2%草酸提取劑,在一定的提取溫度(20、30、40、50、60 ℃)和提取功率(200、250、300、350、400 W)下提取一定的時(shí)間(5、10、15、20、25 min),然后過濾定容,在最佳吸收波長處測定樣品的吸光度值,得出紫果西番蓮果肉中維生素C的含量。

1.2.2 提取溶劑的選擇 在液料比為4∶1 mL/g、超聲溫度為40 ℃、超聲時(shí)間15 min及超聲功率300 W下研究1%草酸、1%鹽酸、2%草酸、1%草酸+1%鹽酸(體積比1∶1)和2%鹽酸等對(duì)紫果西番蓮果肉維生素C提取量的影響,通過測定比較5種酸提取劑提取液中的維生素C含量得出最佳的提取溶劑,在最佳酸提取劑的條件下采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化維生素C提取工藝。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 紫果西番蓮提取的基本條件為:液料比4∶1 mL/g,超聲溫度40 ℃,超聲時(shí)間15 min,超聲功率300 W,改變其中一個(gè)條件,分別考察液料比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 mL/g)、超聲溫度(20、30、40、50、60 ℃)、超聲時(shí)間(5、10、15、20、25 min)和超聲功率(200、250、300、350、400 W)對(duì)紫果西番蓮提取液維生素C含量的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,運(yùn)用Box-Benhnken中心組合原理,設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),其因素及水平見表1。根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn),計(jì)算紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Levels and factors of response surface methodology

1.2.5 維生素C含量的測定

1.2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 準(zhǔn)確稱取0.2500 g維生素C標(biāo)準(zhǔn)品于燒杯中,用2%草酸的溶解轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中,定容,混勻,即得1 mg/mL維生素C標(biāo)準(zhǔn)溶液備用。移液器分別準(zhǔn)確吸取1 mg/mL維生素C標(biāo)準(zhǔn)溶液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于5個(gè)潔凈干燥的10 mL容量瓶中,用蒸餾水定容,配制成濃度為20、40、60、80、100 μg/mL的維生素C的標(biāo)準(zhǔn)溶液。以蒸餾水為參比,在最佳吸收波長270 nm處測定吸光度值,以維生素C濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.5.2 樣品維生素C含量的測定 稱取5.00 g紫果西番蓮果肉,以1.2.2中的最佳酸2%草酸作提取劑。按照單因素和響應(yīng)面優(yōu)化條件提取紫果西番蓮的維生素C,提取完成后蒸餾水定容至50 mL,以蒸餾水為參比,在270 nm處測定吸光度值,計(jì)算維生素C含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

標(biāo)準(zhǔn)曲線、酸提取劑影響及單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.0軟件作圖,響應(yīng)面優(yōu)化分析及方差分析采用Design-Expert V 8.0.6軟件,P<0.05表明差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 維生素C的標(biāo)準(zhǔn)曲線

根據(jù)1.2.5.1標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度值和濃度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果如圖1,由圖1可知，維生素C標(biāo)準(zhǔn)樣品在20～100 μg/mL范圍內(nèi)吸光度與濃度呈良好的線性關(guān)系,回歸方程y=0.00909x+0.05219,R2=0.99967。

圖1 維生素C的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of vitamin C

2.2 不同酸提取溶劑對(duì)提取液中維生素C含量的影響

不同酸對(duì)紫果西番蓮果肉維生素C提取量的影響,結(jié)果見圖2,由圖2可知,提取溶劑為2%草酸溶液時(shí),維生素C提取量最高,這是因?yàn)椴煌崽崛∪軇?duì)維生素C有一定的影響[14],且紫果西番蓮果肉中含有一定的有機(jī)酸[2],當(dāng)提取溶劑為2%草酸時(shí)維生素C提取量最高,因此單因素和響應(yīng)面優(yōu)化均選擇2%草酸溶液作提取溶劑。

圖2 不同提取溶劑對(duì)紫果西番蓮 提取液維生素C含量的影響Fig.2 Effects of different kinds of extraction solvent on content of vitamin C in the purple passion fruit extract

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 液料比對(duì)提取液中維生素C含量的影響 液料比對(duì)提取液中維生素C含量的影響見圖3,由圖3可見,液料比對(duì)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量影響較大,當(dāng)液料比為4∶1 mL/g時(shí)紫果西番蓮果肉中提取液中維生素C含量最高,在2∶1～4∶1 mL/g時(shí)隨著液料比的增大,提取液中維生素C含量升高;在4∶1～6∶1 mL/g時(shí)隨著液料比的增大,提取液中維生素C含量降低。這是因?yàn)殡S著液料比的增加有利于維生素C的浸出,維生素C含量升高;而液料比過高時(shí)影響浸提體系的果肉介質(zhì)的傳熱等,提取液中維生素C含量降低。因此選擇液料比3∶1、4∶1、5∶1 mL/g作為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的3個(gè)水平。

圖3 液料比對(duì)紫果西番蓮提取液中維生素C含量的影響Fig.3 Effect of material to solvent ratio on vitamin C content in the purple passion fruit extract

2.3.2 超聲溫度對(duì)提取液中維生素C含量的影響 超聲溫度對(duì)提取液中維生素C含量的影響見圖4,由圖4可見，超聲溫度對(duì)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量影響較大,當(dāng)超聲溫度為40 ℃時(shí)紫果西番蓮果肉中提取液中維生素C含量最高,在20～40 ℃時(shí)隨著超聲溫度的升高,提取液中維生素C含量升高;在40～60 ℃時(shí)隨著超聲溫度的升高,提取液中維生素C含量降低。這是因?yàn)殡S著超聲溫度的升高加快分子的運(yùn)動(dòng)速率有利于維生素C的浸出,維生素C含量升高;而超聲溫度過高時(shí)使維生素C分解甚至氧化,維生素C的提取量降低[20]。因此選擇提取溫度35、40、45 ℃作為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的3個(gè)水平。

圖4 超聲溫度對(duì)紫果西番蓮 提取液中維生素C含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on vitamin C content in the purple passion fruit extract

2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)提取液中維生素C含量的影響 超聲時(shí)間對(duì)提取液中維生素C含量的影響見圖5,由圖5可見,超聲時(shí)間對(duì)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量影響較大,當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量最高,在5～20 min時(shí)隨著超聲時(shí)間的增加,提取液中維生素C含量升高;在20～25 min隨著超聲時(shí)間的增加,提取液中維生素C含量降低。這是因?yàn)殡S著超聲時(shí)間的增加維生素C的提取量積累,維生素C的提取量升高;而超聲時(shí)間過長時(shí)使維生素C氧化分解,維生素C的提取量降低[20]。因此選擇提取時(shí)間15、20、25 min作為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的3個(gè)水平。

圖5 超聲時(shí)間對(duì)紫果西番蓮 提取液中維生素C含量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on vitamin C content in the purple passionfruit extract

2.3.4 超聲功率對(duì)提取液中維生素C含量的影響 超聲功率對(duì)提取液中維生素C含量的影響見圖6,由圖6可見,超聲功率對(duì)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量影響較大,當(dāng)超聲功率為300 W時(shí)紫果西番蓮果肉中維生素C提取量最高,在200～300 W時(shí)隨著超聲功率的增加,提取液中維生素C含量升高;在300～400 W時(shí)隨著超聲功率的增大,提取液中維生素C含量降低。這是因?yàn)殡S著超聲功率的增加超聲波破壞細(xì)胞壁的速率增加,維生素C的提取量升高;而超聲功率過高時(shí)破壞了果肉分子的結(jié)構(gòu),維生素C的提取量降低。因此最佳超聲功率為300 W,選擇250、300、350 W作為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的3個(gè)水平。

圖6 超聲功率對(duì)紫果西番蓮 提取液中維生素C含量的影響Fig.6 Effect of ultrasonic power on vitamin C content in the purple passionfruit extract

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)了4因素3水平的29組試驗(yàn)優(yōu)化紫果西番蓮果肉中維生素C的提取工藝,維生素C提取優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,根據(jù)表2的數(shù)據(jù)用軟件Design-Expert 8.0.6進(jìn)行擬合、分析,得維生素C含量Y的回歸方程:

Y(mg·g-1)=0.52-0.0029A+0.047B-0.0066C+0.014D-0.0078AB+0.0043AC-0.0062AD+0.0088BC-0.018BD-0.0071CD-0.013A2-0.040 B2-0.0048C2-0.034D2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Arrangement and results of response surface methodology

表3 模型的方差分析Table 3 Variance analysis of model

注:**表示差異極顯著(P<0.01),*表示差異顯著(P<0.05)。

2.4.2 響應(yīng)面分析 兩兩因素的交互作用響應(yīng)面見圖7,由圖7可知,因素間相互作用對(duì)紫果西番蓮果肉中提取液中維生素C含量的影響,即響應(yīng)面對(duì)各因素的敏感程度反映了在另外兩個(gè)因素固定的條件下,兩兩因素對(duì)提取液中維生素C含量影響。響應(yīng)面坡面越陡峭表明響應(yīng)面受實(shí)驗(yàn)因素變化就越大,響應(yīng)面坡面越平緩表明響應(yīng)面受實(shí)驗(yàn)因素變化就越小。由圖7可見,兩兩因素交互響應(yīng)面坡面陡峭順序?yàn)?BD>BC>AB>CD>AD>AC,即超聲溫度和超聲功率的交互作用響應(yīng)面最陡峭,說明超聲溫度和超聲功率的交互作用對(duì)維生素C提取量影響最大,而液料比和超聲時(shí)間的交互作用響應(yīng)面最平緩,說明液料比和超聲時(shí)間的交互作用對(duì)維生素C提取量影響最小。

圖7 各因素兩兩交互作用對(duì)紫果西番蓮提取液中維生素C含量的響應(yīng)面Fig.7 Response surface of the effect interaction between two factors of vitamin C from the purple passionfruit

2.4.3 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn) 通過Design-Expert 8.0.6軟件,對(duì)回歸模型進(jìn)行預(yù)測得到紫果西番蓮果肉維生素C含量提取最佳工藝為:液料比3.62∶1 mL/g、超聲溫度42.66 ℃、超聲時(shí)間17.59 min和超聲功率 307.24 W,維生素C理論含量為0.5337 mg/g。根據(jù)預(yù)測條件和實(shí)際操作設(shè)計(jì)維生素C提取條件分別為:液料比4∶1 mL·g-1、超聲溫度43 ℃、超聲時(shí)間18 min和超聲功率310 W,進(jìn)行3次平行試驗(yàn)取實(shí)驗(yàn)的平均值,得紫果西番蓮果肉中提取液中維生素C含量為0.5316 mg/g,預(yù)測結(jié)果和實(shí)測結(jié)果相近,說明擬合良好、參數(shù)可靠。

3 結(jié)論

本文首先研究了不同濃度的酸提取劑對(duì)紫果西番蓮果肉提取液中維生素C含量的影響,得出2%的草酸作提取劑時(shí),提取液中維生素C含量最高,分析原因主要是紫果西番蓮果肉中本身就存在大量的有機(jī)酸。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明:二次模型極顯著,準(zhǔn)確性較高;回歸方程和各因素交互作用響應(yīng)面表明各因素對(duì)紫果西番蓮果肉中維生素C提取量的影響順序?yàn)锽>D>C>A,即超聲溫度影響最大,超聲功率次之,再次是超聲時(shí)間的影響,液料比的影響最小。根據(jù)回歸模型進(jìn)行預(yù)測和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),建立了維生素C提取的最佳工藝:液料比4∶1 mL·g-1、超聲溫度43 ℃、超聲時(shí)間18 min和超聲功率310 W,紫果西番蓮果肉中的維生素C含量為0.5316 mg/g?？梢娮瞎鞣徆庵泻胸S富的維生素C,不愧為水果中的維生素C之王。