王若蘭,田志琴,李東嶺,孔祥剛,游 慧,張立國(guó)

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

微波輔助提取小米中多酚類(lèi)活性物質(zhì)的研究

王若蘭,田志琴,李東嶺,孔祥剛,游 慧,張立國(guó)

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

以晉谷 9號(hào)小米作為原料,采用微波輔助提取技術(shù),研究了乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波作用時(shí)間、微波功率、料液比及提取次數(shù)對(duì)小米多酚得率的影響,并進(jìn)行了響應(yīng)面設(shè)計(jì).獲得單因素最佳條件為:乙醇體積分?jǐn)?shù) 70%,微波萃取時(shí)間 90 s,微波功率 440 W,料液比 1︰12,萃取次數(shù)為2次;響應(yīng)面試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分?jǐn)?shù) 66%,微波時(shí)間 120 s,微波功率 414 W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取得率為 105.38 mg/100 g.

小米;多酚;微波提取;響應(yīng)面分析

0 前言

小米 (Setaria italica),中國(guó)古稱(chēng)稷或粟,亦稱(chēng)作粱.脫殼制成的糧食,因其粒小,直徑 2 mm左右,故名.原產(chǎn)于中國(guó)北方黃河流域,是我國(guó)北方地區(qū)的主要糧食作物之一,小米營(yíng)養(yǎng)豐富、易消化吸收,是中華民族傳統(tǒng)的食物.目前其栽植面積有140萬(wàn) hm2,年產(chǎn)量 270萬(wàn)～450萬(wàn) t.無(wú)論從營(yíng)養(yǎng)膳食的角度,還是從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的角度來(lái)看,小米資源的開(kāi)發(fā)利用都具有非常重要的意義[1].

近年來(lái),多酚類(lèi)物質(zhì)成為了國(guó)內(nèi)外食品學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一,大量研究表明,多酚類(lèi)物質(zhì)在抗氧化、清除自由基、殺菌、抑菌、抗癌、抗衰老、降血糖、降血脂、預(yù)防心血管疾病等方面具有獨(dú)特的生理功效[2-5].Sanaa Ragaee等[6]比較了大麥、珍珠小米、黑麥、高粱的總酚含量,得出小米中的總酚含量為 (1 387±13.3)μg/g.而我國(guó)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)小米多酚的提取得率只有 30 mg/100 g[7].另外,小米中的多酚含量與其品種有關(guān)[8],因此筆者以中國(guó)小米產(chǎn)量最大的山西品種晉谷 9號(hào)作為原料,采用一種新型、高效的提取方法——微波輔助提取來(lái)探求小米多酚提取的最佳工藝,以期提高小米多酚得率._

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小米:產(chǎn)地山西,品種為晉谷 9號(hào);小米籽粒經(jīng)篩選除去雜質(zhì)后粉碎過(guò) 80目篩,脫脂后待用.

沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品:GeneralMaterial公司;Foin-Ciocalteu顯色劑:自制;無(wú)水乙醇、石油醚、碳酸鈉均為國(guó)產(chǎn)分析純;

752N紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):上海菁華科技儀器有限公司;M700美的微波爐:廣東美的微波爐制造有限公司;JXFM110型錘式旋風(fēng)磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;GL—20GⅡ型高速冷凍離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠(chǎng).

1.2 方法

1.2.1 多酚類(lèi)物質(zhì)的提取

精確稱(chēng)取一定質(zhì)量處理好的小米粉放入錐形瓶中,加入一定量不同體積分?jǐn)?shù)的無(wú)水乙醇浸提液后搖勻,在一定的微波功率下浸提一定時(shí)間,將粗提液離心過(guò)濾后定容得到待測(cè)提取液.

1.2.2 小米中多酚類(lèi)物質(zhì)的測(cè)定

以 Foin-Ciocalteu法[9-10]測(cè)定總酚含量,以沒(méi)食子酸作為標(biāo)準(zhǔn)物.

1.2.2.1 Foin-Ciocalteu顯色劑的配置[11]

稱(chēng)取 50.0 g鎢酸鈉和 12.5 g鉬酸鈉,用 350 mL蒸餾水溶于 1 000 mL回流瓶中,加入 25 mL磷酸和 50 mL濃鹽酸,充分混勻,微沸回流 10 h;再加入 75.0 g硫酸鋰,25 mL蒸餾水和數(shù)滴溴水,然后開(kāi)口繼續(xù)煮沸 15 min,使得溴水完全揮發(fā)為止;冷卻后定容至 500 mL,過(guò)濾,濾液呈黃綠色,置于棕色試劑瓶中保存?zhèn)溆?此液在冰箱中可長(zhǎng)期保存,使用時(shí)加入 1倍體積的蒸餾水稀釋即可.

1.2.2.2 總酚標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制

精確稱(chēng)取沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品 25 mg,用水溶解并定容到 250 mL,得 0.1 mg/mL的對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)溶液.精確吸取對(duì)照樣品溶液 0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.5 mL于 10 mL容量瓶中,再加入 1 mLFolin-Ciocalteau試劑,搖勻后加入 2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室溫下反應(yīng) 2 h后測(cè)定A760,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn).得回歸方程為 y=0.068 7x-0.000 4.見(jiàn)圖 1,其中 y為沒(méi)食子酸含量 (mg),x為吸光度,R2=0.999 0,具有良好的線(xiàn)性關(guān)系.

圖1 沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

1.2.2.3 提取液中總多酚含量的測(cè)定

移取待測(cè)提取液 1 mL于 10 mL容量瓶中,依次加入 1 mL Folin-Ciocalteu顯色劑,搖勻后加入2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室溫下反應(yīng)2 h后,于 760 nm處測(cè)定吸光值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算總多酚的沒(méi)食子酸當(dāng)量,總酚含量以每 100 g小米粉的沒(méi)食子酸當(dāng)量 (mg)表示.

1.2.3 單因素試驗(yàn)

通過(guò)單因素試驗(yàn)研究乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波萃取時(shí)間、微波功率、料液比 (質(zhì)量體積比,g/mL,下同)及提取次數(shù)對(duì)小米多酚提取得率的影響,確定出最佳工藝參數(shù)范圍.

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波萃取時(shí)間、微波功率、料液比為試驗(yàn)因素,根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,利用Design-Exper7.0軟件進(jìn)行 4因素 3水平試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù),響應(yīng)面因素與水平見(jiàn)表1.

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取率的影響

精確稱(chēng)取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,分別加入水,體積分?jǐn)?shù)為 20%、40%、60%、80%、100%的乙醇溶液各 50 mL,在 440 W微波功率條件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后進(jìn)行總多酚含量的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖 2.

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取率的影響

由圖 2可知,其他條件一定時(shí),隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高,小米粉中總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率先升高,當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過(guò) 70%后,總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率呈下降趨勢(shì).這是由于多酚類(lèi)物質(zhì)在植物體內(nèi)通常與蛋白質(zhì)、多糖等以氫鍵和疏水鍵形式結(jié)合,因此提取溶劑除必須是多酚類(lèi)物質(zhì)的良好溶劑外,還必須具有斷裂氫鍵的作用,水和有機(jī)溶劑的復(fù)合體系最適合多酚類(lèi)物質(zhì)的提取,最常用的是丙酮、甲醇和乙醇與水的復(fù)合體系.本研究結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,考慮到對(duì)環(huán)境友好因素、產(chǎn)品中有害物的殘留和節(jié)約成本,采用乙醇 -水復(fù)合體系作為提取溶劑,其中乙醇的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在 70%以下.

2.1.2 微波萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響

“動(dòng)機(jī)是一切活動(dòng)的原動(dòng)力”，它是推動(dòng)學(xué)生自主管理活動(dòng)的主觀(guān)因素，是進(jìn)行自主管理的前提，在一定意義上講，自主管理動(dòng)機(jī)制約著自主管理的方向、態(tài)度，影響著自主管理的方法和成果。自我管理的直接動(dòng)力來(lái)源于小學(xué)生自我服務(wù)，行為自律的需要。真正的自我服務(wù)、自我管理是兒童發(fā)自?xún)?nèi)心的行動(dòng)，具有明確的目的性和計(jì)劃性。因此，引導(dǎo)自我管理首先要強(qiáng)化自我管理的意識(shí)。

精確稱(chēng)取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分?jǐn)?shù)為 70%的乙醇 50 mL,在440 W微波功率條件下分別萃取 (萃取 2次)30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s,然后進(jìn)行總多酚含量的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖 3.

圖3 微波萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響

由圖 3可知,其他條件一定時(shí),小米粉中總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率在 90 s內(nèi)隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,90 s后總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率略有下降.這可能是微波萃取時(shí)間越長(zhǎng),較高的溫度會(huì)導(dǎo)致小米粉中多酚受熱分解,結(jié)構(gòu)遭到破壞.因此,萃取時(shí)間控制在 90 s.

2.1.3 微波功率對(duì)提取率的影響

精確稱(chēng)取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分?jǐn)?shù)為 70%的乙醇 50 mL,分別在 136 W、264 W、440 W、616 W、800 W的微波功率下萃取 90 s(萃取 2次),然后進(jìn)行總多酚含量的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖 4.

圖4 功率對(duì)提取率的影響

由圖 4可知,其他條件一定時(shí),隨著微波功率的升高,小米粉中總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率先升高,當(dāng)微波功率超過(guò) 440 W后,總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率呈下降趨勢(shì),因?yàn)槲⒉üβ蔬^(guò)高,會(huì)導(dǎo)致熱量的大量聚集,這一方面會(huì)導(dǎo)致小米粉中的多酚受熱分解,結(jié)構(gòu)遭到破壞;另一方面過(guò)高的溫度致使乙醇揮發(fā),乙醇體積分?jǐn)?shù)降低,從而降低多酚的提取效果.所以本試驗(yàn)微波處理功率取 440 W為最佳.

2.1.4 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

精確稱(chēng)取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,加入體積分?jǐn)?shù)為 70%的乙醇 60 mL,在440 W微波功率條件下分別進(jìn)行 1次萃取、2次萃取、3次萃取,每次 90 s,然后進(jìn)行總多酚含量的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖 5.

圖5 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

2.1.5 料液比對(duì)提取率的影響

精確稱(chēng)取約 5.00 g脫脂后的小米粉放入錐形瓶中,分別加入體積分?jǐn)?shù)為 70%的乙醇 30 mL、40 mL、50 mL、60 mL、70 mL,在 440 W 微波功率條件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后進(jìn)行總多酚含量的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖 6.

圖6 料液比對(duì)提取率的影響

由圖 6可知,其他條件一定時(shí),小米粉中總多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率隨料液比的增大而增大,但超過(guò) 1︰12后,提取率趨于穩(wěn)定.因?yàn)檫^(guò)低的料液比不利于小米粉中總酚的完全溶出,而過(guò)高的料液比增加了溶劑的使用量.故料液比選用 1︰12.

2.2 小米粉中多酚類(lèi)物質(zhì)提取最佳工藝條件的確定

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)以小米粉中多酚類(lèi)物質(zhì)的提取率為響應(yīng)值,據(jù)此采用 Design-Expert7.0軟件安排試驗(yàn),見(jiàn)表2.

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析

運(yùn)用Design Expert7.0軟件對(duì) 29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析,擬合后得到關(guān)于乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波處理時(shí)間、微波功率及料液比的二次多項(xiàng)式回歸模型為:多酚得率 (Y)=99.61-3.29A+3.93B+2.88C+5.29D-5.33AB+1.28AC-2.14AD-4.39BC-2.22BD-1.64CD-11.36A2-0.53B2-7.92C2-9.19D2.

對(duì)此模型進(jìn)行方差分析 (見(jiàn)表3),結(jié)果表明,該模型極顯著 (P＜0.000 1),其決定系數(shù) R2=0.938 7,說(shuō)明該模型能解釋 93.87%響應(yīng)值的變化,因而該模型擬合程度良好4,表明該響應(yīng)面方程不需做進(jìn)一步的優(yōu)化,該模型可用于預(yù)測(cè);“Adeq Precision”(信噪比 )值為 11.497,該值高亦表明該模型可用于預(yù)測(cè).因此,此模型可很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系.

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在此回歸模型中,因素 D、A2、C2、D2對(duì)小米多酚的提取率影響極顯著,因素 A、B、C、AB、BC對(duì)小米多酚的提取率影響顯著.因素 AC、AD、BD、CD、B2對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著.同時(shí)各因素的均方值可以反映出各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的重要性,均方值越大,表明對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大.從表3可知影響小米多酚提取得率的 4個(gè)因素順序是:D ＞B ＞A ＞C.

2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)中各個(gè)因素之間的交互作用分析

圖 7～圖 12為某兩個(gè)因素對(duì)小米多酚提取率的交互影響.

由圖 7可知,當(dāng)固定微波功率 440 W,料液比1︰12,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大,小米多酚提取率先增大后減少;隨著微波萃取時(shí)間的增加,多酚得率逐漸增大;兩因素間有顯著的交互效應(yīng).

表3 回歸模型方差分析

從圖 8可以看出,當(dāng)固定微波萃取時(shí)間 90 s,微波功率 440 W,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大,小米多酚提取得率先增大后減少;隨著料液比的增加,小米多酚得率先增大后趨于穩(wěn)定.

從圖 9可以看出,當(dāng)固定微波萃取時(shí)間 90 s,料液比 1︰12,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大,小米多酚提取率先增大后減少;隨著微波功率的增加,小米多酚得率也呈先增大后下降的趨勢(shì).

圖9 乙醇體積分?jǐn)?shù)和微波功率對(duì)多酚得率的影響

圖 10為微波萃取時(shí)間和微波功率對(duì)多酚含量的影響,結(jié)果表明當(dāng)固定乙醇體積分?jǐn)?shù) 70%,料液比 1︰12時(shí),隨著微波萃取時(shí)間的增大,小米多酚得率逐漸增大;隨著微波功率的增加,小米多酚得率先增大后減少.

圖10 微波萃取時(shí)間和微波功率對(duì)多酚得率的影響

由圖 11可知,當(dāng)固定乙醇體積分?jǐn)?shù) 70%,微波功率 440 W,隨著微波萃取時(shí)間的增加,小米多酚提取率逐漸增加,這說(shuō)明時(shí)間越長(zhǎng)越有利于小米多酚類(lèi)物質(zhì)的充分溶出,因此適當(dāng)延長(zhǎng)微波萃取時(shí)間有利于提高小米多酚的得率;隨著料液比的增加,小米多酚的提取率先升高后趨于穩(wěn)定.

圖11 微波萃取時(shí)間和料液比對(duì)多酚得率的影響

圖 12為微波功率和料液比的交互作用對(duì)小米多酚提取得率的影響,當(dāng)固定乙醇體積分?jǐn)?shù)70%,微波萃取時(shí)間 90 s,小米多酚得率隨著微波功率的增加先增大后減小,隨著料液比的增加先增大后趨于穩(wěn)定.

圖12 微波功率和料液比對(duì)多酚得率的影響

2.2.4 最佳提取條件的確定和試驗(yàn)驗(yàn)證

從響應(yīng)面分析可以得到從小米粉中提取多酚類(lèi)物質(zhì)的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分?jǐn)?shù)65.91%,微波時(shí)間 120 s,微波功率 413.3 W,料液比 1︰12.46,在此工藝條件下得到小米多酚提取率為 105.46 mg/100g.

為檢驗(yàn)該法的可靠性,考慮到實(shí)際操作的便利,將最佳工藝參數(shù)修正為:乙醇體積分?jǐn)?shù) 66%,微波時(shí)間 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取得率為 105.38 mg/100 g,接近最佳提取率.

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn),進(jìn)行微波輔助提取小米多酚類(lèi)物質(zhì)的研究.獲得單因素最佳條件為:乙醇體積分?jǐn)?shù) 70%、微波萃取時(shí)間 90s、微波功率 440 W、料液比 1︰12、萃取次數(shù)為 2次;響應(yīng)面試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為:乙醇體積分?jǐn)?shù) 66%,微波時(shí)間 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工藝條件下得到小米多酚提取率為105.38 mg/100 g.

[1] 王強(qiáng),孫曉明,宋玉麗,等.小米資源的開(kāi)發(fā)利用 [J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng),2000(6):26-27.

[2] Sripriy G,Chandrasekharan K,Murty V S,etal.ESR spectroscopic studies on free radical quenching action of fingermillet(Eleusine coracana)[J].Food Chemistry,1996,57(4):537-540.

[3] Linda Dykes,Lioydw Rooney.Sorghum and millet phends and antioxidants[J].Joural of Cereal Science,2006,44:236-251.

[4] Tseng Yu-hsiv,Yang Joan-hwa,Chang Huiling,et al.Antioxidant properties ofmethanolx extracts from monascal adlay[J].Food Chemistry,2006,98:32-38.

[5] 凌關(guān)庭.有“第七類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素”之稱(chēng)的多酚類(lèi)物質(zhì) [J].中國(guó)食品添加劑,2000(1):28-37.

[6] Sanaa Ragaee,El-SayedM.Abdel-Aal,MaherNoaman.Antioxidant activity and nutrient composition of selected cereals for food use[J].Food Chemistry,2006,98:32-38.

[7] 薛月圓,林勤保.小米中總酚提取條件的優(yōu)化[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊,2007(4):24-26.

[8] PrashantS Hegde,Chandra T S.ESR spectroscopic study reveals higher free radical quenching potential in kodo millet(Paspalum scrobiculatum)compared to other millets[J].Food Chemistry,2005,92:177-182.

[9] Bonoli M,Verardo V,Marconi E,et al.Antioxidant phenols in barley(Hordeum vulgare L.) flour:comparative spectrophotometric study among extraction methods of free and bound phenolic compounds[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004,52:5195-5200.

[10] 張海暉,段玉清,倪燕,等.谷物中多酚類(lèi)化合物提取方法及抗氧化效果研究[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2008,23(6):107-110.

[11] Singleton V L,Rossi J A.Colori metry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents[J].Am J EnolVitic,1965,16:144-158.

STUDY ON M ICROWAVE EXTRACTION OF B IOACTIVE POLYPHENOL COMPOUND FROM FOXTA IL M ILLET

WANG Ruo-lan,TIAN Zhi-qin,L IDong-ling,KONG Xiang-gang,YOU Hui,ZHANG Li-guo
(School of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper studied the effects of the ethanol volume fraction,the microwave time,the microwave power,the solid-liquid ratio and the extraction times on the yield of polyphenol in foxtailmillet(jingu No.9)by using microwave-assisted extraction technique,and conducted the response surface analysis.According to the single factor tests,the optimal conditionswere as follows:ethanol volume fraction 70%,microwave ti me 90 seconds,microwave power 440W,solid-liquid ratio 1︰12,and extraction t wice.According to the response surface analysis,the optimal conditions were as follows:ethanol volume fraction 66%,microwave ti me 120 seconds,microwave power 414W,and solid-liquid ratio 1︰12,and the yield of polyphenol from foxtailmillet was 105.38 mg/100 g under the conditions.

foxtailmillet;polyphenol;microwave extraction;response surface analysis

TS201.2

B

1673-2383(2010)06-0015-06

2010-09-25

王若蘭 (1960-),女,河南開(kāi)封人,教授,研究方向?yàn)榧Z食儲(chǔ)藏技術(shù)及品質(zhì)控制.