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        燕麥總多酚的微波輔助提取工藝研究

        2016-10-18 12:36:46劉仙俊范向前史起鵬王雪虎戚曉陽
        食品研究與開發(fā) 2016年17期
        關(guān)鍵詞:裸燕麥保鮮膜燕麥

        劉仙俊,范向前,史起鵬,*,王雪虎,戚曉陽

        (1.太原科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,山西太原030021;2.太原理工大學(xué)精細(xì)化工研究所,山西太原030024)

        燕麥總多酚的微波輔助提取工藝研究

        劉仙俊1,范向前2,史起鵬1,*,王雪虎1,戚曉陽1

        (1.太原科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,山西太原030021;2.太原理工大學(xué)精細(xì)化工研究所,山西太原030024)

        以我國裸燕麥為試驗(yàn)材料,微波輔助提取總多酚得率為考察指標(biāo),對微波輔助提取工藝方法進(jìn)行改進(jìn),并通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),進(jìn)一步優(yōu)化了燕麥總多酚的微波輔助提取工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明:燕麥總多酚的最佳提取工藝條件為:乙醇濃度70%,微波功率400 W,提取時(shí)間30 s,料液比1∶25(g/mL),2級提取。按此工藝進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證得到燕麥總多酚的平均提取得率為1.667mg/g,試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定,而且大大縮短了提取時(shí)間。

        燕麥;總多酚;微波輔助提?。徽辉囼?yàn)

        燕麥(Avena sativa L.)是禾本科燕麥屬草本植物,有裸燕麥和皮燕麥之分,我國的燕麥以裸燕麥為主,山西、甘肅、內(nèi)蒙、青海等地是我國燕麥的主產(chǎn)地[1]。燕麥具有較高的營養(yǎng)價(jià)值,以及降血脂、降血糖、抑制脂質(zhì)氧化等重要的醫(yī)用價(jià)值[1]。研究燕麥中的生物活性成分,對開發(fā)燕麥保健產(chǎn)品具有重要的意義。

        研究表明,燕麥作為一種藥食同源谷物含有大量的抗氧化活性成分,如植酸、維生素E、甾醇等,而其中最主要的抗氧化成分是多酚類物質(zhì),包括簡單的酚類如阿魏酸、咖啡酸、香草醛和p-香豆酸,還有黃酮類化合物如榭皮素等[1-2]。大量研究表明多酚類化合物能有效地清除人體內(nèi)自由基、預(yù)防脂質(zhì)過氧化、抗動脈粥樣硬化等[3-9]。

        微波輔助提取多酚作為一項(xiàng)新的萃取技術(shù)具有快速、高效、節(jié)能、防止有效成分的破壞和損失等優(yōu)點(diǎn)[10-12],而國內(nèi)對裸燕麥多酚的微波輔助提取技術(shù)研究較少。本文通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對燕麥多酚的微波輔助提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化,為燕麥多酚的開發(fā)利用提供一定的理論基礎(chǔ)和工藝參考。

        1 材料與方法

        1.1材料與試劑

        1.1.1裸燕麥

        由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所提供。裸燕麥粒干燥粉碎成末,過40目篩裝袋置陰涼處備用。

        1.1.2主要試劑

        Folin-Ciocalteu試劑:上海喜潤化學(xué)工業(yè)有限公司;沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品:美國Sigma公司;無水碳酸鈉、無水乙醇:均為分析純試劑。

        1.2主要儀器與設(shè)備

        WD750B型微波爐:順德格蘭仕電器廠有限公司;UV754N紫外可見分光光度計(jì):上海精密科學(xué)儀器有限公司;FA2004電子分析天平:上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;TDL-5離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;貝利粉碎機(jī):濟(jì)南倍力粉技術(shù)工程有限公司;DZC-403型真空干燥箱:天津天宇機(jī)電儀器有限公司;HH-2電熱恒溫水浴鍋:北京科偉永興儀器有限公司。

        1.3試驗(yàn)方法

        1.3.1燕麥總多酚含量的測定方法

        采用Folin-Ciocalteu比色法測定裸燕麥總多酚的含量[12]。

        1.3.1.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

        精確稱量沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品25 mg,用蒸餾水溶解后定容于250 mL容量瓶中,得到0.1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液,分別移取儲備溶液0.00、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mL置于25 mL容量瓶中,分別加入Folin-Ciocalteu試劑1 mL,搖勻后再分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的Na2CO3溶液2 mL,用蒸餾水定容至25 mL,搖勻,于25℃恒溫水浴中避光反應(yīng)2 h后在765 nm波長下測定吸光度,平行3組。以沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)液濃度為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。所得線性回歸方程:

        式中:x為沒食子酸濃度,mg/mL,y為吸光度。

        1.3.1.2樣品多酚含量的測定

        吸取1.00 mL燕麥總多酚提取液于25 mL容量瓶中,分別加入Folin-Ciocalteu試劑1mL及質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的Na2CO3溶液2 mL并定容至刻度,在25℃恒溫水浴中避光反應(yīng)2 h,于765 nm波長下測定吸光度。根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線來計(jì)算提取液中的燕麥總多酚含量,進(jìn)而計(jì)算裸燕麥總多酚得率。

        燕麥總多酚得率/(以沒食子酸計(jì),mg/g)=A1×V1/W

        式中:A1為提取液中燕麥總多酚濃度,(mg/mL,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線查得);V1為提取液的體積,mL;W為燕麥粉質(zhì)量,g。

        1.3.2微波提取燕麥總多酚的單因素試驗(yàn)

        以裸燕麥總多酚得率作為評價(jià)指標(biāo),分別對乙醇濃度,微波功率,提取時(shí)間以及料液比做單因素試驗(yàn),以確定各因素對燕麥總多酚微波輔助提取效果的影響和適宜范圍,所有處理均設(shè)3次重復(fù)。

        1.3.3微波提取燕麥總多酚的正交試驗(yàn)

        在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以乙醇濃度(A),微波功率(B),提取時(shí)間(C)以及料液比(D)為影響因素,以燕麥總多酚得率為考察指標(biāo),選用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表,優(yōu)化提取工藝參數(shù),從中篩選最優(yōu)的工藝條件和技術(shù)參數(shù)。因素水平見表1。

        表1 正交試驗(yàn)因素水平表L9(34)Table 1Factors and levels of L9(34)orthogonal experiment

        2 結(jié)果與分析

        2.1微波輔助提取燕麥總多酚的單因素試驗(yàn)

        2.1.1乙醇濃度對總多酚提取效率的影響

        分別準(zhǔn)確稱取0.4 g裸燕麥粉于5個(gè)50 mL的錐形瓶中,按料液比1∶25(g/mL)分別加入體積分?jǐn)?shù)為55%、60%、65%、70%、75%乙醇溶液,然后用保鮮膜封住瓶口,并用針在保鮮膜上扎8個(gè)~9個(gè)小孔,在560W的微波功率下提取60 s,5 000 r/min離心10 min。殘?jiān)瓷鲜鰲l件重復(fù)提取1次,合并兩次提取離心的上清液,用提取劑定容到25 mL。測定溶液中總多酚含量,計(jì)算其得率,結(jié)果見圖1。

        圖1 乙醇濃度對燕麥總多酚得率的影響Fig.1Influence of ethanol concentration on yield of oat total polyphenols

        從圖1中可以看出,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加,燕麥總多酚提取得率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,乙醇濃度為70%時(shí)總多酚得率達(dá)到最大,之后又開始減少。主要原因可能是低濃度乙醇可以自由進(jìn)出細(xì)胞,但高濃度乙醇可引起組織中蛋白質(zhì)變性,從而阻止了多酚類物質(zhì)的滲出,影響提取效率。因此,可選70%的乙醇溶液作為適宜的提取劑。

        2.1.2微波功率對總多酚提取效率的影響

        分別準(zhǔn)確稱取0.4 g裸燕麥粉于6個(gè)50 mL的錐形瓶中,按料液比1∶25(g/mL)分別加入體積分?jǐn)?shù)為70%乙醇溶液,然后用保鮮膜封住錐形瓶口,并用針在保鮮膜上扎8個(gè)~9個(gè)小孔,分別在400、480、560、640、720、800 W的微波功率下提取45 s,5 000 r/min離心10 min。殘?jiān)瓷鲜鰲l件重復(fù)提取1次,合并兩次提取離心的上清液,用提取劑定容到25 mL。測定溶液中總多酚含量,計(jì)算其得率,結(jié)果見圖2。

        圖2 提取功率對提取的影響Fig.2Influence of microwave power on yield of oat total polyphenols

        從圖2可以看出,隨著微波功率的增大,燕麥總多酚提取率也增加,當(dāng)微波功率在480 W時(shí)達(dá)到最大,但功率繼續(xù)增大時(shí)提取率逐漸下降。主要原因推測是在一定時(shí)間內(nèi)微波輻射功率越高,物料升溫越快,固液擴(kuò)散速度越快,使細(xì)胞破裂加劇,從而有利于有效成分的浸出。但是,當(dāng)微波功率增大到一定程度時(shí)會造成體系局部溫度過高,導(dǎo)致多酚類物質(zhì)分解。因此,微波功率可將480 W視為最佳的提取功率。

        2.1.3提取時(shí)間對總多酚提取效率的影響

        分別準(zhǔn)確稱取0.4 g裸燕麥粉于6個(gè)50 mL的錐形瓶中,按料液比1∶25(g/mL)分別加入體積分?jǐn)?shù)為70%乙醇溶液,然后用保鮮膜封住錐形瓶口,并用針在保鮮膜上扎8個(gè)~9個(gè)小孔,在560 W的微波功率下分別提取30、45、60、75、90、105s,5000r/min離心10min。殘?jiān)瓷鲜鰲l件重復(fù)提取1次,合并兩次提取離心的上清液,用提取劑定容到25 mL。測定溶液中總多酚含量,計(jì)算其得率,結(jié)果見圖3。

        圖3 提取時(shí)間對燕麥總多酚得率的影響Fig.3Influence of extraction time on yield of oat total polyphenols

        從圖3可以看出,隨著提取時(shí)間的增加,燕麥總多酚的提取率也逐漸增大,在45 s時(shí)達(dá)到最大提取率,之后隨著提取時(shí)間的延長,提取率有所下降。主要原因可能是提取時(shí)間增大使料液接觸時(shí)間增加,且經(jīng)微波處理后燕麥細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器被破壞,多酚類物質(zhì)得以釋放和溶出,從而增大了總多酚提取效率,但隨著處理時(shí)間的進(jìn)一步延長,微波輻射在破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的同時(shí),也破壞其中有效成分,因而存在最適宜的微波輔助提取時(shí)間。因此,可選擇45 s為最佳提取時(shí)間。

        2.1.4料液比對總多酚提取效率的影響

        分別按照料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶40(g/ mL)準(zhǔn)確稱取相應(yīng)重量的裸燕麥粉于5個(gè)50 mL的錐形瓶中,加入體積分?jǐn)?shù)為65%的乙醇溶液10 mL(提取液的體積保持不變),然后用保鮮膜封住錐形瓶口,并用針在保鮮膜上扎8~9個(gè)小孔,在560 W的微波功率下提取60 s,5 000 r/min離心10 min。殘?jiān)瓷鲜鰲l件重復(fù)提取一次,合并兩次提取離心的上清液,用提取劑定容到25 mL。測定溶液中總多酚含量,計(jì)算其得率,結(jié)果見圖4。

        圖4 料液比對燕麥總多酚得率的影響Fig.4Influence of solid-liquid ratio on yield of oat total polyphenols

        從圖4可以看出隨著料液比的增加,燕麥總多酚的提取效果也在增加。當(dāng)料液比增加到1∶25(g/mL)時(shí),總多酚的提取得率達(dá)到最高,隨后又有減小的趨勢。因此,1∶25(g/mL)可以作為燕麥總多酚提取的合適料液比。

        2.2燕麥總多酚微波輔助提取工藝的正交優(yōu)化試驗(yàn)

        在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以燕麥總多酚得率為指標(biāo),選用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對微波輔助提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,考察乙醇濃度、微波功率、提取時(shí)間以及料液比對燕麥總多酚得率的影響。正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2,方差分析結(jié)果見表3。

        由極差分析結(jié)果(表2)可知,4個(gè)因素對燕麥總酚微波輔助提取效果影響的主次順序?yàn)镈>B>A>C,即料液比>微波功率>乙醇濃度>提取時(shí)間。正交優(yōu)化試驗(yàn)所得最佳提取工藝組合為A2B1C1D3,即乙醇濃度70%、微波功率400 W、提取時(shí)間30 s、料液比1∶25(g/mL),2級提取。

        表2 燕麥總多酚微波輔助提取的正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2Result of the orthogonal experiment for microwave extraction of oat total polyphenols

        表3 正交試驗(yàn)方差分析表Table 3Variance analysis of the orthogonal experiment result

        從表3方差分析結(jié)果可以看出,料液比對燕麥總多酚得率在α=0.05水平上有顯著影響。

        2.3最優(yōu)微波提取工藝驗(yàn)證

        為了進(jìn)一步考察最優(yōu)工藝的穩(wěn)定性,將理論上得到的最佳提取工藝條件進(jìn)行了5次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果見表4。

        經(jīng)分析,燕麥總多酚提取的平均得率為1.667mg/g,優(yōu)于正交試驗(yàn)中的所有處理結(jié)果,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(Relative Standard Deviation)為0.038%。表明正交優(yōu)化試驗(yàn)得出的燕麥總多酚最佳微波輔助提取工藝提取率高,且條件穩(wěn)定可靠。

        表4 微波輔助提取總多酚的驗(yàn)證試驗(yàn)Table 4Verification test for microwave extraction of oat total polyphenols

        3 結(jié)論

        本試驗(yàn)在常規(guī)醇提多酚的基礎(chǔ)上,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化了燕麥總多酚的微波輔助提取工藝。得到的最佳提取工藝條件為:乙醇濃度70%、微波功率400 W、提取時(shí)間30 s、料液比1∶25(g/mL)、2級提取。按此最佳工藝條件進(jìn)行了5次重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn),最終所得的燕麥總多酚平均得率為1.667 mg/g,RSD為0.038%。表明提取率高,提取工藝穩(wěn)定可靠。

        極差分析和方差分析表明,影響燕麥總酚微波輔助提取效果的主次因素順序?yàn)榱弦罕龋疚⒉ㄌ崛」β剩疽掖紳舛龋咎崛r(shí)間。并且料液比在α=0.05水平上對燕麥總多酚得率有顯著影響。

        利用微波輔助提取燕麥總多酚,結(jié)果穩(wěn)定,提取效率高,成本低,且大大縮短了提取時(shí)間,為進(jìn)一步開發(fā)利用燕麥多酚打下基礎(chǔ)。

        [1]任清,趙世鋒,田益玲.燕麥生產(chǎn)與綜合加工利用[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2011:1-25

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        Study on Microwave-assisted Extraction of Total Polyphenols from Oat

        LIU Xian-jun1,F(xiàn)AN Xiang-qian2,SHI Qi-peng1,*,WANG Xue-hu1,QI Xiao-yang1
        (1.College of Chemical and Biological Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030021,Shanxi,China;2.Institute of Special Chemicals,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China)

        The naked oats was used as experimental materials to extract polyphenols by microwave-assisted technology,and content of total polyphenols had been measured by Folin-Ciocalteu mothod.Microwave extration process had been improved,and further optimize the microwave-assisted extraction conditions of polyphenols from oat by single factor and orthogonal experiment design.Results showed that the optimal conditions:ethanol concentration 70%,microwave power 400 W,extraction time 30 s,and solid-liquid ratio 1∶25(g/mL),and the extraction stage was 2.Under the optimal extraction conditions,the yield of total polyphenols was 1.667 mg/g.The experimental results was extremely stable,and the extraction time was reduced greatly.

        oat;totalpolyphenols;microvave-assistedextraction;orthogonaldesign

        10.3969/j.issn.1005-6521.2016.17.014

        2016-04-26

        山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(青年,2013021022-2);山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2015281);太原科技大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目。

        劉仙?。?978—),女(漢),講師,博士,研究方向:天然生物活性物質(zhì)的提取分離。

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