楠 極,李遠(yuǎn)志

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014109;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品院,廣東廣州 510642)

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響應(yīng)面法優(yōu)化番石榴葉多酚的超聲提取工藝

楠 極1,李遠(yuǎn)志2,*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014109;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品院,廣東廣州 510642)

以番石榴葉為原料,研究了多酚物質(zhì)的超聲輔助提取工藝，探討了各因素對(duì)多酚物質(zhì)提取含量的影響。通過二次響應(yīng)面法,確定了超聲輔助提取番石榴葉多酚物質(zhì)的最佳提取條件,以1∶30(g/mL)的料液比加入51%的乙醇,在60 ℃的溫度、60 W的超聲波功率下提取47 min,多酚物質(zhì)含量可達(dá)143.38 mg/g。

番石榴葉,多酚物質(zhì),超聲輔助提取,響應(yīng)面法

番石榴葉為桃金娘科植物番石榴(PsidiumguajavaL.)的干燥葉及帶葉嫩莖,具有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用,主要分布在廣東、廣西、福建、臺(tái)灣、海南、四川等地[1]。番石榴葉具有收斂、止瀉、消炎作用,對(duì)腹瀉、久痢、腸炎、腸胃潰瘍、濕疹、瘙癢等癥狀有明顯緩解效果[2]。研究還發(fā)現(xiàn),番石榴葉能軟化血管、降低血脂、血糖和膽固醇,并具有抗氧化、抗菌活性和治療咳嗽等功效[3]。而大量實(shí)驗(yàn)研究證明,番石榴葉中產(chǎn)生這些功效作用的主要成分是多酚類物質(zhì)[4-5]。因此提取番石榴葉中功能性成分多酚物質(zhì)具有一定意義。

植物多酚提取方法主要有溶劑浸提法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法和超臨界流體萃取法等。超聲輔助提取是一種物理破碎手段,主要是利用超聲波強(qiáng)化提取過程,提高了植物有效成分的浸提。超聲波產(chǎn)生了獨(dú)特的機(jī)械振動(dòng)和空化作用。當(dāng)超聲強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí),能夠破壞植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),使細(xì)胞壁瞬間破裂,植物細(xì)胞內(nèi)的有效成分得以釋放,直接進(jìn)入溶劑產(chǎn)生較高的提取率[6-7]。超聲輔助提取法與其他提取方法相比,具有操作簡(jiǎn)單、不需要昂貴的儀器設(shè)備、提取時(shí)間短、提取效率高、提取安全無毒等優(yōu)點(diǎn)[8]。石恩慧[9]等利用超聲提取板栗總苞多酚,得率為23.20%;蔣邊[10]等利用超聲提取楊桃多酚,得率為28.5 mg/g;張旭等[11]利用超聲提取核桃青皮渣中多酚,得率為5.520%。查閱相關(guān)文獻(xiàn),沒有發(fā)現(xiàn)用超聲輔助提取番石榴葉多酚物質(zhì)的報(bào)道。本文采用響應(yīng)面法對(duì)超聲輔助提取番石榴葉中多酚物質(zhì)的工藝進(jìn)行優(yōu)化,為其更有效地開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干番石榴葉 廣州市清香農(nóng)產(chǎn)有限公司;沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品、福林酚試劑、無水碳酸鈉、無水乙醇 均為分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

中藥粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;FA2004上皿電子天平 上海精科儀器公;KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器 120 W,昆山市超聲儀器有限公司;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;SHZ-D循環(huán)真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;TU-1800紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 提取方法 將番石榴葉烘干(45 ℃)粉碎,過篩(40～60目)分離,稱取1 g番石榴葉粉置于250 mL錐形瓶中,加入一定量一定濃度的乙醇水溶液,用保鮮膜封口,完全浸潤(rùn)后,經(jīng)超聲波處理一定時(shí)間后抽真空過濾,將濾液定容到50 mL容量瓶中待測(cè),每組做三次平行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 多酚物質(zhì)含量的測(cè)定 番石榴葉中多酚物質(zhì)含量的測(cè)定方法參照楠極[12]微波輔助提取法中的多酚物質(zhì)含量的測(cè)定方法。計(jì)算提取液中多酚物質(zhì)含量時(shí),參照楠極[4]所作標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程(Y=0.0008X+0.0184,R2=0.9993)算出濃度,再換算成每克干番石榴葉粉中的多酚物質(zhì)含量。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-14],以乙醇濃度50%、料液比1∶30(g/mL)、提取溫度60 ℃、超聲波功率84 W(70%)、提取時(shí)間45 min為固定水平,變換各單因素水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考察其對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)含量的影響。各因素水平為乙醇濃度30%、40%、50%、60%、70%、80%,料液比1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 g/mL,提取溫度30、40、50、60、70 ℃,提取時(shí)間10、20、30、40、50、60、70 min,超聲波功率48、60、72、84、96、108、120 W。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 Plackett-Burman設(shè)計(jì)優(yōu)化提取條件 參照文獻(xiàn)[15-17],依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,利用“Two-Level”即二水平設(shè)計(jì)篩選主要因素。A為乙醇濃度,B為料液比,C為提取溫度,D為超聲波功率,E為提取時(shí)間,1取每個(gè)因素里最高含量所對(duì)應(yīng)的水平,-1取每個(gè)因素里最低含量所對(duì)應(yīng)的水平,實(shí)驗(yàn)因素水平編碼見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素及水平編碼

1.2.5 響應(yīng)面法Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化提取條件 參照文獻(xiàn)[15-17],根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)因素水平編碼見表2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SAS(SAS package version 9.0)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合。

表2 實(shí)驗(yàn)因素及水平編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 乙醇濃度對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響 由圖1可以看出,隨著乙醇濃度的增加番石榴葉提取液中多酚物質(zhì)的含量先增大后減小,乙醇濃度為50%時(shí)出現(xiàn)了最大值,乙醇濃度超過50%時(shí)多酚物質(zhì)的含量顯著下降,在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為乙醇濃度低于50%時(shí)提取液顏色為黃綠色,當(dāng)乙醇濃度超過50%時(shí)提取液顏色為綠色。這可能是大量的葉綠素被提取出來占據(jù)了優(yōu)勢(shì),影響了多酚物質(zhì)在乙醇溶液中的最佳溶解濃度[12]。所以乙醇濃度選擇在50%左右為宜。

圖1 乙醇濃度對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the content of polyphenol

2.1.2 料液比對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響 由圖2可以看出,乙醇用量(料液比)從1∶20到1∶25含量增幅不大,在1∶30時(shí)含量增高顯著,之后隨著料液比的增大,多酚物質(zhì)含量的增加趨勢(shì)變得緩慢,基本達(dá)到了平穩(wěn)。所以考慮到提取溶劑量過大,對(duì)回收造成困難,另外從節(jié)約使用原料的角度,料液比選擇1∶30即可。

圖2 料液比對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the content of polyphenol

2.1.3 提取溫度對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響 由圖3可以看出,隨著提取溫度的升高多酚物質(zhì)的含量先增大后降低。當(dāng)提取溫度低于40 ℃時(shí),隨著提取溫度的升高,提取液中多酚物質(zhì)的含量緩慢上升。當(dāng)提取溫度高于40 ℃時(shí),隨著提取溫度的繼續(xù)升高,提取液中多酚物質(zhì)的含量迅速上升,60 ℃時(shí)多酚含量達(dá)到最高。隨后,隨著溫度的升高提取液中多酚物質(zhì)的含量有所下降。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高,植物組織軟化加快,促進(jìn)膨脹,增加可溶性物質(zhì)的溶解度和擴(kuò)散速度,但是溫度過高時(shí)多酚物質(zhì)發(fā)生非酶促氧化聚合或分解反應(yīng),導(dǎo)致含量有所下降[18]。因此,提取溫度選擇在60 ℃為宜。

圖3 提取溫度對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the content of polyphenol

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響 由圖4可以看出,隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)多酚物質(zhì)含量基本勻速上升,當(dāng)提取時(shí)間為40～50 min時(shí)達(dá)到最高點(diǎn),之后伴隨時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)稍有下降。這可能是因?yàn)殡S著提取時(shí)間過度的拖延,提取液中的多酚物質(zhì)會(huì)發(fā)生氧化、聚合、分解等各種反應(yīng),從而使其含量有所下降。因此,提取時(shí)間選擇在45 min為宜。

圖4 提取時(shí)間對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響Fig.4 Effect of extraction time on the content of polyphenol

2.1.5 超聲波功率對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響 由圖5可以看出,超聲波功率對(duì)多酚物質(zhì)含量影響并不大,功率從48 W到120 W,多酚物質(zhì)的含量都持續(xù)著緩慢上升的狀態(tài),但不顯著。所以考慮到功率過高增加了其他物質(zhì)的溶出,對(duì)后期的分離純化造成困擾,超聲波功率選擇48 W即可。

圖5 超聲波功率對(duì)多酚物質(zhì)含量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on the content of polyphenol

2.2 Plackett-Burman設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析

按照Placket-Burman設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表3。

由表4可知,五個(gè)因素對(duì)多酚物質(zhì)含量影響的大小順序?yàn)橐掖紳舛?提取時(shí)間>提取溫度>超聲波功率>料液比。其中,乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)含量的影響顯著,因此,選擇乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度作為進(jìn)一步優(yōu)化的因素做響應(yīng)面分析,以確定這些因素所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水平。

表3 Placket-Burman實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 各因素方差分析

2.3 二次響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析

按照Box-Behnken設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表5。

表6 方差分析

表5 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果

得到多元二次回歸模型:

Y1=142.4267+0.86375X1+0.555X2+0.73375X3-1.309583X12-0.085X1X2-0.8925X1X3-4.507083X22-0.355X2X3-1.929583X32

從表6可知:模型的一次項(xiàng)對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的線性效應(yīng)均表現(xiàn)顯著;一次項(xiàng)中,X2對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的曲面效應(yīng)高度顯著、而X1和X3表現(xiàn)極顯著;二次項(xiàng)均對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的曲面效應(yīng)極顯著;交互項(xiàng)X1X3交互效應(yīng)高度顯著,其他交互項(xiàng)不顯著;表明各影響因素對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。此外,還可以看出各因素對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的影響的大小順序?yàn)?X1>X3>X2,即乙醇濃度>提取時(shí)間>提取溫度。

2.3.1 交互作用 圖6是對(duì)番石榴葉多酚含量影響較大的交互作用的響應(yīng)面,乙醇濃度與提取時(shí)間的交互作用對(duì)多酚含量的影響顯著,其他因素交互作用不顯著。由圖6可以看出,當(dāng)提取溫度處在最佳值60 ℃時(shí),在一定范圍乙醇濃度與提取時(shí)間所得到的響應(yīng)面和等高線圖存在極值,即是響應(yīng)面的最高點(diǎn),在此提取條件下,所得多酚物質(zhì)的含量最高。當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí),隨著乙醇濃度的增加,多酚物質(zhì)含量先增大后減小;當(dāng)提取乙醇濃度一定時(shí),隨著提取時(shí)間的增加,多酚物質(zhì)含量先增大后減小。同時(shí)可以看出,在本實(shí)驗(yàn)水平范圍之內(nèi),乙醇濃度和提取時(shí)間的曲面坡度均比較陡,說明這兩個(gè)因素對(duì)多酚提取的影響都比較大。

圖6 乙醇濃度與提取時(shí)間對(duì)多酚含量的影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface for ethanol concentration and extraction time on the extraction amount of polyphenol

2.3.2 響應(yīng)面的典型分析 為了進(jìn)一步確證最佳點(diǎn)的值,采用SAS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行響應(yīng)面典型分析,以獲得最大含量時(shí)的各提取條件,得番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取最優(yōu)條件為:乙醇濃度51.44%,提取溫度60.27 ℃,提取時(shí)間46.78 min,在此條件下,多酚物質(zhì)的含量理論值為142.61 mg/g。采用上述最優(yōu)提取條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),同時(shí)考慮到實(shí)際操作的情況,將提取工藝參數(shù)修正為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時(shí)間47 min,在此條件下提取3次,實(shí)際測(cè)得的平均多酚物質(zhì)含量為143.38 mg/g,與理論預(yù)測(cè)值誤差在10%以內(nèi)。表明該回歸模型對(duì)番石榴葉多酚物質(zhì)提取進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)是合適的。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助提取法,首先由Placket-Burman設(shè)計(jì)方案確定了對(duì)提取效果有顯著影響的三個(gè)因素,分別為提取時(shí)間、乙醇濃度、提取溫度。接著選擇這三個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面分析。三因素所對(duì)應(yīng)的最佳水平為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時(shí)間47 min,在此條件下多酚物質(zhì)含量可達(dá)143.38 mg/g。

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Optimization of ultrasonic extraction of polyphenol from guava leaf using response surface methodology

NAN Ji1,LI Yuan-zhi2,*

(1.Vocational and Technical College of Inner Mongolia Agricultural University,Baotou 014109,China; 2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Using guava leaf as raw material,extraction of guava leaf polyphenol by ultrasound-assisted method was studied in this paper. The influence of various factors on the extraction efficiency of polyphenol was discussed. With quadratic response surface design,the optimal extracting conditions for ultrasound-assisted extraction were established:51% alcohol(v/v),the 1∶30(g/mL)of material-solution ratio,60 ℃,60 W ultrasonic power for 47 min. Under these conditions,the content of polyphenol reached 143.38 mg/g.

guava leaf;polyphenol;ultrasound-assisted extraction;response surface methodology

2016-06-17

楠極(1985-)，女，碩士，講師，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：nanji855@qq.com。

*通訊作者:李遠(yuǎn)志(1953-)，男，教授，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：liyzh@scau.edu.cn。

廣東省農(nóng)業(yè)攻關(guān)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B020401004)。

TS209

B

1002-0306(2016)22-0300-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.050