王 磊,李 健,劉 寧,戴 瑞

(哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院,黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

水提取榛子殼多糖的工藝優(yōu)化

王 磊,李 健*,劉 寧,戴 瑞

(哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院,黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

以廢棄榛子殼為原料,采用響應面分析法優(yōu)化水提取榛子殼多糖的工藝。通過單因素實驗考察了浸提溫度、浸提時間、料液比因素對榛子殼多糖得率的影響,并利用Box-Behnken設(shè)計和響應面分析法,確定了榛子殼多糖的最佳提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明,各因素對多糖得率影響的大小順序為浸提時間>液料比>浸提溫度,在浸提時間為1.6 h、液料比為12∶1 mL·g-1、浸提溫度81 ℃的條件下,榛子殼多糖的最佳得率為3.03 mg·g-1,與模型的預測值3.24 mg·g-1基本吻合,表明該工藝具有良好的可行性。

榛子殼,多糖,水浴浸提,響應面法

榛子(CorylusheterophyllaFisch. exBess. Var),又稱為榛栗、山板栗棰子等。榛子歷史悠久的核果類果樹的果實,與核桃、腰果、杏核并稱為自然界四大堅果,有非常堅硬的外殼,可直接食用,同時又常被作為珍貴的木本糧油資源[1]。榛子用完后剩余的榛子殼是榛子果實最外層的堅硬物質(zhì),黃褐色,呈卵圓形,果形似栗,在加工中作為一種廢棄物被丟棄,這樣造成大量資源浪費。但是經(jīng)過很多學者深入研究發(fā)現(xiàn),不僅榛子果仁中含有很多可利用成分,類似榛子殼這樣的果殼物質(zhì),同樣含有很多活性成分,也有著很高的利用價值和開發(fā)前景。張旭[2]研究了核桃殼外具有抗氧化作用的活性成分,研究表明核桃殼對羥自由基、DPPH自由基、超氧陰離子自由基都有一定的清除作用,且對脂質(zhì)過氧化有抑制性;許暉[3]通過研究花生外殼,發(fā)現(xiàn)其中含有抗氧化性的黃酮,且抗氧化能力與花生殼提取物的濃度成正比關(guān)系;呂永俊等[4]研究發(fā)現(xiàn)紅松籽殼中含有酸性多糖、木質(zhì)素等物質(zhì),其中酸性多糖具有促進非特異性免疫的作用,同時亦有輔助抑制腫瘤、調(diào)節(jié)血糖血脂、預防血栓等作用。李維莉等[5]從核桃殼中提取了棕色素,這種色素水溶液棕色透明,對光、熱等具有一定的穩(wěn)定性,著色力強,是目前可以安全方便使用的天然植物性色素;王光彥[6]研究了苦蕎麥殼色素的提取,進一步純化苦蕎麥殼色素類物質(zhì)以及結(jié)構(gòu)鑒定;李莉[7]還研究了板栗殼棕色素的提取、純化與穩(wěn)定性,表明其易溶于水和乙醇水溶液,不溶于非極性溶劑,發(fā)現(xiàn)板栗殼棕色素具有良好的穩(wěn)定性,可以作為飲料、糕點、醬油等的食品添加劑使用;而對于榛子殼多糖的研究,國內(nèi)未曾報道,國外研究較少,本實驗主要探討水浴浸提法提取榛子殼中多糖,為開發(fā)利用榛子殼資源提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

榛子 產(chǎn)自黑龍江省;硫酸 分析純，西隴化工股份有限公司;苯酚、乙醇 均分析純，天津市永大化學試劑有限公司。

DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;HZS-H數(shù)顯恒溫振蕩水浴鍋 金壇市友聯(lián)儀器研究所;UV5100B紫外可見分光光度計 上海分析儀器有限公司;TDL-4A臺式離心機 上海菲恰爾分析儀器有限公司;京制00000249號電子天平 北京賽多利斯儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 榛子殼的預處理 榛子去仁、取殼、烘干、粉碎,在索氏抽提器內(nèi)用石油醚回流脫除部分有色物質(zhì)、脂肪等物質(zhì),真空抽濾后,60 ℃烘干至恒重,得到榛子殼粉備用[8]。

1.2.2 榛子殼多糖水浴浸提的工藝流程 榛子殼粉碎→40目篩子過篩過篩→水浸提→冷卻至室溫→離心(3000 r/min,10 min)→提取上清液→抽濾→多糖粗提液[9]。

1.2.3 榛子殼多糖最大波長的確定 精確稱取葡萄糖標準品8 mg，水溶解定容至100 mL，配制成80 mg·L-1的溶液，即為葡萄糖標準溶液，取2 mL葡萄糖標準溶液稀釋至50 mL,在200～700 nm波長范圍內(nèi)進行掃描,確定榛子殼多糖的最大吸收波長。

1.2.4 標準曲線的測定方法 精確稱取葡萄糖標準品8 mg,水溶解定容至100 mL,配制成80 mg·L-1的溶液,即為葡萄糖標準溶液。根據(jù)表1取樣,繪制標準曲線。

表1 測定多糖溶液含量取樣表

1.2.5 單因素實驗 以榛子殼多糖的提取率為考察指標,分別考察浸提時間、浸提溫度、液料比對榛子殼多糖得率的影響。每個實驗平行做3次,取平均值作為結(jié)果。

1.2.5.1 浸提時間對榛子殼多糖提取率的影響 準確稱取榛子殼粉1.00 g,在浸提溫度為80 ℃、液料比為12∶1(mL·g-1)、浸提時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h的條件下,浸提榛子殼多糖,并測定得率。

1.2.5.2 浸提溫度對榛子殼多糖得率的影響 準確稱取榛子殼粉1.00 g,在浸提時間為2 h、液料比為12∶1，浸提溫度分別為50、60、70、80、90 ℃的條件下,浸提榛子殼多糖,并測定得率。

1.2.5.3 液料比對榛子殼多糖得率的影響 準確稱取榛子殼粉1.00 g,在浸提溫度為80 ℃、浸提時間為2 h、液料比分別為6∶1、9∶1、12∶1、15∶1、18∶1(mL·g-1)的條件下,浸提榛子殼多糖,并測定得率。

1.2.6 響應面實驗 采用Box-Behnken模型和響應面分析法,以浸提時間、浸提溫度、液料比為影響榛子殼多糖得率的主要考察因子(自變量),實驗設(shè)計因素、水平及編碼見表2。

表2 Box-Behnken實驗設(shè)計因素水平

采用多元回歸分析,擬合二次多項式回歸模型的Box-Behnken設(shè)計實驗,進行結(jié)果分析,得到提取榛子殼多糖的優(yōu)化工藝條件。

1.2.7 榛子殼多糖的測定方法 榛子殼多糖含量的測定采用苯酚-硫酸法[10-13]。

1.2.8 榛子殼多糖的得率

1.2.9 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003分析數(shù)據(jù),計算標準誤差并制圖,各提取條件平行測定3次,p<0.05有統(tǒng)計學意義。通過Design Expert 7.0.0軟件對榛子殼多糖的提取條件進行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大吸收波長的確定及標準曲線的繪制

以葡萄糖溶液為標準溶液,其在490 nm波長下有最大吸收值,見圖1。

圖1 最大吸收波長Fig.1 Maximum absorption wavelength

由圖2可知,在0～80 mg·L-1范圍內(nèi),得到的線性回歸方程為Y=0.0148X-0.0079,相關(guān)系數(shù)R2=0.9989。

圖2 多糖的標準曲線Fig.2 Standard cruve of analyzing polysaccharide

2.2 單因素對榛子殼多糖得率的影響

2.2.1 浸提時間對榛子殼多糖得率的影響 由圖3可知,0.5～2 h范圍內(nèi),隨著浸提時間的逐漸延長,榛子殼多糖的得率不斷升高,這是因為水浸提榛子殼多糖的過程是原料中的多糖成分在不斷溶出，糖分子在水分子間隔處不斷運動擴散的過程。開始時提取溶劑中多糖含量較低,而原料組織中多糖的含量高,多糖成分由固體原料內(nèi)部向周圍提取溶劑擴散的傳質(zhì)動能較大,故隨著時間的增加,提取溶劑中的多糖含量也逐漸增大,達到平衡狀態(tài)。但2 h后,延長提取時間，多糖得率逐漸降低,是因為多糖物質(zhì)隨著時間的延長在逐漸分解,綜合考慮能耗和時間成本,選擇2 h為最佳提取時間。

圖3 浸提時間對多糖得率的影響Fig.3 Effects of extracting time on the extraction rate of polysaccharide

2.2.2 浸提溫度對榛子殼多糖得率的影響 由圖4可知,在50～80 ℃的范圍內(nèi),隨著水浴浸提溫度的升高,由于熱運動的作用,榛子殼原料的能量也在不斷增加,多糖溶出率逐漸增大,榛子殼多糖的得率隨著溫度的升高而增加,在80 ℃時得率達到峰值。80 ℃后,繼續(xù)升溫,榛子殼多糖的得率略微下降,這可能和多糖遇高溫分解有關(guān)。因此,合理升溫有助于多糖的溶出,即水浴浸提溫度選擇80 ℃較為適宜。

圖4 浸提溫度對多糖得率的影響Fig.4 Effects of extracting temperature on the extraction rate of polysaccharide

2.2.3 液料比對榛子殼多糖得率的影響 由圖5可知,液料比在6∶1～12∶1 mL·g-1時,多糖得率呈明顯上升趨勢,從12∶1 mL·g-1增加到18∶1 mL·g-1時,多糖的得率雖然略有下降,但變化趨勢較為平穩(wěn)。即在料液比為12∶1 mL·g-1附近達到原料和溶液的平衡。綜合考慮后續(xù)加水濃縮的需要,選取液料比選擇12∶1 mL·g-1較為適宜。

圖5 液料比對多糖得率的影響Fig.5 Effects of water-material ratio on the extraction rate of polysaccharides

2.3 響應曲面法優(yōu)化多糖的提取工藝條件

2.3.1 回歸模型的建立 由于實際實驗過程中,各因素的作用是交互影響的,為了全面考察各個因素的影響,在單因素實驗的基礎(chǔ)上,設(shè)計了浸提時間、浸提溫度、料液比的三因素三水平對榛子殼多糖得率影響的響應面法實驗設(shè)計,結(jié)果見表3。

表3 實驗設(shè)計與結(jié)果

表4 方差分析

利用Design Expert 軟件對表3實驗數(shù)據(jù)進行了多元回歸分析,得到榛子殼多糖提取率的三元二次回歸方程為:Y=3.17-0.19X1-(1.750E+003)X2-0.012X3-0.17X1X2-0.12X1X3+0.056X2X3-0.13X12-0.61X22-0.75X32。

圖6 浸提時間與浸提溫度交互作用對榛子殼多糖得率影響的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface diagram and contour plot of extracted time and temperature on the yield of polysaccharide from hazelnut shell

2.3.2 響應面分析 當?shù)雀呔€呈現(xiàn)橢圓形時,表明兩個因素的交互作用影響較強;處在同一橢圓形區(qū)域中的等高線表示榛子殼多糖的得率相同,且越靠近區(qū)域中心,相應的提取率值越大;等高線排列越密集,表示此因素的變化對得率影響越大。因此,由圖6～圖8可知,浸提時間與浸提溫度、液料比與浸提時間、液料比與浸提溫度等交互項水浴浸提榛子殼多糖的提取率表現(xiàn)出了很好的顯著性;此外,由圖6～圖8可知各個響應曲面均為凸面,表明該模型在實驗范圍內(nèi)存在穩(wěn)定點,且穩(wěn)定點為最大值。

圖7 液料比與浸提時間交互作用對榛子殼多糖得率影響的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface diagram and contour plot of water-material ratio and extracted time on the yield of polysaccharide from hazelnut shell

利用Design Expert軟件對實驗模型進行分析,得到水浴浸提榛子殼多糖的最優(yōu)條件為:浸提時間為1.58 h、液料比為12.2∶1 mL·g-1、浸提溫度81.2 ℃,水浴浸提法提取榛子殼多糖的得率為3.24 mL·g-1,為了方便實際操作,選取浸提時間為1.6 h、液料比為12∶1 mL·g-1、浸提溫度81 ℃,在此條件下進行平行驗證實驗3次,榛子殼多糖得率平均值是3.03 mg·g-1,與模型的理論值3.24 mg·g-1較為接近,表明數(shù)字模型對優(yōu)化榛子殼多糖的提取工藝可行。

圖8 液料比與浸提溫度交互作用對榛子殼多糖得率影響的響應面和等高線圖Fig.8 Response surface diagram and contour plot of water-material ratio and extracted temperature on the yield of polysaccharide from hazelnut shell effect

3 結(jié)論

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,將響應面分析法應用于榛子殼多糖提取研究。結(jié)果表明,各因素對多糖提取率影響的顯著性表現(xiàn)為:浸提時間>液料比>浸提溫度,通過響應面分析法優(yōu)化榛子殼多糖提取的最佳工藝條件為浸提時間為1.58 h、液料比為12.2 mL·g-1、浸提溫度81.2 ℃,根據(jù)實際操作要求,將提取條件優(yōu)化為浸提時間為1.6 h、液料比為12∶1 mL·g-1、浸提溫度81 ℃,在此條件下榛子殼多糖的提取率為3.03 mL·g-1,與模型的預測值3.24 mL·g-1基本吻合。從榛子殼中提取多糖可以充

分利用廢棄榛子殼,降低環(huán)境污染,同時可生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品,為其他植物果殼類廢棄物的利用提供參考價值。

[1]侯智霞，原牡丹，劉雪梅，等. 我國榛子生產(chǎn)研究概況[J]. 經(jīng)濟林研究，2008(2):123-126.

[2]張旭，梁杏，陳朝銀，等. 核桃殼的化學成分及其功能活性研究進展[J]. 食品研究與開發(fā)，2015(14):143-147.

[3]許暉，孫蘭萍，張斌，等. 花生殼提取物對油脂的抗氧化作用[J]. 中國油脂，2008(12):39-41.

[4]呂永俊，王士賢，彭芳，等. 松果有效成分的研究[J]. 大理學院學報，2008(2):1-2.

[5]李維莉，馬銀海，劉增康，等. 核桃殼棕色素的提取及性質(zhì)研究[J]. 食品科學，2008(12):339-341.

[6]王光彥，彭煥芬. 苦蕎麥殼色素的提取及性質(zhì)的研究[J]. 四川師范大學學報：自然科學版，2007(2):232-235.

[7]李莉. 板栗殼棕色素的提取及其相關(guān)性質(zhì)的研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學，2011.

[8]LI Xiaoyu，WANG Zhenyu，WANG Lu，et al. Ultrasonic-assisted extraction of polysaccharides from Hohenbuehelia serotina by response surface methodology[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2012，51:523-530.

[9]何先元，許晉芳，王秋霜，等. 當歸多糖的超聲提取及含量測定[J]. 中國藥業(yè)，2010，19(19):34-35.

[10]M Dubios，K A Gillis，J K Hamilton，et al. Colorimetic method for determination of sugars and related substances[J]. Anal Chem，1956，28:350-356.

[11]Wang Z J，Luo D H，Cai E. Optimization of polysaccharides extraction from Gynostemma pentaphyllum Makino using uniform design[J]. Carbohydrate Polymers，2007，69:311-317.

[12]Cai W R，Gu X H，Tang J. Extraction，purification and characterization of the polysaccharides from opuntia milpa alta[J]. Carbohydrate Polymers，2008，71(3):403-410.

[13]姜瓊，謝妤. 苯酚-硫酸法測定多糖方法的改進[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013(12):316-318.

Process optimization of hazelnut shell polysaccharide extracted by water

WANG Lei,LI Jian*,LIU Ning,DAI Rui

(Key Laboratory for Food Science and Engineering of Heilongjiang Province,College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China)

With waste hazelnut shell as raw material,response surface methodology was used as the process optimization of water extraction of hazelnut shell polysaccharide. Through the single factor experiment,extraction temperature,extraction time,solid-liquid ratio on the extraction rate of polysaccharide of hazelnut shell effect was investigated. And using the method of analysis and design of Box-Behnken response surface,the optimum extraction parameters of hazelnut shell polysaccharide were determined. The results showed that effect on the extraction rate of polysaccharides was extracted time>water-material ratio>extracted temperature. The optimum conditions that optimized by the response surface method were as follows:extraction time of 1.6 h,water-material ratio of 12∶1 mL·g-1,extraction temperature of 81 ℃. Under these conditions,the extraction rate of anthocyanin was 3.03 mg·g-1. The extraction rate of anthocyanin consistent with the model value of 3.24 mg·g-1. Therefore,the optimum water bath extraction conditions were reliable.

hazelnut shells;polysaccharide;water bath extraction;response surface methodology

2016-09-26

王磊(1989-),男,碩士研究生,研究方向:食品科學,E-mail:53813157@qq.com。

*通訊作者:李健(1956-),男,大學本科,教授,研究方向:食品科學,E-mail:lijian4852147@163.com。

TS255.3

B

1002-0306(2017)06-0271-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.043