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(沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院,遼寧沈陽 110034)

響應(yīng)面法優(yōu)化米糠多酚的醇提工藝

徐彩紅,馬麗鑫,李桂杰*,時超,柏松

(沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院,遼寧沈陽 110034)

以大米糠為原料,經(jīng)脫脂處理后,采用響應(yīng)面法優(yōu)化醇提脫脂米糠多酚的提取工藝。在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用central composite design中心復(fù)合響應(yīng)面分析法,以多酚得率為響應(yīng)值,對乙醇濃度、料液比和提取溫度等工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明,脫脂米糠多酚的最佳提取工藝為乙醇濃度57%,提取溫度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),提取時間2 h,提取次數(shù)2次。此條件下,脫脂米糠多酚得率最高為(4.75±0.16) mg/g,與回歸方程所得預(yù)測值4.82 mg/g 的相對誤差為1.47%。該法所得的提取工藝參數(shù)可靠,可為開發(fā)利用米糠資源提供依據(jù)。

響應(yīng)面法,米糠,多酚,醇提工藝

米糠是稻谷加工的主要副產(chǎn)物,約占稻谷質(zhì)量的8%,但卻集中了稻米65%左右的營養(yǎng)素,其中含有15%～23%脂肪、14%～16%蛋白質(zhì)、25%～50%膳食纖維、谷維素(3.86～5.89 mg/g)和多酚(9.60～81.85 mg GAE/g)等生理活性物質(zhì),極具開發(fā)潛力[1-2]。但由于新鮮米糠貯存穩(wěn)定性差、易酸敗、加工性差等原因,嚴(yán)重制約了米糠的開發(fā)利用[3]。我國米糠年產(chǎn)量超過1500萬噸,長期以來大部分米糠被用作動物飼料,絕大部分未被開發(fā)而浪費[4]。因此,我國亟需推進米糠的基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用。

食源多酚能夠降低心血管疾病、中風(fēng)、Ⅱ型糖尿病等慢性疾病的發(fā)病率,尤其在老年退行性疾病和癌癥中的生物活性越來越受到關(guān)注[5-6]。人們?nèi)粘z入的谷物類食品是多酚的主要來源之一,其酚類物質(zhì)主要包括酚酸類、黃酮類和烷基間苯二酚類[7]。米糠富含多酚類化合物,具有抗氧化[8-9]、抗炎[10]、抗癌[11]等重要的營養(yǎng)價值和藥理作用,如能充分研究其多酚類化合物的組成、含量、生物活性等,對拓寬米糠的應(yīng)用載體范圍、延長稻谷加工產(chǎn)業(yè)鏈、開發(fā)功能性新食品及食品安全性方面等都具有重要意義。但是,目前國內(nèi)外對米糠多酚研究較少[12-14]。有研究采用酶解法[12]和丙酮水溶劑法[13-14]提取米糠多酚,但是尚未檢索到醇提米糠多酚的報道。因此,本文采用醇提工藝提取米糠多酚,并進一步采用中心組合設(shè)計(central composite design，CCD)法優(yōu)化提取條件,旨在為推動米糠的綜合應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大米米糠 華潤五豐(沈陽)有限公司;石油醚(沸程60～90 ℃)、無水乙醇 分析純,天津市富宇精細化工有限公司;無水碳酸鈉 分析純,天津博迪精細化工股份有限公司;沒食子酸(純度>98%)、福林酚(Foin-Ciocalteu試劑) 上海金穗生物科技有限公司;重蒸水 實驗室自制。

HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海皓莊儀器公司;HY-2型多用調(diào)速振蕩器 金壇市醫(yī)療儀器廠;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;AXTD5A型臺式低速離心機 鹽城市安信實驗儀器有限公司;UV9000型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;YP20002電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 米糠的預(yù)處理 將米糠粗粉過80目篩,準(zhǔn)確稱取一定量米糠粉末,按料液比1∶4(質(zhì)量體積比,g/mL)加入石油醚,于振蕩器(150 r/min)室溫振蕩24 h,抽濾,濾渣于60 ℃低溫烘干,即得脫脂米糠。

1.2.2 米糠多酚提取工藝 準(zhǔn)確稱量2.0 g脫脂米糠于錐形瓶中,按料液比加入乙醇水提取溶劑,攪拌均勻,加入回流浸提裝置,在設(shè)定的溫度和時間下浸提,提取完成后將粗提液離心(4000 r/min,10 min),過濾,收集濾液,并使用提取溶劑洗滌,合并洗滌液后定容,然后吸取稀釋液進行測定。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 精確稱量10 mg沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品,用蒸餾水溶解并定容到100 mL容量瓶中,得到0.1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別精密移取該溶液100、200、300、400和500 μL于10 mL棕色容量瓶中,加入Foin-Ciocalteu試劑1 mL,搖勻后加入15% Na2CO3溶液2 mL,定容,避光靜置2 h后,以空白作參比,測定760 nm下的吸光度,以沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸線性方程:y=0.6706x-0.0048(R2=0.9993)。

1.2.4 多酚的測定 采用Foin-Ciocalteu比色法測定多酚含量[15-16]。精密吸取1.0 mL稀釋后的待測液于10 mL容量瓶中,加入 Foin-Ciocalteu 試劑1 mL,搖勻后,加入15% Na2CO3溶液2 mL,搖勻后定容,避光反應(yīng)2 h后,于760 nm處測定吸光值,將該值代入當(dāng)日標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程,查得米糠多酚的濃度。參考梁鵬舉[16],按下式計算多酚的得率。

Y=CV1V0/mV2

式中,Y:多酚得率,mg/g;C:標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的米糠多酚濃度,mg/mL;V0:米糠多酚初次提取液定容后的體積,mL;V1:樣品溶液測定時定容后的體積,mL;V2:樣品溶液測定時的體積,mL;m:脫脂米糠質(zhì)量,g。

1.2.5 單因素實驗 參考相關(guān)文獻[16-17],以乙醇濃度70%、料液比1∶20 (g/mL)、提取溫度50 ℃、提取時間2 h、提取次數(shù)2次為固定水平,考察各單因素水平對脫脂米糠多酚提取量的影響,確定后續(xù)實驗的最佳工藝參數(shù)范圍。各因素水平為乙醇濃度30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%,料液比1∶10、1∶20、1∶30和1∶40 g/mL,提取溫度30、40、50、60、70和80 ℃,提取時間1、2、3和4 h,提取次數(shù)1、2、3和4次。每組實驗重復(fù)3次。

1.2.6 提取工藝的優(yōu)化 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,選取提取溫度(X1)、料液比(X2)和乙醇濃度(X3)3個因素為自變量,以多酚得率為響應(yīng)值(Y),進行三因素五水平的CCD中心復(fù)合響應(yīng)面實驗設(shè)計,優(yōu)化醇提法提取米糠多酚的最佳工藝參數(shù)。因素水平編碼見表1。

表1 中心組合實驗設(shè)計因素水平表Table 1 Factors and levels table of central composite design

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 每組實驗重復(fù)三次,數(shù)據(jù)結(jié)果運用Design Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面設(shè)計和統(tǒng)計分析,采用Origin 8.0進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1 提取溶劑濃度對多酚得率的影響 由圖1可知,乙醇濃度在30%～70%范圍時,米糠多酚的提取率隨乙醇濃度的增大而增大,70%的乙醇濃度提取量最高,此后多酚的提取量呈下降趨勢?？梢?70%的乙醇水復(fù)合溶劑體系具有更好地使多酚類物質(zhì)從米糠細胞壁中溶出的能力。綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境等因素,后續(xù)單因素實驗選取70%乙醇為提取溶劑。

圖1 提取溶劑濃度對米糠多酚得率的影響Fig.1 Effect of extraction solvents on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.2 料液比對多酚得率的影響 由圖2可知,米糠多酚的提取量隨著料液比的升高而增大,當(dāng)料液比大于1∶20 (g/mL)時,多酚的提取量雖有提高但效果不明顯。因此,選擇料液比1∶10～1∶30 (g/mL)進行優(yōu)化。

圖2 料液比對米糠多酚得率的影響Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.3 提取溫度對多酚得率的影響 由圖3可知,在30～70 ℃范圍內(nèi),米糠多酚的提取率隨溫度升高而增大,當(dāng)提取溫度超過70 ℃后,米糠多酚的提取率下降。這說明提取溫度過高可能會導(dǎo)致米糠中多酚類物質(zhì)的分解。

圖3 提取溫度對米糠多酚得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of polyphenols from rice bran

圖4 提取時間對米糠多酚得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.4 提取時間對多酚得率的影響 由圖4可知,提取時間對多酚得率有明顯影響。在1～3 h內(nèi),米糠多酚提取量增加至最大,尤其在2 h內(nèi)多酚提取量增加迅速,2～3 h多酚得率上升趨勢緩慢,而后隨著提取時間的增加,多酚得率反而有所下降,這可能是因為隨著提取時間的延長,提取系統(tǒng)中的多酚類物質(zhì)可能發(fā)生氧化、分解等反應(yīng),從而使其含量下降。為提高實驗效率,米糠多酚醇提實驗的最佳提取時間確定為2 h。

2.1.5 提取次數(shù)對多酚得率的影響 由圖5可知,增加提取次數(shù)會提高米糠多酚得率。2次提取后,多酚得率量提高不大?？紤]到節(jié)約資源和成本,后續(xù)響應(yīng)面實驗提取2次。

圖5 提取次數(shù)對多酚得率的影響Fig.5 Effect of extraction times on the yield of polyphenols from rice bran

2.2米糠多酚制備工藝條件的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)模型的建立與分析 實驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 中心組合實驗設(shè)計和響應(yīng)值Table 2 Experimental design of central composite design and response value

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

注:* 表示差異顯著(p<0.05),** 表示差異極顯著(p<0.01)。

對上述數(shù)據(jù)進行多元回歸處理,得到二項式擬合的代碼方程為:Y=4.55+0.50X1+0.27X2+0.35X3-0.021X1X2+0.23X1X3+0.13X2X3-0.60X12-0.27X22-0.67X32,R2=0.9897。

本實驗中各實驗因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系,因素間交互作用的響應(yīng)曲面見圖6～圖8。響應(yīng)曲面的坡度越陡峭,說明響應(yīng)值對因素條件的改變越敏感[17]。響應(yīng)面在底面的投影,即等高線圖,該圖的形狀反映出兩因素交互效應(yīng)的強弱,它越接近橢圓(且橢圓的軸線與坐標(biāo)軸存在一定角度)而非圓形,表示交互作用越明顯[16]。

由圖6可知,當(dāng)料液比(1∶20 g/mL)和提取溫度一定時,隨著乙醇濃度的增加,多酚得率先增加后逐漸降低。提取溫度在62～72 ℃,乙醇濃度在53%～61%范圍內(nèi),所選取的工藝條件均能使多酚得率4.70 mg/g以上,達到比較好的提取效果。

圖6 乙醇濃度和提取溫度對多酚得率的影響Fig.6 Effect of solvent concentration and extracted temperature on the yield of polyphenols

由圖7可知,當(dāng)提取溫度一定時,乙醇濃度和料液比有顯著交互作用。當(dāng)乙醇濃度和提取溫度一定時,隨料液比的增加,多酚得率逐漸增加,達到最高值后逐漸降低。當(dāng)提取溫度取57 ℃以上,乙醇濃度在53%～61%時,料液比在1∶24～1∶28 (g/mL)水平內(nèi),多酚得率較高。

圖7 乙醇濃度和料液比對多酚得率的影響Fig.7 Effect of solvent concentration and solid liquid ratio on the yield of polyphenols

由圖8可知,當(dāng)乙醇濃度(50%)一定時,提取溫度和料液比之間的交互作用。此條件下,料液比在1∶18～1∶30 (g/mL),提取溫度在50.5～80 ℃水平內(nèi),多酚得率均能達到4.50 mg/g以上。可見,二者的交互作用不明顯,這與方差分析的結(jié)果一致。

圖8 提取溫度和料液比對多酚得率的影響Fig.8 Effect of extracted temperature and solid liquid ratio on the yield of polyphenols

在以上數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)所建立的模型得到最佳工藝條件:乙醇濃度56.5%,提取溫度64.7 ℃,料液比1∶24.5 (g/mL),此時米糠多酚得率的預(yù)測值為4.82 mg/g。

2.2.2 響應(yīng)面分析法的驗證 為驗證回歸模型的可靠性和實用性,根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果進行近似驗證實驗,并綜合經(jīng)濟原則和實際操作的可行性,選取最優(yōu)實驗條件為:乙醇濃度57%,提取溫度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),按此工藝進行3次平行實驗,測得多酚的得率為(4.75±0.16) mg/g,與回歸方程所得預(yù)測值4.82 mg/g的誤差為1.47%,說明該回歸方程能夠真實地反映各因素對米糠多酚得率的影響,預(yù)測性良好。

3 結(jié)論

采用醇提法提取脫脂米糠多酚,通過單因素和CCD響應(yīng)面實驗得到優(yōu)化的提取工藝條件為:乙醇濃度57%,提取溫度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),提取時間2 h,提取次數(shù)2次。在此條件下,脫脂米糠多酚的得率為(4.75±0.16) mg/g,與預(yù)測值的相對誤差為1.47%,回歸模型較好地預(yù)測了醇提脫脂米糠多酚的提取率。采用響應(yīng)面法優(yōu)化了脫脂米糠多酚化合物的醇提工藝條件,所得多酚得率較高。本研究為開發(fā)利用米糠資源提供了依據(jù),有利于提升米糠的附加值。

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Optimizationofethanolextractiontechniqueofpolyphenolsfromricebranbyresponsesurfacemethodology

XUCai-hong,MALi-xin,LIGui-jie*,SHIChao,BAISong

(College of Grain Science and Technology,Shenyang Normal University,Shenyang 110034,China)

The aim of this paper was to optimize the extraction technique of polyphenols from rice bran by ethanol extraction. Based on the single factor experimental analysis,central composite design of response surface analysis was used to explore the optimal processing conditions to extract polyphenols from rice bran including the concentration of ethanol,extraction temperature and solid to liquid ratio. The results showed that the optimal extraction conditions were the concentration of ethanol 57%,extraction temperature of 65 ℃,solid to liquid ratio of 1∶25 (g/mL),extraction duration of 2 h and extraction times of 2 times.Under these conditions,the highest yield of polyphenols from defatted rice bran was(4.75±0.16) mg/g,the predicted value of the regression equation was 4.82 mg/g,and the relative error was about 1.47%. In conclusion,the optimized extraction process was reliable and could be utilized to develop products based on rice bran.

response surface methodology;rice bran;polyphenols;ethanol extraction

2017-02-13

徐彩紅(1979-)，女，博士，講師，研究方向：食品化學(xué)與營養(yǎng)學(xué)，E-mail：xuch0828@126.com。

*通訊作者:李桂杰(1959-)，女，大學(xué)本科，教授，研究方向：糧食與飼料工程研究，E-mail：18640131777@163.com。

遼寧省科技攻關(guān)項目(2015211003)；沈陽師范大學(xué)校內(nèi)項目(科學(xué)技術(shù)，XNL2016016；博士科研啟動，BS201406；大學(xué)生科研基金，L2016068)。

TS201.1

:B

:1002-0306(2017)16-0194-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.036