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        響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取桂皮總黃酮的工藝研究

        2018-03-20 03:34:52趙世霞
        中國調(diào)味品 2018年3期
        關(guān)鍵詞:桂皮液料黃酮類

        趙世霞

        (淄博職業(yè)學(xué)院,山東 淄博 255314)

        桂皮,別名官桂或香桂,為天竺桂、肉桂或川桂等樟科植物樹皮的通稱[1,2],在我國主要產(chǎn)于云南、廣西等地。桂皮是典型的食藥同源品種[3],作為傳統(tǒng)的中藥材,其具有暖胃祛寒、通脈止痛、散瘀消腫、止瀉、活血舒筋等功效;作為古老的香辛調(diào)味品,其廣泛用于肉類菜肴的祛腥解膩及五香粉的加工[4]?,F(xiàn)代藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明桂皮含有揮發(fā)油、多糖類、皂苷類、萜類、酚類、黃酮類等多種化學(xué)活性物質(zhì),在消化、心血管、免疫及內(nèi)分泌相關(guān)疾病的預(yù)防和治療中發(fā)揮著重要作用[5]。近年來,隨著人們對健康的重視,作為桂皮主要成分之一的黃酮類化合物由于具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎、增強(qiáng)免疫力等作用而受到國內(nèi)外學(xué)者及大型公司的廣泛 關(guān)注,其在藥品、保健食品、食品添加劑、功能性飲料、消毒劑等領(lǐng)域極具開發(fā)價(jià)值[6,7]。

        目前,黃酮類化合物的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、微波或超聲輔助提取法、有機(jī)溶劑提取法等[8]。超聲輔助提取具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、安全性高、耗能低等特點(diǎn),近年來被廣泛應(yīng)用于活性物質(zhì)的提取[9,10]。本研究選用乙醇作為提取溶劑,采用超聲輔助提取法對桂皮總黃酮化合物的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,以期為桂皮的二次開發(fā)提供一定的思路與理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        桂皮:市售,經(jīng)洗凈、烘干、粉碎后過60目篩備用;蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品:酷爾化學(xué)科技有限公司;無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉:均為國產(chǎn)分析純。

        1.2 儀器

        DHG-9145A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HZY-C500型電子天平 河南兄弟儀器設(shè)備有限公司;UV-5100B型紫外分光光度計(jì) 無錫久平儀器有限公司;FW135型中草藥粉碎機(jī) 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 江蘇同君儀器科技有限公司。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 總黃酮含量的測定

        以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)品,采用比色法測定510 nm處吸光度[11]。以質(zhì)量濃度(C)為橫坐標(biāo),吸光度(A)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,A=9.3971C-0.0039,R2=0.9988。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品總黃酮含量,桂皮中總黃酮提取率按下式計(jì)算:

        總黃酮提取率=(提取總黃酮的質(zhì)量/桂皮粉末質(zhì)量)×100%。

        1.3.2 桂皮總黃酮的提取

        精確稱取桂皮干燥粉末10.00 g,按一定液料比(mL/g)15∶1加入60%的乙醇溶劑,在600 W額定超聲功率下提取 60 min,提取液冷卻后過濾,濾液減壓濃縮至30~40 mL,過0.45 μm濾膜,轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,60%乙醇定容,搖勻后取1 mL提取液測定總黃酮含量,計(jì)算提取率。

        1.3.3 單因素試驗(yàn)

        單因素試驗(yàn)按1.3.2步驟進(jìn)行桂皮總黃酮的提取,分別以不同的液料比(mL/g)10∶1,15∶1,20∶1,25∶1,30∶1,不同乙醇濃度40%,50%,60%,70%,80%,90%,不同超聲功率300,400,500,600,700,800 W,不同提取時(shí)間20,40,60,80,100 min為單因素,考察單因素對桂皮總黃酮提取的影響,試驗(yàn)重復(fù)3次。

        1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

        根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對桂皮總黃酮的提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1,試驗(yàn)重復(fù)3次。

        2 結(jié)果

        2.1 單因素優(yōu)化試驗(yàn)

        圖1 單因素條件對桂皮總黃酮提取率的影響Fig.1 Effect of single factor on the extraction rate of flavonoids from cinnamon

        由圖1中A可知,桂皮總黃酮提取率隨著液料比的增加呈典型的倒“V”型變化趨勢,當(dāng)液料比為20∶1時(shí),提取桂皮總黃酮的效果最佳。這是因?yàn)橐毫媳鹊蜁r(shí),桂皮粉末得不到充分浸潤;增加液料比,黃酮類化合物的擴(kuò)散和溶出速率的提高有利于桂皮總黃酮的提取;液料比過高時(shí),非黃酮類可溶雜質(zhì)溶出增加,導(dǎo)致桂皮總黃酮提取率下降。因此,選擇液料比20∶1較為合適。由圖1中B可知,桂皮總黃酮提取率隨著乙醇濃度的增加而快速增加,當(dāng)乙醇濃度為70%時(shí),桂皮總黃酮提取率最大,達(dá)到4.52%,隨后桂皮總黃酮提取率開始下降。這是由于隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增大,提取液極性開始下降,黃酮類化合物由于相似相溶而不斷溶出;當(dāng)乙醇濃度過高時(shí),粘度變大,極性過低,不利于黃酮類化合物溶出,同時(shí)溶出的醇溶性雜質(zhì)增多,導(dǎo)致桂皮總黃酮提取率下降。因此,選擇乙醇濃度70%較為適宜。由圖1中C可知,隨著超聲功率的增加,桂皮總黃酮提取率先快速增加而后緩慢下降。隨著超聲功率增加,分子擴(kuò)散加快,桂皮總黃酮提取率增加,但當(dāng)超聲功率過大時(shí),局部升溫過快,造成苷鍵水解和色素的溶出,導(dǎo)致桂皮總黃酮提取率下降。因此,選擇超聲功率500 W為宜。由圖1中D可知,隨著提取時(shí)間的延長,桂皮總黃酮提取率呈先增后減的趨勢;提取60 min時(shí),總黃酮提取率達(dá)到最大,為5.01%。延長提取時(shí)間可以提高總黃酮提取率,但是時(shí)間過長導(dǎo)致桂皮總黃酮發(fā)生降解,提取率隨之下降。因此,選擇提取時(shí)間60 min較佳。

        2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

        2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

        根據(jù)2.1中試驗(yàn)結(jié)果,以液料比20∶1、乙醇濃度70%、超聲功率500 W、提取時(shí)間60 min為中心點(diǎn),桂皮總黃酮提取率為響應(yīng)值,通過Design Expert 8.0軟件,運(yùn)用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果見表1。

        表1 桂皮總黃酮提取的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 1 Response surface methodology design scheme and results for extraction of total flavonoids from cinnamon

        續(xù) 表

        2.2.2 方差分析與顯著性檢驗(yàn)

        對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合,得桂皮總黃酮提取率(Y)與液料比(A)、乙醇濃度(B)、超聲功率(C)、提取時(shí)間(D)4個(gè)因素之間的二次回歸方程:

        Y=-84.67458+2.00067A+0.98025B+0.075442C+0.54600D+5.00000E-005AB-4.85000E-004AC-6.00000E-004AD-2.57500E-004BC+1.82500E-003BD-2.35000E-004CD-0.041267A2-6.90417E-003B2-3.54167E-005C2-4.40417E-003D2。

        方程的二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值,表明方程代表的拋物面開口向下,具有極值點(diǎn),可以進(jìn)行優(yōu)化分析。以桂皮總黃酮提取率為響應(yīng)值,根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果,對桂皮總黃酮提取工藝模型進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見表2。

        表2 桂皮總黃酮提取二次多項(xiàng)式模型的方差分析Table 2 Variance analysis of quadratic polynomial model of total flavonoids extracted from cinnamon

        由表2可知,回歸模型顯著(P<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(P=0.085),說明該模型擬合充分,能夠用來描述桂皮總黃酮提取率與提取條件的關(guān)系。模型相關(guān)系數(shù)R2=0.9913,表明該模型可以解釋響應(yīng)面中99.13%的可變性,可以用于桂皮在總黃酮提取最佳條件的確定。方程一次項(xiàng)中A,C,D,二次項(xiàng)中A2,B2,C2,D2,交互項(xiàng)中AC,BC,BD,CD對桂皮在總黃酮提取率影響最為顯著(P<0.0001),其他項(xiàng)不顯著(P>0.05),表明各因素之間影響是非線性關(guān)系。模型中根據(jù)F值大小可知,影響桂皮在總黃酮提取效果的因素按主次順序排列為:液料比(A)>超聲功率(C)>提取時(shí)間(D)>乙醇濃度(B)。

        2.2.3 響應(yīng)面分析

        圖2 各因素交互效應(yīng)對桂皮總黃酮提取率影響的響應(yīng)圖Fig.2 Interactive effects of each factor on the extraction of flavonoids from cinnamon

        響應(yīng)曲面圖可以直觀地反映各因素相互作用對響應(yīng)值的影響。其中曲線越陡峭,表明操作條件對響應(yīng)值影響越顯著。

        由圖2可知,乙醇濃度與超聲功率曲面最為陡峭,料液比與超聲功率、超聲功率與提取時(shí)間、乙醇濃度與提取時(shí)間均較為陡峭,可見這些因素的交互作用對桂皮總黃酮的提取率影響比較顯著,這與上述方差分析和顯著性檢驗(yàn)正好相符。

        2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

        通過響應(yīng)面試驗(yàn)分析,確定桂皮總黃酮最佳提取條件為:液料比21.17∶1,乙醇濃度70.99%,超聲功率452.39 W,超聲處理時(shí)間63.19 min,在此條件下桂皮黃酮提取率的最大預(yù)測值為5.60%??紤]實(shí)際過程中的局限性,將工藝條件優(yōu)化為液料比21∶1,乙醇濃度71%,超聲功率452 W,提取時(shí)間63 min。在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證,得到桂皮總黃酮平均提取率為5.61%,與模型預(yù)測值接近,表明構(gòu)建的模型對桂皮總黃酮提取工藝的模擬是可靠的。

        3 結(jié)論

        超聲提取法就是利用超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng),加速活性成分進(jìn)入溶劑,同時(shí)粉碎植物細(xì)胞,使活性成分快速釋放至胞外,提取效率高[12]。黃酮類化合物在植物中廣泛分布,是植物經(jīng)光合作用產(chǎn)生的一類天然產(chǎn)物,常以游離態(tài)或與糖苷形式存在[13],具有廣泛的藥理活性,食用和藥用價(jià)值均比較高。桂皮作為古老而悠久的香辛料,含有豐富的黃酮類化合物。本文以桂皮總黃酮為研究對象,選用超聲輔助提取法,通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面設(shè)計(jì)對其提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,獲得最佳提取工藝條件為:液料比21∶1,乙醇濃度71%,超聲功率452 W,提取時(shí)間63 min,在此條件下桂皮總黃酮提取率為5.61%,與理論預(yù)測值(5.60%)基本一致。本研究為桂皮總黃酮的工業(yè)提取利用以及香辛料的科學(xué)開發(fā)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

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