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        超聲波輔助法提取火龍果果皮多糖工藝優(yōu)化及其抗氧化活性研究

        2018-06-29 03:36:28但德苗胡珊珊錢(qián)時(shí)權(quán)伍亞華
        農(nóng)產(chǎn)品加工 2018年12期
        關(guān)鍵詞:影響

        但德苗,余 俠,胡珊珊,錢(qián)時(shí)權(quán),伍亞華

        (蚌埠學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,安徽蚌埠 233030)

        火龍果屬仙人掌科,原產(chǎn)于中美洲,后傳入中國(guó),是熱帶、亞熱帶水果?;瘕埞ぶ泻写罅恐参锒嗵荹1],研究表明,植物多糖具有多種生物活性,如抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤、降血糖、抑菌等[2-5]。目前,已有對(duì)火龍果果莖和果肉[6-7]多糖方面的文獻(xiàn)報(bào)道,而關(guān)于火龍果果皮多糖提取方面的研究還未曾有過(guò)報(bào)道。

        植物多糖的提取方法主要有熱水浸提法、超聲波輔助法和微波輔助法等。超聲波輔助法主要利用超聲波的空化和機(jī)械效應(yīng)來(lái)破壞植物細(xì)胞壁,加快細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)的溶出,具有提取時(shí)間短和提取效率高等特點(diǎn)。以火龍果果皮為原料,研究火龍果果皮超聲波輔助法提取工藝,并對(duì)提取得到的火龍果多糖體外抗氧化活性進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為火龍果果皮副產(chǎn)物資源的高效開(kāi)發(fā)利用提供理論和技術(shù)參考。

        1 材料和方法

        1.1 材料與儀器

        火龍果、菜籽油,購(gòu)于蚌埠華運(yùn)超市;無(wú)水乙醇、30%過(guò)氧化氫、硫酸亞鐵、葡萄糖、水楊酸、苯酚、濃硫酸、(2,2'-聯(lián)氮基雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸) 二銨鹽(ABTS)、過(guò)硫酸鉀、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT),均為分析純。

        1.2 儀器與設(shè)備

        TGL-16B型高速離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品;FS-4501V型超聲波萃取儀,上海生析超聲儀器有限公司產(chǎn)品;752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海光學(xué)儀器廠產(chǎn)品;FA2004B型電子分析天平,上海精密儀器儀表有限公司產(chǎn)品。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 火龍果果皮多糖的提取

        選取新鮮的火龍果皮,充分洗滌后,在60℃條件下烘制至恒質(zhì)量粉碎,過(guò)60目篩制成粉末;準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g火龍果果皮粉末置于錐形瓶中,加入適量蒸餾水;置于超聲波萃取儀中,在一定功率下提取多糖,萃取后的多糖溶液以轉(zhuǎn)速6 000 r/min離心10 min,獲得上清液;向上清液中加入3倍體積的無(wú)水乙醇,于4℃條件下醇沉12 h;以轉(zhuǎn)速6 000 r/min離心10 min,收集沉淀,經(jīng)真空干燥后,得到火龍果果皮多糖粉末。

        2.2 火龍果果皮多糖提取率的測(cè)定

        精密稱(chēng)取干燥的葡萄糖10.00 mg,定容至100 mL,配制成0.10 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液;分別準(zhǔn)確吸取質(zhì)量濃度為0.10 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液0,0.10,0.30,0.50,0.70,0.90,1.10 mL于 7支刻度試管中,加蒸餾水至2.0 mL;再向7支刻度試管中分別加入5%的苯酚溶液1.0 mL,搖勻后迅速加入5.0 mL濃硫酸,沸水浴加熱15 min,冷卻至室溫,并以蒸餾水做空白對(duì)照,于波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度;以葡萄糖質(zhì)量濃度(X)為橫坐標(biāo)、吸光度(Y)為縱坐標(biāo),繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線(Y=0.129 5X-0.114 2;R2=0.999 7);量取2.0 mL火龍果果皮多糖供試液,按上述方法測(cè)定吸光度,計(jì)算多糖含量。按照以下公式計(jì)算火龍果皮多糖提取率。

        式中:C——供試液的多糖質(zhì)量濃度,mg/mL;

        A——供試液總體積,mL;

        n——稀釋倍數(shù);

        a——測(cè)定供試液的體積,mL;

        M——火龍果果皮粉末的質(zhì)量,g。

        2.3 火龍果果皮多糖超聲波輔助提取單因素試驗(yàn)

        2.3.1 料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        準(zhǔn)確稱(chēng)取火龍果果皮粉3.00 g,在保持其他條件不變時(shí),分別選取料液比1∶4,1∶6,1∶8,1∶10,1∶12(g∶mL),按照2.1和2.2方法提取火龍果果皮多糖,計(jì)算火龍果果皮多糖提取率,考查料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響。

        2.3.2 超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        準(zhǔn)確稱(chēng)取火龍果果皮粉3.00 g,在保持其他條件不變時(shí),分別選取超聲波功率60,80,100,120,140 W,按照2.1和2.2方法提取火龍果果皮多糖,計(jì)算火龍果果皮多糖提取率,考查超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響。

        2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        準(zhǔn)確稱(chēng)取火龍果果皮粉3.00 g,在保持其他條件不變時(shí),分別選取超聲時(shí)間15,20,25,30,35 min,按照2.1和2.2方法提取火龍果果皮多糖,計(jì)算火龍果皮多糖提取率,考查超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響。

        2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

        在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取料液比(X1)、超聲功率(X2)和超聲時(shí)間(X3)3個(gè)因素,以火龍果果皮多糖提取率(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化火龍果果皮多糖超聲輔助提取工藝參數(shù)。

        試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

        表1 試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

        2.5 火龍果果皮多糖體外抗氧化活性試驗(yàn)

        2.5.1 ABTS自由基的清除能力

        ABTS自由基清除能力的測(cè)定參考文獻(xiàn)[8],并略做修改。準(zhǔn)確量取等體積濃度為7.4 mmol/L ABTS自由基和濃度為2.6 mmol/L過(guò)硫酸鉀溶液,暗處反應(yīng)15 h后,用磷酸緩沖液(pH值7.4) 適當(dāng)稀釋ABTS自由基。分別取3.0 mL不同質(zhì)量濃度的多糖溶液(0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 mg/mL) 與 6.0 mL ABTS自由基稀釋液混合均勻,于室溫下反應(yīng)8 min后,同時(shí)以VC為對(duì)照,分別以6.0 mL蒸餾水代替ABTS自由基稀釋液作為本底和空白對(duì)照。于波長(zhǎng)752 nm處測(cè)定吸光度,計(jì)算ABTS自由基清除率。

        式中:A0——空白對(duì)照吸光度;

        A1——樣品吸光度;

        A2——本底吸光度。

        2.5.2 油脂抗氧化能力

        參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行,并略做修改,稱(chēng)取5.0 g菜籽油作為油樣,將3.0 mL多糖溶液(1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 mg/mL) 加入到油樣中,于70℃烘箱中強(qiáng)化60 min,同時(shí)以BHT為對(duì)照。采用碘量法按國(guó)標(biāo)GB/T 5538—2005測(cè)定菜籽油的過(guò)氧化值(POV)。

        式中:M——碘生成物質(zhì)的量,mmol;

        m——油脂質(zhì)量,kg。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 單因素試驗(yàn)

        3.1.1 料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖1。

        圖1 料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        從圖1可以看出,隨著料液比的增加,火龍果果皮多糖提取率呈先升高后降低的趨勢(shì)。在料液比為1∶8時(shí),火龍果果皮多糖提取率達(dá)到最大,隨后逐漸降低。因此,料液比選擇1∶8較為適宜。

        3.1.2 超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖2。

        圖2 超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        由圖2可知,火龍果果皮多糖提取率隨超聲功率增加而提高,這可能是因?yàn)殡S著超聲功率的增加,超聲波的空穴、機(jī)械和熱作用增強(qiáng)而多糖溶出速率加快。在超聲功率為100 W時(shí)火龍果果皮多糖提取率達(dá)到最大值,而超聲功率100 W之后火龍果果皮多糖的提取率維持不變。因此,應(yīng)控制超聲功率在100 W為宜。

        3.1.3 超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖3。

        圖3 超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        由圖3可知,不難發(fā)現(xiàn),火龍果果皮多糖提取率隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,當(dāng)超聲時(shí)間超過(guò)25 min后,火龍果果皮多糖提取率呈平緩下降趨勢(shì)。超聲波在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用,而這可能會(huì)使多糖分子遭到破壞,從而影響火龍果果皮多糖的提取效率。由此,控制超聲時(shí)間以25 min為宜。

        3.2 優(yōu)化火龍果果皮多糖提取工藝

        綜合分析單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取料液比(X1,g∶mL)、超聲功率 (X2,W) 和超聲時(shí)間 (X3,min)為自變量,以火龍果果皮多糖提取率(Y,%)為響應(yīng)值,進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

        響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)表2的結(jié)果,建立火龍果果皮多糖提取率對(duì)料液比、超聲功率和超聲時(shí)間二次多元回歸方程為:

        根據(jù)表2結(jié)果,進(jìn)行方差分析。

        方差分析見(jiàn)表3。

        由表2和表3可知,模型(p<0.01) 極顯著。由F值大小可知,影響紅皮火龍果果皮多糖提取率主要因素主次順序?yàn)?X2>X1>X3,即超聲功率>料液比>超聲時(shí)間。 由p值可知,一次項(xiàng)X1,X2和X3極顯著(p<0.01),即料液比、超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率影響極顯著。交互項(xiàng)X2X3影響顯著(p<0.05)和二次項(xiàng)(X12,X22,X32)影響均極顯著(p<0.01),失擬項(xiàng)p=0.095 2>0.05,說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著,該模型的擬合度較好。R2=0.991 3,表明此模型能解釋99.93%的響應(yīng)變化。上述結(jié)果表明,所得到的回歸方程能很好地預(yù)測(cè)火龍果果皮多糖提取率與料液比、超聲功率和超聲時(shí)間各因素間的關(guān)系。

        3.3 響應(yīng)面分析

        料液比(X1,g∶mL) 和超聲功率(X2,W) 對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖4,料液比(X1,g∶mL) 和超聲時(shí)間(X3,min) 對(duì)紅龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖5,超聲功率(X2,W)和超聲時(shí)間(X3,min)對(duì)紅龍果果皮多糖提取率的影響見(jiàn)圖6。

        表3 方差分析

        圖4 料液比(X1,g∶mL) 和超聲功率(X2,W) 對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響

        圖5 料液比(X1,g∶mL) 和超聲時(shí)間(X3,min) 對(duì)紅龍果果皮多糖提取率的影響

        圖6 超聲功率(X2,W) 和超聲時(shí)間(X3,min) 對(duì)紅龍果果皮多糖提取率的影響

        圖4 ~圖6反映了料液比(X1)、超聲功率(X2)和超聲時(shí)間(X3)對(duì)火龍果果皮多糖提取率的交互影響。由圖4可知,當(dāng)超聲時(shí)間固定時(shí),料液比曲面的變化幅度要低于超聲功率,說(shuō)明超聲波功率對(duì)多糖提取率的影響較大。等高線圖為圓形,表明料液比和超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的交互作用不顯著。由圖5可知,當(dāng)超聲功率固定時(shí),超聲時(shí)間曲面變化幅度低于料液比,說(shuō)明料液比對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響較大;等高線圖表明,料液比和超聲功率交互作用不顯著。由圖6可知,當(dāng)料液比固定時(shí),超聲功率曲面的變化幅度大于超聲時(shí)間曲面的變化幅度,說(shuō)明超聲功率對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響較大;等高線圖接近橢圓形,說(shuō)明超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率交互影響較顯著。

        根據(jù)建立的數(shù)學(xué)回歸模型,進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)化分析,得出火龍果果皮多糖超聲波輔助提取的最佳條件為料液比1∶8,超聲功率101.30 W,超聲時(shí)間26.10 min;在此工藝條件下,得到火龍果果皮多糖提取率的最大預(yù)測(cè)值為13.9%??紤]到實(shí)際操作情況,對(duì)最佳條件進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整:料液比1∶8,超聲功率101 W,超聲時(shí)間26 min,在此工藝條件下,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),得到紅皮火龍果果皮多糖的實(shí)際提取率為13.88%,平均誤差為1.52%(n=3),試驗(yàn)值與理論值基本吻合。以上結(jié)果表明,所獲得的模型能有效用于火龍果果皮多糖的超聲波輔助提取。

        3.4 火龍果果皮多糖的體外抗氧化活性

        3.4.1 ABTS自由基清除能力

        火龍果果皮多糖對(duì)ABTS自由基的清除能力見(jiàn)圖7。

        圖7 火龍果果皮多糖對(duì)ABTS自由基的清除能力

        由圖7可知,不難發(fā)現(xiàn),火龍果果皮多糖對(duì)ABTS自由基有明顯的清除作用。隨著火龍果果皮多糖質(zhì)量濃度的增加,ABTS自由基清除率逐漸增強(qiáng)(p<0.01)。當(dāng)質(zhì)量濃度超過(guò)為2.0 mg/L時(shí),火龍果果皮多糖對(duì)ABTS自由基的清除率與VC差異不顯著(p>0.05)。當(dāng)火龍果果皮多糖質(zhì)量濃度為2.5 mg/mL時(shí),火龍果果皮多糖對(duì)ABTS自由基的清除率可達(dá)到99.10%。

        3.4.2 火龍果果皮對(duì)菜籽油的抗氧化性能

        油脂氧化反應(yīng)所生成的過(guò)氧化物,是油脂氧化酸敗的關(guān)鍵產(chǎn)物。因此,測(cè)定油脂POV值,可判定其氧化變質(zhì)的程度。當(dāng)過(guò)氧化值明顯升高時(shí),表明油脂的氧化穩(wěn)定性下降,酸敗即將開(kāi)始。

        火龍果果皮多糖的菜籽油抗氧化作用見(jiàn)圖8。

        由圖8可知,火龍果果皮多糖對(duì)菜籽油的抗氧化作用隨著多糖質(zhì)量濃度的增加而逐漸增強(qiáng)(p<0.05)。當(dāng)質(zhì)量濃度超過(guò)為5.0 mg/L時(shí),火龍果皮多糖與等質(zhì)量濃度BHT的菜籽油抗氧化作用相當(dāng)。

        圖8 火龍果果皮多糖的菜籽油抗氧化作用

        4 結(jié)論

        研究了料液比、超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取率的影響,采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化了火龍果果皮多糖的超聲輔助提取工藝條件。結(jié)果表明,料液比、超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)火龍果果皮多糖提取有顯著影響。得到超聲輔助法提取火龍果果皮多糖的最佳工藝條件為料液比1∶8,超聲功率101 W,超聲時(shí)間26 min,在此條件下,火龍果果皮多糖提取率為13.88%,火龍果果皮多糖能有效清除ABTS自由基,對(duì)菜籽油也具有顯著抗氧化作用。

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