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        生物酶法提取葡萄皮渣多酚工藝研究

        2018-12-20 08:36:00張愛棟張爾珂豆彤彤楊學(xué)山
        釀酒科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:皮渣葡萄物質(zhì)

        海 玲,張愛棟,張爾珂,豆彤彤,楊學(xué)山

        (甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州730070)

        甘肅省河西走廊氣侯較為干燥,晝夜溫差較大,日照強,土壤呈沙性,富含鈣質(zhì),非常適合釀酒葡萄的種植與生產(chǎn)[1]。隨著葡萄產(chǎn)量的增長和葡萄加工業(yè)的迅猛發(fā)展,葡萄酒釀造的副產(chǎn)物(葡萄皮、籽和果梗)迅速增長[2]。目前,除部分釀酒葡萄皮渣被用作肥料、飼料,大部分被閑置廢棄,資源化利用率較低,且造成了環(huán)境污染,嚴重制約了甘肅葡萄酒產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

        葡萄皮渣中含量豐富的多酚類化合物具有較強的抗氧化活性,能夠降低炎癥,抑制腫瘤發(fā)展,具有促凋亡和抗血管生成作用。此外,多酚類物質(zhì)還能夠增加毛細血管阻力,保護心血管系統(tǒng)以及視網(wǎng)膜[3-5]。近年來,雖然有機溶劑提取法已大量應(yīng)用于多酚物質(zhì)的分離純化,但易造成二次污染,從而制約了葡萄皮渣提取物在醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)的應(yīng)用[6-7]。與傳統(tǒng)提取法相比,酶法提取反應(yīng)條件溫和,綠色無污染且選擇性強,纖維素酶可破壞植物的細胞壁,有利于植物生物活性物質(zhì)的提取[6]。據(jù)文獻報道,酶法已成功應(yīng)用于黑加侖茶多酚[5]、石榴籽[7]、葡萄籽[8]和山楂葉[9]等不同植物基質(zhì)中多酚物質(zhì)的提取,而關(guān)于纖維素酶解提取葡萄皮中多酚物質(zhì)的研究則少見報道。

        本研究以甘肅河西走廊產(chǎn)區(qū)釀酒葡萄主栽品種赤霞珠(Cabernet Sauvignon)釀酒后的皮渣為原料,采用纖維素酶法提取其中的多酚物質(zhì),通過單因素結(jié)合正交實驗,優(yōu)化提取工藝參數(shù),以期為葡萄皮渣多酚化合物的開發(fā)利用提供可行依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 原料與試劑

        原料:赤霞珠葡萄皮渣,采自甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院葡萄酒生產(chǎn)車間。

        試劑:纖維素酶(上海源葉生物科技有限公司,酶活力400 U/mg)、Folin-Ciocalteus。

        顯色劑、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、沒食子酸等均為分析純。

        1.2 儀器與設(shè)備

        PHS-3C PH計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司);TU-1810紫外-可見分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司);TD5A-WS臺式低速離心機(東莞康潤實驗科技有限公司);CPJ214電子天平;恒溫水浴箱等。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 葡萄皮渣多酚的提取

        將酒精發(fā)酵結(jié)束后的赤霞珠葡萄皮渣去籽,置于鼓風(fēng)干燥箱中60℃干燥24 h,經(jīng)超碎粉碎機得到葡萄皮粉末作為實驗原料,于4℃冰箱中儲存?zhèn)溆?。采用纖維素酶酶解、水浴浸提多酚類物質(zhì)。

        1.3.2 葡萄皮渣多酚的測定

        采用福林-肖卡法[10]測定葡萄皮渣多酚。吸取1 mL樣品溶液,加入5 mL蒸餾水、1 mL Folin-Ciocalteus顯色劑和3 mL 7.5%Na2CO3溶液。避光室溫下放置2 h顯色后,在765 nm波長下測定吸光度,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程(y=0.116x-0.02,R2=0.9995)計算樣品中多酚的質(zhì)量濃度。葡萄皮渣多酚得率按以下公式計算:

        式中:ω為多酚得率,%;C為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到的多酚質(zhì)量濃度,μg/mL;V為提取液的體積,mL;m為葡萄皮渣的質(zhì)量,g。

        1.3.3 單因素實驗設(shè)計

        1.3.3.1 纖維素酶添加量對多酚得率的影響

        準(zhǔn)確稱量葡萄皮粉末0.500 g,分別加入質(zhì)量為10 mg、15 mg、20 mg、25 mg、30 mg的纖維素酶,在酶解溫度50℃,pH 5.0的條件下酶解2 h,離心10 min后取上清液,測定不同纖維素酶添加量下得到的葡萄皮渣多酚的得率。

        1.3.3.2 酶解液pH值對多酚得率的影響

        固定纖維素酶添加量,調(diào)節(jié)酶解液pH值分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,其他操作同上。測定多酚得率,選出較佳酶解pH值。

        1.3.3.3 酶解時間對多酚得率的影響

        固定纖維素酶添加量和酶解pH值,設(shè)置酶解時間分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h,其他操作同上。測定多酚得率,選擇較佳酶解時間。

        1.3.3.4 酶解溫度對多酚得率的影響

        固定纖維素酶添加量、酶解pH值和酶解時間,設(shè)置酶解溫度分別為40℃、45℃、50℃、55℃、60℃,其他操作同上。測定多酚得率,選出較佳酶解溫度。

        1.3.4 正交實驗

        根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選取酶添加量、酶解pH值、酶解時間和酶解溫度作為實驗因素,采用L9(34)正交表,做4因素3水平實驗。通過對各組樣品多酚得率的測定,選出最佳工藝條件。實驗因素和水平設(shè)計見表1。

        表1 正交實驗因素和水平

        1.3.5 最佳工藝條件的驗證

        按照正交實驗優(yōu)選的各參數(shù),進行葡萄皮渣多酚最佳提取條件的驗證。

        1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        采用Excel 2010和SPSS 20.0處理數(shù)據(jù)并作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素實驗結(jié)果

        2.1.1 纖維素酶添加量對多酚得率的影響(圖1)

        圖1 不同酶添加量對多酚得率的影響

        由圖1可知,隨著纖維素酶添加量的不斷增加,葡萄皮中多酚得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨向,其中酶得率為20 mg時,多酚得率達到最大值。結(jié)果表明,隨著纖維素酶添加量的增加,葡萄皮細胞壁的破碎程度進一步加大,從而更有利于細胞內(nèi)多酚物質(zhì)的溶出;當(dāng)酶得率繼續(xù)增加時,由于其底物濃度不足,使過多的酶聚集于皮渣表面,從而阻礙了細胞內(nèi)多酚物質(zhì)的擴散和溶出,使多酚得率下降[10]。因此,纖維素酶的較佳添加量為20 mg。

        2.1.2 酶解液pH值對多酚得率的影響(圖2)

        圖2 不同酶解pH值對多酚得率的影響

        由圖2可知,當(dāng)pH值增加至5時,多酚得率達到最大值,之后隨著pH值的繼續(xù)增大,多酚得率迅速降低。這是由于pH值會影響纖維素酶的活性中心,在pH5時,酶催化的活性中心最易與底物相結(jié)合,促進了細胞破碎,從而提高了胞內(nèi)物質(zhì)的溶出比例。而當(dāng)pH值發(fā)生變化時,酶雖不會變性失活,但酶活性中心部位發(fā)生改變,從而降低酶活力,影響多酚物質(zhì)的充分擴散,使得率下降[11]。

        2.1.3 酶解時間對多酚得率的影響(圖3)

        圖3 不同酶解時間對多酚得率的影響

        如圖3所示,隨著酶解時間的逐漸延長,葡萄皮中多酚得率不斷增加,當(dāng)酶解時間達2 h后,隨時間的延長多酚得率逐漸降低。在1.5~2.5 h時,隨著時間的延長,葡萄皮細胞壁及細胞間的阻擋層已被有效水解,使多酚物質(zhì)充分溶出[12]。而過長的處理時間易引起多酚物質(zhì)的氧化分解,使提取量降低,因此選擇酶解時間為2 h,此時效果較好。

        2.1.4 酶解溫度對多酚得率的影響(圖4)

        圖4 不同酶解溫度對多酚得率的影響

        由圖4可知,纖維素酶提取葡萄皮中多酚的較適作用溫度是55℃。在55℃之前,隨著溫度的不斷升高,細胞內(nèi)活性物質(zhì)分子運動速率和酶促反應(yīng)隨之加快,破壁作用加強,使多酚物質(zhì)充分釋放于提取液中[13-14];隨后,溫度的繼續(xù)升高易使多酚物質(zhì)分解,還會破壞酶的結(jié)構(gòu),使酶活性下降,從而影響多酚得率。由此選擇55℃為較好的提取溫度。

        表2 正交實驗結(jié)果

        2.2 正交實驗結(jié)果

        為確立酶法提取葡萄皮渣多酚的最優(yōu)工藝,根據(jù)單因素實驗結(jié)果,進行L9(34)正交實驗,正交實驗結(jié)果見表2。為判斷上述4種因素對實驗結(jié)果的影響程度,應(yīng)用SPSS20.0對正交實驗結(jié)果進行方差分析,利用F檢驗判斷各因素對實驗指標(biāo)的影響程度,結(jié)果見表3。

        表3 方差分析表

        由表2可知,影響赤霞珠葡萄皮中多酚提取量的主次因素依次為C>B>D>A,即時間>酶解pH>酶解溫度>酶添加量。由表3方差分析可知,因素B和因素D顯著,因素C極顯著,即pH值、溫度和時間對葡萄皮渣多酚的得率均具有顯著性影響,而酶添加量對其無顯著性影響。纖維素酶提取葡萄皮渣多酚的最佳組合為A3B2C2D1,即酶添加量25 mg,酶解pH5,酶解時間2 h,酶解溫度50℃。

        根據(jù)正交實驗所得的最優(yōu)組合(A3B2C2D1)進行驗證實驗,實驗結(jié)果表明,在此工藝條件下提取得到的葡萄皮中多酚得率達到11.238 mg/g,均高于正交實驗結(jié)果,表明本試驗優(yōu)化的工藝條件有較好的可行性。

        3 結(jié)論

        通過單因素結(jié)合正交實驗優(yōu)選赤霞珠葡萄皮渣多酚的提取工藝參數(shù)為酶添加量25 mg,酶解液pH5,酶解時間2 h,酶解溫度50℃。該法有效縮短了提取時間,節(jié)約了成本,而且多酚結(jié)構(gòu)不易被破壞,與傳統(tǒng)提取方法相比,提取溶劑綠色、安全、無污染,具有一定的推廣和應(yīng)用價值。

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