(昌吉學院,化學與應用化學系,新疆昌吉 831100)

薰衣草(LavandulaangustifoliaMill.)為唇形科多年生的亞灌木植物,擁有濃烈的香氣,故有“芳香之王”的美譽[1],主要分布于新疆、云南等地,其葉、莖、花全株呈濃香,香味濃郁而柔和、無刺激感、無毒副作用,被廣泛地應用于醫(yī)藥[2]、化妝[3]、洗滌、食品行業(yè)[4]。薰衣草含有甾醇類、有機酸類、苷類等多種生物活性成分[5]?；ㄉ帐且环N具有糖苷鍵的生物類黃酮,廣泛存在于色澤鮮艷的植物中,具有抗氧化[6]、抗菌消炎[7]、抗腫瘤[8]、保護心腦血管[9]以及緩解視疲勞[10]等功效,特別是其具有安全性高以及資源可再生等特點而成為研究的熱點。傳統(tǒng)的花色苷提取方法主要有溶劑萃取法[11]、超聲輔助法[12]、微波輔助法[13]、超高壓法[14]和生物酶法[15]等。目前有關薰衣草主要集中在化學成分[5]和精油提取[16]方面的研究,最近學者研究了薰衣草中黃酮的提取,但是采用超聲輔助酶法提取薰衣草花色苷的研究鮮見報道[12]。

熱處理是食品加工過程中最普遍和有效的殺菌方式,但高溫處理可能會引起花色苷發(fā)生降解,甚至導致褐變。因此,利用化學動力學原理研究花色苷熱降解動力學規(guī)律,對確定提高花色苷穩(wěn)定性的措施和拓展其應用范圍極為重要。近年來,國內外許多學者對花色苷熱降解動力學進行了研究,騰飛等[17]研究了不同pH和溫度下龍葵果花色苷的熱降解規(guī)律,曹少謙等[18]研究了桑葚花色苷熱降解動力學,李恩惠等[19]研究了在不同pH下藍莓花色苷的花色苷熱降解動力學,這些研究表明花色苷的熱降解動力學模型符合一級反應動力學方程。然而,以上報道均使用花色苷粗提物進行降解研究?；ㄉ沾痔嵛镏泻刑恰⒂袡C酸及黃酮類等雜質,這些雜質對花色苷降解機理有一定的影響,而純花色苷的降解機制研究尚無報道。

基于此,本文以新疆伊犁薰衣草花色苷為研究對象,采用響應曲面法優(yōu)化超聲輔助酶法提取薰衣草中花色苷,通過Box-Behnken設計試驗結合響應面分析法優(yōu)化提取工藝條件,并對薰衣草花色苷進行分離純化,探討在不同pH和溫度對純薰衣草花色苷的熱穩(wěn)定性影響,進而建立其熱降解動力學模型,以期為薰衣草花色苷的資源開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薰衣草花穗 2018年6月購自新疆伊犁霍城縣;果膠酶(30000 U/g) 天津市利華酶制劑技術有限公司;乙醇、鹽酸、冰醋酸、醋酸鈉、氯化鉀 均為分析純,阿拉丁化學試劑有限公司。

AL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;UV-2550型紫外-可見分光光度計 日本島津公司;XO-2B型超聲波提取器 南京先歐儀器制造有限公司;DK29821型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;RE-1002旋轉蒸發(fā)器 西安禾普生物科技有限公司;pH510酸度計 安萊立斯儀器科技(上海)有限公司;SHZ-2000循環(huán)水式真空泵 河南省鞏義市英峪予華儀器廠;800B型離心機 上海安亭科學儀器廠制造;MiLLROCK冷凍干燥機 美國Commillrock公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 薰衣草花色苷的提取 準確稱取干燥的薰衣草花穗2.000 g,依次加入10.0 mL pH為3的醋酸鈉緩沖溶液、0.20%的果膠酶,充分混合,在40 ℃水浴中酶解反應60 min;然后加入無水乙醇使其反應體系濃度為80%,繼續(xù)在同樣溫度條件下超聲(800 W)提取30 min,于4000 r/min離心15 min,取上清液得到薰衣草花色苷提取物并進行含量測定。

1.2.2 花色苷的測定 花色苷含量采用pH示差法進行測定[12]。將一定量上清液轉移至25 mL容量瓶內,用無水乙醇定容,再分別用pH1.0和pH4.5緩沖液稀釋n倍,混勻后,放入40 ℃水浴中靜置平衡30 min。對照組將乙醇用pH1.0和pH4.5緩沖液稀釋n倍,混合均勻后放入40 ℃水浴中平衡30 min,平衡結束后,測其在最大吸收波長545和700 nm處的吸光度。按式(1)計算薰衣草花色苷的相對含量:

花色苷的質量濃度c(mg·mL-1)=[(A545-A700)pH1.0-(A545-A700)pH4.5]× n×M/εb

式(1)

式中:n為稀釋倍數(shù);M為矢車菊-3-葡萄糖苷的相對分子質量445.2 g/mol;ε為矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾吸光系數(shù),29600;b為比色皿厚度cm。

花色苷得率為:

花色苷得率(%)=提取液中花色苷的質量/薰衣草質量×100

式中:薰衣草質量,g;提取液中花色苷的質量,g。

1.2.3 單因素實驗 按照1.2.1中花色苷提取方法,分別考察加酶量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%)、乙醇濃度(50%、60%、70%、80%、90%)、酶解時間(30、60、90、120、150 min)、酶解溫度(30、40、50、60、70 ℃)、超聲提取時間(10、15、20、25、30 min)和酶解pH(2.0、3.0、4.0、5.0、6.0)等6個因素對薰衣草花色苷得率的影響。單因素變化時,確定乙醇濃度80%、酶解時間60 min、酶解溫度40 ℃、超聲提取時間30 min和酶解pH 3等因素不變。每個單因素實驗平行重復3次,結果取平均值。

1.2.4 響應面試驗設計 以單因素實驗為基礎,選取對花色苷提取影響較大的超聲時間、乙醇濃度、酶解溫度和酶解時間四個因素為變量,花色苷得率為響應值,采用Box-Benhnken設計響應面試驗,各因素水平見表1。

表1 超聲波提取薰衣草花色苷的響應面分析因素與水平表Table 1 The experimental factors and levelsTable of response surface analysis

1.2.5 薰衣草花色苷的純化 按照1.2.4節(jié)中優(yōu)化工藝提取薰衣草花色苷粗提液,上清液經(jīng)濃縮、用石油醚萃取、水相通過D-101大孔吸附樹脂吸附純化、用酸化的乙醇溶液洗脫,洗脫液再濃縮、冷凍干燥,得到粉末,低溫下保存,備用[20]。

1.2.6 不同pH薰衣草花色苷溶液的熱穩(wěn)定性 稱取一定量的薰衣草花色苷凍干粉,配制成360.5 mg/L的花色苷溶液。在花色苷溶液中,分別加入緩沖溶液,調節(jié)溶液的pH為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0,再分別置于50、60、70、80 ℃水浴中避光保溫6 h。在各溫度條件下,每隔1 h取樣1次,取樣后,放入冰水中急速冷卻待測液至室溫,測定其花色苷含量,平行實驗3次,取其平均值。

1.2.7 不同pH下花色苷熱降解動力學研究 大多數(shù)研究表明,花色苷降解遵循一級反應動力學模式。假定薰衣草花色苷的熱降解反應也符合零級、一級、二級或三級反應動力學。

花色苷殘留率(%)=(Ct/C0)×100

式(1)

即花色苷殘留率(%)=(At/A0)×100

式(2)

式中,Ct、C0、At、A0為熱處理后和處理前花色苷含量、吸光度。

根據(jù)花色苷殘留率,按以下公式計算零級、一級、二級或三級動力學反應的速率常數(shù)(k)。

零級動力學方程:Ct-C0=-kt

式(3)

一級動力學方程:lnCt/C0=lnAt/A0=-kt

式(4)

二級動力學方程:1/Ct-1/C0=-kt

式(5)

式(6)

式中,t為熱處理時間(h),k0、k1、k2、k3分別為零級、一級、二級、三級速率常數(shù),min-1。

薰衣草花色苷降解的半衰期t1/2(h)由(7)式計算:

t1/2=ln2/k

式(7)

溫度系數(shù)Q10由(8)式計算:

式(8)

式中,Q10表示溫度每升高10 ℃,反應速率增大的比例數(shù);k1和k2分別為溫度t1和t2時的一級反應速率常數(shù)。

薰衣草花色苷降解90%所需時間D(h)由(9)式計算:

D=-ln10/t

式(9)

式中,k為T ℃下的降解速率。

薰衣草花色苷的半衰期(t1/2)變化10倍所需的溫度變化Z由(10)式計算:

T=-Z lgt1/2+b

式(10)

式中,b為線性方程提供的截距。

花色苷熱降解活化能(Ea)根據(jù)Arrhenius方程由(11)、焓變(ΔH,kJ/mol)由(12)式計算:

lnk=lnk0-Ea/RT

式(11)

ΔH=Ea-RT

式(12)

式中,R為氣體常數(shù),8.314 kJ/(mol·K);k0為頻率常數(shù),min-1;T為絕對溫度(K)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.0處理實驗數(shù)據(jù),采用Design Expert V 8.0.6.1軟件進行二次回歸擬合以及方差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 果膠酶添加量對薰衣草花色苷得率的影響 由圖1可知,隨著果膠酶量的增加,花色苷得率呈現(xiàn)先逐漸升高,然后基本保持平穩(wěn),最后呈緩慢降低的趨勢。這可能由于底物細胞壁含有果膠,隨著果膠酶量的增加時,能夠促進果膠物質的水解和溶質擴散,有利于花色苷溶出;當果膠酶添加量在0.10%～0.20%范圍內時,酶濃度趨于飽和,細胞壁的降解較徹底;而過量的果膠酶,不僅會抑制酶的活性,而且會水解花色苷中糖苷鍵,破壞花色苷結構[15,21],進而影響提取效果?？紤]到經(jīng)濟性,故選擇0.10%為最佳加酶量。

圖1 加酶量對花色苷得率的影響Fig.1 Effects of enzyme dosage on anthocyanins yield

2.1.2 乙醇濃度對薰衣草花色苷得率的影響 由圖2可知,在一定范圍內,花色苷得率隨著乙醇濃度的增大而增大,當乙醇濃度為50%時,花色苷提取效果最佳;繼續(xù)增加乙醇濃度,花色苷得率反而逐漸下降。這可能是因為隨著乙醇濃度的增加,溶劑的滲透力增強,有利于花色苷的釋放。繼續(xù)增大乙醇濃度,不僅使得溶液的極性降低,導致極性花色苷糖苷溶解度下降,還使得一些醇溶性雜質以及親脂類物質的溶出量增加,從而與花色苷形成競爭,不利于花色苷的溶出,同時增加了后續(xù)工藝難度,故乙醇濃度選擇40%～60%為宜。

圖2 不同乙醇濃度對花色苷得率的影響Fig.2 Effects of ethanol concentration on anthocyanins yield

2.1.3 酶解時間對薰衣草花色苷得率的影響 由圖3可知,隨著酶解時間的延長,花色苷得率迅速升高;當酶解時間60 min時,提取效果最好,花色苷得率達5.83%;當繼續(xù)延長酶解時間,花色苷得率反而有所降低,這可能是因為酶解時間為60 min時,酶解反應基本完成;繼續(xù)延長酶解反應時間不僅會使花色苷發(fā)生氧化,導致花色苷分子結構部分分解而被破壞,還使得其它非花色苷成分大量溶出,從而導致花色苷得率反而降低,且增加了能耗,不利于工業(yè)生產(chǎn)。故選擇50～70 min為宜。

圖3 酶解時間對花色苷得率的影響Fig.3 Effects of enzymatic hydrolysis time on anthocyanins yield

2.1.4 酶解溫度對薰衣草花色苷得率的影響 由圖4可知,花色苷得率隨著酶解溫度的升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當酶解溫度為50 ℃時,花色苷得率最高,說明酶達到活性最強。這可能是在低溫度下,酶的活性沒有有效的發(fā)揮作用,隨著溫度升高,溶液體系的熱能增加,促進酶分子和活性物質分子的滲透、擴散和溶解,加快分子運動速度,同時增強酶的活性,促進酶解反應加速,使得花色苷更易釋放到溶劑中;但溫度過高,使酶的穩(wěn)定性降低,甚至高溫會破壞酶的結構,減弱或抑制酶的活性,導致酶解速率降低。另外,溫度升高,花色苷易發(fā)生氧化或分解,使得穩(wěn)定性降低,從而使得率下降。故選擇40～60 ℃為宜。

圖4 酶解溫度對花色苷得率的影響Fig.4 Effects of enzymatic hydrolysis temperature on anthocyanins yield

2.1.5 超聲提取時間對薰衣草花色苷得率的影響 由圖5可知,隨著超聲提取時間的延長,花色苷得率呈先逐漸升高后略下降的趨勢,超聲時間為25 min 時,花色苷得率達到最大,說明大部分花色苷已從組織中溶出,體系內花色苷濃度達到動態(tài)平衡;繼續(xù)延長時間,花色苷得率略有降低,這可能是因為隨著超聲提取時間的延長,花色苷在空化作用下加劇被氧化降解從而破壞花色苷結構和穩(wěn)定性,導致花色苷得率略有下降。因此超聲提取時間在20～30 min為宜。

圖5 超聲時間對花色苷得率的影響Fig.5 Effects of ultrasonic-assisted extraction time on anthocyanins yield

2.1.6 pH對薰衣草花色苷得率的影響 由圖6可知,當pH在2～3之間,隨著pH的升高,花色苷得率逐漸增大;pH在3時,花色苷得率達到最高;當pH大于3時,花色苷得率反而逐漸降低。這說明pH為3左右是該體系中酶解反應的最適pH,在此條件下,果膠酶的活性最高,酶解反應效果最佳,且花色苷在酸性環(huán)境中穩(wěn)定存在,故選擇pH3為宜。

圖6 pH對花色苷得率的影響Fig.6 Effects of pH on anthocyanins yield

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面回歸模型的建立與分析 提取薰衣草花色苷的響應面試驗設計方案與結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface experiment

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the developed regression model

注:P<0.0010表示該指標非常顯著,**;P<0.0500表示該指標顯著,*;P>0.0500表示該指標不顯著。

利用Design-Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得到薰衣草花色苷得率對4個自變量因子的二次多元回歸方程模型為:花色苷得率Y=6.15+0.13A-0.031B+0.14C+0.58D+0.034AB-0.34AC-0.60AD-0.011BC+0.25BD-0.79CD-1.17A2-1.09B2-1.18C2-1.42D2,此方程中各項系數(shù)的絕對值大小反映了各因子對響應值的影響程度。

由回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知,該模型的一次項D、交互項AC、AD、CD和平方項A2、B2、C2、D2對花色苷得率的影響極顯著(P<0.01),一次項A、C和交互項BD對花色苷得率的影響顯著(P<0.05),其他項不顯著,表明各因素對花色苷得率的影響不同。從F值可知,各因素對花色苷得率影響的顯著性大小順序為酶解時間>酶解溫度>超聲時間>乙醇濃度。

2.2.2 響應面分析 為了進一步確定各因素間的交互作用對響應值的影響,利用Design Expert-V8.0.6.1軟件中響應面圖對回歸方程進行分析,結果見圖7。

根據(jù)響應面圖中曲線陡峭程度和等高線形狀,可以直觀地反映出各因素交互作用對響應值影響的顯著性。由圖7可知,交互項超聲時間與酶解溫度AC、超聲時間與酶解時間AD、乙醇濃度與酶解時間BD和酶解溫度與酶解時間CD對花色苷得率的曲線非常陡峭,等高線呈橢圓形,表明其交互作用顯著;交互項超聲時間與乙醇濃度AB和乙醇濃度與酶解溫度BC對花色苷得率的曲線較平緩,且等高線圖呈圓形,表明其交互作用不顯著,但其對花色苷得率存在一定的影響,這與前面方差分析結果一致。

2.2.3 最佳工藝的確定與驗證實驗 在加酶量0.15%和pH為3的最佳單因素試驗結果基礎上,通過Design Expert V8.0.6.1軟件對回歸模型進行最優(yōu)化分析,得到超聲波輔助酶法提取薰衣草花色苷的最佳工藝條件為濃度50.1%乙醇溶液作為提取劑、酶解溫度為49.88 ℃、酶解時間62.08 min、超聲時間25.01 min,在此條件下,預期花色苷得率可達到6.21%?？紤]到實際試驗條件的可操作性,將最佳工藝條件修正為乙醇濃度50%、酶解溫度50 ℃、酶解時間62 min、超聲時間25 min,在此條件下進行3次重復驗證實驗,薰衣草花色苷平均得率為6.22%。實際值與理論預測值非常接近,其相對誤差約為0.16%,可以說明該數(shù)學模型可靠,采用響應面分析法優(yōu)化超聲輔助酶法提取薰衣草花色苷的工藝是可行的。

圖7 各因素交互作用的響應面圖Fig.7 Response surface of the interactive effects of various factors

圖8 在不同pH下花色苷的熱穩(wěn)定性Fig.8 Thermal stability of anthocyanins at different pH values

2.3 不同pH薰衣草花色苷溶液的熱穩(wěn)定性

如圖8所示,隨時間變化,花色苷含量呈現(xiàn)一定的規(guī)律:溫度越高,花色苷降解越快,穩(wěn)定性越差;在相同pH條件下的花色苷隨加熱時間和溫度的變化出現(xiàn)不同程度降解。80 ℃時,花色苷的降解明顯比其他溫度下降解速率快,花色苷濃度變化明顯,說明花色苷損失較大;花色苷在低pH、低溫情況下,穩(wěn)定性較好。通過直接觀察現(xiàn)象,花色苷受溫度的影響,顏色變化較大,特別是在高溫情況下尤為明顯,而在低溫下,顏色持久鮮艷。

表4 不同pH下薰衣草花色苷溶液的動力學參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of lavender anthocyanin solution under different pH values

同樣,薰衣草花色苷穩(wěn)定性受pH的影響很大。在相同溫度下,隨pH的增加,花色苷濃度降低,殘留值變少,這也與早期文獻報道相符[22],可能是pH小于3.0時,薰衣草花色苷主要以2-苯基苯并吡喃陽離子的形式存在,隨著pH升高,薰衣草花色苷逐漸轉變?yōu)椴环€(wěn)定的查爾酮結構,因此薰衣草花色苷在酸性環(huán)境中,穩(wěn)定性更強。

2.4 不同pH下薰衣草花色苷熱降解動力學研究

為了進一步了解薰衣草花色苷降解過程,對花色苷進行動力學研究。根據(jù)Arrhenius公式擬合線性回歸分析,由不同溫度和pH下,-ln(Ct/C0)與時間做圖(見圖8)得速率常數(shù)(k),線性回歸曲線相關系數(shù)R2均大于0.9(見表4)。由速率常數(shù)k的大小和R2值確定薰衣草花色苷降解反應符合一級反應動力學反應,這與不同花色苷來源如玫瑰[23]、藍莓[19]、玫瑰茄[24]、桑葚[18]中的花色苷降解動力學結果相似。

如表4所示,不同pH條件下,薰衣草花色苷熱降解速率K(h-1)和半衰期T1/2(h)受加熱溫度的影響?；ㄉ諢峤到馑俾蔏(h-1)隨溫度的升高而加快,同時伴隨著半衰期T1/2(h)減少?；ㄉ赵趐H為1時Ea最大且Z值最小,表明花色苷在pH為1時發(fā)生熱降解需要的能量最高,熱穩(wěn)定性好。pH為6時Ea最小且Z值最大,熱穩(wěn)定性最差,花色苷降解反應對溫度變化敏感性比較弱。

在相同溫度下,不同的pH對花色苷的降解速率不一樣[25],隨pH的增大,花色苷的降解速率加快。在pH為1時,薰衣草花色苷Z值最小,活化能Ea最大,說明薰衣草花色苷在此時熱穩(wěn)定性最好,熱降解需要更高的能量。隨著pH的增大,Z值逐漸增大,活化能Ea逐漸減小,同樣說明隨 pH增大,薰衣草花色苷的熱穩(wěn)定性變差。

表5顯示不同pH下,花色苷溶液的熱降解熱力學參數(shù),可以進一步解釋熱降解反應中發(fā)生的各種現(xiàn)象。焓變ΔH客觀反映了化學鍵的強度大小,值越小表示反應的勢壘越低,越容易發(fā)生反應。值得注意的是相同pH下,不管溫度如何變化,薰衣草花色苷的焓變ΔH幾乎相等,變化不大,說明花色苷降解所需要的能量勢壘大小與溫度無關。

表5 不同pH下花色苷溶液熱力學參數(shù)Table 5 Thermodynamic parameters of anthocyanin solution at different pH values

3 結論

本實驗利用超聲波輔助酶法提取薰衣草中花色苷,在單因素實驗確定最佳加酶量0.10%和pH為3的基礎上,以超聲時間、酶解溫度、酶解時間和乙醇濃度為主要因素進行Box-Behnken實驗設計,建立薰衣草花色苷提取的數(shù)學模型。經(jīng)響應面優(yōu)化得出提取薰衣草花色苷的最佳工藝參數(shù)為:乙醇濃度50%、酶解溫度50 ℃、酶解時間62 min、超聲時間25 min,在此條件下薰衣草花色苷得率為6.22%,較單一超聲提取法(4.88%),超聲輔助酶法具有明顯提取優(yōu)勢。另外,通過對不同pH和溫度下純薰衣草花色苷穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn),不同pH下,薰衣草花色苷熱降解符合一級動力學方程;薰衣草花色苷熱穩(wěn)定性較差,當pH6.0時,其對熱最為敏感,pH1.0時,其熱穩(wěn)定性最強;在相同pH下,花色苷降解所需要的能量勢壘大小與溫度無關。