小麥麩皮中束縛型酚酸的化學(xué)法釋放工藝

郝 杰，曹學(xué)麗*

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市植物資源研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

小麥麩皮中束縛型酚酸的化學(xué)法釋放工藝

郝 杰，曹學(xué)麗*

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市植物資源研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

研究小麥麩皮中主要抗氧化活性物質(zhì)束縛型酚酸的化學(xué)法釋放工藝。利用超聲輔助堿解技術(shù)進(jìn)行酚酸成分的釋放，通過單因素試驗(yàn)確定因素與水平，應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)，依據(jù)回歸分析確定最優(yōu)的提取工藝條件。結(jié)果表明，化學(xué)法釋放小麥麩皮酚酸的優(yōu)化提取工藝條件為粉碎粒徑0.5mm、溫度60℃、時(shí)間1h、堿液濃度0.1mol/L、料液比2.5:100(g/mL)，提取的總酚釋放量為3.687mg/g。處理后的麥麩中游離型酚酸的含量與傳統(tǒng)醇提法相比，提高了7.23倍。

谷物麩皮；酚酸；響應(yīng)面分析；工藝優(yōu)化

小麥麩皮是面粉工業(yè)的主要副產(chǎn)物，我國(guó)每年出產(chǎn)的小麥麥麩在2000萬噸以上，目前經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值極低[1]。酚酸是酚類物質(zhì)中的一類，約占植物源食品中酚類化合物的1/3，多為苯甲酸和肉桂酸的羥化衍生物[2]，許多研究結(jié)果證明其具有良好的保健功能[3-6]。谷物麩皮中的酚酸絕大多數(shù)(90%以上)與纖維素木糖以酯鍵或醚鍵的形式相連，稱為束縛型酚酸[7]，在胃及小腸部分不能被吸收，主要作用于下消化道，經(jīng)結(jié)腸微生物發(fā)酵作用釋放出生物活性物質(zhì)，可以達(dá)到預(yù)防癌癥、心血管疾病、Ⅱ型糖尿病等多種慢性疾病的功效[8]。因此，谷物麩皮的利用價(jià)值逐漸受到重視。采用適當(dāng)方法將麩皮中活性物質(zhì)從交聯(lián)的低聚糖中釋放出來，提高游離型酚酸的含量，從而增加在沒有結(jié)腸微生物發(fā)酵作用的上消化道的生物利用度，對(duì)開發(fā)功能性食品、提高膳食質(zhì)量有非常重要的意義[9-10]。

由于降解低聚糖中的酯鍵和醚鍵可以通過酸堿作用或者酶反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段對(duì)于釋放谷物麩皮中束縛型酚酸的研究主要分為化學(xué)法和生物方法兩種。Oufnac等[11]研究在傳統(tǒng)浸提法下，不同溶劑條件對(duì)小麥麩皮中酚類化合物提取率的影響，結(jié)果表明采用甲醇提取時(shí)最高，可達(dá)到467.5μg/g。付忠梅等[12]利用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化了從麥麩中提取阿魏酸的工藝，可達(dá)2.58mg/g。張璟等[13]通過采用黑曲霉產(chǎn)木聚糖酶和阿魏酸酯酶的雙酶混合物酶解小麥麩皮，酶解6h可得阿魏酸4.4mg/g。同時(shí)，物理的破碎手段也可增加麥麩中氨基酸、維生素等功能性組分的釋放量[14]，可作為輔助的釋放手段進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)選取產(chǎn)自山東濟(jì)寧市的麩皮樣品，通過超聲輔助堿解工藝將其中的束縛型酚酸進(jìn)行釋放，并對(duì)影響酚酸釋放量的幾個(gè)重要因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面分析，對(duì)其工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥樣品(濟(jì)麥22號(hào)) 購(gòu)自山東濟(jì)寧市。一水沒食子酸(分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Folin-酚試劑 美國(guó)Sigma公司；無水乙醚、甲醇(均為分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

SpectraMax 190連續(xù)波長(zhǎng)酶標(biāo)儀 美國(guó)Molecular Devices分子儀器有限公司；KQ-400DB超聲波清洗器昆山超聲儀器有限公司；RE-2000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 小麥麩皮酚酸的提取

稱取一定量粉碎后的麥麩樣品，用NaOH溶液作為提取溶劑，設(shè)定提取溫度、提取時(shí)間、堿液濃度、粉碎粒徑、料液比進(jìn)行堿解提取，提取結(jié)束后4000r/min離心10min后得到堿解液，用2mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)至pH2，用10mL乙醚萃取3次，有機(jī)相混合后減壓蒸干，用1mL甲醇復(fù)溶，用于測(cè)定酚酸含量。

1.3.2 總酚酸含量的測(cè)定[15]

本實(shí)驗(yàn)總酚酸測(cè)定采用Folin-Ciocalteu法進(jìn)行測(cè)定。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：精確稱取100mg沒食子酸定容至100mL，分別取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL上述溶液于容量瓶中，定容至10mL，此時(shí)各質(zhì)量濃度分別為0、20、40、60、80、100、120μg/mL，分別取100μL上述標(biāo)準(zhǔn)液于試管中，各加入300μL水，150μL的福林試劑，450μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% Na2CO3溶液，充分振蕩后于室溫下避光靜置30min。取200μL置于96孔板中于760nm波長(zhǎng)處測(cè)其吸光度，以吸光度對(duì)質(zhì)量濃度進(jìn)行回歸，得到回歸方程。

樣品測(cè)定：分別取100μL樣品試管中，加入300μL水、150μL的福林試劑、450μL 20% Na2CO3溶液，充分振蕩后于室溫避光靜置30min。取200μL置于96孔板中于760nm波長(zhǎng)處測(cè)其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總酚含量。

1.3.3 酚酸提取的單因素及響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

按照不同的提取方法、粉碎粒徑、溫度、時(shí)間、堿液濃度、料液比進(jìn)行處理、得到酚酸的甲醇溶液之后，進(jìn)行總酚含量的測(cè)定。每個(gè)處理做3組平行試驗(yàn)，確定單因素的優(yōu)化條件。

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Desgin Expert 7軟件，應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)(表1)，并利用響應(yīng)面法對(duì)釋放條件進(jìn)行優(yōu)化。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and their coded levels in the Box-Behnken design

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以溫度、料液比和堿液濃度為自變量，以總酚釋放量為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

1.3.4 超聲輔助堿解釋放工藝與傳統(tǒng)醇提法的對(duì)比

取兩份等質(zhì)量麥麩0.5g，一份不采用超聲輔助堿解釋放，室溫條件下，用20mL 80%甲醇溶液磁力攪拌輔助提取3次，時(shí)間分別為1.5、1、0.5h。濾液合并，濃縮至10mL，酸化至pH2，用10mL乙醚提取3次，減壓蒸干，1mL甲醇復(fù)溶，測(cè)定總酚含量。

另一份采用優(yōu)化后的超聲輔助堿解釋放工藝，處理后用同樣方式提取測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 總酚測(cè)定工作曲線的繪制

以沒食子酸質(zhì)量濃度為自變量，吸光度為因變量，得到總酚質(zhì)量濃度和吸光度的線性回歸曲線，其方程為：y=0.0525x+0.0384，R2=0.9942。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 提取方法的比較

圖1 提取方式對(duì)總酚釋放量的影響Fig.1 Effect of extraction ways on total phenolic release

對(duì)靜置浸提、磁力攪拌輔助、超聲輔助進(jìn)行比較，設(shè)定粉碎粒徑0.5mm、料液比1:100(g/mL)、堿液濃度0.1mol/L、提取溫度25℃、提取時(shí)間2h。由圖1可見，在采用超聲輔助的情況下，總酚釋放量明顯高于其他兩種方法，超聲輔助能夠更好的使提取液濃度均一，同時(shí)使物料在溶液中更分散。故確定采用超聲輔助提取為

優(yōu)化的提取方法。

2.2.2 粉碎粒徑對(duì)總酚釋放量的影響

設(shè)定料液比1:100(g/mL)、堿液濃度0.1mol/L、提取溫度60℃、提取時(shí)間1h；分別選擇粉碎粒徑為5、0.5、0.05mm進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由圖2可以看出在0.5mm粒徑下，釋放量高于其他兩種，這可能是由于過小的粒徑導(dǎo)致物料在液體中板結(jié)，不能與提取液充分接觸，特別是考慮到后期放大生產(chǎn)，不宜采用過細(xì)的粒徑，故選取0.5mm為優(yōu)化的粉碎粒徑。

圖2 粉碎粒徑對(duì)總酚釋放量的影響Fig.2 Effect of material particle size on total phenolic release

2.2.3 堿液濃度對(duì)總酚釋放量的影響

設(shè)定粉碎粒徑0.5mm、料液比1:100(g/mL)、提取溫度60℃、提取時(shí)間1h；分別采用0.00、0.05、0.10、0.15、0.20mol/L NaOH溶液進(jìn)行堿解釋放。由圖3可知，隨著堿液濃度上升，釋放量逐漸增大，在0.1mol/L之后釋放量上升不明顯，考慮到試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性，選取0.1mol/L為優(yōu)化的堿液濃度條件。

圖3 堿液濃度對(duì)總酚釋放量的影響Fig.3 Effect of material particle size on total phenolic release

2.2.4 提取時(shí)間對(duì)總酚釋放量的影響

設(shè)定粉碎粒徑0.5mm、堿液濃度0.1mol/L、料液比1:100(g/mL)、提取溫度60℃；分別選擇5、10、15、20、30、40、50min和1、2、3、4、6h提取時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4可知，在5～60min階段內(nèi)，隨著提取時(shí)間延長(zhǎng)，總酚釋放量呈上升趨勢(shì)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)從提取時(shí)間1h開始上升趨勢(shì)變緩，總酚釋放量提高不明顯，而且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，提取成本會(huì)上升，故選擇提取時(shí)間1h為優(yōu)化的提取時(shí)間。

圖4 提取時(shí)間對(duì)總酚釋放量的影響Fig.4 Effect of length of extraction time on total phenolic release

2.2.5 提取溫度對(duì)總酚釋放量的影響

設(shè)定粉碎粒徑0.5mm、堿液濃度0.1mol/L、料液比1:100(g/mL)、提取時(shí)間1h；選擇20、40、60、80℃進(jìn)行試驗(yàn)。由圖5可知，20～60℃區(qū)間內(nèi)，曲線呈上升趨勢(shì)，釋放量隨溫度增高而增大，但在60℃的釋放量達(dá)到極大值，60～80℃區(qū)間內(nèi)又開始下降。所以，選擇60℃為優(yōu)化的提取溫度。

圖5 提取溫度對(duì)總酚釋放量的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on total phenolic release

2.2.6 不同料液比對(duì)總酚釋放量的影響

設(shè)定粉碎粒徑0.5mm、堿液濃度0.1mol/L、提取溫度60℃、提取時(shí)間1h；選擇料液比1:100、2:100、3:100、4:100、5:100進(jìn)行試驗(yàn)。由圖6可知，在料液比為2:100時(shí)，總酚釋放量達(dá)到最大值，在2:100之后隨著料液比增大而釋放量減少，這可能是因?yàn)樵谕瑯恿康膲A液溶劑下，過多的物料會(huì)使得堿液與物料接觸不充分、不均勻，導(dǎo)致在提取過程中，不能夠充分降解交聯(lián)的阿魏酰低聚糖。故選取2:100為優(yōu)化的料液比。

圖6 不同料液比對(duì)總酚釋放量的影響Fig.6 Effect of solid/liquid ratio on total phenolic release

2.3 響應(yīng)面法對(duì)超聲輔助釋放小麥麩皮酚酸成分條件的優(yōu)化

響應(yīng)面分析試驗(yàn)所得結(jié)果如表2所示。利用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表3為回歸分析結(jié)果，進(jìn)行回歸擬合，解得回歸方程為：Y=0.16X1+0.25X2+0.36X3－0.003X1X2+0.0225X1X3－0.083X2X3－0.65X12－0.33X22－0.27X32+3.63。決定系數(shù)R2=0.9803。從表3可以看出，線性項(xiàng)與二次項(xiàng)的P值小于0.05，該方程回歸顯著，總模型P值小于0.01，該方程回歸顯著，失擬項(xiàng)P值大于0.05，不顯著。說明該試驗(yàn)方法是可靠的，能夠很好的描述試驗(yàn)結(jié)果。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析及結(jié)果Table 2 Response surface Box-Behnken design matrix and experimental results

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variances for the developed regression model

圖7 提取溫度與料液比對(duì)總酚釋放量影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effects of extraction temperature and solid/liquid ratio on total phenolic release

圖8 提取溫度與堿液濃度對(duì)總酚釋放量影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots for the effects of extraction temperature and alkali concentration on total phenolic release

圖9 料液比與堿液濃度對(duì)總酚釋放量影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots for the effects of solid/liquid ratio and alkali concentration on total phenolic release

通過方差分析，可以看出A(溫度)、B(堿液濃度)和C(料液比)三個(gè)因素對(duì)總酚釋放量影響極顯著，因素影響順序?yàn)閴A液濃度＞料液比＞溫度。

圖7～9為因素交互作用的響應(yīng)面和等高線圖，由圖可知，回歸方程存在極大值，由Design expert軟件分析可得最大響應(yīng)值為3.783mg/g，最優(yōu)提取條件為粉碎粒徑0.5mm、溫度62.38℃、時(shí)間1h、堿液濃度0.13mol/L、料液比2.30%。為驗(yàn)證響應(yīng)面的可行性，采用所得到的優(yōu)化后的提取條件對(duì)小麥麩皮酚酸釋放進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所采用的實(shí)際操作條件為粉碎粒徑0.5mm、溫度60℃、時(shí)間1h、堿液濃度0.1mol/L、料液比2.5:100(g/mL)。結(jié)果表明，所釋放的總酚含量為3.687mg/g。

2.4 超聲輔助堿解釋放工藝與傳統(tǒng)醇提法的對(duì)比

兩份樣品經(jīng)各自處理之后，測(cè)得各自總酚含量為：

傳統(tǒng)醇提法448μg/g，超聲輔助堿解釋放法3687μg/g。可以看出，在經(jīng)過超聲輔助堿解釋放之后，麥麩中游離的總酚含量提高了7.23倍，達(dá)到了將大量束縛型酚酸從交聯(lián)的低聚糖中釋放出來的目的，這對(duì)提高小麥麩皮中豐富的酚酸類物質(zhì)在人體整個(gè)腸道系統(tǒng)，特別是胃、小腸等上消化道中的生物利用度是非常有意義的。

3 結(jié) 論

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法分析法研究小麥麩皮中酚酸成分的釋放工藝，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳條件為采用超聲輔助提取、粉碎粒徑0.5mm、溫度60℃、時(shí)間1h、堿液濃度0.1mol/L、料液比2.5:100 (g/mL)。釋放量的極大值可達(dá)3.687mg/g。對(duì)酚酸釋放量影響最大的因素為堿液濃度，其次為料液比和溫度。

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Optimization of Chemical Release of Bound Phenolic Acids from Wheat Bran

HAO Jie，CAO Xue-li*
(Beijing Key Laboratory of Plant Resources Research and Development, College of Chemical and Environmental Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Ultrasonic-assisted alkaline hydrolysis was used to release bound phenolic acids, the major antioxidant components in wheat bran. Some process conditions for the release of these antioxidant substances were optimized through single factor investigations and subsequent response surface analysis based on a three-factor, three-level Box-Behnken design. The optimal conditions for releasing bound phenolic acids from wheat bran were found as follows: material particle size, 0.5 mm; temperature, 60 ℃, NaOH concentration, 0.1 mol/L; solid/liquid ratio (g/mL), 2.5:100; and length of extraction time, 1 h. The total phenolic release under these optimal conditions was 3.687 mg/g, 7.23-fold higher than that obtained by the conventional methanol extraction method.

cereal bran；phenolic acids；response surface methodology；process optimization

TS210.9

A

1002-6630(2010)18-0129-05

2010-06-30

郝杰(1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锓蛛x工程。E-mail：crab_susu@yahoo.com.cn

*通信作者：曹學(xué)麗(1967—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)樯锓蛛x技術(shù)。E-mail：caoxl@th.btbu.edu.cn