海紅果多酚提取工藝優(yōu)化

程正濤，丁慶波，張 昊，任發(fā)政,*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.中糧集團(tuán)有限公司，北京 100020)

海紅果多酚提取工藝優(yōu)化

程正濤1，丁慶波2，張 昊1，任發(fā)政1,*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.中糧集團(tuán)有限公司，北京 100020)

目的：優(yōu)化海紅果多酚的提取工藝。方法：在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間為自變量，多酚得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，研究各自變量及其交互作用對(duì)海紅果多酚得率的影響。利用SAS軟件得到回歸方程的預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果：海紅果多酚提取的最佳條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)52.4%、提取溫度79℃、提取時(shí)間3.2h，海紅果多酚得率9.25mg/g。結(jié)論：實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值偏差為0.22%，證明所選工藝條件為最佳工藝條件。

海紅果；多酚；提取；響應(yīng)面法

海紅果(Malus micromalus Makino)是薔薇科梨亞科蘋(píng)果屬楸子的果實(shí)，又名海紅、海紅子、子母海棠、小果海棠，學(xué)名西府海棠，主要分布在黃河中游山西、陜西、內(nèi)蒙古三省交界地區(qū)[1-2]。目前植物多酚類物質(zhì)逐漸成為研究熱點(diǎn)，但大多集中在茶多酚、蘋(píng)果多酚、葡萄多酚等方面[3-7]。海紅果中富含多酚類物質(zhì)，然而關(guān)于海紅果多酚還未見(jiàn)報(bào)道。植物多酚是一類多羥基化合物，是良好的天然抗氧化劑，已廣泛應(yīng)用于食品、藥品和日用品生產(chǎn)中[8-11]。對(duì)海紅果中的多酚進(jìn)行提取及應(yīng)用研究將具有廣闊的前景。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)海紅果多酚提取工藝中乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間等因素與海紅果多酚得率關(guān)系的研究，結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)海紅果多酚提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在探求海紅果多酚提取的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海紅果，中糧集團(tuán)有限公司提供，采自內(nèi)蒙古呼和浩特市清水河縣，于-20℃凍存；沒(méi)食子酸(標(biāo)準(zhǔn)品)中國(guó)藥品生物制品檢定所；福林酚 Sigma公司；無(wú)水乙醇、無(wú)水碳酸鈉等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2102PC型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯上海儀器有限公司；ALC-210型萬(wàn)分之一電子天平 Acculab公司；DK-8B型電熱恒溫水槽 上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；打漿機(jī) 順德區(qū)金日電器實(shí)業(yè)有限公司；SHZ-D (Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

挑選無(wú)病蟲(chóng)害的海紅果，去核、打成勻漿，稱取勻漿5.0g，按照一定的提取條件浸提，抽濾，提取液在40℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，除去乙醇，測(cè)定并計(jì)算提取液中總多酚含量。

1.3.1 海紅果多酚含量的測(cè)定

多酚含量測(cè)定采用福林酚法(Folin-Ciocalteu)[12]，以沒(méi)食子酸為基準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算海紅果多酚含量?；貧w方程為y= 0.0112x＋0.0598，R2=0.9999。

1.3.2 海紅果多酚得率的計(jì)算

式中：C為提取液中多酚質(zhì)量濃度/(mg/mL)；V為提取液體積/mL；m為海紅果果漿質(zhì)量/g。

1.3.3 海紅果多酚提取條件的優(yōu)化

多酚提取過(guò)程中主要影響因素有乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間、料液比、提取次數(shù)等。為了考察各因素對(duì)提取效果的影響，首先進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以乙醇體積分?jǐn)?shù)(0、20%、40%、50%、60%、70%、80%、100%)、提取溫度(40、50、60、70、80、90℃)、提取時(shí)間(1、2、3、4、5、6h)、料液比(1:5、1:10、1:15、1:20、1:30、1:40(g/mL))、提取次數(shù)(1、2、3次)作為試驗(yàn)因素，以多酚得率作為考察指標(biāo)，研究各個(gè)因素對(duì)海紅果多酚得率的影響規(guī)律。

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度和提取時(shí)間為考察變量，分別以X1、X2、X3表示，以海紅果多酚得率Y為響應(yīng)值，以-1、0、1分別代表變量的水平，按方程X=(x-x0)/Δx對(duì)自變量進(jìn)行編碼，其中X為變量的編碼值，x為變量的真實(shí)值，x0為試驗(yàn)中心點(diǎn)變量的真實(shí)值，Δx為變量的變化步長(zhǎng)。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表l。

表1 海紅果多酚提取Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments for optimizing the extraction of polyphenols from Malus micromalus Makino

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)海紅果多酚得率的影響

在提取溫度80℃、提取時(shí)間1h、料液比1:20、提取2次的條件下，不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)海紅果多酚得率的影響如圖1所示。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多酚得率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino

由圖1可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)小于50%時(shí)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，海紅果多酚的得率逐漸提高；乙醇體積分?jǐn)?shù)超過(guò)50%后，多酚得率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而下降。這是因?yàn)槎喾宇愇镔|(zhì)在植物體內(nèi)通常與蛋白質(zhì)、多糖等以氫鍵和疏水鍵形成穩(wěn)定的分子復(fù)合物。水?dāng)嗔褮滏I的作用較弱，提取液中水的比例過(guò)高時(shí)，不足以破壞樣品中多酚類物質(zhì)與蛋白、多糖或其他物質(zhì)的連接，多酚得率低，糖類等水溶性雜質(zhì)浸出率也較高；乙醇體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，脂溶性成分浸出較多，不利于多酚類物質(zhì)的提取[13]。乙醇體積分?jǐn)?shù)應(yīng)以50%左右為宜。

2.2 提取溫度對(duì)海紅果多酚得率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取時(shí)間1h、料液比1:20、提取2次的條件下，不同提取溫度對(duì)海紅果多酚得率的影響如圖2所示。

圖2 提取溫度對(duì)多酚得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino

由圖2可知，提取溫度低于80℃時(shí)，多酚得率隨著溫度的升高而升高；提取溫度高于80℃時(shí)，多酚得率隨著溫度的升高而降低。這是因?yàn)樘岣邷囟?，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，有利于多酚的浸出，但是由于多酚中含有大量的酚羥基，性質(zhì)非常活潑，溫度過(guò)高時(shí)不穩(wěn)定，往往發(fā)生一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)，如氧化、縮合等，所以提取溫度應(yīng)該采用80℃左右為宜，并且時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)[14-15]。

2.3 提取時(shí)間對(duì)海紅果多酚得率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取溫度80℃、料液比1:20、提取2次的條件下，不同提取時(shí)間對(duì)海紅果多酚得率的影響如圖3所示。

圖3 提取時(shí)間對(duì)多酚得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino

由圖3可知，適當(dāng)延長(zhǎng)提取時(shí)間有助于提高多酚得率，在3h時(shí)達(dá)到了極大值，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，得率反而有所下降，其原因可能是多酚在高溫下發(fā)生了降解、縮合、氧化等化學(xué)反應(yīng)[16]，從而使測(cè)定值下降，所以提取時(shí)間以3h最好。

2.4 料液比對(duì)海紅果多酚得率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取溫度80℃、提取時(shí)間3h、提取2次的條件下，不同料液比對(duì)海紅果多酚得率的影響如圖4所示。

圖4 料液比對(duì)多酚得率的影響Fig.4 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino

由圖4可知，當(dāng)料液比低于1:20時(shí)，提高料液比有助于提高多酚得率；當(dāng)料液比高于1:20時(shí)，提高料液比，多酚得率不再提高。這可能是由于料液比在1:20時(shí)溶劑已經(jīng)能將海紅果中的多酚溶解出來(lái)，繼續(xù)增加溶劑用量，并不能顯著提高多酚的得率。料液比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致溶劑浪費(fèi)，同時(shí)醇溶性雜質(zhì)浸出增多，對(duì)后處理不利。因此，從提取效果、減少溶劑用量和降低成本等方面綜合考慮，料液比選用1:20比較合適[17]，正交試驗(yàn)中固定料液比為1:20。

2.5 提取次數(shù)對(duì)海紅果多酚得率的影響

由圖5可以看出，隨著提取次數(shù)的增加，海紅果中多酚的得率并沒(méi)有顯著增加，表明經(jīng)一次提取后多酚已被浸提出來(lái)，這是由于該實(shí)驗(yàn)條件下提取劑與原料接觸比較充分，一次提取已經(jīng)能滿足要求，因此從節(jié)省時(shí)間、溶劑和能源等方面考慮，對(duì)海紅果中多酚采取一次提取。

圖5 提取次數(shù)對(duì)多酚得率的影響Fig.5 Effect of extraction repeat number on extraction rate ofpolyphenols from Malus micromalus Makino

2.6Box-Behnken試驗(yàn)優(yōu)化提取條件

海紅果多酚提取Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 海紅果多酚提取Box-Behnken試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments for optimizing the extraction of polyphenols from Malus micromalus Makino

2.6.1 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

采用SAS v8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，由此可求出影響因素的一次效應(yīng)、二次效應(yīng)及其交互效應(yīng)的關(guān)聯(lián)方程，對(duì)海紅果多酚提取的影響因素進(jìn)行更深入的研究和條件優(yōu)化，并作出響應(yīng)面圖。海紅果多酚得率與各因素變量的二次方程模型：

對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 海紅果多酚提取回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model for the extraction of polyphenols

從該模型方差分析可知，模型F=104.014＞F0.0l(9,4)= 14.66，P=0.0001＜0.01，本試驗(yàn)所選用的二次多項(xiàng)模型具有高度的顯著性，失擬項(xiàng)在P＜0.05水平上不顯著，其校正決定系數(shù)(R2Adj)為0.9851，表明此模型擬合度好，可以用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)海紅果多酚提取的工藝結(jié)果。

表4 海紅果多酚提取回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Significance test of regression model coefficients for the extraction of polyphenols

圖6 各因素對(duì)海紅果多酚得率的交互影響Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of any two factors on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino

由表4可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)的一次項(xiàng)達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，表明乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)海紅果多酚提取的線性效應(yīng)顯著，二次項(xiàng)X12對(duì)海紅果多酚提取的曲面效應(yīng)極顯著，X22效應(yīng)顯著，各因素之間交互作用不顯著。

響應(yīng)值(Y)對(duì)各試驗(yàn)因子響應(yīng)面分析及等高線圖如圖6所示。

由圖6及表4中各系數(shù)項(xiàng)的P值可知，本試驗(yàn)中各因素顯著程度依次為乙醇體積分?jǐn)?shù)＞提取時(shí)間＞提取溫度。優(yōu)化后的提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)52.4%，提取溫度79℃，提取時(shí)間3.2h。在該工藝條件下，海紅果多酚的得率9.27mg/g。在再重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，得出海紅果多酚得率平均值為9.25mg/g，與模型預(yù)測(cè)值偏差為0.22%，證明所選工藝條件為最佳工藝條件。

3 結(jié) 論

通過(guò)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，結(jié)果表明：乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)海紅果多酚得率具有顯著影響；優(yōu)化后的提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)52.4%、提取溫度79℃、提取時(shí)間3.2h，在此工藝條件下，海紅果多酚得率達(dá)到9.25mg/g。

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Extraction Processing of Polyphenols from Malus micromalus Makino

CHENG Zheng-tao1，DING Qing-bo2，ZHANG Hao1，REN Fa-zheng1,*
(1. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China；2. China Oil and Food Corporation, Beijing 100020, China)

Objective: To optimize the extraction processing of polyphenols from Malus micromalus Makino. Methods: Based on the single factor experimental analysis, the effects of ethanol concentration, extraction temperature, and extraction time on extraction rate of polyphenols from Malus micromalus Makino were evaluated by response surface methodology. Box-Behnken experimental design was used to explore the optimal extraction processing parameters on the basis of the effects of factors and their cross-interaction on the extraction rate of polyphenols. A regression equation prediction model was established by SAS software for the analysis of response surface values. Results: The optimal extraction conditions of polyphenols from Malus micromalus Makino were ethanol concentration of 52.4%, extraction temperature of 79 ℃ and extraction time of 3.2 h. Under these optimal extraction conditions, the extraction rate of polyphenols was up to 9.25 mg/g. The relative error between the actual extraction rate and predicted extraction rate was 0.22%. Conclusion: The achieved optimal processing conditions suitable for the extraction of polyphenols from Malus micromalus Makino.

Malus micromalus Makino；polyphenols；extraction；response surface methodology

TS255.3

A

1002-6630(2010)24-0172-05

2010-05-06

北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目

程正濤(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿槠芳庸?。E-mail：chengzhengtao@gmail.com

*通信作者：任發(fā)政(1962—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槿橹破?、畜產(chǎn)品、蛋品加工。E-mail：renfazheng@263.net