Hartley方法優(yōu)化菠蘿皮渣多酚化合物提取工藝

李 俶，沈佩儀，吳華星，劉成梅,*，李積華

Hartley方法優(yōu)化菠蘿皮渣多酚化合物提取工藝

李 俶1,2，沈佩儀2，吳華星2，劉成梅2,*，李積華1

(1.農(nóng)業(yè)部熱帶作物產(chǎn)品加工重點開放實驗室，廣東 湛江 524001；2.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047)

在單因素試驗基礎上，采用SAS 9.2中的響應曲面分析-Hartley方法對菠蘿皮渣中的多酚類化合物提取工藝進行優(yōu)化，建立提取溫度、提取時間、乙醇體積分數(shù)和液料比4個因素與總多酚得率(Y)之間的編碼水平回歸模型，并得出各因素對菠蘿皮渣總多酚得率的影響順序為提取溫度＞提取時間＞液料比＞乙醇體積分數(shù)。在提取溫度48.4℃、提取時間73.6min、乙醇體積分數(shù)41.6%、液料比46.8:1(mL/g)的條件下，菠蘿皮渣總多酚得率最高，可達7.77mg/g，與理論值7.80mg/g基本吻合。響應面法所得的優(yōu)化提取條件工藝參數(shù)可靠，可用于菠蘿皮渣中多酚產(chǎn)品的開發(fā)。

菠蘿皮渣；多酚；響應曲面；Hartley方法；提取

菠蘿又名鳳梨，是目前華南外銷水果之一，現(xiàn)已成為華南主產(chǎn)區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟的一大支柱產(chǎn)業(yè)[1]，2008年廣東菠蘿產(chǎn)量為55.59萬噸[2]。但果實由于不易貯存，除極少部分直接銷售外，大部分用于加工成罐頭和果脯[3]。菠蘿果實加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物——果皮渣，占50%～60%，若不加以利用而遺棄于河流、公路兩旁或加工廠附近，既浪費水果資源，又嚴重污染環(huán)境。

已有研究表明，多酚類化合物具有較強的清除自由基能力、抗腫瘤、抗菌、防癌，抗輻射、預防心血管疾病、延緩衰老等生物活性[4]。菠蘿皮中的總多酚高于其果肉[5]，且價格低廉，因此是良好的多酚提取原料。易湘茜等[6]通過高效液相色譜法測定了菠蘿皮中含有的多酚種類，發(fā)現(xiàn)其富含有益于心肺健康的兒茶素和可用于治療白細胞減少癥的阿魏酸[7]。關于對菠蘿多酚化合物的提取分離的研究報道較少，本實驗利用二次正交旋轉組合設計對菠蘿皮渣多中多酚化合物提取工藝進行優(yōu)化，為菠蘿皮渣中總多酚化合物的開發(fā)和利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菠蘿鮮果 江西南昌。

沒食子酸標準品(分析純) 遵義市第二化工廠；乙醇(分析純) 天津市永大化學試劑有限公司；福林酚試劑；無水碳酸鈉(分析純) 天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

DFY-500型粉碎機 大德藥劑有限公司；T6新世紀型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；AR1140型電子天平 Oahus公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將菠蘿果皮渣用去離子水沖洗干凈后，于烘箱中70℃干燥，粉碎過60目篩備用。

1.3.2 標準曲線的制備

精密稱量0.2500g沒食子酸，用5mL乙醇溶解，定容至50mL，分別移取0.5、1.0、1.5、2.5、5.0mL到50mL容量瓶中，用去離子水定容。從上述不同濃度的標準溶液中分別移取0.5mL加入到50mL容量瓶中，再分別加入30mL去離子水，混合，加入2.5mL 福林酚試劑，混合，在5～8min內(nèi)，加入7.5mL 20%碳酸鈉溶液，混合，定容。將上述標準溶液在20℃條件下放置2h后，以蒸餾水為空白參比，在760nm波長處測定吸光度。以標準樣品質(zhì)量濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準曲線。

1.3.3 總多酚含量的測定

準確移取0.50mL多酚提取液于50mL容量瓶中，按照1.3.2節(jié)操作進行，在760nm波長處測定吸光度，并根據(jù)回歸方程計算提取液中菠蘿皮渣總多酚的含量(以沒食子酸計)。

式中：A1為菠蘿皮渣中總多酚含量/(mg/mL)；V1為提取液總體積/mL；m為樣品質(zhì)量/g。

1.4 菠蘿總多酚提取的單因素試驗[8-10]

1.4.1 提取溫度對菠蘿皮渣總多酚提取的影響

精確稱量1000.0mg菠蘿皮渣粉加入50mL錐形瓶中，加入體積分數(shù)50%乙醇，液料比30:1，分別置于20、30、40、50、60、70℃恒溫水浴中浸提60min后，過濾，測定過濾后提取液中的總多酚含量。

1.4.2 提取時間對菠蘿皮渣總多酚提取的影響

精確稱量1.0g菠蘿皮渣粉加入50mL錐形瓶中，加入體積分數(shù)50%乙醇，液料比30:1，置于40℃條件下浸提，分別在20、40、60、80、100、120min后取出過濾。測定過濾后提取液中的總多酚含量。

1.4.3 乙醇體積分數(shù)對菠蘿皮渣總多酚提取的影響

精確稱量1000.0mg菠蘿皮渣粉加入50mL錐形瓶中，按30:1液料比加入30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%乙醇溶液，在40℃條件下浸提60min。取出提取液用濾紙過濾后測量總多酚含量。

1.4.4 液料比對菠蘿皮渣總多酚提取的影響

精確稱量1000.0mg菠蘿皮渣粉加入50mL錐形瓶中，分別加入10、20、30、40、50mL 50%乙醇溶液，在40℃條件下浸提60min。取出提取液用濾紙過濾后測量總多酚含量。

1.5 二次正交旋轉組合Hartley設計

根據(jù)單因素試驗的結果，以提取溫度、提取時間、乙醇體積分數(shù)和液料比為考察因素，設計四因素五水平Hartley試驗，進一步優(yōu)化提取條件。因素水平如表1所示。

表1 二次正交旋轉組合Hartley設計試驗因素水平編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of variables in quadratic orthogonal rotary combination design

2 結果與分析

2.1 標準曲線的繪制

得出其線性回歸方程為 y = 1.0705x ＋0.0037[(x為沒食子酸含量/(mg/mL)，y為吸光度)]，R2=0.9997。

2.2 單因素試驗

2.2.1 提取溫度的影響

圖1 提取溫度對菠蘿皮渣總多酚得率的影響Fig.1 Effect of temperature on total polypenhols yield

由圖1可知，在相同的乙醇體積分數(shù)、液料比、提取時間條件下，隨溫度的升高，菠蘿皮渣總多酚得率逐漸增加，而到40℃后得率逐漸降低。這是由于溫度越升高，多酚溶出加快，溫度過高導致多酚分解，含量降低。因此溫度最佳為40℃。

2.2.2 提取時間的影響

圖2 提取時間對菠蘿皮渣總多酚得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on total polypenhols yield

由圖2可知，在相同的乙醇體積分數(shù)、液料比、提取溫度條件下，隨提取時間的增加，菠蘿皮渣總多酚得率逐漸增加，而40min后，得率逐漸趨于穩(wěn)定?？紤]到實驗效率和成本，確定最佳提取時間為40min。

2.2.3 乙醇體積分數(shù)的影響

圖3 乙醇體積分數(shù)對菠蘿皮渣總多酚得率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on total polypenhols yield

由圖3可知，在液料比、提取時間、溫度相同的情況下，隨提取液乙醇體積分數(shù)的升高，菠蘿皮渣總多酚得率呈明顯增大趨勢，至體積分數(shù)50%時，達到最大之后又不斷減少。這主要是由于多酚在植物體內(nèi)與蛋白質(zhì)、多糖類結合，乙醇可以破壞它們間氫鍵而促進多酚溶出；同時多酚是極性物質(zhì)，乙醇的極性小于水，根據(jù)相似相容原理，過高的乙醇體積分數(shù)不利于多酚的溶解浸出。

2.2.4 液料比的影響

圖4 液料比對菠蘿皮渣總多酚得率的影響Fig.4 Effect of liquid-to-material ratio on total polypenhols yield

由圖4可知，在乙醇體積分數(shù)、提取時間、溫度相同的情況下，隨液料比的增大，菠蘿皮渣總多酚得率增加，至液料比40:1時，達到最大之后又逐漸減少。這主要是液料比過大，溶出雜質(zhì)增加，有效成分并未增加。因此液料比最佳為30:1。

2.3 二次正交旋轉組合Hartley設計[11]

使用SAS自動生成菠蘿皮渣中總多酚化合物的二次正交旋轉組合Hartley試驗組合及其結果，見表2。

表2 二次正交旋轉組合Hartley設計試驗及結果Table 2 Quadratic orthogonal rotary combination design scheme and corresponding experimental results

2.3.1 回歸方程的建立及參數(shù)重要性分析

表3 回歸系數(shù)及變量分析Table 3 Significant test of each regression coefficient of the built regression model

通過SAS分析(表3)，得到提取溫度、提取時間、乙醇體積分數(shù)和液料比4個因素與菠蘿皮渣總多酚得率之間的代碼水平(-1,1)多元二次回歸方程式：

此外通過SAS分析可得：模型變異系數(shù)CV=1.6338，誤差平方根RMSE=0.1119，R2=0.9788＞0.8，說明得到的回歸方程在本試驗中有實際意義，而本方程的顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)P=0.0007，達到極顯著，模型失擬的P= 0.4014＞0.05，說明失擬不顯著，說明方程可用于對模型的預測。同時通過對回歸系數(shù)的顯著性檢測可知，影響總多酚得率因素的主次順序為提取溫度＞提取時間＞液料比＞乙醇體積分數(shù)，其中提取溫度對提取得率影響達到極顯著水平，提取時間和液料比的影響達到顯著水平，乙醇體積分數(shù)一次項的影響不顯著，但其二次項影響達到極顯著。

2.3.2 單因素效應分析

單獨分析各個因素的影響，將其他3個因素設為零水平，得到各個因素與總多酚得率的效應方程為：

Y1=7.17437＋0.327943X1-0.07185X12；Y2=7.17437＋0.217797X2-0.176448X22；Y3=7.17437＋0.067015X3-0.206333X32；Y4=7.17437＋0.206245X4-0.041871X42

由各效應方程作圖，見圖5。由圖5可知，在23.2～56.8℃范圍內(nèi)，得率隨著溫度的上升而提高，但是考慮到多酚為熱敏性物質(zhì)，溫度過高會造成多酚的氧化，因此提取溫度不宜過高；在6.36～73.70min之間，隨著時間的增加，多酚的得率出現(xiàn)先上升后趨平的趨勢，在40min時趨近最大值；當提取劑中乙醇體積分數(shù)在50%時，菠蘿皮渣多酚提取量達到最大值，高于或低于這個體積分數(shù)，都隨著偏離的增大呈現(xiàn)下降的趨勢；而隨著液料比的增加，提取得率呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖5 單因素效應分析圖Fig.5 Graph of single factor analysis

2.3.3 菠蘿皮渣總多酚提取的優(yōu)化與驗證

通過使用SAS，在所測范圍條件下，得出最佳的提取工藝為提取溫度48.4℃、提取時間73.6min、乙醇體積分數(shù)41.6%、液料比46.8:1(mL/g)，菠蘿皮渣的提取量最高可達7.77mg/g。驗證值為7.80mg/g，與理論值基本吻合，進一步驗證了SAS軟件Hartley方法的精確性。

3 結 論

3.1 單因素試驗結果表明，使用乙醇溶液為提取劑，菠蘿多酚提取工藝的最優(yōu)條件是提取溫度40℃、提取時間40min、乙醇體積分數(shù)50%和液料比30:1。

3.2 通過使用SAS軟件中的Hartley方法，得到提取時間、提取溫度、乙醇體積分數(shù)和液料比4個影響因素與總菠蘿多酚得率之間的水平編碼回歸方程：

模型變異系數(shù)CV=1.6338，誤差平方根RMSE= 0.1119，R2=0.9788，失擬不顯著，這些都表明該模型能在試驗范圍內(nèi)較準確的預測總多酚的得率。

3.3 在試驗范圍內(nèi)，各因素對菠蘿皮渣總多酚得率的影響大小順序為提取溫度＞提取時間＞液料比＞乙醇體積分數(shù)，其中提取溫度和提取時間對提取得率影響達到極顯著水平，液料比的影響達到顯著水平，乙醇體積分數(shù)一次項的影響不顯著，但其二次項影響達到極顯著。3.4通過SAS分析可知，在提取溫度48.4℃、提取時間73.6min、乙醇體積分數(shù)41.6%、液料比46.8:1條件下，菠蘿皮渣的提取量最高可達7.77mg/g。驗證值為7.80mg/g，與理論值基本吻合。

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Optimizing the Extraction of Polyphenols from Pineapple Peel Residue by Hartley’s Experimental Design Method

LI Ti1,2，SHEN Pei-yi2，WU Hua-xing2，LIU Cheng-mei2,*，LI Ji-hua1
(1. Key Laboratory of Tropical Crop Products Processing, Ministry of Agriculture, Zhanjiang 524001, China；2. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

In the present study, process optimization for the extraction of polyphenols from pineapple peel residue with ethanol aqueous solution was carried out by Hartley’s experimental design method combined with response surface analysis based on a series of one-factor-at-a-time experiments. A regression model for total polypenhols yield as a function of four factors, namely temperature, extraction time, ethanol concentration and liquid-to-material ratio was built. The importance of the four factors affecting total polypenhols yield declined in the following sequence: temperature, extraction time, liquid-to-material ratio and ethanol concentration. Extraction at 48.4 ℃for 73.6 min with a 46.8-fold volume of 41.6% ethanol aqueous solution yielded the most total polyphenols, reaching 7.77 mg/g, which was basically in accordance with the model-predicted value. In conclusion, the optimized extraction process is reliable and can be used for the development of products based on pineapple peel polyphenols.

pineapple peel residue；polyphenols；response surface analysis；Hartley s method；extraction

R284.2

A

1002-6630(2011)04-0131-04

2010-06-22

李俶(1971—)，女，副教授，博士，研究方向為天然產(chǎn)物化學。E-mail：liti@ncu.edu.cn

*通信作者：劉成梅(1963—)，男，教授，博士，研究方向為食品科學。E-mail：chengmeiliu@yahoo.com.cn