響應面優(yōu)化香蕉葉多酚的提取工藝研究

陳健旋

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學院　食品與生物工程系，福建漳州　363000；2. 農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應用技術(shù)工程中心，福建漳州　363000)

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響應面優(yōu)化香蕉葉多酚的提取工藝研究

陳健旋1，2

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學院食品與生物工程系，福建漳州363000；2. 農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應用技術(shù)工程中心，福建漳州363000)

以香蕉葉為原料，利用響應面法對香蕉葉多酚的提取工藝進行優(yōu)化。在單因素實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Design Expert 8.05b軟件中的Box-Behnken試驗進行設(shè)計與響應面優(yōu)化，建立了香蕉葉多酚提取率與各工藝參數(shù)的二次多項式模型。結(jié)果表明，最佳的香蕉葉多酚提取工藝為：提取溫度76 ℃、乙醇濃度50 %、液料比21 mL/g、提取時間100 min，香蕉葉多酚的提取率為44.76 mg/g，與模型方程的最優(yōu)化預測值相比，相對誤差為1.28 %，說明該模型的準確、有效。該研究為香蕉葉多酚的綜合開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

香蕉葉；多酚；提??；優(yōu)化

香蕉(MusananaLour.)是蕓香科常綠喬木，是熱帶和亞熱帶的重要水果。香蕉鮮果可直接食用或進行加工，其莖葉、果皮等也都具有多種天然的活性物質(zhì)[1-2]。天寶香蕉是漳州的傳統(tǒng)名果，隨著香蕉產(chǎn)量的增加，占香蕉生產(chǎn)約75 %的莖、葉等副產(chǎn)物也逐年遞增。香蕉葉有不小的應用價值，香蕉葉中含“類黃酮”(多酚的一種)之類的物質(zhì)，具有抗菌、抗氧化、抗發(fā)炎和抗衰老等生理生化功能，是開發(fā)天然食品添加劑的優(yōu)良原料[3-4]。然而目前大量的香蕉葉無法進一步利用，只能曬干燒掉或置之于環(huán)境中當作垃圾處理，造成了極大的浪費。為擴大香蕉資源的利用率，本文根據(jù)Design-Expert 8.05b軟件中Box-Behnken對香蕉葉多酚的提取進行響應面實驗設(shè)計，確定了最佳的提取工藝，為香蕉葉多酚的綜合開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

LGJ10-C型冷凍干燥機，北京四環(huán)科學儀器廠；UV-1800PC-DS2型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司。

香蕉葉，采于漳州市天寶鎮(zhèn)；食用酒精(乙醇)，食品醫(yī)藥級，河南浩宇食品添加劑有限公司；沒食子酸，分析純，天津市瑞金物化學品有限公司，其它試劑均為分析純。

1.2試驗方法1.2.1多酚含量的測定

以沒食子酸標準品作為對照，采用福林-酚法[5]，按文獻方法進行測試。香蕉葉多酚的提取率由下式獲得。

式中：V為提取液體積/mL；b為多酚濃度/(mg/L)；m為香蕉葉質(zhì)量/g。

1.2.2香蕉葉多酚的提取工藝

將采摘的香蕉葉用蒸餾水浸泡洗凈，晾干，并進行冰凍和真空冷凍干燥，粉碎，得粉末并過篩備用。在100 mL燒瓶中加入一定量的香蕉葉粉末，置于水浴反應裝置中，按設(shè)定的操作條件進行提取，提取結(jié)束后，過濾去渣，稀釋，定容，按1.2.1方法計算得多酚的提取率。

1.2.3香蕉葉多酚的單因素實驗設(shè)計

1)提取溫度的影響在乙醇濃度為60 %、液料比為25 mL/g和提取時間為80 min時，考察提取溫度對多酚提取率的影響。

2)乙醇濃度的影響在提取溫度為80 ℃、液料比為25 mL/g、提取時間為80 min時，考察乙醇濃度對多酚提取率的影響。

3)液料比的影響在提取溫度為80 ℃、乙醇濃度為60 %和提取時間80 min時，考察液料比對多酚提取率的影響。

4)提取時間的影響在提取溫度80 ℃、乙醇濃度60 %和液料比25 mL/g的時，考察提取時間對多酚提取率的影響。

1.2.4香蕉葉多酚的提取工藝優(yōu)化

根據(jù)Design-Expert 8.05b軟件中的Box-Behnken實驗設(shè)計原理，選擇提取溫度(A)、乙醇濃度(B)、液料比(C)、提取時間(D)進行響應面優(yōu)化，自變量編碼及水平見表1。

表1　響應面分析因素及編碼水平

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗結(jié)果

2.1.1提取溫度對多酚提取率的影響

從圖1A中可知，提取溫度達到80 ℃時，香蕉葉多酚提取率達到峰值，這是因為提取溫度的升高促進了分子的熱運動，促進了多酚類物質(zhì)的溶出，當提取溫度過高時，多酚類物質(zhì)在較高溫度下容易發(fā)生氧化與降解[6]。因此，提取溫度選擇為80 ℃。

(A：提取溫度；B：乙醇濃度；C：液料比；D：提取時間)圖1　不同單因素對多酚提取率的影響

2.1.2乙醇濃度對多酚提取率的影響

從圖1B中可知，乙醇濃度達到60 %時，香蕉葉多酚提取率達到峰值，這是因為乙醇是非極性溶劑，乙醇濃度的增加，溶劑的非極性增強，香蕉葉顆粒內(nèi)部的脂溶性多酚更容易溶出，提取率增大，而當溶劑極性過小時，脂溶性雜質(zhì)溶出加劇，與多酚類物質(zhì)的溶出競爭增強[7]，因此乙醇濃度選擇為60 %。

2.1.3液料比對多酚提取率的影響

從圖1C中可知，液料比達到25 mL/g時，香蕉葉多酚提取率達到峰值，這是因為液料比較小時，溶劑較少，溶劑與香蕉葉顆粒無法達到完全接觸，隨著液料比的增大，溶劑與香蕉葉顆粒之間多酚的濃度差增加，多酚溶出率增大，當液料比過大時，香蕉葉顆粒內(nèi)部的各種有效成份均會更多地溶出，而與多酚類物質(zhì)產(chǎn)生競爭[8]。因此液料比選擇為25 mL/g。

2.1.4提取時間對多酚提取率的影響

從圖1D中可知，提取時間達到80 min時，香蕉葉多酚提取率達到峰值，這是因為提取時間較短時，多酚還沒有完全溶出，而提取時間過長時，多酚類物質(zhì)長時間暴露在空氣中容易發(fā)生氧化與降解[9]。因此提取時間選擇為80 min。

2.2香蕉葉多酚提取工藝的響應法優(yōu)化

2.2.1回歸模型及檢驗

按Design-Expert 8.05b軟件中的Box-Benhnken試驗設(shè)計進行實驗，結(jié)果如表2，并進行響應面分析，其結(jié)果如表3。

表2　試驗設(shè)計及結(jié)果

表3　響應模型方差分析

注：*P<0.05，顯著；**P<0.01，極顯著。

對表2的數(shù)據(jù)進行響應面分析，得到香蕉葉多酚提取率(Y)與工藝條件提取溫度(A)、乙醇濃度(B)、液料比(C)、提取時間(D)的四元二次回歸模型：Y=43.26-2.63A-1.25B-1.03C+0.31D+3.46AB+2.01AC+1.57AD+1.95BC-1.76BD-1.76CD-4.30A2- 3.67B2-3.89C2-1.06D2。

2.2.2響應面分析

圖2　提取溫度和乙醇濃度對多酚提取率的影響

香蕉葉多酚回歸模型的響應面圖及等高線如圖2 ～ 3所示(其它交互作用影響較不顯著的圖略去)。圖中表示的是提取溫度、乙醇濃度、液料比和提取時間四因素中任意兩個因素為零水平時，另兩個因素交互作用對多酚提取率的影響，交互作用影響的顯著性可通過響應面曲線坡度和等高線的形狀來判斷。從圖5 ～ 6中可知，提取溫度與乙醇濃度的等高線偏離圓形最厲害，且響應面曲線最陡，說明提取溫度與乙醇濃度的交互作用對香蕉葉多酚的提取率影響最顯著；而提取溫度與液料比的等高線偏離圓形厲害程度次之，響應面曲線陡度次之，說明提取溫度與液料比的交互作用對香蕉葉多酚的影響程度次之，同理可得，影響香蕉葉多酚提取工藝的主次因素為提取溫度 > 乙醇濃度 > 液料比 > 提取時間。

圖3　提取溫度和液料比對多酚提取率的影響

2.2.3驗證試驗

利用Design-Expert 8.05b進行優(yōu)化得到的香蕉葉多酚提取的最佳工藝為：提取溫度76.62 ℃、乙醇濃度50.69 %、液料比21.18 mL/g、提取時間100.00 min，在該條件下香蕉葉多酚的提取率為45.34 mg/g?？紤]到實際操作的便利性，將條件修正為提取溫度76 ℃、乙醇濃度50 %、液料比21 mL/g、提取時間100 min。根據(jù)修正后的最佳工藝條件對香蕉葉多酚進行三次平行實驗進行提取，并對所測得香蕉葉多酚進行平均，得到提取率為44.76 mg/g，與模型方程的最優(yōu)化預測值相比，相對誤差為1.28 %，說明該模型的準確、有效。說明利用響應面法對香蕉葉多酚的提取工藝進行優(yōu)化準確、可靠，對香蕉葉多酚的開發(fā)與利用具有一定的實際意義。

3　結(jié)語

以香蕉葉為原料，對香蕉葉中的多酚進行提取，利用Design-Expert 8.05b軟件對香蕉葉多酚的提取工藝進行響應面優(yōu)化，建立了二次多項式回歸模型，經(jīng)驗證，該回歸模型準確、可靠。最佳的提取工藝為：提取溫度76 ℃、乙醇濃度50 %、液料比21 mL/g、提取時間100 min，并進行驗證實驗(n=3)，香蕉葉多酚平均提取率為44.76 mg/g，與模擬方程所得的預測值相比，其相對誤差為1.28 %，說明該模型準確、有效，說明利用響應面法對香蕉葉多酚的提取工藝進行優(yōu)化準確、可靠，對香蕉葉多酚的開發(fā)與利用具有一定的實際意義。

[1]Khan A M, Khaliq S, Sadiq R. Investigation of waste banana peels and radish leaves for their biofuels potentialInvestigation of waste banana peels and radish leaves for their biofuels potential[J]. Bulletin of the Chemical Society of Ethiopia, 2015, 29(2): 239-245.

[2]Kapadia S P, Pudakalkatti P S, Shivanaikar S. Detection of antimicrobial activity of banana peel (Musa paradisiaca L.) on Porphyromonas gingivalis and Aggregatibacter actinomycetemcomitans: An in vitro study[J]. Contemporary clinical dentistry, 2015, 6(4): 496-499.

[3]Wang R, Feng X, Zhu K, et al. Preventive activity of banana peel polyphenols on CCl4-induced experimental hepatic injury in Kunming mice[J]. Experimental and Therapeutic Medicine, 2016, 11(5): 1947-1954.

[4]Anyasi T A, Jideani A I O, Mchau G A. Morphological, physicochemical, and antioxidant profile of noncommercial banana cultivars[J]. Food science & nutrition, 2015, 3(3): 221-232.

[5]施偉梅, 陳建福, 王妙飛, 等. 響應面法優(yōu)化紅花紫荊葉中多酚的超聲波輔助提取工藝[J]. 糧油食品科技, 2014, 22(5): 38-43.

[6]Boussetta N, Soichi E, Lanoisellé J L, et al. Valorization of oilseed residues: Extraction of polyphenols from flaxseed hulls by pulsed electric fields[J]. Industrial Crops and Products, 2014, 52(1): 347-353.

[7]Jeganathan P M, Venkatachalam S, Karichappan T, et al. Model development and process optimization for solvent extraction of polyphenols from red grapes using Box-Behnken design[J]. Preparative Biochemistry and Biotechnology, 2014, 44(1): 56-67.

[8]Liu J, Sandahl M, Sj?berg P J R, et al. Pressurised hot water extraction in continuous flow mode for thermolabile compounds: extraction of polyphenols in red onions[J]. Analytical and bioanalytical chemistry, 2014, 406(2): 441-445.

[9]El Darra N, Grimi N, Vorobiev E, et al. Extraction of polyphenols from red grape pomace assisted by pulsed ohmic heating[J]. Food and Bioprocess Technology, 2013, 6(5): 1281-1289.

Optimization of Extraction of Polyphenols from Banana Leaves Using Response Surface Methodology

CHEN Jianxuan1，2

(1. Zhangzhou institute of technology, Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou 363000, China;2. Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products，Zhangzhou 363000, China)

The response surface methodology was used to optimize the extraction of polyphenols from Banana leaves. Box-Behnken design in the soft of Design Expert 8.05b was used to explore the optimal processing conditions to extract polyphenols from Banana leaves. A second order quadratic equation for polyphenols extraction was obtained. The results show the optimal extraction conditions as follows: extraction temperature 76℃, ethanol concentration 50%, liquid-to-material ratio 21 mL/g and time 100 min. The yield of Polyphenols can be up to 44.76 mg/g, the relative error is 1.28% compared to the predictive value which indicates the feasible model fitted well with the experimental data. The results provide a new scientific basis for the comprehensive development and utilization of polyphenols extraction from Banana leaves.

banana leaves; polyphenols; extraction; optimization

2016-03-18

福建省中青年教師教育科研項目(JB14182)；漳州職業(yè)技術(shù)學院科研計劃資助項目(ZZY1505)。

陳健旋(1964—)，女，福建漳州人，副教授，主要從事食品生物技術(shù)研究。

TS209；TQ91

A

1009-0312(2016)05-0071-06