响应面优化超声提取杨桃多酚的工艺研究

蒋　边,潘进权,李　恒,卢冬梅,覃嘉倩,谢瑞敏,何荣海

(1.岭南师范学院生命科学与技术学院,广东湛江 524048;2.江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)



响应面优化超声提取杨桃多酚的工艺研究

蒋边1,潘进权1,李恒1,卢冬梅1,覃嘉倩1,谢瑞敏1,何荣海2

(1.岭南师范学院生命科学与技术学院,广东湛江 524048;2.江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)

利用响应面法对杨桃总多酚的超声提取工艺进行优化。以杨桃为原料,总多酚提取得率为评价指标,在单因素实验的基础上,选取超声时间、乙醇浓度、液料比、超声温度进行了四因素三水平的 Box-Behnken 中心组合研究,并运用 Design Expert 8.05b软件对实验数据进行分析。结果表明,最佳超声提取工艺条件为:超声时间为31 min,乙醇浓度为59%,液料比为53∶1 mL/g,超声温度为60℃,此时杨桃总多酚提取得率为28.5mg/g。与响应面预测值相比,验证实验结果吻合性良好。

杨桃，多酚，超声，提取，响应面

杨桃为酢浆草科五敛子属热带常绿乔木,一年多生,丰产、稳产,是我国南方重要的热带水果之一,主要分布在我国广东、广西、福建、海南、台湾及云南等地。杨桃含有较丰富的糖类、有机酸、维生素、氨基酸[1]等营养成分和多酚[2]、多糖[3]等活性成分,还具有生津利尿、解毒、去风热[4]等作用,因而具有丰富的营养、活性和药理价值。但是,杨桃果实在贮藏和加工过程中容易发生酶促褐变,从而影响其外观品质和营养品质;且其属易烂水果,保鲜期很短,贮藏性极差。因此杨桃的进一步精深加工及开发利用,可以在一定程度上解决杨桃不易贮藏的问题,具有广阔的开发前景。天然植物多酚不仅安全、无毒,而且具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗癌、调血脂和预防慢性疾病等多种活性[5-10],已逐渐应用在医药、食品、化妆品、农业等领域。研究证实,杨桃中富含丰富的多酚,其多酚具有较强的氧自由基吸收能力、总抗氧化能力和抑制肝癌细胞HepG2增殖活性[2]。目前,已有研究采用传统溶剂浸提法[11]和微波法[12]提取杨桃中的多酚,但是截至发稿前未见报道采用超声波技术从杨桃中提取多酚以及利用响应面分析方法优化其提取工艺的研究。

本研究采用具有操作简单快捷,提取率高,提取温度低,提取物结构不易被破坏等优势的超声波提取法[13],结合响应面分析法对杨桃总多酚的提取工艺进行优化,以期获得简单、安全、高效、节能的杨桃多酚提取工艺,为进一步推动杨桃多酚的工业生产和深加工,加大开发利用杨桃资源和获得新型植物多酚提供重要理论基础。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

杨桃广东省湛江市爱华超市;福林酚试剂国药集团化学试剂有限公司;没食子酸、无水Na2CO3、无水乙醇等均为分析纯。

FB323自动内校电子分析天平上海舜宇恒平科学仪器有限公司;TD6低速离心机长沙湘智离心机仪器有限公司;UV-3000PC型紫外可见分光光度计上海美普达仪器有限公司;手提式高速中药粉碎机青州市三宝中药机械厂;电热鼓风干燥器上海一恒科学仪器有限公司;KQ-500V型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1福林酚法测定杨桃总多酚提取得率配制0、10、20、30、40、50 μg/mL的没食子酸标准溶液,分别取上述不同浓度的没食子酸标准溶液0.5 mL,加入浓度为1∶1的福林酚试剂1 mL,7.5% Na2CO3溶液3 mL,25℃下反应30 min,于765 nm处测定吸光值。以标准品的质量为横坐标、吸光值为纵坐标,绘制没食子酸标准曲线[14]。取稀释后的样品溶液0.5 mL,按照上述方法测定。样品中总多酚提取得率(以没食子酸计,mg/g)=C×V×N×10-3/W。式中,C为根据标准曲线求得的样品浓度值(μ/mL);V为粗提液体积(mL);N为稀释倍数;W为原料重量(g)。

1.2.2杨桃总多酚的提取方法将杨桃切碎后50℃条件下烘干,粉碎后40目过筛,所得样品低温干燥条件下保存备用。精密称取杨桃粉末样品,按一定液料比加入一定浓度的乙醇溶液,超声提取后冷却,然后 4000 r/min离心,收集上层清液,定容到100 mL容量瓶中待测,每组做3次平行实验。

1.3实验设计

1.3.1单因素实验设计超声提取的频率为40 kHz,超声功率为500 W。其他因素条件固定,依次分别以超声时间(10、20、30、40、50、60 min)、乙醇浓度(20%、40%、60%、80%、100%)、液料比(10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1(mL/g))和超声温度(30、40、50、60、70、80℃)为单因素,考察各因素对杨桃总多酚提取含量的影响,确定其最佳因素水平。采取渐变式优化法,研究第一个单因素(超声时间)时其他因素水平固定为:乙醇浓度60%,液料比20∶1 mL/g,超声温度50℃。

1.3.2响应面实验设计根据单因素实验结果,确定四个因素的三个水平,以总多酚提取得率为评价指标,进行响应面优化实验的中心组合设计。因素及其水平如表1所示,-1、0、1分别代表各因素的低、中、高3个水平。

2　结果与分析

2.1没食子酸标准曲线

由图1可知,没食子酸标准曲线回归方程为 y=0.025x-0.001,R2=1。

表1　Box-Behnken中心组合设计的因素和水平表

图1　没食子酸标准曲线Fig.1　Standard curve of gallic acid

2.2单因素实验

2.2.1超声时间对杨桃总多酚提取得率的影响由图2可知,杨桃总多酚的提取得率先随着超声时间的延长而提高,这主要是随着超声时间的增加,有利于杨桃多酚的溶出;当超声时间为30 min左右,达到最高值,总多酚提取得率为20.12mg/g;超过此超声时间,总多酚提取得率反而有所降低,这可能是长时间的超声振动导致多酚结构破坏[15]。李群梅等[11]采用传统的有机溶剂法提取60 min,杨桃多酚的提取量为3.9mg/g,因而,超声波的机械作用和空化作用增加分子运动频率和速度,增强了溶剂的穿透能力,提高了多酚类物质的溶出速度和数量,大大的缩短了提取时间,提高了多酚提取得率。

图2　超声时间对总多酚提取得率的影响Fig.2　Effect of ultrasonic time on extraction rate of total polyphenols

2.2.2乙醇浓度对杨桃总多酚提取得率的影响多酚是一类极性范围很广的化合物,当提取溶剂的极性与杨桃多酚的极性接近时,有利于多酚的提取[16]。由图3可知,不同浓度的乙醇对杨桃多酚的提取效果不同,随着乙醇浓度的增加,杨桃总多酚的提取得率先增加后降低,在乙醇浓度为60%时,达到最大值。当乙醇浓度大于60%,总多酚提取得率降低,主要是因为在植物体内多酚一部分以游离的形式存在液泡中,一部分以与蛋白质、多糖通过氢键或疏水键结合的形式存在于细胞壁中,高体积分数的乙醇使蛋白质变性,影响与之结合多酚的溶出,从而导致多酚提取率的下降[17]。

图3　乙醇浓度对总多酚提取得率的影响Fig.3　Effect of ethanol concentration on extraction rate of total polyphenols

2.2.3液料比对杨桃总多酚提取得率的影响由图4可知,在相同提取条件下,随着液料比增大,多酚提取率逐渐上升,主要是因为从细胞内到溶剂之间扩散的浓度梯度增大,多酚提取率不断增加[18],当达到50∶1 mL/g后提取率开始下降,说明多酚的溶出量已达饱和,因而选取最佳液料比为50∶1 mL/g。

图4　液料比对总多酚提取得率的影响Fig.4　Effect of ratio of solvents to raw material on extraction rate of total polyphenols

2.2.4超声温度对杨桃总多酚提取得率的影响由图5可知,杨桃总多酚的提取得率先随着超声温度的增加而逐渐增加,这是由于高温增加细胞壁渗透性,同时增加提取溶剂的溶解度和扩散系数,降低溶剂的黏度,从而提高提取得率[18]。在超声温度为60℃时,杨桃多酚的提取得率最大,进一步提高超声温度,总多酚提取得率反而降低,其原因是温度过高破坏多酚类物质结构,并导致提取溶剂的挥发,杨桃中其他杂质溶出率增加,造成总多酚提取得率减小[19]。

图5　超声温度对总多酚提取得率的影响Fig.5　Effect of ultrasonic temperature on extraction rate of total polyphenols

2.3响应面分析法优化超声提取条件结果分析

2.3.1响应面优化方差分析在单因素实验的基础上,根据 Box-Behnken中心组合实验设计原理,设计四因素三水平的响应面分析实验。实验设计及结果见表2。

表3　总多酚提取得率方差分析结果

由表3可知,在超声提取杨桃总多酚的工艺参数中,在所选的各因素水平范围内,影响总多酚提取得率的因素按主次顺序排列为:超声时间>液料比>乙醇浓度>超声温度。模型中因素X1(超声时间)和X3(液料比)对总多酚提取得率的影响分别为极显著和显著;因素X12、X22和X32对总多酚提取得率的影响极显著;X1X3即超声温度和液料比交互作用极显著,X2X3即乙醇浓度和液料比交互作用显著,其他变量的影响均不显著(p>0.05)。

由图6a可知,当液料比不变时,随着超声时间的延长,多酚提取得率先增大后减小;当超声时间不变时,随着液料比的增加,多酚提取得率逐步增加,后期趋于平缓,这与单因素实验结果吻合。分析图6b,同样与单因素实验结果相吻合。超声温度和液料比、乙醇浓度和液料比的等高线图均为椭圆,则说明两两的交互作用明显,且前者的交互作用更加显著[20],与方差分析结果吻合。

图6　影响总多酚提取得率的因素之间的交互作用Fig.6　The interaction between factors that affect extraction rate of total polyphenols

2.3.2响应面最优条件优化、预测和验证通过回归模型的预测,得到超声提取杨桃多酚的最优工艺条件为:超声时间为31.39 min,乙醇浓度为59.01%,液料比为53.37∶1 mL/g,超声温度为59.97℃,总多酚提取得率预测值为28.35mg/g。为检验 RSM 的可靠性,采用上述最优条件进行验证实验,同时考虑操作的方便性,将提取工艺参数修正为超声时间为31 min,乙醇浓度为59%,液料比为53∶1 mL/g,超声温度为60℃,实际测得的杨桃总多酚平均提取得率为28.5mg/g。理论预测值与验证实验的平均值相接近,说明该模型可以较好地预测杨桃总多酚超声提取得率。

3　结论

通过响应面分析法对实验结果进行分析,结果

为回归模型拟合度好。采用超声波提取杨桃中的多酚,影响杨桃总多酚提取得率的主次因素顺序为:超声时间>液料比>乙醇浓度>超声温度。最适宜的超声提取工艺条件为:超声时间为31 min,乙醇浓度为59%,液料比为53∶1 mL/g,超声温度为60℃,在此条件下杨桃总多酚提取得率为28.5mg/g,所得值与模型预测值28.35mg/g高度相符。与吕群金[12]等采用微波法提取杨桃多酚所得多酚提取得率为18.725mg/g相比,超声波辅助提取杨桃多酚得率更高,且此方法安全无毒、成本低、操作简单。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction of polyphenol from Carambola by response surface methodology

JIANG Bian1,PAN Jin-quan1,LI Heng1,LU Dong-mei1,QIN Jia-qian1,XIE Rui-min1,HE Rong-hai2

(1.School of Life Science and Technology,Lingnan Normal University,Zhanjiang 524048,China; 2.School of Food and Bioengineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The response surface methodology was used to optimize ultrasound-assisted extraction of total polyphenols from Carambola.With Carambola as raw material,the extraction rate of total polyphenols for evaluation index,then based on single factor experiment,an ultrasonic procedure for the extraction of total polyphenols from carambola was established.A three-level-four-factor test was employed in this study to optimize the factorial parameters(ultrasonic time,ethanol concentration,ratio of solvents to raw material and ultrasonic temperature)by employing Box-Behnken design of response surface methodology and Design Expert 8.05b software was used to analyze test data.The result showed that the best ultrasonic extraction technology conditions were as follows:ultrasonic time 31 min,alcohol concentration 59%,ratio of solvents to raw material 53∶1 mL/g,ultrasonic temperature 60℃,the carambola total polyphenols obtained rate was 28.5mg/g.The experimental vaule was basically agreed with the predictive value of response surface analysis.

Carambola;polyphenols;ultrasound;extraction;response surface

2015-10-14

蒋边(1989-),女,硕士研究生,助理实验师,主要从事天然产物提取与分离、功能性食品的开发,E-mail:651447420@qq.com。

岭南师范学院自然科学研究青年项目(QL1504)；岭南师范学院自然科学研究引进人才项目(ZL1408)。

TS254.1

B

1002-0306(2016)07-0248-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.039