微波辅助提取花生壳多酚的工艺研究

邢俊红，薛永常

(大连工业大学 生物工程学院，辽宁 大连 116034)

我国是一个农业生产大国，每年农业废弃物多达6.5 亿t［1］，其中花生壳约450 万t，除少量加工成饲料或用于化工原料外，大部分被当作废弃物或燃料［2］。花生壳中除含有65.7% ～79.3%的纤维素、木质素外，还含有少量的蛋白质、脂肪、多糖、矿物质等，以及3.34% ～7.13%的多酚类化合物［3］。植物多酚具有清除自由基、抗脂质氧化、抑菌、延缓机体衰老、预防心血管疾病、防癌、抗辐射等生物活性功能［4-6］，广泛应用于医疗行业，发展前景广阔。

多酚提取多为有机溶剂萃取、超临界CO2萃取和复合酶提取等［7-8］，多酚得率不理想。近年来微波、超声波辅助提取可有效地提高功能成分的萃取率，缩短提取时间，提高生产效率［9-10］，且操作简单、副产物少，产率高及产物易于纯化，浸出过程中细粉不凝聚、不糊化［11］。目前对茶多酚、苹果多酚、葡萄籽多酚、香蕉皮多酚等的研究较多，而对花生壳的研究报道较少。

本文用微波辅助提取，并结合响应面法［12］，对花生壳多酚的提取工艺进行优化，为花生壳多酚的综合开发提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

花生壳(50 ℃烘干，粉碎，过40 目);焦性没食子酸、福林酚试剂、无水碳酸钠、无水乙醇等均为分析纯。

DHG-9030A 型电热恒温鼓风干燥箱;ST-04A多功能粉碎机;TP-213 电子天平;PD23C-AN(B)微波炉;SC-3610 低速离心机;V-1100D 型紫外可见分光光度计;A-3S 水流抽气机。

1.2 实验方法

称取1.0 g 花生壳粉末，放入100 mL 锥形瓶中，以液料比40∶1 mL/g 加入浓度60%的乙醇水溶液，搅拌均匀，在功率800 W 下微波提取70 s。抽滤，滤液以4 000 r/min 离心15 min，定容到50 mL，即得到多酚提取液。

1.3 分析方法

总多酚测定采用Folin-Ciocalteau 比色法［13］。1.3.1 没食子酸标准曲线的建立 参照李淑芬等［14］的方法并略作改动。准确称取焦性没食子酸25 mg，用水溶解，并定容到500 mL，得到浓度为50 μg/mL 的标品溶液。分别移取标液0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 mL 于50 mL 容量瓶中，分别加入1 mL Folin-ciocaleu 试剂，静止5 min，再加入2 mL 10%Na2CO3溶液，加水定容至刻度，摇匀，避光放置1 h。在765 nm 波长下测定吸光度。每个样品平行测定3 次，取其平均值。以标准样品浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线，回归得标准曲线方程y =0.111 1x +0.005，R2=0.999 1，线性关系良好。

1.3.2 总多酚含量的测定 吸取1 mL 多酚提取液至50 mL 的容量瓶中，按照1.3.1 节步骤测定吸光度A。将A 值代入标准曲线方程中，求得花生壳多酚提取液的浓度，然后按下式计算多酚的提取量。

式中 C——测定样品液浓度，μg/mL;

V——提取液的总体积，mL;

W——样品的质量，g;

N——稀释倍数。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

在微波功率800 W 条件下，分别考察乙醇浓度、液料比、微波时间、提取次数对花生壳多酚提取量的影响。

2.1.1 乙醇浓度对花生壳多酚提取量的影响 由图1 可知，花生壳多酚的提取量随着乙醇浓度的增加而提高，当乙醇浓度为60%时，多酚的提取量达到最大值13.73 mg/g;乙醇浓度继续增加时，多酚的提取量下降。可能是由于过高的有机溶剂浓度导致细胞膜变性，通透性降低，阻碍了多酚类物质的溶出［15］。因此，选择60%的乙醇溶液作为提取溶剂。

图1 乙醇浓度对花生壳多酚提取量的影响Fig.1 The effect of ethanol concentration on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.2 液料比对花生壳多酚提取量的影响 由图2 可知，花生壳多酚提取量随着液料比的增大而增加，液料比40∶1 mL/g 时，多酚的提取量达到最大值13.79 mg/g;当液料比继续增加时，多酚的提取量增加幅度不是很大。这说明花生壳中的多酚物质会随着液料比的增大而溶出量增多，但当多酚物质几乎完全溶出时，液料比的增加对其提取量的影响不是很大。因此，选择液料比40∶1 mL/g。

图2 液料比对花生壳多酚提取量的影响Fig.2 The effect of material to liquid ratio on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.3 微波时间对花生壳多酚提取量的影响 由图3 可知，花生壳多酚提取量随着微波时间延长而提高，微波时间70 s 时，多酚提取量达到最大值14.28 mg/g;微波时间继续增加时，多酚的提取量大幅度下降。这可能是因为时间过长，会使多酚物质氧化而不利于多酚的提取。因此，将微波时间定为70 s。

图3 微波时间对花生壳多酚提取量的影响Fig.3 The effect of microwave on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.4 提取次数对花生壳多酚提取量的影响 由图4 可知，多酚提取量随着提取次数的增多而略有提高，但2 次提取和3 次提取的多酚变化不大，所以，选择提取次数为1。

图4 提取次数对花生壳多酚提取量的影响Fig.4 The effect of extraction times on the yield of peanut shell polyphenols

2.2 响应面提取工艺优化

2.2.1 响应面实验结果 在单因素实验基础上，根据Design-Expert8.0.6 软件的Box-Behnken 的中心组合实验设计原理进行响应面实验，对花生壳多酚的提取工艺进行优化。提取次数为1，微波功率为800 W，选取乙醇浓度、液料比和微波时间3 个因素为响应因子，以多酚的提取量为响应值，进行3 因素3 水平共17 组实验。因素及水平见表1，结果见表2。

表1 因素-水平表Table 1 The factors and levels table

表2 响应面实验结果Table 2 Response surface experimental results

运用Design-Expert8.0.6 软件对表2 的数据进行回归分析，得到花生壳多酚提取量(Y)与3 个因素变量建立的二次多项回归模型方程Y =15.662－0.223 75A－0.201 25B－0.45C + 0.905AB ﹢1.122 5AC ﹢0.592 5BC－1.998 5A2－1.953 5B2－1.321C2。回归模型参数方差分析见表3。

由表3 可知，方程的模型显著性P ＜0.01，说明该模型具有高度显著性，失拟项P=0.323 1 ＞0.05，说明失拟性检验结果不显著，R2=0.991 2，=0.964 6，由此得出该方程与实际实验的拟合情况良好，实验误差小，可以将该模型用于对花生壳多酚提取量进行预测分析。

该回归方程模型中，AB、AC、A2、B2、C2对多酚提取量(Y)表现差异高度显著，C、BC 对多酚提取量(Y)表现出差异显著，而A、B 表现出差异不显著。各因素对花生壳多酚提取量的影响次序为提取时间(C)＞乙醇浓度(A)＞料液比(B)。在α =0.05 的显著水平下剔除不显著项后，对回归方程模型(2)进行优化，可得Y =15.662－0.45C +0.905AB +1.122 5AC+0.592 5BC－1.998 5A2－1.953 5B2－1.321C2。

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis

2.2.2 花生壳多酚提取工艺的响应曲面分析 运用Design-Expert8.0.6 软件，根据二次回归方程模型作出的相应的交互作用响应曲面图，见图5 ～图7。

图5 乙醇浓度和液料比交互作用的响应面图Fig.5 The effects of alcohol concentration and liquid to material ratio on polyphenols yield showed by response surface

由图5 可知，在微波时间固定的条件下，液料比不变，花生壳多酚的提取量随着乙醇浓度的增加而增大，当达到最大值后，乙醇浓度的增大使多酚提取量反而减小。

图6 液料比和微波时间交互作用的响应面图Fig.6 The effects of liquid to material ratio and microwave time on polyphenols yield showed by response surface

由图6 可知，在乙醇浓度固定的条件下，微波时间不变，多酚提取量随着液料比的增大先增大后呈下降趋势，但其增大和下降的趋势不是很明显，这与单因素的结果相符，表明液料比的变化对多酚的提取量影响不大。

图7 乙醇浓度和微波时间交互作用的响应面图Fig.7 The effects of alcohol concentration and microwave time on polyphenols yield showed by response surface

由图7 可知，在液料比固定的条件下，乙醇浓度不变，随着微波时间的延长，多酚提取量先小幅度增加，当达到最大值后，微波时间的增加使多酚提取量大幅度下降，这说明微波时间对多酚提取量有很大的影响。

由图5 ～图7 可知，乙醇浓度和液料比、液料比和微波时间、乙醇浓度和微波时间这3 组交互图中均出现极大值，说明交互作用都显著。比较3 组图可知，乙醇浓度和微波时间的交互作用最强，其次是乙醇浓度和液料比的交互作用，料液比和微波时间的交互作用最弱，这与表3 的方差分析结果一致。

2.2.3 花生壳多酚提取工艺条件的优化与验证通过回归模型的预测，得到微波辅助提取花生壳多酚的最佳提取工艺参数为:乙醇浓度58.39%，液料比39.35∶1 mL/g，微波时间77.32 s，此时花生壳多酚的最大理论提取量为15.75 mg/g。但考虑实验条件的可操作性，将微波提取工艺条件参数调整为:乙醇浓度60%、液料比40∶1 mL/g、微波时间77 s。在此条件下进行3 次平行实验进行验证，得到多酚提取量为15.69 mg/g，与理论预测值15.75 mg/g 接近，这说明二次回归模型方程与实际的情况拟合性很好。

3 结论

采用微波辅助乙醇提取花生壳中多酚物质，最佳提取工艺条件为:乙醇浓度60%，液料比40∶1 mL/g，微波时间77 s，提取次数1。在此条件下，多酚提取量为15.69 mg/g，与模型预测值较接近。

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