牛蒡多酚提取护色和提取工艺条件的优化研究

任媛媛,高晓光,祁 琪,刘殿武

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018；2.河北医科大学公共卫生学院，河北石家庄 050017)



牛蒡多酚提取护色和提取工艺条件的优化研究

任媛媛1，2,高晓光1,祁 琪1,刘殿武2

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018；2.河北医科大学公共卫生学院，河北石家庄 050017)

主要研究了牛蒡预处理中的护色处理及提取时间、乙醇浓度、温度、料液比等对牛蒡多酚得率的影响,并采用正交实验设计对牛蒡多酚的提取工艺进行了优化。研究结果表明,浓度为0.75% VC的护色可提高牛蒡多酚的得率。牛蒡多酚类物质提取的最佳条件为:料液比为1∶9、水浴温度为75 ℃、水浴时间为65 min、乙醇浓度为65%。在此条件下可以得到较理想的提取效果,最大得率为7.12%。

牛蒡,多酚类物质,提取技术

牛蒡(ArctiumlappaL.)属菊科牛蒡属,为二年生草本植物,《本草纲目》中记载“牛蒡性温、味甘无毒,通十二经脉、除五脏恶气,久服轻身耐老”[1]。现代医学认为,牛蒡具有利尿、消积、祛痰、止泄等作用,其纤维可治疗便秘,降低体内胆固醇[2]。新鲜牛蒡富含多种多酚类物质,如绿原酸、异绿原酸、咖啡酸、槲皮素等[3-5]。现有研究表明,牛蒡多酚对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等具有抑菌效果[6],对于幽门螺杆菌引发的胃溃疡有辅助治疗作用[7-8],并具有抗氧化清除自由基的生理功能[9-11],还能够降低血脂、减肥[12]。

在牛蒡的预处理过程中,极易发生酶促褐变[13-14],多酚类物质会因被氧化而减少,而护色处理是一种有效抑制多酚类物质氧化的方法。本研究主要探讨了护色处理对牛蒡多酚得率的影响,并且采用正交实验对牛蒡多酚的提取条件进行了优化,以期为牛蒡多酚的提取与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

牛蒡 市售;VC武汉市天楚源医药有限公司;柠檬酸 天津博迪化工股份有限公司;氯化钙 天津市永大化学试剂有限公司;乙醇 天津市永大化学试剂有限公司;没食子酸 天津博迪化工股份有限公司;福林酚试剂 苏州晶茂生物科技有限公司;碳酸钙 天津市恒兴化学试剂有限公司;蒸馏水 实验室自制。

JJ200型精密电子天平 美国双杰兄弟有限公司;HH-4型数显恒温水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司;TGL-509型台式离心机 上海安亭科学仪器厂;UV-5100B紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;101-0AB型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;500 g摇摆式高速中药粉碎机 温岭市林大机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品精选 选择茎直、无虫咬、无变质、无机械性损伤和无物理性损伤、新鲜的牛蒡为原料。

1.2.2 牛蒡多酚类物质提取的工艺流程 原料精选→清洗→去皮→护色→吹干→切片→二次护色→二次吹干→干燥→出炉冷却→粉碎→乙醇提取→离心→测吸光值

1.2.3 标准曲线的绘制及得率的计算 用10 mL乙醇溶液溶解50 mg没食子酸,蒸馏水定容至10 mL,分别移取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0 mL到10 mL容量瓶中,加入0.1 mL福林试剂和0.2 mL 10%的碳酸钠溶液,用蒸馏水定容。置于45 ℃水浴5 min后在765 nm波长下测定吸光度。

取 1 mL牛蒡提取液到10 mL容量瓶中,加入0.1 mL福林试剂和0.2 mL 10%的碳酸钠溶液,用蒸馏水定容。置于45 ℃水浴5 min后在765 nm波长下测定吸光度。

得率(%)=提取液浓度×稀释倍数×(提取液体积/测定时所用体积)/牛蒡质量

1.2.4 护色剂对多酚提取效果的影响

1.2.4.1 VC对多酚提取的影响 取护色剂VC的浓度分别为0.2%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%,护色剂的浸泡时间为0.5 h,进行二次护色。晾干后干燥,粉碎成粉留用。以牛蒡粉∶60%乙醇溶液=1∶10(m/v)的比例在60 ℃的水浴锅中水浴60 min,通过离心机得到上清液,吸取1 mL上清液,0.5 mL福林试剂,1 mL 10%碳酸钠溶液于50 mL容量瓶中加蒸馏水定容。在45 ℃水浴锅中水浴5 min。最后在765 nm下测量吸光度,得出多酚的得率。

1.2.4.2 柠檬酸对多酚提取的影响 护色剂柠檬酸的浓度分别为0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%和1.5%,其他处理同1.2.4.1。

1.2.4.3 氯化钙对多酚提取的影响 氯化钙的浓度分别为0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%,其他处理同1.2.4.1。

1.2.5 牛蒡多酚提取条件的优化

1.2.5.1 时间的单因素实验 乙醇提取的时间分别为30、40、50、60、70、80 min,乙醇浓度60%,料液比1∶10,水浴锅70 ℃,其他处理同1.2.4.1。

1.2.5.2 乙醇浓度的单因素实验 乙醇浓度分别为40%、50%、60%、70%、80%和90%,料液比为1∶10,水浴锅温度为70 ℃,提取时间为70 min,其他处理同1.2.4.1。

1.2.5.3 温度的单因素实验 水浴温度分别设为50、60、70、80、90、100 ℃,料液比为1∶10,乙醇浓度70%,提取时间为70 min,其他处理同1.2.4.1。

1.2.5.4 料液比的单因素实验 料液比分别为1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16和1∶18,乙醇浓度为70%,提取时间为70 min,水浴锅80 ℃,其他处理同1.2.4.1。

1.2.6 正交设计 在单因素实验的基础上进行正交实验设计L9(34)。四个单因素分别为水浴时间、乙醇浓度、水浴温度和料液比。正交实验的因素水平设计如表1所示。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factor and level of orthogonal test

1.2.7 数据统计分析 各组结果以平均数±标准差(mean±SD)表示,每个处理重复三次,采用SPSS 16.0进行统计分析。采用单因素方差分析(ANOVA)对结果进行多重比较,显著性水平为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

标准曲线如图1所示,得到吸光度值(y)与没食子酸质量浓度(mg/mL)之间的回归方程为:y=0.0682x+0.2655(R2=0.9994)。

图1 标准曲线Fig.1 The standard curve of gallic acid

2.2 护色剂对多酚提取的影响

2.2.1 VC浓度对牛蒡多酚得率的影响 如图2所示,随着VC浓度的增大,多酚物质的得率也在增加。VC浓度为0.25%至0.75%护色时,多酚得率上升速度较快,不同浓度VC对多酚得率存在显著性影响(p<0.05)。当VC浓度高于0.75%时,多酚得率的增加变缓,VC浓度对多酚得率无显著影响(p>0.05)。从颜色观察,0.25%VC、0.50% VC浸泡时牛蒡发生了褐变,褐变程度前者大于后者,VC浓度为0.75%时牛蒡颜色白嫩。所以较佳的VC浓度为0.75%。

图2 不同VC浓度对多酚得率的影响Fig.2 The effects of VC on the yield of polyphenols注:不同小写字母代表差异显著(p<0.05)，图3～图8同。

2.2.2 柠檬酸对牛蒡多酚得率的影响 结果如图3所示,柠檬酸浓度在0.5%～1%范围内时,对多酚得率无显著影响(p>0.05);在1%～1.5%范围内时,多酚得率随随柠檬酸浓度的增大而升高,不同浓度对多酚得率存在显著性影响(p<0.05)。在实验范围内,柠檬酸浓度为1.5%时,多酚类物质得率达到最大。

图3 不同柠檬酸浓度对多酚得率的影响Fig.3 The effects of citric acid on the yield of polyphenols

2.2.3 氯化钙对多酚得率的影响 如图4所示,氯化钙浓度在0.25%～1%范围内时,随着氯化钙浓度的增加,多酚得率逐渐增加,不同浓度对多酚得率存在显著性影响(p<0.05)。在1%～1.25%范围内时,多酚得率随氯化钙浓度的增大而缓慢增加,对多酚得率无显著影响(p>0.05)。在1.25%～1.5%范围内时,多酚得率随氯化钙浓度的增大而升高,不同浓度对多酚得率存在显著性影响(p<0.05)。氯化钙为1.5%时,牛蒡多酚类物质的得率最大。

对以上三种护色剂VC、柠檬酸、氯化钙对多酚提取的影响进行比较,VC做为护色剂时,能获得最大的牛蒡多酚得率,VC最佳浓度为0.75%,所以选择0.75%的VC做为护色剂。

图4 不同氯化钙浓度对多酚得率的影响Fig.4 The effects of CaCl2 on the yield of polyphenols

2.3 单因素实验

2.3.1 时间对多酚得率的影响 时间对多酚得率的影响见图5。如图5可知,乙醇提取时间在40 min到70 min之间时,多酚得率是一个逐渐增高的过程,不同时间对多酚得率存在显著性影响(p<0.05)。乙醇提取时间为70 min时,多酚类物质得率最高。在提取时间为70～80 min时,得率下降。可能是因为提取时间过长,多酚物质因为分解而损失。所以应选择70 min为乙醇提取的最佳时间。

图5 时间对牛蒡多酚类物质提取的影响Fig.5 The effects of time on the yield of polyphenols注:不同小写字母代表差异显著(p<0.05)。

2.3.2 乙醇浓度对多酚得率的影响 乙醇浓度对牛蒡多酚得率的影响如图6所示,当乙醇浓度为70%时,牛蒡多酚得率最高,和其他浓度相比差异显著(p<0.05)。乙醇浓度70%到90%时,牛蒡多酚得率逐渐降低。因此,乙醇的最佳浓度为70%。

图6 乙醇浓度对牛蒡多酚提取的影响Fig.6 The effects of ethanol concentration on the yield of polyphenols

2.3.3 温度对多酚提取的影响 如图7所示,水浴温度对牛蒡多酚提取的影响,在水浴温度50～80 ℃范围内,随着温度的升高,多酚得率也在逐渐增加,不同温度对多酚得率的影响存在显著性影响(p<0.05)。水浴温度80 ℃时,多酚得率最高。当水浴的温度为水浴温度80～90 ℃时,多酚得率开始下降,不同温度对多酚得率无显著影响(p>0.05)。可能是因为温度过高,牛蒡多酚类物质出现了分解。所以水浴的最佳温度为80 ℃。

2.3.4 料液比对多酚提取的影响 由图8料液比对多酚得率的影响可见,随着料液比的增加,多酚得率先增加后下降。料液比为1∶10时,多酚得率最高,与其他料液比时相比,多酚得率存在显著差异(p<0.05);当料液比为1∶18时,多酚得率最低。因此,最佳料液比为1∶10。

图8 料液比对多酚得率的影响Fig.8 The effects of solid-liquid ratio on the yield of polyphenols

2.4 正交设计实验

为优化提取工艺,进行正交实验。正交实验结果见表2。

表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2分析可知,各因素水浴时间(A)、乙醇浓度(B)、水浴温度(C)、料液比(D)对牛蒡多酚的得率有不同程度的影响。各因素对牛蒡多酚得率的影响大小顺序为水浴温度(C)>料液比(D)>乙醇浓度(B)>水浴时间(A),提取牛蒡中多酚的最优水平组合为C1D1B1A1,即水浴温度75 ℃、料液比为1∶9、乙醇浓度为65%、水浴时间为65 min,牛蒡多酚的得率最高为7.07%。

按照以上得出的最佳提取条件,对牛蒡中的多酚进行提取,进行验证实验,提取条件为水浴温度75 ℃、料液比为1∶9、乙醇浓度为65%、水浴时间为65 min,牛蒡多酚提取的得率为7.12%,说明优化条件可行。

3 结论

本研究主要探讨了牛蒡预处理中的护色处理对牛蒡多酚得率的影响,研究了VC、柠檬酸、氯化钙对牛蒡多酚提取的影响,研究表明VC作为护色剂效果最好,可以一定程度上减少酚类物质的氧化,增高牛蒡多酚类物质的得率。

本研究通过单因素实验考察了水浴时间、乙醇浓度、水浴温度和料液比对牛蒡多酚的得率的影响,在此基础上运用正交实验设计,对提取条件进行优化,分析得出各因素对牛蒡多酚得率的影响大小顺序为水浴温度>料液比>乙醇浓度>水浴时间,得出牛蒡中多酚类物质提取的最佳工艺条件为水浴温度75 ℃、料液比为1∶9、乙醇浓度为65%、水浴时间为65 min,在此条件下牛蒡多酚得率最高为7.12%。

牛蒡多酚是一种天然的功能性成分,具有抗氧化等重要的生理功能。在牛蒡多酚提取的预处理过程中,多酚类物质会发生氧化褐变而减少,通过护色处理的方法可以抑制褐变,提高多酚类物质的得率,所以其他的抑制多酚类物质褐变的方法可能也能够提高牛蒡多酚的得率。本研究对提高牛蒡多酚得率的研究方法提出了新的思路,并对提取条件进行了优化,为牛蒡多酚的开发应用奠定了一定的基础。

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Extraction of polyphenol from burdocks of color protecting and extraction conditions optimization

REN Yuan-yuan1,2,GAO Xiao-guang1,QI Qi1,LIU Dian-wu2

(1.College of Bioscience and Bioengineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.College of Public Health,Hebei Medical University,Shijiazhuang 050017,China)

Colorprotectingprocessinginthepretreatmentofburdockwasstudiedtoenhancepolyphenolsextraction.Extractiontechnologicalparametersincludingextractiontime,ethanolconcentration,extractiontemperature,andsolid-liquidratiowereoptimizedwithorthogonalexperiment.TheresultsshowedthatVCwasthesuitablecolorprotectionagent.Attheconcentrationof0.75%,thepretreatmentofVCcouldimprovetheextractionrateofburdockpolyphenol.Theresultalsoshowedthattheoptimalextractionconditionwereasfollowing:solid-liquidratioof1∶9,extractiontemperatureof75 ℃,extractiontimeof65min,ethanolsolventconcentrationof65%.Undertheoptimalconditions,theextractionrateofpolyphenolsreached7.12%.

Burdock;polyphenols;extractiontechnology

2016-05-12

任媛媛(1980-)，女，硕士，讲师，研究方向：功能性物质提取,E-mail:cherry1137@126.com。

TS255.1

B

1002-0306(2016)21-0265-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.042