超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素工藝優(yōu)化

潘麗軍，范婷婷，姜紹通，操麗麗

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素工藝優(yōu)化

潘麗軍，范婷婷，姜紹通，操麗麗

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

以菜籽皮為原料，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過四因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素的條件進(jìn)行研究。結(jié)果表明：原料粒度60目，乙醇體積分?jǐn)?shù)54%，料液比1:12(脫脂菜籽皮:乙醇，g/mL)，超聲時(shí)間22.5min的條件下，原花色素的提取率為37.12%。

菜籽皮；原花色素；超聲波；提??；響應(yīng)曲面

Abstract：To optimize proanthocyanidins yield from rapeseed shell extracted by ultrasonic-assisted extraction, single factor experiments followed by response surface analysis combined with a 4-variable quadratic orthogonal rotation combination design were carried out. Results showed that the optimal ultrasonic-assisted extraction, namely using 54% aqueous ethanol to extract the powdered material having particle size of 60 mesh at a material/liquid ratio of 1:12 (g/mL) with the assistance of 22.5 min ultrasonic treatment, resulted in a proanthocyanidins yield of up to 37.12%.

Key words：rapeseed shell；proanthocyanidins；ultrasonic assistance；extraction；response surface methodology

隨著菜籽脫皮冷榨制油技術(shù)的應(yīng)用與推廣，我國每年將產(chǎn)生大量菜籽皮。菜籽皮占菜籽質(zhì)量的16%～19%，含有菜籽中90%以上的植酸、色素、單寧及皂素等抗?fàn)I養(yǎng)因子[1]。對(duì)菜籽皮中的植酸、色素等抗氧化成分進(jìn)行提取，既可以除去其中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，又能有效提升菜籽皮的綜合利用價(jià)值。

原花色素又稱原花青素(proanthocyanidins，簡稱PC)，也稱縮合單寧，是植物中廣泛存在的一類的天然多酚化合物[2]。它是具有很強(qiáng)作用的抗氧化劑和自由基清除劑，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品、食品及化妝品等諸多領(lǐng)域[3-10]。國內(nèi)外關(guān)于原花色素的研究多取材于葡萄籽或松樹皮，而鮮見關(guān)于菜籽皮原花色素的報(bào)道。菜籽皮中含有2%～3%的原花色素，是制取原花色素的又一來源[11]。目前，原花色素的制備普遍采用溶劑浸提法從植物中直接提取，該法耗時(shí)長，在提取過程中溫度較高，易導(dǎo)致原花色素氧化，提取率降低[12]。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助法提取菜籽皮原花色素，旨在控制提取過程中原花色素的氧化，提高其制品提取率，為菜籽皮的綜合利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽皮 安徽省大平油脂廠。

原花色素標(biāo)準(zhǔn)品(UV純度大于95%) 天津一方科技有限公司；乙醇、香草醛、甲醇、鹽酸均為分析純 重慶北碚化學(xué)試劑廠；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲波清洗儀 上海杰理科技有限公司提供；SP-721E型可見光分光光度計(jì) 上海精科實(shí)業(yè)有限公司；Ohaus電子天平 上海富眾儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原花色素的檢測(cè)方法

采用香草酸-鹽酸法[13]。原花色素提取率計(jì)算公式如下：

式中：m1為提取所得原花色素的質(zhì)量；m0為原料中原花色素質(zhì)量。

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

精確稱取一定質(zhì)量脫脂菜籽皮放入錐形瓶中，采用超聲波輔助法提取原花色素，考察原料粒度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比(脫脂菜籽皮:乙醇，g/mL)、超聲波處理時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響。

1.3.3 四因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)[14-16]

根據(jù)單因素試驗(yàn)的初步探索，采用四因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波輔助法提取原花色素的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)因素及水平選取見表1。

表1 超聲波提取菜籽皮原花色素試驗(yàn)的因素與水平Table 1 Variables and levels in dramatic orthogonal rotation combination design

2 結(jié)果與分析

2.1 原料粒度對(duì)原花色素提取率的影響

圖1 原料粒度對(duì)原花色素提取率的影響Fig.1 Effect of material particle size on proanthocyanidins yield

在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，料液比1:8，超聲波提取時(shí)間15min的條件下，不同原料粒度對(duì)原花色素提取率的影響如圖1所示。原料粉碎粒度為60目時(shí)，提取率最高，可達(dá)33.68%；粉碎粒度高于60目，提取率反而降低。分析其原因?yàn)椴俗哑ぱ心ミ^細(xì)時(shí)，粉末在溶液中結(jié)團(tuán)，與溶劑接觸不充分降低了原花色素提取率。

2.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花色素提取率的影響

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花色素提取率的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，料液比1:8，超聲波提取時(shí)間15min的提取條件下，不同體積分?jǐn)?shù)乙醇對(duì)原花色素提取率的影響如圖2所示。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，原花色素提取率有上升的趨勢(shì)，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，原花色素提取率達(dá)到最大值，之后隨著體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，原花色素提取率下降。原因可能是水具有穿透植物細(xì)胞的作用，水的添加比例減少導(dǎo)致原花色素從菜籽皮中滲出量降低。

2.3 料液比對(duì)原花色素提取率的影響

圖3 料液比對(duì)原花色素提取率的影響Fig.3 Effect of material/liquid ratio on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，超聲波提取時(shí)間15min的提取條件下，料液比對(duì)原花色素提取率的影響如圖3所示。當(dāng)料液比為1:10時(shí)，原花色素提取率為33.27%，料液比繼續(xù)增大對(duì)提取率影響不明顯。所以從節(jié)約成本角度考慮，本實(shí)驗(yàn)選取料液比為1:10。

2.4 超聲波處理時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響

在原料粒度60目，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，料液比1:10的提取條件下，超聲波輔助提取時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響如圖4所示。超聲波振蕩20min時(shí)，原花色素提取率最高，當(dāng)繼續(xù)延長振蕩時(shí)間，原花色素提取率變化不大，而且超聲波時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致溫度升高，影響原花色素的穩(wěn)定性。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on proanthocyanidins yield

2.5 四因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 超聲輔助提取菜籽皮原花色素四因素二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Arrangement of dramatic orthogonal rotation combination design and experimental values of proanthocyanidins yield

采用回歸旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行超聲波輔助提取原花色素的試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

利用SAS軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到菜籽皮原花色素提取率Y與自變量X1、X2、X3和X4的二次回歸方程為：

對(duì)該模型進(jìn)行的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 3 Analysis of variance and significant test for fitted quadratic regression equation

由表3可知，原料粒度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比及超聲時(shí)間4個(gè)因素及其二次項(xiàng)對(duì)提取率的影響均在顯著水平及以上；而各因素之間的交互作用對(duì)提取率的影響不顯著；因變量與自變量之間的多元回歸關(guān)系是高度顯著的(復(fù)相關(guān)系數(shù)R2= 0.9315)，該模型對(duì)Y值變化的描述程度為93.15%，且失擬性檢驗(yàn)結(jié)果為不顯著，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果可靠。刪除不顯著的回歸數(shù)據(jù)項(xiàng)后，其最優(yōu)回歸模型為：

對(duì)以上數(shù)據(jù)用SAS軟件繪出的響應(yīng)面及其等高線圖如圖5～10，該圖形較好地描述了原料粒度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比及超聲時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響過程。

圖5 Y=F(X1,X2)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.5 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ethanol concentration (X2) on proanthocyanidins yield (Y)

圖6 Y=F(X1,X3)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.6 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

圖7 Y=F(X1,X4)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.7 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

圖8 Y=F(X2,X3)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.8 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

圖9 Y=F(X2,X4)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.9 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

圖10 Y=F(X3,X4)響應(yīng)曲面圖及等高線圖Fig.10 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material/liquid ratio (X3) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

從圖5可以看出，X1碼值在－0.6～1.0，X2碼值在－0.6～1.3時(shí)，原花色素提取率達(dá)到最大。圖6表示了在原料粒度不變時(shí)，料液比的增加會(huì)使提取率不斷增大，料液比為1:8時(shí)提取率達(dá)到最大，之后提取率趨于平衡。同樣，當(dāng)料液比一定時(shí)，提取率隨原料粒度先增大后減小，當(dāng)原料粒度為60目時(shí)，提取率較高。由圖7得知，原料粒度不變時(shí)，提取率隨超聲時(shí)間的增加先增大后趨于穩(wěn)定，而超聲時(shí)間一定時(shí)，提取率隨原料粉碎粒度的增加先增大后減小。由圖8可知料液比一定時(shí)，乙醇體積分?jǐn)?shù)增大會(huì)使提取率增大，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)高于60%后提取率趨于穩(wěn)定。圖9顯示超聲時(shí)間一定時(shí)，提取率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大呈先增后減趨勢(shì)。X2碼值在－0.2～0.8，X4碼值－0.3～1.3時(shí)，原花色素提取率可達(dá)到37%。圖10為料液比與超聲時(shí)間對(duì)原花色素提取率的影響。料液比的增大和超聲時(shí)間的延長都有助于原花色素的提取，但料液比高于1:10和超聲時(shí)間大于18min后，提取率不再增大。由此可知，原花色素提取率與上述四個(gè)因素均存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由SAS軟件分析得出各因素最優(yōu)水平組合為：X1=0.17904，X2=0.38168，X3= 1.01768，X4=0.52085，此時(shí)，Y=37.72，即提取率為37.72%。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，近似取X1=0，X2=0.4，X3=1，X4=0.5，即原料粒度60目，乙醇體積分?jǐn)?shù)54%，料液比1:12，提取時(shí)間22.5min。在該條件下，實(shí)驗(yàn)得原花色素平均提取率為37.21%，誤差為1.34%。說明采用四因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)尋求的最佳工藝條件是可行的。

3 結(jié) 論

采用四因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)，得到超聲波輔助法提取菜籽皮原花色素的最佳工藝條件：原料粒度60目，乙醇體積分?jǐn)?shù)54%，料液比1:12，浸提時(shí)間為22.5min，此時(shí)原花色素提取率為37.12%。用傳統(tǒng)溶劑法提取菜籽皮原花色素時(shí)，在料液比1:10，乙醇體積分?jǐn)?shù)50%，溫度55℃，pH5，搖床振蕩2h的條件下，原花色素提取率僅為20%，與其相比超聲輔助波提取法是較為有效的方法。但總體來看，提取率仍然較低，這可能是由于菜籽皮中的原花色素大部分與蛋白質(zhì)和纖維素結(jié)合，而游離原花色素相對(duì)較少。此外菜籽皮中原花色素含量還與菜籽皮的貯存條件有關(guān)，貯存溫度過高或放置過久都會(huì)影響原花色素的提取效果，這些都是進(jìn)一步研究需要解決的問題。

[1] 劉曉軍. 油菜籽加工副產(chǎn)品的開發(fā)利用[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工, 2007(9): 14-15.

[2] 劉葉玲, 王春波. 原花青素的研究進(jìn)展[J]. 社區(qū)醫(yī)學(xué)雜志, 2004, 2(6): 27-29.

[3] JORGE M, SILVA R C, DARMON N, et al. Oxygen free radical scavenger capacity in aqueous models of different procyanidins from grape seeds[J]. J Agric Food Chem, 1991, 39(9): 1549-1552.

[4] DURUKAN A, EVEREKLIOGLU C, HURMERIC V, et al. Ingestion of IH636 grape seed proanthocyanidin extract to prevent selenite-induced oxidative stress in experimental cataract[J]. Journal of Cataract and Refractive Surgery, 2008, 32(6): 1041-1045.

[6] BELCARO G, CESARONE M R, ROHDEWALD P, et al. Prevention of venous thrombosis and thrombophlebitis in long-haul flights with pycnogenol[J]. Clin Appl Thromb Hemost, 2004, 10(4): 373-377.

[7] KIM Y J, PARK H J, YOON S H, et al. Anticancer effects of oligomeric proanthocyanidins on human colorectal cancer cell line, SNU-C4[J].World Journal of Gastroenterology, 2005, 11(30): 4674-4678.

[8] CHRISTIE S, WALKER A F, HICKS S M, et al. Flavonoid supplement improves leg health and reduces fluid retention in pre-menopausal women in a double-blind, placebo-controlled study[J]. Phytomedicine,2004, 11(1): 11-17.

[9] LI Xianhua, XIAO Yunling, GAO Haiqing, et al. Grape seed proanthocyanidins ameliorate diabetic nephropathy via modulation of levels of AGE, RAGE and CTGF[J]. Nephron Exp Nephrol, 2009, 111(2): 31-41.

[10] VOGELS N, NIJS I M, WESTERTERP-PLANTENGA M S. The effect of grape-seed extract on 24 h energy intake in humans[J]. Eur J Clin Nutr. 2004, 58(4): 667-673.

[11] 胡健華, 韋一良, 陸艷, 等. 油菜籽皮中提取原花色素的研究[J]. 中國油脂, 2004(4): 26-28.

[12] 張連富, 牟德華, 杜彥山. 原花青素提取及微膠囊化研究[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā), 2007, 19(4): 657-661.

[13] 李春陽, 許時(shí)嬰, 王璋. 香草醛-鹽酸法測(cè)定葡萄籽、梗中原花青素含量的研究[J]. 食品科學(xué), 2004, 25(2): 157-161.

[14] 李玉山, 王經(jīng)安. 鋸葉棕果中脂肪酸的提取工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2009(3): 202-204.

[15] 王敏, 陸兆新, 呂鳳霞, 等. 響應(yīng)曲面法優(yōu)化酶法提取銀杏葉總黃酮[J]. 食品科學(xué), 2007, 28(3): 117-121.

[16] CARLEY K M, KAMNEVA N Y, REMINGA J. Response surface methodology: CASOS technical report, CMU-ISRI-04-136[R].Pittsburgh: Carnegie Mellon University, 2004.

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Proanthocyanidins from Rapeseed Shell

PAN Li-jun，F(xiàn)AN Ting-ting，JIANG Shao-tong，CAO Li-li
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

TS229

A

1002-6630(2010)10-0047-06

2009-08-10

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD05A12)

潘麗軍(1955—)，女，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品資源綜合利用。E-mail：panlijun1955@163.com