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    板栗殼色素的提取工藝優(yōu)化及其抑菌性能

    2010-10-19 05:25:40周國燕桑迎迎宮春波曹斌宏王愛民
    食品科學(xué) 2010年22期

    周國燕,桑迎迎,宮春波,曹斌宏,王愛民

    (1.上海理工大學(xué)低溫醫(yī)學(xué)與食品冷凍研究所,上海 200093;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266109)

    板栗殼色素的提取工藝優(yōu)化及其抑菌性能

    周國燕1,桑迎迎1,宮春波2,曹斌宏1,王愛民1

    (1.上海理工大學(xué)低溫醫(yī)學(xué)與食品冷凍研究所,上海 200093;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266109)

    用乙醇法和超聲波法從板栗殼中提取色素,并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較,同時(shí)研究板栗殼中色素的抑菌性及其應(yīng)用。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示:超聲波具有省時(shí)、節(jié)能、提取率高等優(yōu)點(diǎn);超聲波協(xié)助提取法的較優(yōu)工藝參數(shù)為乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、超聲波功率200W、作用時(shí)間8min。板栗殼色素對(duì)枯草芽胞桿菌、大腸桿菌、黑曲霉和青霉具有抑制作用對(duì)蘋果汁有一定的防腐效果。

    板栗殼;色素;超聲波;提?。灰志?/p>

    Abstract:Brown pigment was extracted from chestnut shell by both alcohol-method and ultrasound-method. Both methods were analyzed and compared. The antibacterial effect and application of pigment from chestnut shell were also investigated.Results indicated that the ultrasound-method could save time and energy to obtain high extraction efficiency. The optimal conditions for ultrasonic extraction were ethanol concentration of 40% ultrasonic power of 200 W, and extraction time of 8 min.The pigment from chestnut shell had antibacterial effect againstBacillus subtilis,Escherichia coli,ActinomyceteandAspergillus niger. Therefore, the pigment has preservative effect on juice and can be developed to be a natural food preservative.

    Key words:chestnut shell;pigment;ultrasonic;extraction;antibacterial effect

    板栗(Castanea mollissimaBlume)屬山毛櫸科(Fagaceae)植物,為落葉喬木。我國種植板栗已有3000多年的歷史,近年來我國板栗的栽培面積和產(chǎn)量迅猛增加,產(chǎn)量居世界第一。板栗果肉的開發(fā)利用一直受到廣泛關(guān)注,但板栗殼作為加工廢棄物基本上未得到有效開發(fā)與利用。板栗殼中含有一定量的色素物質(zhì),板栗殼色素屬于黃酮類色素[1-2],是一種水溶性好、著色力強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定的天然棕色素,且具有一定的抗氧化和抑菌作用,同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性,是目前世界上并不多見的性質(zhì)穩(wěn)定的天然食用色素之一[3-7],具有很高的開發(fā)價(jià)值。

    天然色素存在于植物組織細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的破碎程度直接影響著提取效率。目前板栗殼色素的提取主要有水溶液提取、堿提取法、乙醇提取、超聲波提取及微波提取法。研究發(fā)現(xiàn)前3種方法提取率較低、耗時(shí),不利于提高生產(chǎn)效益。超聲波提取技術(shù)是利用超聲波的空化作用,提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性[8],加速細(xì)胞內(nèi)色素的溶出。張亞平[9]研究用2.0% NaOH溶液提取板栗殼色素,李紅等[10]用水溶液提取色素3h,吳雪輝等[11]用乙醇提取3h,提取率能達(dá)到50%,但隨著時(shí)間的增加,溶液蒸發(fā)得快,乙醇損失較多。超聲波法提取提取率高、時(shí)間短,但能耗高。應(yīng)用超聲波法提取的研究目前還比較少。李云雁等[2]研究的超聲波法協(xié)助提取板栗殼色素,是在超聲波場中進(jìn)行兩次浸提,每次浸提時(shí)間較長。因介質(zhì)吸收超聲波后將其轉(zhuǎn)化成熱能,導(dǎo)致物料內(nèi)部溫度升高,長時(shí)間的超聲作用使浸提溫度明顯上升,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本研究通過先進(jìn)行超聲提取再進(jìn)行乙醇水浴浸提,大幅縮短超聲提取時(shí)間,減少溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,希望能在醇提的基礎(chǔ)上改進(jìn)提取工藝、縮短時(shí)間、降低成本。

    吳雪輝[12]、李云雁[13]等對(duì)板栗殼色素的抑菌性分別進(jìn)行了研究,但對(duì)不同菌種的抑制作用差別較大,也沒有進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的防腐實(shí)驗(yàn),故本實(shí)驗(yàn)針對(duì)影響食品加工、貯藏的幾種常見菌種重新考察抑菌性,并將板栗殼色素粗提物應(yīng)用到新鮮蘋果汁中考察實(shí)際抑菌效果,系統(tǒng)探討該色素的抑菌性能。為板栗殼色素的開發(fā)利用提供依據(jù),有助于其作為天然有效的食品防腐劑在工業(yè)中應(yīng)用推廣。

    1 材料與方法

    1.1 材料與試劑

    板栗殼(市售板栗剝殼而得,粉碎至50目);蘋果市購;無水乙醇(AR)、可溶性淀粉、KNO3、MgSO4、FeSO4·7H2O 天津市博迪化工有限公司;PDA培養(yǎng)基、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、磷酸氫二鉀(AR) 天津市巴斯夫化工有限公司;瓊脂(BR) 石獅市瓊脂粉加工廠;氯化鈉(AR) 濟(jì)南試劑廠。

    1.2 儀器與設(shè)備

    天孚牌JYT-S架盤藥物天平 常熟市金羊砝碼儀器有限公司;AP250D電子分析天平 奧豪斯國際貿(mào)易(上海)有限公司;LFJ粉碎機(jī) 嵊州市新穎粉碎設(shè)備有限公司;SPX型智能生化培養(yǎng)箱 寧波東南儀器有限公司;DHP-9082培養(yǎng)箱 龍口市先科儀器公司;UV-2100分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;TGL-16C高速臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;UH-1200B超聲波細(xì)胞粉碎儀 天津奧特賽思斯儀器有限公司;DZX-6050B干燥箱 上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;HW.SY21-K6電熱恒溫水浴鍋 北京市長風(fēng)儀器儀表公司;RE52-98真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、LS-B50L立式壓力蒸汽滅菌器 上海華線醫(yī)用核子儀器公司;SQ380-C榨汁機(jī) 上海帥佳電子科技有限公司。

    1.3 方法

    1.3.1 色素的提取

    1.3.1.1 乙醇法提取板栗殼色素

    工藝流程:板栗殼→去雜→干燥→粉碎→乙醇溶液浸提→離心分離→濾液→真空減壓濃縮→干燥→產(chǎn)品。

    將干燥的新鮮板栗殼放入粉碎機(jī)中,粉碎(50目),取適量粉料投入錐形瓶中,加入適量提取劑(乙醇溶液),搖勻,水浴加熱浸提。再用離心機(jī)分離(4000r/min,15min),將所得濾液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮(45℃,真空0.09MPa),濃縮至溶液呈黏稠狀,濃縮液在干燥箱中干燥(60℃)至質(zhì)量恒定。

    影響板栗殼色素提取率的因素很多,板栗殼色素易溶于極性較大的溶劑而不溶或難溶于非極性溶劑[14],試驗(yàn)選取乙醇為萃取劑。通過系列單因素試驗(yàn)和參考相關(guān)文獻(xiàn)[15],選取提取乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)、料液比、水浴溫度、浸提時(shí)間4個(gè)因素,選用L9(34)正交試驗(yàn)表[16],提取樣液稀釋25倍后在277nm波長處測定吸光度,以其吸光度為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn),以確定較優(yōu)工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)因素水平見表1。λmax=277nm作為板栗殼色素吸光度的特征波長[1]。

    表1 乙醇法正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for alcohol extraction method

    據(jù)劉平等[1]繪制出板栗殼色素質(zhì)量濃度C與吸光度A的標(biāo)準(zhǔn)曲線,板栗殼色素在0.012~0.2mg/mL范圍內(nèi),吸光度與質(zhì)量濃度呈良好的線性關(guān)系,其回歸方程為C=0.0695A-0.0001,R2=0.9999。式中:A為吸光度;C為板栗殼色素的質(zhì)量濃度/(mg/mL)。色素提取率計(jì)算式:提取率/%=[CV/(1000m)]×100。式中:V為提取液體積/mL,m為板栗殼粉末用量/g。

    1.3.1.2 超聲波法協(xié)助提取法

    工藝流程:板栗殼→去雜→干燥→粉碎→以乙醇溶液為溶劑,在超聲波場中浸提→水浴浸提→離心分離(4000r/min,15min)→濾液→真空減壓濃縮→干燥→產(chǎn)品。

    向裝有板栗殼粉末的小燒杯中加入適量的乙醇溶液,進(jìn)行攪拌,將燒杯的口部用塑料薄膜封住以防乙醇揮發(fā)。將超聲波探頭插進(jìn)料液內(nèi),探頭不能碰到燒杯壁及底部。在超聲波場中作用后,再進(jìn)行水浴浸提。

    試驗(yàn)選取提取乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率和作用時(shí)間3個(gè)因素,在277nm波長處測定吸光度,以吸光度為指標(biāo)進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn),確定超聲波協(xié)助提取的最佳工藝。正交試驗(yàn)因素水平見表2。

    表2 超聲波法正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for ultrasonic extraction method

    1.3.2 板栗殼提取物的抑菌作用

    1.3.2.1 抑菌譜

    以大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、青霉、黑曲霉、放線菌為指示菌。細(xì)菌菌懸液、霉菌菌懸液的制備:將枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌分別接種到營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基[17]斜面上,黑曲霉、青霉接種到PDA培養(yǎng)基[18]斜面上,放線菌接種到高氏一號(hào)培養(yǎng)基[19]斜面上。細(xì)菌于37℃培養(yǎng)2d,霉菌于28℃培養(yǎng)3d。取活化好的菌種斜面,用無菌生理鹽水配制成(1~10)×106CFU/mL的菌懸液[20],備用。

    濾紙片法測定抑菌作用[21]:用無菌鑷子將滅菌的直徑為11mm的圓形濾紙片分別浸入無菌水、板栗殼提取液、40%的乙醇和5%苯酚溶液中,備用。用滅菌的移液管移取已制備好的菌懸液0.5mL,滴入已經(jīng)倒有相應(yīng)固體培養(yǎng)基的平皿表面,用涂布器使其均勻分布在培養(yǎng)基的表面。用無菌鑷子夾取浸有以上4種液體的濾紙片,放入含菌平皿中,每皿3片。霉菌和放線菌用點(diǎn)種法接種,然后在靠近接種點(diǎn)的周圍放上濾紙片,每皿3片。以上均在無菌工作臺(tái)中操作。在相應(yīng)的溫度下培養(yǎng)一定時(shí)間,觀察抑菌圈的大小,量取抑菌圈直徑,取平均值。

    1.3.2.2 板栗殼色素抑菌作用的應(yīng)用

    取4個(gè)新鮮的蘋果,去皮,榨汁,分裝在4個(gè)三角瓶中,每瓶50mL。板栗殼色素在較低質(zhì)量濃度下有明顯的抑菌作用[13]。向三角瓶中分別加入質(zhì)量濃度為3、2、1、0.5g/100mL的板栗殼色素提取液10mL,對(duì)照試驗(yàn)組用40%的乙醇溶液。用滅好菌的移液管分別吸取0.5mL上述溶液和菌懸液于平板上,用涂布器使其均勻分布在培養(yǎng)基的表面。在相應(yīng)的溫度下培養(yǎng)一定時(shí)間,觀察抑菌作用,以細(xì)菌總數(shù)為指標(biāo)計(jì)數(shù)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 乙醇法提取板栗殼色素正交試驗(yàn)

    表3 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiments for alcohol extraction method

    表4 正交試驗(yàn)方差分析表Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments for alcohol extraction method

    研究報(bào)道板栗殼色素為黃酮類色素[21],易溶于乙醇溶液。從表3可以看出,乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、水浴溫度、浸提時(shí)間均對(duì)板栗殼色素提取率有一定影響。極差分析結(jié)果表明,影響板栗殼棕色素提取的主要因素是提取溫度,次要因素是料液比,再次因素是浸提時(shí)間,影響最小的是乙醇體積分?jǐn)?shù),其最佳組合是A2B1C3D3。因此,從板栗殼中提取棕色素的最佳工藝條件是:乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、料液比1:8(g/mL)、水浴溫度80℃、浸提時(shí)間80min。隨提取溫度、提取時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大,色素的提取率不斷提高。經(jīng)方差分析(表4),水浴溫度對(duì)板栗殼色素提取率的影響最大,且具有顯著性差異。隨提取溫度的上升,色素提取率提高趨勢增大。

    2.2 超聲波協(xié)助提取法正交試驗(yàn)

    表5 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal experiments for ultrasonic extraction method

    由表5可見,乙醇溶液的體積分?jǐn)?shù)、超聲波作用時(shí)間和超聲波功率對(duì)板栗殼色素提取率有一定影響,影響依次為乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲波作用時(shí)間>超聲波功率。在α=0.05下的方差分析顯示以上3個(gè)因素對(duì)色素提取率影響的顯著性不明顯。提取率最高試驗(yàn)是第4組,即A2B1C2,因此最佳的提取工藝參數(shù)為乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、超聲波功率200W、作用時(shí)間8min。在此工藝參數(shù)下提取率較高,為5.94%,且能耗小,提取時(shí)間縮短。

    2.3 乙醇法與超聲波協(xié)助提取法的比較

    超聲波協(xié)助提取是利用超聲波的空化作用,使液體微粒之間發(fā)生猛烈撞擊,提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性,加速細(xì)胞內(nèi)色素的溶出,提高提取效率。在相同的試驗(yàn)條件下,超聲波200W協(xié)助提取8min比僅用乙醇法浸提色素的提取率高了23%,可在較短的時(shí)間內(nèi)從板栗殼中萃取出較多的色素成分,超聲時(shí)間較短,料液溫度變化小,減少浸提時(shí)溫度上升對(duì)浸提率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確。

    從能耗、時(shí)間以及提取劑消耗的經(jīng)濟(jì)角度來看,超聲波具有省時(shí)、節(jié)能、提取率高等優(yōu)點(diǎn),因此超聲波的協(xié)助提取作用較顯著。

    2.4 色素的抑菌作用

    2.4.1 抑菌譜

    濾紙片實(shí)驗(yàn)結(jié)果:40%的乙醇溶液對(duì)6種指示菌無抑制作用。板栗殼色素提取液對(duì)枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、黑曲霉、青霉有抑制作用,其中對(duì)枯草芽孢的抑制作用最為顯著,抑菌順序?yàn)榭莶菅挎邨U菌>青霉>大腸桿菌>黑曲霉。對(duì)金黃色葡萄球菌和放線菌無抑制作用。5%苯酚溶液使微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)變性從而達(dá)到抑菌作用。色素提取液對(duì)枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、青霉的抑制作用強(qiáng)于5%的苯酚溶液。指示菌的抑菌圈直徑見表6。

    表6 指示菌抑菌圈實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Table 6 Comparison on antibacterial effects on experimental bacteria

    2.4.2 板栗殼色素抑菌作用的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    板栗殼提取物中含有黃酮類物質(zhì),這些物質(zhì)的分子中一般都含有鄰位酚羥基,具有與金屬離子絡(luò)合以及與蛋白質(zhì)的強(qiáng)結(jié)合能力,極大地影響到微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和細(xì)胞代謝的活動(dòng),因此具有抑菌性能[22]。提取液應(yīng)用于蘋果汁中,由表7可見,隨著提取物溶液質(zhì)量濃度的增加,其抑菌作用越明顯。可見板栗殼提取物在較低質(zhì)量濃度下就有較明顯的抑菌作用,在3g/100mL的質(zhì)量濃度下可基本達(dá)到抑菌,是一種較有效的天然抑菌劑。

    表7 不同質(zhì)量濃度下的細(xì)菌總數(shù)Table 7 Total bacterial counts at different concentration conditions

    3 結(jié) 論

    乙醇法和超聲波法都可從板栗殼中提取棕色素,但是超聲波法比乙醇法具有更大的優(yōu)勢,省時(shí)、節(jié)能、提取率更高。板栗殼色素提取的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、料液比1:8(g/mL)、水浴溫度80℃、浸提時(shí)間80min,超聲波功率200W、作用時(shí)間8min。

    大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、青霉是食品生產(chǎn)、加工和貯藏過程中常見的腐敗菌種,板栗殼色素對(duì)其生長均有一定的抑制作用,其中對(duì)枯草芽孢桿菌的抑制作用最顯著,且低濃度下抑菌明顯,說明板栗殼色素具有良好的抑菌作用。板栗殼提取物中含有黃酮類物質(zhì),應(yīng)用到蘋果汁中,質(zhì)量濃度3g/100mL的色素提取液可有99.86%的抑菌率,抑菌效果明顯且無毒副作用,可作為天然的抑菌劑。

    有研究表明,板栗殼色素有很好的熱穩(wěn)定性,經(jīng)高溫處理后,抑菌效果未發(fā)生明顯的改變,且色素水溶液對(duì)光、熱及氧化劑和還原劑的耐受力較強(qiáng)。我國板栗殼資源豐富,板栗殼色素不僅是天然色素,還有抑菌作用,無毒副作用,是值得大力推廣使用的的天然色素和食品防腐劑。

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    Optimal Extraction Parameters and Antibacterial Properties of Pigment from Chestnut Shell

    ZHOU Guo-yan1,SANG Ying-ying1,GONG Chun-bo2,CAO Bin-hong1,WANG Ai-min1
    (1. Institute of Cryo-medicine and Food Refrigeration, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

    TS202.3

    A

    1002-6630(2010)22-0101-05

    2010-07-05

    國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(50206013);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(S30503)

    周國燕(1970—),女,副教授,博士,研究方向?yàn)槭称防鋬隼洳睾蜕餆嵯到y(tǒng)。E-mail:efly_snow@163.com

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