王華斌 包曉瑋 韓海霞 張瑞廷 傅 力
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)
新疆石榴皮多酚提取工藝研究
王華斌 包曉瑋 韓海霞 張瑞廷 傅 力
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)
以新疆石榴皮為原料,采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)對(duì)超聲波輔助提取石榴皮多酚工藝進(jìn)行研究。對(duì)提取溶劑種類(lèi)、乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間、超聲波功率等影響多酚得率的因素進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明,其最佳提取工藝條件為乙醇濃度50%,料液比 (m∶V)1∶25,超聲時(shí)間30min,超聲波功率360W。在此優(yōu)化條件下,石榴皮多酚得率達(dá)到(21.22±0.06)%。
石榴皮;多酚;超聲波輔助提??;二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)
石榴 (punicagranatum L.)又名若榴、丹若、天漿,是石榴科(Punicaceae)石榴屬(PunicaL.)植物,果實(shí)美觀鮮艷、營(yíng)養(yǎng)豐富[1]。石榴是新疆主要果樹(shù)之一,主要分布在南疆喀什,和田等地區(qū)[2],其品種有酸石榴、甜石榴、大籽甜石榴、實(shí)生石榴和酸甜石榴[3]。據(jù)2008年統(tǒng)計(jì),新疆石榴種植面積達(dá)1.766萬(wàn)hm2,產(chǎn)量7.1萬(wàn)t,產(chǎn)值達(dá)35 322.96萬(wàn)元,居中國(guó)首位。石榴加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的石榴皮,若不加以綜合利用,不僅造成資源浪費(fèi),而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
植物多酚(plant polyphenol)是一類(lèi)廣泛存在于植物體內(nèi)的大分子化合物,主要存在于植物的皮、根、木、葉、果中,植物多酚因其羥基取代的高反應(yīng)性和吞噬自由基的能力而有很好的抗氧化活性[4]。石榴皮為石榴加工的副產(chǎn)物,富含多酚類(lèi)物質(zhì),在干皮中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%~21%。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外大量研究[5]表明,石榴皮多酚不僅具有顯著的抗氧化和清除自由基作用,還具有抑制低密度脂蛋白膽固醇的氧化、防止動(dòng)脈粥樣硬化,降血脂,抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶活性、降血壓,抑制乳腺癌、前列腺癌和口腔癌等癌細(xì)胞的增生,保護(hù)胃黏膜、降低胃潰瘍發(fā)病率等功能。因此,石榴皮多酚有望在食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
目前關(guān)于石榴皮生物活性方面的研究較多,但對(duì)于石榴皮多酚提取方面的研究較少。本試驗(yàn)對(duì)超聲波輔助提取石榴皮多酚工藝進(jìn)行研究,以期為石榴皮多酚進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。
1
石榴皮粉:新疆喀什新鮮石榴皮曬干后粉碎,過(guò)60目篩。
沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品:天津一方科技有限公司;
無(wú)水乙醇:分析純,天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司;
丙酮、乙酸乙酯:分析純,天津永晟精細(xì)化工有限公司;
甲醇、碳酸鈉、鹽酸、磷酸:分析純,西安化學(xué)試劑廠;
鎢酸鈉、鉬酸鈉:分析純,天津化學(xué)試劑三廠;
硫酸鋰:分析純,天津金匯太亞化學(xué)試劑有限公司;
溴:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):TU-1810,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;
超聲波藥品處理機(jī):JBT/C-YCL400T/3P(D),濟(jì)寧金百特工程機(jī)械有限公司;
旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:RE-85C,上海青浦滬西儀器廠;
循環(huán)水式多用真空泵:SHB-Ⅲ,鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;
高速臺(tái)式離心機(jī):TGL-10C,上海安亭科學(xué)儀器廠;
電熱恒溫水浴鍋:HWS26,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。
1.2.1 多酚含量的測(cè)定 采用Folin-Ciocalteu比色法[6]。
(1)福林試劑(FC試劑)的配制:參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行。
(2)多酚標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:稱(chēng)取沒(méi)食子酸0.025 0g,用蒸餾水溶解并定容至1 000mL,得濃度為0.025mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)液。準(zhǔn)確吸取0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0,6.0mL置于25mL的棕色容量瓶中,分別加入FC試劑1.0mL,混勻,在0.5~8min內(nèi)加入15%的 Na2CO3溶液4mL,充分混合后定容,30℃避光放置1h,以不加標(biāo)準(zhǔn)液的溶液為空白對(duì)照,在765nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。以沒(méi)食子酸在反應(yīng)體系中的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=94.352 9x+0.033,R2=0.999 3。
(3)石榴皮多酚得率的計(jì)算:將石榴皮提取液定容至一定體積后,取1mL置于25mL的棕色容量瓶中,按1.2.1(2)標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法測(cè)定樣品反應(yīng)液在765nm波長(zhǎng)下測(cè)其吸光值,用回歸方程計(jì)算多酚含量。多酚得率按式(1)計(jì)算:
1.2.2 石榴皮多酚提取的工藝流程
新鮮石榴皮→干燥→粉碎→過(guò)篩(60目)→超聲波輔助提取→過(guò)濾→減壓蒸餾濃縮→離心(2 500r/min,10min)→定容→測(cè)定多酚得率
1.2.3 提取方法和提取溶劑的選擇 分別以體積分?jǐn)?shù)為60%的甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯溶液作為提取溶劑,采用浸提法(時(shí)間1h,溫度40℃,料液比 (m∶V)1∶20)和超聲波輔助提取法(時(shí)間30min,溫度40℃,料液比 (m∶V)1∶20,功率360W,頻率42kHz)進(jìn)行試驗(yàn),考察采用不同溶劑、不同提取方法對(duì)石榴皮多酚得率的影響。
1.2.4 石榴皮多酚提取工藝的優(yōu)化 以乙醇濃度、料液比、提取時(shí)間、超聲波功率4因素為考察因子,多酚提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸(1/2實(shí)施)設(shè)計(jì)優(yōu)化石榴皮多酚的提取工藝。
由圖1可知,采用所選溶劑,超聲波輔助提取的效果優(yōu)于溶劑浸提法。這是由于超聲波使液體發(fā)生空化作用,物料周?chē)昭ǖ男纬?、增大和閉合會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力,使細(xì)胞破碎,增加有效成分的溶出速度和數(shù)量,從而提高有效成分的浸提率和縮短浸提時(shí)間[8-9]。兩種提取方法對(duì)多酚提取效果均為丙酮>甲醇>乙醇>乙酸乙酯。在60%丙酮溶液中采用超聲波輔助提取多酚得率最高;其次是60%甲醇溶液;再次為60%乙醇溶液??紤]價(jià)格和安全性因素,選擇乙醇為提取溶劑。以下試驗(yàn)均采用超聲波輔助提取法。
圖1 不同溶劑對(duì)多酚得率的影響Figure 1 Effects of different solvents extraction on polyphenol yield
2.2.1 四元二次回歸方程的建立與檢驗(yàn) 通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定各因素的水平取值(見(jiàn)表1)。二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平?Table 1 Factors and levels of the experiment
通過(guò)DPS V6.50軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合計(jì)算各項(xiàng)回歸系數(shù),得到石榴皮多酚得率與乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間、超聲波功率4因子的數(shù)學(xué)回歸模型(式(2)):
對(duì)模型方程中的多項(xiàng)式進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果如表3所示。
表2 二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Design and results of quadric regression orthogonal rotational experiment
表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析?Table 3 Variance analysis of experimental results
由表3可知:回歸方程的失擬性檢驗(yàn)F1=5.240<F0.05(2,3)=9.55不顯著,可以認(rèn)為所選用的二次回歸模型是適當(dāng)?shù)模貧w方程的顯著性檢驗(yàn)F2=10.932>F0.01(14,5)=9.77極顯著,說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值吻合性良好,模型成立。對(duì)回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn):在α=0.05顯著水平剔除回歸方程中不顯著項(xiàng)后得到優(yōu)化后的方程:
從方差分析表中各回歸系數(shù)的顯著水平P可以看出,乙醇濃度(X1),料液比(X2),超聲時(shí)間(X3),超聲波功率(X4),對(duì)提取石榴皮多酚得率在α=0.05水平顯著。各個(gè)因素對(duì)石榴皮多酚得率提取影響大小順序?yàn)椋撼暡üβ剩玖弦罕龋境晻r(shí)間>乙醇濃度。
石榴皮多酚得率與乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間及超聲波功率的相關(guān)指數(shù)R2=回歸平方和/總平方和=96.83,表明該數(shù)學(xué)模型4個(gè)因素對(duì)得率的影響占96.83%,而其它因素的影響和誤差占3.17%。
2.2.2 各單因素對(duì)提取率的影響 由回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知,各參試因素對(duì)石榴皮多酚得率均有顯著影響。采用降維分析法,對(duì)各參試因素進(jìn)行單因子效應(yīng)影響分析見(jiàn)圖2。
圖2 各因素對(duì)多酚得率的影響Figure 2 Effects of every factor on polyphenols yield
將其它因素定在零水平上,各單因素對(duì)石榴皮多酚得率影響程度各有不同。超聲波功率對(duì)石榴皮多酚得率提影響最大,其次是料液比和超聲時(shí)間,而乙醇濃度對(duì)石榴皮多酚得率影響最小。石榴皮多酚得率隨著各因素的變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。
2.2.3 雙因素交互作用分析 運(yùn)用surfer 8作圖軟件,依據(jù)各因素X1、X2、X3、X4對(duì)其響應(yīng)值(Y)所構(gòu)成的三維空間的曲面圖,可反映各因素對(duì)其響應(yīng)值的影響。本試驗(yàn)所建立的模型中X1X2(乙醇濃度與料液比)、X3X4(超聲時(shí)間與超聲波功率)兩交互項(xiàng)達(dá)顯著水平,固定兩個(gè)因素在0水平上,研究另兩個(gè)因素間的交互作用,根據(jù)所作的三維空間曲面圖,分析乙醇濃度與料液比、超聲時(shí)間與超聲波功率交互作用對(duì)石榴皮多酚得率的影響。
由圖3可知,在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨著乙醇濃度的增大石榴皮多酚得率先增后減,最優(yōu)的乙醇濃度范圍應(yīng)在-1.5~-0.5水平(實(shí)際值乙醇濃度在45%~55%)之間;石榴皮多酚得率隨著料液比的增加而增加,最優(yōu)的料液比范圍應(yīng)在0.5~1.5水平(實(shí)際值1∶22.5~1∶27.5)之間。
圖3 乙醇濃度(X1)與料液比(X2)交互作用響應(yīng)面和等高線圖Figure 3 Response surface plots and coutour plots of flavonoids yield as a function of ethanol concentration(%)and Solid-Liquid Ratio(mL/g)obtained from reduced codified model
由圖4可知,石榴皮多酚得率隨著超聲時(shí)間與超聲波功率增加呈先增后減的趨勢(shì)。最優(yōu)的超聲時(shí)間范圍應(yīng)在0~0.5水平(實(shí)際值30~35min)之間;最優(yōu)超聲波功率范圍應(yīng)在0~0.5水平(實(shí)際值360~380W)之間。
2.2.4 超聲波輔助提取工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn) 試驗(yàn)表明,X在-1.682~1.682范圍內(nèi),每個(gè)影響因子對(duì)于石榴皮多酚得率都有一個(gè)最佳穩(wěn)定的條件,因此,可以在試驗(yàn)范圍內(nèi)尋找到最優(yōu)點(diǎn),得到乙醇濃度50%(-1水平)、料液比1∶25(1水平)、超聲時(shí)間30min(0水平)、超聲波功率360W (0水平)。此時(shí),模型預(yù)測(cè)的最高石榴皮多酚得率為21.45%。
對(duì)該優(yōu)化條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,在最佳的工藝條件下進(jìn)行5組平行試驗(yàn),所得石榴皮多酚得率平均值為(21.22±0.06)%,與回歸方程所得到的預(yù)測(cè)值接近。由此表明,試驗(yàn)中所設(shè)模型與實(shí)際情況基本一致,回歸模型可靠。
采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)方法研究了乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間、超聲波功率對(duì)石榴皮多酚得率的影響,建立了石榴皮多酚提取條件的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。所得回歸方程與實(shí)際情況擬合良好。
圖4 超聲時(shí)間(X3)與超聲波功率(X4)交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖Figure 4 Response surface plots and coutour plots of flavonoids yield as a function of ultrasonic treating time(min)and ultrasonic power(W)obtained from reduced codified model
石榴皮多酚提取的最佳工藝參數(shù)為:溶劑為乙醇濃度50%,料液比(m∶V)1∶25,超聲時(shí)間30min,超聲波功率360W。該條件下,石榴皮多酚得率達(dá)到(21.22±0.06)%。
1 李志洲.微波輔助提取石榴葉中多酚類(lèi)物質(zhì)的工藝[J].食品與機(jī)械,2009,25(4):72~75.
2 尹燕雷,任建輝,何天明,等.新疆的石榴栽培狀況[J].落葉果樹(shù),2006(6):15~16.
3 劉文江.新疆石榴(Punica L.)資源及其開(kāi)發(fā)利用[J].干旱區(qū)研究,2007,24(2):219~222.
4 曾獻(xiàn),袁英姿,曹清明,等.油茶籽多酚的提取研究[J].食品與機(jī)械,2008,24(4):69~72.
5 宋薇薇,焦士蓉,周佳,等.石榴果皮多酚的微波輔助提取及提取物抗氧化與抑菌作用研究[J].現(xiàn)代食品科技,2008,24(l):23~27.
6 Singleton V L,Rossi J A.Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents[J].Am.J.E-nol.Vitic.,1965(16):144~158.
7 國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典2005版(第二部)[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1 113.
8 屈平,胡傳榮.超聲波輔助提取苦荊茶中多酚類(lèi)物質(zhì)的研究[J].食品與機(jī)械,2007,23(2):15~17.
9 于亞莉,高峰,劉靜波,等.超聲波法提取花生殼中多酚類(lèi)物質(zhì)的研究[J].食品科學(xué),2007,28(11):257~260.
Study on extraction technology of polyphenol from Xinjiang pomegranate peel
WANG Hua-bin BAO Xiao-wei HANHai-xia ZHANG Rui-tingFU Li
(College of Food Sciences and Pharmaceutical Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,Xinjiang830052,China)
The experiment of ultrasonic-assisted extraction of polyphenols from Xinjiang pomegranate peel was conducted by the quadratic general rotation combination design.The four parameters which were ethanol concentration,solid-liquid ratio,ultrasonic treating time and ultrasonic power were researched for higher yield of polyphenol.The optimum extraction conditions were that the concentration of ethanol 50%,the ratio of solid to liquid(m∶V)1∶25,the time of extraction 30min,the ultrasonic power 360W.Under the above mentioned conditions,the polyphenols yield of pomegranate peel can reach(21.22±0.06)%.
pomegranate peel;polyphenol;ultrasonic-assisted extraction;the quadratic general rotation combination design
10.3969 /j.issn.1003-5788.2010.05.040
國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào):2007BAD36B04)
王華斌(1979-),男,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。E-mail:huaxue77@sina.cn
傅力
2010-05-20