鹵地菊多糖超聲波提取工藝技術(shù)及其卷煙保潤(rùn)性

黃芳芳，蔣 健，李雪青，張 洋，楊 君，張安強(qiáng)*，孫培龍

1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，杭州市轉(zhuǎn)塘區(qū)科海路118號(hào) 310008

2.浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，杭州市下城區(qū)潮王路18號(hào) 310014

鹵地菊（學(xué)名：Wedelia prostrata）為菊科蟛蜞菊屬植物，是一種常見(jiàn)于沿海地區(qū)的草本植物。也是典型的中草藥之一，通常全草入藥，主要產(chǎn)地為舟山（普陀）、瑞安（北麂島）和平陽(yáng)（南麂列島）。植物中的多糖，由于其細(xì)胞或組織外大多會(huì)有脂質(zhì)包圍，因此在提取前需要先用甲醇-氯仿、石油醚、丙酮等除去脂溶性雜質(zhì)，再用乙醇除去小分子干擾成分等預(yù)處理。常用的植物多糖的提取方法有水提-醇沉法、超聲法、微波提取法、酶解法等。水提-醇沉法是利用多糖溶于水而在乙醇中溶解度低的特性提取植物多糖的方法，成本較低，但提取時(shí)間較長(zhǎng)，多糖易損失。超聲技術(shù)是多糖高效提取的輔助新方法，利用高頻振蕩產(chǎn)生的空化作用、熱力學(xué)作用及機(jī)械作用造成植物組織內(nèi)部細(xì)胞壁和整個(gè)生物體破裂，從而釋放出多糖；具有操作簡(jiǎn)便快捷、節(jié)約溶劑等優(yōu)點(diǎn)［1］。植物多糖分子中含有多個(gè)羥基，具有良好的保濕保潤(rùn)作用［2-4］。已有植物多糖及其衍生物作為保潤(rùn)劑應(yīng)用于煙草的研究報(bào)道［5-6］，如，劉洋等［7］研究了仙人掌多糖對(duì)煙葉表面潤(rùn)濕性、煙絲保潤(rùn)性以及卷煙感官舒適度的影響，結(jié)果表明仙人掌多糖能夠減緩卷煙中水分散失的速度，具有較好的煙絲保濕性。未見(jiàn)鹵地菊多糖作為保潤(rùn)劑在卷煙中的應(yīng)用報(bào)道。為此，通過(guò)優(yōu)化超聲波提取工藝，提高了鹵地菊多糖的提取率，并研究了鹵地菊多糖對(duì)卷煙的保潤(rùn)性能，為其在卷煙中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

鹵地菊（Wedelia prostrata），購(gòu)買于福建莆田市，經(jīng)浙江省林科院洪利興教授鑒定；煙絲（云南烤煙樣品），浙江中煙工業(yè)有限公司提供。

蒸餾水（實(shí)驗(yàn)室制備）、濃硫酸（AR，深圳西隴化工）；苯酚、乙醇、丙二醇（AR，安徽食特食品有限公司）。

FS-1200 型超聲波細(xì)胞破碎器（上海生析超聲儀器有限公司）；V-1800PC 型可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海美譜達(dá)儀器有限公司）；SHB-Ⅲ-A 型循環(huán)水真空泵（杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司）；CR21GⅡ型高速冷凍離心機(jī)（日本日立儀器有限公司）；AL104 型電子天平（感量：0.0001 g，上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；ALPHA2-4LD plus型真空冷凍干燥機(jī)（德國(guó)Christ 公司）；HWS-150 型恒溫恒濕箱（上海森信儀器有限公司）；DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 鹵地菊多糖的提?。?］

為應(yīng)用方便，將鹵地菊全草放入60 ℃干燥箱中烘干24 h，將烘干后樣品截成約1 cm 左右的小段。粉碎后用85%乙醇90 ℃浸提2 h，除去單糖、寡糖和脂肪等小分子物質(zhì)。蒸發(fā)除去固形物中的乙醇并于40 ℃烘干，稱取一定量的上述樣品于燒杯中，以蒸餾水為提取劑，按照一定的料液比、時(shí)間和功率，放入超聲波細(xì)胞破碎器中提取。將所得提取液過(guò)濾、以8000 r/min 的轉(zhuǎn)速高速離心15 min，50 ℃真空濃縮后，用85%的乙醇醇沉。將醇沉液以8000 r/min 的轉(zhuǎn)速高速離心10 min，取下層醇沉物，經(jīng)冷凍干燥后稱量。配成水溶液測(cè)定其多糖的含量。

1.2.2 超聲提取正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［9-12］

影響鹵地菊多糖提取率的主要因素為提取次數(shù)、時(shí)間、超聲功率和液料比。為了提高多糖提取率，依據(jù)各因素的單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果選擇對(duì)多糖提取工藝有影響的主要因素設(shè)計(jì)4 因素3 水平的正交實(shí)驗(yàn)，提取液依次經(jīng)過(guò)濾、離心、濃縮、醇沉和溶解等步驟后得到鹵地菊粗多糖，計(jì)算提取率，以確定最佳條件。

1.2.3 鹵地菊多糖對(duì)卷煙保潤(rùn)性能的影響

1.2.3.1 樣品保濕率的測(cè)定［13-15］

稱取5 g 鹵地菊多糖，精確至0.1 g，用蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液；置于稱量皿中，不加蓋放入含有38%濃硫酸的干燥器中，再放入溫度為（22±1）℃，濕度為（40±2）%的恒溫恒濕箱中。定時(shí)測(cè)定樣品的質(zhì)量，根據(jù)差值計(jì)算該樣品的保濕率。同時(shí)，以等量的蒸餾水和5%丙二醇水溶液作對(duì)照。

式中：M0——樣品水溶液的初始質(zhì)量；M——某時(shí)刻樣品水溶液的即時(shí)質(zhì)量。

以各時(shí)間點(diǎn)為橫坐標(biāo)，樣品保濕率為縱坐標(biāo)，可得樣品的保濕率隨時(shí)間的變化曲線。

1.2.3.2 煙絲保潤(rùn)性能的測(cè)定［6-7,14-17］

稱取250 g 煙絲置于托盤中，放入溫度為(22±1) ℃、濕度為(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h；將處理好的煙絲密封保存。稱取一定量的鹵地菊粗多糖，用蒸餾水配成水溶液，均勻噴灑到已經(jīng)過(guò)平衡的煙絲樣品上（樣品質(zhì)量∶煙絲質(zhì)量=1∶100），以等量的蒸餾水和同濃度的丙二醇溶液做對(duì)照。將各組處理好的煙絲置于溫度為(22±1) ℃、濕度為(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡36 h。

將平衡好的3 組煙絲樣品，每組均分成4 份，置于稱量皿中。其中，每組取出兩份樣品直接放入105 ℃的烘箱中，加熱至樣品恒重，冷卻后稱量，根據(jù)前后質(zhì)量的變化，得出各加樣煙絲的初始含水率，取平均值作為該組樣品的初始含水率(w0)。

式中：m0——烘干前煙絲樣品的質(zhì)量；m——烘干后煙絲樣品的質(zhì)量。

每組取兩份樣品，準(zhǔn)確稱量后放入濕度為40%、含有38%濃硫酸的干燥器中，濃硫酸干燥器置入溫度為(22±1) ℃，濕度為(40±2)%的恒溫恒濕箱中。定時(shí)稱量煙絲，直至恒重。煙絲含水量在前期變化較快，因而前兩天每4 h 稱量一次，之后每隔24 h 稱量一次。綜合煙絲的干質(zhì)量、平衡后質(zhì)量和即時(shí)質(zhì)量，計(jì)算樣品的即時(shí)含水率(w)，最終以時(shí)間為橫坐標(biāo)、含水率為縱坐標(biāo)，作出煙絲含水率隨時(shí)間的變化曲線。

式中：w——煙絲的即時(shí)含水率，m2——某時(shí)間點(diǎn)樣品的即時(shí)質(zhì)量，w0——樣品的初始含水率，m1——樣品的初始質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及多糖含量的測(cè)定（苯酚-硫酸法）［18］

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

苯酚-硫酸法是利用多糖在硫酸的作用下先水解成單糖，并迅速脫水生成醛糖衍生物，然后與苯酚生成橙黃色化合物，其吸光度的大?。∣D 值）即表征多糖的含量。精確稱取0.5000 g 無(wú)水葡萄糖置于100 mL 容量瓶中，加蒸餾水定容至100 mL，搖勻；精確量取1 mL 溶液置于50 mL 容量瓶中，以蒸餾水定容；分別量取0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 和1.2 mL 樣液置于具塞試管中，每個(gè)樣品3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)；每支試管補(bǔ)加蒸餾水至2 mL，空白試管加2 mL 蒸餾水；精確量取1 mL 樣品，加入1 mL 蒸餾水、1 mL 6%苯酚及5 mL 濃硫酸，搖勻，室溫放置20 min，30 ℃水浴20 min，用分光光度計(jì)在490 nm 處測(cè)量吸光度。以葡萄糖含量為橫坐標(biāo)、吸光度值為縱坐標(biāo)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1 所示。標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為：Y=13.12X+0.0042，相關(guān)系數(shù)R2=0.9984，具有良好的線性關(guān)系。

圖1 多糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.1.2 多糖提取率計(jì)算

取鹵地菊粗多糖樣品加蒸餾水溶解，定容至500 mL；再取1 mL 稀釋定容至50 mL；精確量取1 mL 樣品，加入1 mL 蒸餾水、1 mL 6%苯酚及5 mL 濃硫酸，搖勻，室溫放置20 min，30 ℃水浴20 min，用分光光度計(jì)在490 nm 處測(cè)量吸光度。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線可得粗多糖樣品中多糖的含量，通過(guò)計(jì)算可得多糖的提取率，并以多糖提取率為指標(biāo)，確定鹵地菊多糖的最佳提取工藝。

2.2 超聲提取單因素對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響

2.2.1 提取時(shí)間

精確稱取4 g 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鹵地菊全草樣品，控制提取次數(shù)為1 次，超聲波功率為360 W，料液比為1∶20，考察提取時(shí)間對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響，提取時(shí)間梯度分別為10,20,30 和40 min，結(jié)果見(jiàn)圖2。多糖提取率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，但在提取時(shí)間超過(guò)30 min 后略有下降。這可能是提取時(shí)間在20 min 之前，鹵地菊干細(xì)胞逐漸吸水，超聲波的震動(dòng)和空化作用不強(qiáng)，只有少量細(xì)胞破碎，多糖提取率相對(duì)較低。20 min 后細(xì)胞吸水完成，超聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)和空化作用，細(xì)胞破裂，加速多糖的溶出，從而有利于多糖的提取。30 min后多糖得率略有下降的原因可能是長(zhǎng)時(shí)間的超聲振蕩使多糖大分子的糖苷鍵斷裂，導(dǎo)致多糖降解，其得率下降［19］。因此，選取提取時(shí)間為30 min。

圖2 提取時(shí)間對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響

2.2.2 超聲波功率

精確稱取4 g 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鹵地菊全草樣品，控制提取時(shí)間為30 min，提取次數(shù)為1 次，料液比為1∶20，考察超聲波功率對(duì)提取率的影響，超聲波功率梯度分別為240,360,480 和600 W，結(jié)果見(jiàn)圖3。超聲波功率較低時(shí)，提取率隨功率的增大而增大；當(dāng)功率達(dá)到360 W時(shí)，提取率達(dá)到最大；而隨超聲波功率繼續(xù)增大，鹵地菊多糖的提取率有所下降。這是因?yàn)槌曒o助提取的原理是利用超聲波產(chǎn)生的“空化效應(yīng)”和機(jī)械作用使細(xì)胞壁破碎并使胞內(nèi)的多糖溶出，在一定超聲功率范圍內(nèi)，提高超聲功率有利于促進(jìn)細(xì)胞壁的破裂和溶液的傳質(zhì)作用，從而提高多糖提取率；當(dāng)超過(guò)某一臨界值時(shí)，超聲波產(chǎn)生的高強(qiáng)度剪切力引起部分多糖產(chǎn)物降解，從而導(dǎo)致多糖提取率下降。超聲波功率為360 W 較為合適。

圖3 超聲波功率對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響

2.2.3 料液比

精確稱取4 g 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鹵地菊全草樣品，控制提取時(shí)間為30 min，提取次數(shù)為1 次，超聲波功率為360 W，考察料液比對(duì)提取率的影響，料液比梯度分別為1∶10,1∶20,1∶30 和1∶40，結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著溶劑用量的增大，鹵地菊細(xì)胞充分吸水，有利于對(duì)超聲波的吸收和細(xì)胞的破碎，細(xì)胞內(nèi)部多糖物質(zhì)更容易向外擴(kuò)散，多糖得率增加。當(dāng)料液比為1∶30 時(shí)提取率達(dá)到最大；之后隨著溶劑用量的繼續(xù)增大，提取率略微下降。這是因?yàn)槿軇┯昧刻髸r(shí)單位體積受到的超聲作用變小，從而影響提取率。所以，料液比1∶30 時(shí)較為適宜。

圖4 料液比對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響

2.2.4 提取次數(shù)

精確稱取4 g 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鹵地菊全草樣品，控制提取時(shí)間為30 min，超聲波功率為360 W，料液比為1:20，考察超聲波提取次數(shù)對(duì)提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 可知，鹵地菊多糖的提取率隨提取次數(shù)的增加而增加，直到趨于平緩。提取次數(shù)上升到兩次時(shí)，鹵地菊多糖即有較高的得率；提取次數(shù)再增多，鹵地菊多糖得率提高不明顯。因此，提取次數(shù)為兩次較為合適。

2.3 超聲提取正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

采用L9（34）正交法對(duì)鹵地菊多糖提取工藝進(jìn)行研究（表1），正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和方差分析結(jié)果分別見(jiàn)表2 和表3。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)極差分析和方差分析結(jié)果可知，各種因素對(duì)提取效果的影響順序?yàn)椋篈>C>D>B。其中A的影響效果最為顯著，但k2和k3相差不大，從節(jié)約成本的方面考慮，提取次數(shù)為兩次；B,C 和D 的影響效果一般，且都是k2最高。因此，鹵地菊多糖超聲波提取的最佳條件為A2B2C2D2。即提取次數(shù)為兩次，每次提取時(shí)間為30 min，超聲波功率為360 W，料液比為1∶20。

圖5 提取次數(shù)對(duì)鹵地菊多糖提取率的影響

表1 鹵地菊多糖提取L9（34）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 鹵地菊多糖超聲波提取的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 鹵地菊多糖超聲波提取正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果

2.4 樣品的保濕率

鹵地菊多糖、丙二醇溶液在溫度22 ℃、濕度40%條件下保濕率隨時(shí)間的變化曲線如圖6 所示。相對(duì)于蒸餾水對(duì)照組，鹵地菊多糖在各時(shí)段都能夠明顯減緩水分散失的速度，顯著提高保濕率，這可能是由于鹵地菊多糖分子中含有能和水分子形成氫鍵的羥基，因而具有一定的保濕效果；與丙二醇對(duì)照組相比，12 h 之前鹵地菊多糖的保濕率略高于丙二醇，12 h 之后較明顯高于丙二醇。

圖6 鹵地菊多糖與丙二醇的保濕率曲線

鹵地菊粗多糖由果糖和葡萄糖構(gòu)成，主鏈由β-型果糖（該重復(fù)單元的分子量為2.4 kDa）以26 位連接或其他形式的鍵相連接［19］。鹵地菊多糖分子中存在大量羥基等基團(tuán)，并相互交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)上推測(cè)，具有較好的持水性能。

2.5 鹵地菊多糖對(duì)煙絲保潤(rùn)性能的影響

添加了不同物質(zhì)的3 組加樣煙絲的初始含水率分別為：鹵地菊多糖樣品12.89%，丙二醇12.94%，蒸餾水12.84%。樣品煙絲含水率隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖7。由圖7 可知，前24 h 內(nèi)，鹵地菊多糖與丙二醇樣品的含水率相當(dāng)，但是均明顯大于蒸餾水樣品，表明前期鹵地菊多糖和丙二醇都能夠比較顯著地減少水分的散失，起到保潤(rùn)的效果。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，3 組樣品的含水率都趨于穩(wěn)定，添加鹵地菊多糖的煙絲含水率為9.28%，添加丙二醇的為8.67%，添加水的為7.80%；添加鹵地菊多糖樣品的煙絲含水率下降了3.61%，添加丙二醇的煙絲含水率下降了4.27%，前者含水率的降幅比后者低18.28%左右。其原因可能是：①丙二醇是小分子物質(zhì)，與水的結(jié)合僅僅依靠氫鍵；而多糖為大分子物質(zhì)，且其分子中含有多種親水基團(tuán)，與水結(jié)合的氫鍵數(shù)量比丙二醇要多，結(jié)合更加牢固。②從物理結(jié)構(gòu)來(lái)看，多糖的鏈狀結(jié)構(gòu)能有效地使其分子間結(jié)合，形成具有更強(qiáng)持水能力的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，鹵地菊多糖的保潤(rùn)效果優(yōu)于丙二醇。

圖7 鹵地菊多糖和丙二醇對(duì)煙絲含水率變化的影響

3 結(jié)論

①通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定的超聲提取鹵地菊多糖的最佳工藝條件為：提取次數(shù)兩次，每次提取時(shí)間為30 min，超聲波功率為360 W，料液比1∶20。②鹵地菊多糖樣品保濕率在12 h 之后明顯高于丙二醇，說(shuō)明其能減緩失水速率；長(zhǎng)時(shí)間低濕度條件下，添加5%鹵地菊多糖的煙絲含水率的降幅比添加丙二醇的煙絲低18.28%左右，證明鹵地菊多糖的保濕性能比丙二醇高，能有效地減緩卷煙中水分的散失。因此鹵地菊多糖具有開(kāi)發(fā)為新型卷煙保潤(rùn)劑的潛力。

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