組合超聲波輔助葛根黃酮與多糖同時提取技術研究

馬曉珂,王振斌,*,王 璽,夏 蓉,夏榮光

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江恒順生物工程有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.句容茅寶葛業(yè)有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

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組合超聲波輔助葛根黃酮與多糖同時提取技術研究

馬曉珂1,王振斌1,*,王 璽1,夏 蓉2,夏榮光3

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江恒順生物工程有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.句容茅寶葛業(yè)有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

為提高葛根資源的綜合開發(fā)和利用效率,采用組合超聲輔助提取技術同時提取葛根黃酮與多糖。結果表明,組合超聲波輔助提取法優(yōu)于單一頻率超聲波輔助法,且順序超聲組合優(yōu)于同時超聲組合,在超聲波總功率600W、提取時間20min、液料比30mL/g、溫度50℃,超聲頻率15kHz和20kHz時的順序組合時,葛根黃酮和多糖同時得率(8.72%和2.18%)比20kHz單一頻率超聲輔助提取法(7.92%和1.91%)分別提高10.10%和14.14%。

超聲波,提取,葛根,黃酮,多糖

葛根(Puerariae Radix)屬于藥、食兩用的天然植物資源,具有降血壓、降血糖、降血脂、抗氧化、抗腫瘤等功效[1-2],其主要功效成分為黃酮、香豆素皂苷和多糖等[3]。在國外,葛根開發(fā)的主要集中于提取葛根有效成分制成特效藥物,如葛根素注射劑、葛根素滴丸劑、葛根滴眼劑、葛根素口服制劑等,以及具降血糖、降血脂、減肥、解酒、抗癌等功效的特殊營養(yǎng)食品[2,4]。

在國內(nèi),近年來以葛根為原料,開發(fā)出的葛根黃酮類功能食品,具有防治高血壓、高血脂、冠心病、糖尿病等功能,如葛根淀粉、葛根茶、葛根飲料、葛奶等食品。王淑珍[5]等研制葛根保健茶、李積華[6]等研制的葛根飲料、樊經(jīng)建等[7]研制的葛根酒均是對葛根的深加工。

分離提取葛根中的有效成分是其加工利用的重要內(nèi)容[8-9]。與傳統(tǒng)的浸提法相比較,超聲技術因其提取效率高、提取時間短、對目標物的破壞小等優(yōu)點,在有效成分提取方面得到了廣泛應用[8-10]。目前研究多采用單一頻率的超聲波,其產(chǎn)生的駐波現(xiàn)象消弱了提取的效率,多頻率組合超聲波在有效物質提取方面的研究還未見報道。

擴大葛根的開發(fā)利用不僅有利于促進食品和藥品行業(yè)的發(fā)展,增加經(jīng)濟和社會效益,還有利于提高人們的健康水平。本文根據(jù)目前葛根的開發(fā)利用主要集中在葛根淀粉、黃酮和多糖的單獨提取及其功效等方面,易造成營養(yǎng)物質的浪費,不利于葛根資源的綜合開發(fā)和利用的現(xiàn)狀,比較了單頻率和組合超聲波對葛根多糖和黃酮的同時提取效果,以期為葛根的深加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葛根 句容茅寶葛業(yè)有限公司提供,葛根經(jīng)破碎、熱風(60℃)烘干后貯存?zhèn)溆?；葛根素標準?批號:20120610,純度>98%) 上海金穗生物科技有限公司；石油醚、無水乙醇、苯酚、濃硫酸、葡萄糖、鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉等均為分析純 國藥集團化學試劑有限公司；實驗用水均為蒸餾水。

101-3電熱恒溫干燥箱 金壇市醫(yī)療儀器廠；BS124S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司；RE-2000旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；DL-5C離心機 上海安亭科學儀器廠。自制順序三頻聚能式超聲設備(見圖1),由三個頻率分別為15、20、28kHz的探頭式超聲波發(fā)生器聚焦而成,各自工作順序和功率可由控制程序設定,從而形成不同的組合超聲場。

圖1 自制三頻式超聲設備Fig.1 Homemade ultrasound equipment with three frequencies

1.2 實驗方法

1.2.1 葛根多糖與葛根素的提取工藝

1.2.2 單一頻率超聲輔助提取葛根多糖和黃酮 以水為溶劑,在液料比20mL/g、溫度50℃、超聲功率600W、超聲時間30min的中心條件下,研究單一頻率20kHz時超聲波功率(0、200、400、600、800、1000W)、液料比(5、10、20、30、40、50mL/g)、超聲時間(5、10、20、30、40min)和初始溫度(20、30、40、50、60℃)各單因素對多糖和葛根素得率的影響。

在單因素實驗的基礎上對超聲波輔助提取工藝進行優(yōu)化,正交實驗因素水平表見表1。

不同家庭收入的自我效能感存在差異性，高收入家庭學生在生活壓力等方面相對低收入家庭的學生壓力較小，同時高收入家庭學生生活安全感相較低收入家庭的學生而言較高，進而影響自我效能感。面臨就業(yè)的志愿和基層服務者相對于非面臨就業(yè)同學的生活滿意度和生活體驗感較高，這些面臨就業(yè)的大學生可以從志愿和基層服務中實現(xiàn)自我價值，找到人生歸屬感。不同生源地和不同父母受教育程度的自我效能感差一均無統(tǒng)計學意義。

表1 正交實驗因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.3 組合超聲輔助提取葛根多糖和黃酮 在優(yōu)化實驗的基礎上超聲波總功率600W、提取時間30min、液料比30mL/g、溫度50℃。采用自制順序三頻聚能式超聲設備(如圖1),研究分別在超聲波頻率f1=15kHz、f2=20kHz、f3=28kHz,同時超聲和順序超聲2種方式下(同時超聲方式(T)時兩個單只超聲探頭功率為300W同時工作,順序超聲方式(S)時單只超聲探頭功率600 W分別交替單獨工作30s)的6種不同超聲波頻率組合處理f1f2T、f1f3T、f2f3T、f1f2S、f1f3S、f2f3S、對葛根黃酮和多糖得率的影響。

1.2.4 分析方法 葛根多糖采用苯酚硫酸法測定[11],葛根多糖得率按式(1)計算。葛根黃酮測定采用分光光度法測定[12],葛根黃酮得率按式(2)計算。

式(1)

式中:X為葛根多糖得率,%;C為樣品中葡萄糖的濃度,mg/mL;V為樣品溶液的最終稀釋體積,mL；N為稀釋倍數(shù)；m為樣品質量,mg。

式(2)

式中:Y為黃酮得率,%；C′為樣品中黃酮的濃度,mg/mL；V′為樣品溶液的最終稀釋體積,mL；N′為稀釋倍數(shù)；m為樣品質量,mg。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS軟件分析,所得實驗結果用“平均值±標準偏差”表示。p<0.05 為差異顯著水平,p<0.01 為差異極顯著水平。

2 結果與分析

2.1 單一頻率超聲波對葛根多糖和黃酮同時得率的影響

單一頻率超聲波對葛根多糖和黃酮同時得率的影響如圖2所示。從圖2A可以看出,葛根黃酮的提取量隨著超聲波功率的增大先上升,到600W達到最大值,600W以上隨著超聲波功率的增大而下降,原因可能是超聲波功率升高到一定程度后自由基的氧化作用增強而使黃酮的化學結構受到了破壞。葛根多糖的提取量同樣隨著超聲波功率的增大先上升后下降,600W時達到最大值,而后下降,分析原因可能是過大的超聲功率引起了多糖的降解。綜合分析,最佳超聲波功率為600W。

圖2 單一頻率超聲波對葛根多糖和黃酮同時得率的影響Fig.2 The extraction of flavonoids and polysaccharide assisted by the single frequency ultrasound from Kudzu Root

從圖2B可以看出,葛根黃酮的提取量隨著超聲波處理時間的增長先上升,超聲20min達到最大值,超聲時間繼續(xù)增加會有緩慢的下降,原因可能是超聲波處理時間過長會使黃酮的化學結構受到破壞。葛根多糖的提取量隨著超聲波處理時間的增長持續(xù)上升,20min以前增長較快,20min以后增長較慢,分析原因可能是超聲波處理20min可使全部多糖溶出。綜合分析,最佳超聲波處理時間是20min。

從圖2C可以看出,隨著液料比的增高,葛根黃酮的得率不斷升高,到液料比為30mL/g時達到最大值,然后隨著液料比的增高而下降。葛根多糖隨著液料比的增高而升高,液料比為20mL/g以后升高變緩最后基本不變,綜合考慮液料比為30mL/g最為適宜。

從圖2D可以看出,隨著初始溫度的升高葛根黃酮和多糖的得率也在上升,初始溫度為30℃之前,葛根黃酮的得率在迅速上升,30℃之后基本不變。葛根多糖在初始溫度為40℃之前上升較快,40℃之后基本不變。綜合分析,初始溫度40℃是比較理想的提取溫度。

2.2 單一頻率超聲波對葛根多糖和黃酮同時提取的正交實驗

在單因素實驗的基礎上,以超聲波功率、超聲波處理時間、料液比及初始溫度為主要因素,四因素三水平正交實驗設計參照文獻[13]方法,結果如表2所示。

表2 正交實驗表Table2 Orthogonal test results

以黃酮得率為指標各因素的影響順序為功率A>超聲時間B>初始溫度D>液料比C,超聲波功率對黃酮得率的影響最大,黃酮提取效率最高的組合是A2B2C2D3,即葛根黃酮最佳提取條件是:超聲波功率600W、提取時間20min、液料比30mL/g、溫度50℃。

以多糖為指標各因素的影響順序為液料比C>功率A>初始溫度D=超聲時間B,液料比對多糖得率的影響最大,多糖得率最高的組合是A2B3C3D3,即葛根多糖最佳提取條件是:超聲波功率600W、提取時間30min、液料比40mL/g、溫度50℃。

表3 葛根黃酮提取的方差分析表Table3 The variance analysis of flavonoids extraction from Kudzu Root

表4 葛根多糖方差分析表Table4 The variance analysis of polysaccharide extraction from Kudzu Root

從極差分析可以看出，對葛根黃酮得率影響極差最小的因素是液料比C，而對葛根多糖得率影響極差最小的因素是超聲時間B和初始溫度D。因此，在進行葛根黃酮提取的方差分析時，選擇料液比C為誤差項，在進行葛根多糖提取的方差分析時，選擇初始溫度D為誤差項。從表3和表4的方差分析可以看出，超聲功率A和超聲時間B對葛根黃酮得率的影響高度顯著，而初始溫度D對葛根黃酮得率無顯著影響，超聲功率A、超聲時間B和液料比C對葛根黃酮的得率無顯著影響。

綜上所述，考慮到提取的經(jīng)濟性，單一頻率超聲波輔助同時提取葛根多糖和黃酮的最優(yōu)組合為：A2B2C2D3，即超聲波功率600W、提取時間20min、液料比30 mL/g、溫度50℃。在此條件下，進行驗證實驗，得到葛根黃酮和葛根多糖的得率分別為7.92%和1.91%。

從表3和表4的方差分析可以看出,超聲功率和超聲時間對葛根黃酮得率的影響高度顯著,而料液比對葛根黃酮得率無顯著影響,超聲功率、超聲時間和液料比葛根黃酮的得率無顯著影響。

2.3 組合超聲波對葛根多糖和黃酮得率的影響

在f1f2T、f1f3T、f2f3T、f1f2S、f1f3S、f2f3S等頻率組合下超聲輔助同時提取葛根黃酮和葛根素結果見圖4。

圖3 不同超聲組合頻率對葛根多糖和黃酮得率的影響Fig.3 Effect of different ultrasonic frequency combination on yield of Puerarin polysaccharide and flavonoids注：A、B、C表示不同的頻率(f1,f2,f3);T表示同時超聲，S表示順序超聲。

由圖3可知,順序超聲組合下的葛根黃酮和多糖得率比同時超聲組合下的高。原因可能是由于順序超聲比同時超聲空化作用強[14]。雙頻同時超聲頻率不同,形成的超聲場混亂,來不及形成較大的空化泡,從而使超聲的空化效應減弱。有研究表明,低頻率的超聲對細胞的破壞作用更大,而高頻率的超聲在溶液中能量消耗快。從而低頻超聲更有利于葛根中黃酮和多糖的提取。在同時超聲組合中,f1f2組合下超聲輔助提取葛根黃酮和多糖的得率較高,在順序超聲組合中,f1f2組合的得率同樣較高,對于雙頻超聲輔助提取,順序超聲組合的效果要優(yōu)于同時超聲組合,葛根黃酮和多糖的得率分別達到8.72%和2.18%,比20kHz單一頻率超聲輔助提取法(7.92%和1.91%)分別提高10.10%和14.14%。

3 結論

3.1 單一頻率超聲輔助同時提取葛根黃酮和多糖的最佳工藝參數(shù)為:超聲波功率600W、提取時間30min、液料比30mL/g、溫度50℃,在此條件下葛根黃酮和多糖的得率為7.92%和1.91%。

3.2 組合超聲輔助同時提取葛根黃酮和多糖得率比單一頻率超聲輔助得率高,且順序超聲組合的得率優(yōu)于同時超聲組合,在超聲頻率為15kHz和20kHz的順序組合,總超聲波功率600W、提取時間30min、液料比30mL/g、溫度50℃,葛根黃酮和多糖的得率分別達到8.72%和2.18%。

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Study on the simultaneous extraction of flavonoids and polysaccharide assisted by combined ultrasound from Kudzu Root

MA Xiao-ke1,WANG Zhen-bin1,*,WANG Xi1,XIA Rong2,XIA Rong-guang3

(1.School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2.Zhenjiang Hengshun Bioengineering Co.,Ltd.,Zhenjiang 212013,China；3.Jurong Maobao Kudzu Root Industry Co.,Ltd.,Zhenjiang 212013,China)

In order to improve the comprehensive development and utilization of kudzu root resources,the simultaneous extraction of flavonoid and polysaccharide assisted in combination ultrasonic field from kudzu root were investigated. The results showed that extraction methods assisted by combined ultrasound were better than that assisted by the single frequency ultrasound. And the sequential combined ultrasound was superior to simultaneous combined ultrasound in extraction. Under the optimum condition of the total ultrasonic power 600W,extraction time 20min,the ratio of liquid to solid 30mL/g,temperature 50℃,sequential combined ultrasonic frequency of 15kHz and 20kHz,the flavonoids and polysaccharide extraction rate reached 8.72% and 2.18% from 7.92% and 1.91%,which increased by 10.10% and 14.14% respectively compared with 20kHz single frequency ultrasound assisted extraction.

ultrasound;extraction;kudzu root;flavonoids;polysaccharides

2014-08-25

馬曉珂(1974-)，女，碩士，實驗師，主要從事食品生物加工技術研究。

*通訊作者:王振斌(1975-)，男，博士，教授，主要從事食品發(fā)酵與有效成分分離研究。

江蘇省科技支撐計劃重點項目(BE2013404)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目;鎮(zhèn)江市工業(yè)支撐計劃項目(GY2012021)；江蘇大學大學生科研立項助項目(12A018)。

TS255.36

B

:1002-0306(2015)09-0243-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.044