微波輔助提取花生殼多酚的工藝研究

邢俊紅，薛永常

(大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，每年農(nóng)業(yè)廢棄物多達(dá)6.5 億t［1］，其中花生殼約450 萬t，除少量加工成飼料或用于化工原料外，大部分被當(dāng)作廢棄物或燃料［2］?；ㄉ鷼ぶ谐?5.7% ～79.3%的纖維素、木質(zhì)素外，還含有少量的蛋白質(zhì)、脂肪、多糖、礦物質(zhì)等，以及3.34% ～7.13%的多酚類化合物［3］。植物多酚具有清除自由基、抗脂質(zhì)氧化、抑菌、延緩機(jī)體衰老、預(yù)防心血管疾病、防癌、抗輻射等生物活性功能［4-6］，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，發(fā)展前景廣闊。

多酚提取多為有機(jī)溶劑萃取、超臨界CO2萃取和復(fù)合酶提取等［7-8］，多酚得率不理想。近年來微波、超聲波輔助提取可有效地提高功能成分的萃取率，縮短提取時(shí)間，提高生產(chǎn)效率［9-10］，且操作簡單、副產(chǎn)物少，產(chǎn)率高及產(chǎn)物易于純化，浸出過程中細(xì)粉不凝聚、不糊化［11］。目前對(duì)茶多酚、蘋果多酚、葡萄籽多酚、香蕉皮多酚等的研究較多，而對(duì)花生殼的研究報(bào)道較少。

本文用微波輔助提取，并結(jié)合響應(yīng)面法［12］，對(duì)花生殼多酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為花生殼多酚的綜合開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

花生殼(50 ℃烘干，粉碎，過40 目);焦性沒食子酸、福林酚試劑、無水碳酸鈉、無水乙醇等均為分析純。

DHG-9030A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;ST-04A多功能粉碎機(jī);TP-213 電子天平;PD23C-AN(B)微波爐;SC-3610 低速離心機(jī);V-1100D 型紫外可見分光光度計(jì);A-3S 水流抽氣機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取1.0 g 花生殼粉末，放入100 mL 錐形瓶中，以液料比40∶1 mL/g 加入濃度60%的乙醇水溶液，攪拌均勻，在功率800 W 下微波提取70 s。抽濾，濾液以4 000 r/min 離心15 min，定容到50 mL，即得到多酚提取液。

1.3 分析方法

總多酚測定采用Folin-Ciocalteau 比色法［13］。1.3.1 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 參照李淑芬等［14］的方法并略作改動(dòng)。準(zhǔn)確稱取焦性沒食子酸25 mg，用水溶解，并定容到500 mL，得到濃度為50 μg/mL 的標(biāo)品溶液。分別移取標(biāo)液0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 mL 于50 mL 容量瓶中，分別加入1 mL Folin-ciocaleu 試劑，靜止5 min，再加入2 mL 10%Na2CO3溶液，加水定容至刻度，搖勻，避光放置1 h。在765 nm 波長下測定吸光度。每個(gè)樣品平行測定3 次，取其平均值。以標(biāo)準(zhǔn)樣品濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y =0.111 1x +0.005，R2=0.999 1，線性關(guān)系良好。

1.3.2 總多酚含量的測定 吸取1 mL 多酚提取液至50 mL 的容量瓶中，按照1.3.1 節(jié)步驟測定吸光度A。將A 值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程中，求得花生殼多酚提取液的濃度，然后按下式計(jì)算多酚的提取量。

式中 C——測定樣品液濃度，μg/mL;

V——提取液的總體積，mL;

W——樣品的質(zhì)量，g;

N——稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

在微波功率800 W 條件下，分別考察乙醇濃度、液料比、微波時(shí)間、提取次數(shù)對(duì)花生殼多酚提取量的影響。

2.1.1 乙醇濃度對(duì)花生殼多酚提取量的影響 由圖1 可知，花生殼多酚的提取量隨著乙醇濃度的增加而提高，當(dāng)乙醇濃度為60%時(shí)，多酚的提取量達(dá)到最大值13.73 mg/g;乙醇濃度繼續(xù)增加時(shí)，多酚的提取量下降。可能是由于過高的有機(jī)溶劑濃度導(dǎo)致細(xì)胞膜變性，通透性降低，阻礙了多酚類物質(zhì)的溶出［15］。因此，選擇60%的乙醇溶液作為提取溶劑。

圖1 乙醇濃度對(duì)花生殼多酚提取量的影響Fig.1 The effect of ethanol concentration on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.2 液料比對(duì)花生殼多酚提取量的影響 由圖2 可知，花生殼多酚提取量隨著液料比的增大而增加，液料比40∶1 mL/g 時(shí)，多酚的提取量達(dá)到最大值13.79 mg/g;當(dāng)液料比繼續(xù)增加時(shí)，多酚的提取量增加幅度不是很大。這說明花生殼中的多酚物質(zhì)會(huì)隨著液料比的增大而溶出量增多，但當(dāng)多酚物質(zhì)幾乎完全溶出時(shí)，液料比的增加對(duì)其提取量的影響不是很大。因此，選擇液料比40∶1 mL/g。

圖2 液料比對(duì)花生殼多酚提取量的影響Fig.2 The effect of material to liquid ratio on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.3 微波時(shí)間對(duì)花生殼多酚提取量的影響 由圖3 可知，花生殼多酚提取量隨著微波時(shí)間延長而提高，微波時(shí)間70 s 時(shí)，多酚提取量達(dá)到最大值14.28 mg/g;微波時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，多酚的提取量大幅度下降。這可能是因?yàn)闀r(shí)間過長，會(huì)使多酚物質(zhì)氧化而不利于多酚的提取。因此，將微波時(shí)間定為70 s。

圖3 微波時(shí)間對(duì)花生殼多酚提取量的影響Fig.3 The effect of microwave on the yield of peanut shell polyphenols

2.1.4 提取次數(shù)對(duì)花生殼多酚提取量的影響 由圖4 可知，多酚提取量隨著提取次數(shù)的增多而略有提高，但2 次提取和3 次提取的多酚變化不大，所以，選擇提取次數(shù)為1。

圖4 提取次數(shù)對(duì)花生殼多酚提取量的影響Fig.4 The effect of extraction times on the yield of peanut shell polyphenols

2.2 響應(yīng)面提取工藝優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Design-Expert8.0.6 軟件的Box-Behnken 的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，對(duì)花生殼多酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。提取次數(shù)為1，微波功率為800 W，選取乙醇濃度、液料比和微波時(shí)間3 個(gè)因素為響應(yīng)因子，以多酚的提取量為響應(yīng)值，進(jìn)行3 因素3 水平共17 組實(shí)驗(yàn)。因素及水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 因素-水平表Table 1 The factors and levels table

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface experimental results

運(yùn)用Design-Expert8.0.6 軟件對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到花生殼多酚提取量(Y)與3 個(gè)因素變量建立的二次多項(xiàng)回歸模型方程Y =15.662－0.223 75A－0.201 25B－0.45C + 0.905AB ﹢1.122 5AC ﹢0.592 5BC－1.998 5A2－1.953 5B2－1.321C2?；貧w模型參數(shù)方差分析見表3。

由表3 可知，方程的模型顯著性P ＜0.01，說明該模型具有高度顯著性，失擬項(xiàng)P=0.323 1 ＞0.05，說明失擬性檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，R2=0.991 2，=0.964 6，由此得出該方程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的擬合情況良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以將該模型用于對(duì)花生殼多酚提取量進(jìn)行預(yù)測分析。

該回歸方程模型中，AB、AC、A2、B2、C2對(duì)多酚提取量(Y)表現(xiàn)差異高度顯著，C、BC 對(duì)多酚提取量(Y)表現(xiàn)出差異顯著，而A、B 表現(xiàn)出差異不顯著。各因素對(duì)花生殼多酚提取量的影響次序?yàn)樘崛r(shí)間(C)＞乙醇濃度(A)＞料液比(B)。在α =0.05 的顯著水平下剔除不顯著項(xiàng)后，對(duì)回歸方程模型(2)進(jìn)行優(yōu)化，可得Y =15.662－0.45C +0.905AB +1.122 5AC+0.592 5BC－1.998 5A2－1.953 5B2－1.321C2。

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis

2.2.2 花生殼多酚提取工藝的響應(yīng)曲面分析 運(yùn)用Design-Expert8.0.6 軟件，根據(jù)二次回歸方程模型作出的相應(yīng)的交互作用響應(yīng)曲面圖，見圖5 ～圖7。

圖5 乙醇濃度和液料比交互作用的響應(yīng)面圖Fig.5 The effects of alcohol concentration and liquid to material ratio on polyphenols yield showed by response surface

由圖5 可知，在微波時(shí)間固定的條件下，液料比不變，花生殼多酚的提取量隨著乙醇濃度的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，乙醇濃度的增大使多酚提取量反而減小。

圖6 液料比和微波時(shí)間交互作用的響應(yīng)面圖Fig.6 The effects of liquid to material ratio and microwave time on polyphenols yield showed by response surface

由圖6 可知，在乙醇濃度固定的條件下，微波時(shí)間不變，多酚提取量隨著液料比的增大先增大后呈下降趨勢，但其增大和下降的趨勢不是很明顯，這與單因素的結(jié)果相符，表明液料比的變化對(duì)多酚的提取量影響不大。

圖7 乙醇濃度和微波時(shí)間交互作用的響應(yīng)面圖Fig.7 The effects of alcohol concentration and microwave time on polyphenols yield showed by response surface

由圖7 可知，在液料比固定的條件下，乙醇濃度不變，隨著微波時(shí)間的延長，多酚提取量先小幅度增加，當(dāng)達(dá)到最大值后，微波時(shí)間的增加使多酚提取量大幅度下降，這說明微波時(shí)間對(duì)多酚提取量有很大的影響。

由圖5 ～圖7 可知，乙醇濃度和液料比、液料比和微波時(shí)間、乙醇濃度和微波時(shí)間這3 組交互圖中均出現(xiàn)極大值，說明交互作用都顯著。比較3 組圖可知，乙醇濃度和微波時(shí)間的交互作用最強(qiáng)，其次是乙醇濃度和液料比的交互作用，料液比和微波時(shí)間的交互作用最弱，這與表3 的方差分析結(jié)果一致。

2.2.3 花生殼多酚提取工藝條件的優(yōu)化與驗(yàn)證通過回歸模型的預(yù)測，得到微波輔助提取花生殼多酚的最佳提取工藝參數(shù)為:乙醇濃度58.39%，液料比39.35∶1 mL/g，微波時(shí)間77.32 s，此時(shí)花生殼多酚的最大理論提取量為15.75 mg/g。但考慮實(shí)驗(yàn)條件的可操作性，將微波提取工藝條件參數(shù)調(diào)整為:乙醇濃度60%、液料比40∶1 mL/g、微波時(shí)間77 s。在此條件下進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到多酚提取量為15.69 mg/g，與理論預(yù)測值15.75 mg/g 接近，這說明二次回歸模型方程與實(shí)際的情況擬合性很好。

3 結(jié)論

采用微波輔助乙醇提取花生殼中多酚物質(zhì)，最佳提取工藝條件為:乙醇濃度60%，液料比40∶1 mL/g，微波時(shí)間77 s，提取次數(shù)1。在此條件下，多酚提取量為15.69 mg/g，與模型預(yù)測值較接近。

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