伏慧慧,譚梅,郭艷秋,侯太芳,張麗,2,宋麗軍,2,*
(1.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆阿拉爾843300;2.南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆阿拉爾843300)
響應(yīng)面法優(yōu)化“酶法-超聲波”連續(xù)提取核桃青皮多酚
伏慧慧1,譚梅1,郭艷秋1,侯太芳1,張麗1,2,宋麗軍1,2,*
(1.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆阿拉爾843300;2.南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆阿拉爾843300)
為了優(yōu)化核桃青皮中多酚類物質(zhì)的“酶法-超聲波”連續(xù)提取工藝,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)Design Expert 8.05軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)與優(yōu)化,得到了預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明,酶法提取最佳工藝條件為:采用纖維素酶,酶解溫度55.00℃、酶解pH 5.00、酶解時(shí)間75.00min、酶添加量15.00 U/mL、液料比30∶1mL/g。酶解后繼續(xù)采用超聲波輔助二次提取,以50%“乙醇-水”為提取液,超聲時(shí)間45min、超聲溫度50℃、超聲功率100W,此條件下多酚提取率為61.36%。
響應(yīng)面;纖維素酶;超聲波;核桃青皮;多酚
核桃青皮,又稱青龍衣,是核桃加工過(guò)程的的主要副產(chǎn)物。核桃青皮中含有豐富的多酚類化合物,如綠原酸、香草酸、槲皮素、沒(méi)食子酸、核桃酮等[1-3],具有較強(qiáng)的抗氧化活性,有抗衰老、治療心腦血管疾病、降血脂、抗癌、抗輻射等生理活性[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2010年底,新疆核桃青皮產(chǎn)量已達(dá)到13.41萬(wàn)t[6],但長(zhǎng)期以來(lái),核桃青皮均作為廢渣拋棄,造成了極大的環(huán)境污染和資源浪費(fèi),因此,有效利用新疆核桃青皮資源顯得極為重要。
近年來(lái),酶法、超聲波、微波、超臨界CO2等提取技術(shù)已在中藥材及食品的生物活性成分提取領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,如多糖[6]、功能油脂[7]、石榴皮多酚[10]、皂甙[11]、茶多酚[13-16]、葡萄多酚[17-18]、余甘子多酚[19]、板栗多酚[20]、蘋(píng)果多酚[21]等物質(zhì)提取方面得到了深入研究,然而“酶法-超聲波”連續(xù)提取在核桃青皮多酚提取中的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。
本文以新疆薄皮核桃溫185青皮為原料,采用酶法提取其中多酚類物質(zhì),并利用超聲波輔助“乙醇-水”溶液進(jìn)行二次提取。以響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化“酶法-超聲波”連續(xù)提取核桃青皮多酚的最佳工藝,為新疆核桃青皮多酚提取提供新方法。
1.1 材料試劑
核桃青皮:由于不同品種、生長(zhǎng)期的核桃中多酚含量差異較大,本試驗(yàn)原料一次性采集。新疆薄皮核桃溫185核桃青皮,樹(shù)齡21年~23年,2012年10月2日購(gòu)于新疆阿拉爾市。
福林-酚試劑:Sigma公司;沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品:Sigma公司;
果膠酶,纖維素酶:南寧市基亞實(shí)驗(yàn)用品公司;中性蛋白酶:上海藍(lán)季科技有限公司;乙醇、無(wú)水碳酸鈉等均為國(guó)產(chǎn)分析純。
1.2 儀器與設(shè)備
DHG-9101-1S減壓干燥箱:上海鴻都電子科技有限公司;HH-S6恒溫水浴鍋:上海博訊事業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;FZ102粉碎機(jī):北京市永光明醫(yī)療儀器廠;Neofuge 15R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):北京陽(yáng)光思特生物技術(shù)有限公司;SB-3200DTDN超聲波清洗器:寧波新芝生物科技股份公司;SHA-C恒溫振蕩器:常州國(guó)華生化儀器股份公司;島津UV-Mini1240型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):日本島津公司;MA110型電子天平:上海臺(tái)衡儀器儀表有限公司。
1.3 提取工藝及要點(diǎn)
核桃青皮→預(yù)處理→減壓干燥→粉碎、過(guò)篩→樣品-酶-緩沖液混合→恒溫震蕩提取→加入乙醇→超聲輔助二次提取→離心→上清液→測(cè)定總多酚。
操作要點(diǎn):
1)核桃青皮切分后于50℃減壓干燥,粉碎,過(guò)80目篩,置于棕色瓶中密封,-18℃冷凍保藏備用。
2)酶法提?。喝? g粉末與提取溶液(酶-磷酸鹽緩沖液體系)混合,在恒溫振蕩器中避光提取。為避免有機(jī)溶劑引起酶變性,本試驗(yàn)在第一提取階段采用水提取,然后在提取后的溶液中加入乙醇(使最終比例為乙醇∶緩沖液=1∶1)進(jìn)行超聲波輔助二次提取,離心后取上清液測(cè)定總多酚含量。
3)二次提取工藝:本試驗(yàn)確定采用“乙醇∶水=1∶1”的溶液為溶劑,采用超聲波輔助二次提取超聲功率100W,時(shí)間45min,溫度50℃(避光)。離心后取上清液測(cè)定多酚含量。
1.4 試驗(yàn)方法
1.4.1 定性試驗(yàn)[2,4]
根據(jù)參考文獻(xiàn)[2,4]對(duì)提取液進(jìn)行多酚類定性分析。
1.4.2 總多酚測(cè)定
采用福林-酚法測(cè)定,參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11-13]。
沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=0.102 5 x-0.009 1(R2=0.998 3)。
總多酚測(cè)定:取離心后的上清液1.0mL,按上述沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法測(cè)定吸光度,計(jì)算樣品中的多酚提取率。樣品中的多酚以沒(méi)食子酸的含量表示,單位為mg/g。
多酚提取率(%)=[提取液中多酚含量(g)/原料中多酚含量(g)]×100%。
1.4.3 酶法提取核桃青皮多酚工藝
1.4.3.1 酶的選擇
分別選擇纖維素酶、果膠酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶等,在其最佳酶解溫度、酶解pH條件下,分別酶解3.0 h,測(cè)定多酚提取率。
1.4.3.2 溫度對(duì)多酚提取率的影響
在酶解pH 5.0、時(shí)間60 min、酶添加量12 U/m L、液料比30mL/g條件下,分別設(shè)置酶解溫度30、40、50、60、70℃,考察溫度對(duì)多酚提取率的影響。
1.4.3.3 酶解pH對(duì)多酚提取率的影響
在酶解時(shí)間60min、酶添加量12 U/mL、液料比30mL/g、溫度50℃條件下,分別設(shè)置酶解pH為3.5、4、4.5、5、5.5、6,考察酶解pH對(duì)多酚提取率的影響。
1.4.3.4 酶解時(shí)間對(duì)多酚提取率的影響
在酶解pH 5.0、溫度50℃、酶添加量12U/mL、液料比30m L/g條件下,分別設(shè)置酶解時(shí)間為30、50、70、90、110、130min,考察酶解時(shí)間對(duì)多酚提取率的影響。
1.4.3.5 酶添加量對(duì)多酚提取率的影響
在酶解溫度50℃、pH 5.0、時(shí)間60min、液料比30mL/g條件下,分別設(shè)置酶解酶添加量3、6、9、12、15、18U/mL,考察酶添加量對(duì)多酚提取率的影響。
1.4.3.6 液料比對(duì)多酚提取率的影響
在酶解溫度50℃、pH 5.0、時(shí)間60min、酶添加量12U/m L條件下,分別設(shè)置液料比10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1mL/g,考察液料比對(duì)多酚提取率的影響。
在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化“酶法-超聲波”聯(lián)合提取核桃青皮多酚工藝。
2.1 多酚類定性試驗(yàn)
多酚類定性試驗(yàn)見(jiàn)表1。
由表1可知,定性試驗(yàn)均顯示陽(yáng)性結(jié)果,說(shuō)明核桃青皮提取物中含有多酚類物質(zhì)。
2.2 酶法輔助提取核桃青皮單因素分析
2.2.1 酶的選擇
不同種類的酶處理對(duì)多酚提取率的影響見(jiàn)圖1。
由圖1可知,試驗(yàn)過(guò)程所用的4種酶對(duì)多酚提取均有促進(jìn)作用。其中纖維素酶的得率最高,達(dá)到43.20%(對(duì)照樣為26.59%)。因選擇纖維素酶作為后續(xù)試驗(yàn)用酶制劑。
2.2.2 酶解溫度對(duì)多酚提取率的影響
酶解溫度對(duì)核桃青皮多酚提取率的影響見(jiàn)圖2。
由圖2可知,酶解溫度對(duì)核桃青皮多酚具有顯著影響。在一定范圍內(nèi),多酚提取率隨著溫度的升高而增加,當(dāng)溫度達(dá)到50℃~60℃時(shí),多酚提取率達(dá)到最大;當(dāng)溫度高于60℃時(shí),多酚提取率隨溫度的升高而逐漸減少,可能原因是高溫導(dǎo)致酶的活性降低,且過(guò)高的溫度也會(huì)對(duì)已溶出的多酚類物質(zhì)起到破壞的作用[11]。故選擇酶解溫度為50℃,此時(shí)多酚提取率為54.76%。
2.2.3 酶解pH對(duì)多酚提取率的影響
酶解pH對(duì)核桃青皮多酚提取率的影響見(jiàn)圖3。
由圖3可知,pH 5.0時(shí),多酚提取率達(dá)到最大值;pH偏離該范圍時(shí),多酚提取率顯著減小。原因?yàn)槊傅幕钚允墉h(huán)境pH的影響很大,在酶的最適pH條件下,酶反應(yīng)速率達(dá)到最大,高于或低于該最適pH,反應(yīng)速度都會(huì)下降[5]。故將最佳提取pH確定為5.0,此時(shí)多酚提取率為54.74%。
2.2.4 酶解時(shí)間對(duì)多酚提取率的影響
酶解時(shí)間對(duì)核桃青皮多酚提取率的影響見(jiàn)圖4。
由圖4可知,隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)多酚提取率明顯增高,當(dāng)酶解時(shí)間為70min時(shí),多酚提取率達(dá)到最高值57.56%;繼續(xù)延長(zhǎng)酶解時(shí)間,多酚提取率增加不顯著。因此,選擇最佳的酶解時(shí)間為70min。
2.2.5 酶添加量對(duì)多酚提取率的影響
酶添加量對(duì)核桃青皮多酚提取率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知,多酚提取率隨酶添加量的增大而增大,這是由于纖維素酶催化核桃青皮細(xì)胞壁纖維素物質(zhì)的水解,導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)損壞,細(xì)胞膜透性增加[8],利用多酚類物質(zhì)的溶出。在酶添加量為12U/mL時(shí),多酚提取率為58.68%;繼續(xù)增加酶量,多酚提取率雖略有增加,但幅度不大。綜合提取效果及成本因素,選纖維素酶的酶添加量為12U/mL。
2.2.6 液料比對(duì)多酚提取率的影響
液料比對(duì)核桃青皮多酚提取率的影響見(jiàn)圖6。
由圖6可知,當(dāng)液料比小于30∶1時(shí),隨著液料比的增大,多酚的得率迅速由35.41%增大至56.16%。當(dāng)液料比大于30∶1時(shí),多酚提取率雖略有增加,但增幅不大??紤]到后續(xù)的超聲波輔助二次提取工藝,以及降低濃縮成本,增大溶劑的量對(duì)多酚提取的意義不大,因此選擇液料比30∶1mL/g。
2.3 響應(yīng)面分析
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取溫度、pH、時(shí)間、酶添加量4個(gè)因素,運(yùn)用Design Expert8.05軟件的Box-Behnken原理進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。各因素及水平見(jiàn)表2。
響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。
以多酚提取率為響應(yīng)值(Y),利用Design Expert 8.05軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到響應(yīng)值對(duì)自變量的多元回歸方程:Y=58.75+2.53A+0.22B+3.40C+3.22D+1.24AB-0.12 A C+0.23AD-1.74BC+0.15BD-2.30CD-2.63A2-3.47B2-1.80C2-0.32D2(1),其中,Y為核核桃多酚提取率的預(yù)測(cè)值,A、B、C、D分別為上述4個(gè)自變量的編碼值。
由表4可以看出:Fmodel=499.2,P<0.000 1,表明模型(1)極顯著,R2=0.998 0,Adj R2=0.996 0,Pred R2=0.989 6,Adeq Precision=73.632,說(shuō)明該模型擬合程度良好,試驗(yàn)誤差小,該模型可以用來(lái)分析和預(yù)測(cè)“酶法-超聲波”聯(lián)合提取核桃青皮多酚的效果。
模型(1)中一次項(xiàng)A、C和D極其顯著,B顯著,交互項(xiàng)AB,BC和CD極其顯著,A2、B2、C2極其顯著。對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,剔除不顯著交互項(xiàng),得到核桃青皮多酚提取率(%)對(duì)各自變量的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程為:Y=10.5+0.43A+0.037 B+0.58C+0.55D+0.21AB-0.30BC-0.39CD-0.45A2-0.59B2-0.31C2-0.055D2(2),各自變量對(duì)響應(yīng)值的影響大小順序?yàn)椋篊>D>A>B。
圖7為不同因素間交互作用對(duì)核桃青皮多酚提取效果的影響。通過(guò)等高線可直觀地反映出不同變量間交互作用的顯著程度,等高線越扁平說(shuō)明因素之間交互作用越顯著,對(duì)Y值(多酚提取率)的影響越大。由圖7可知:溫度和pH、pH和酶解時(shí)間、酶解時(shí)間和酶添加量交互作用的等高線均呈現(xiàn)橢圓、扁平狀,表示上述因素之間的相互作用顯著。
2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)
根據(jù)軟件和模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析,得到核桃青皮多酚“酶法-超聲波”聯(lián)合提取的最佳工藝條件為:溫度55.40℃,pH 5.04、時(shí)間74.93min、酶添加量15.00U/mL、液料比30∶1mL/g,在此條件下預(yù)測(cè)得率為62.54%。結(jié)合實(shí)際操作情況,將上述最優(yōu)工藝調(diào)整為:溫度55.00℃,pH 5.00、時(shí)間75.00min、酶添加量15.00U/mL、液料比30∶1mL/g,并在此優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。3次驗(yàn)證試驗(yàn)多酚提取率為61.36%,驗(yàn)證值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差相差較小,說(shuō)明了模型的有效性。
本試驗(yàn)在單因素基礎(chǔ)上,通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化了“酶法-超聲波”聯(lián)合提取核桃青皮多酚的最佳工藝,建立了可用的二次多項(xiàng)預(yù)測(cè)模型。各因素對(duì)多酚的影響順序?yàn)椋好附鈺r(shí)間>酶添加量>酶解溫度>酶解pH。最佳工藝參數(shù)為:粉碎粒度80目、酶解溫度55.00℃、酶解pH 5.00、酶解時(shí)間75.00min、酶添加量15.00U/m L、液料比30:1mL/g,酶解后繼續(xù)采用超聲波輔助二次提取法,以50%“乙醇-水”為提取液,超聲時(shí)間45min、超聲溫度50℃、超聲功率100W,此條件下多酚提取率為61.36%。
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Optimization of Enzymatic-ultrasonic Continuous Extraction of Polyphenols from Walnut GreenPeels by Response Surface Methodology
FUHui-hui1,TANMei1,GUOYan-qiu1,HOUTai-fang1,ZHANGLi1,2,SONG Li-jun1,2,*
(1.College of Life Sciences,Tarim University,Alar843300,Xinjiang,China;2.Xinjiang Production and Construction CorpsKey Laboratory to Process of Agricultural Products in Southern Xinjiang,Tarim University,Alar843300,Xinjiang,China)
In order to optimize the enzymatic-ultrasonic continuous extraction processes of polyphenols fromwalnut green peels,the optimum extraction technology and mathematical regression model were established byresponse surface methodology on the basis of single-factor test. The results showed that the optimal extractionconditions were extraction temperature of 55 ℃, extraction time of 75.00 min, extraction pH of 5.00, enzymedosage of 15.00 U/mL, ratio of liquid to solid of 30 ∶ 1 mL/g. And the ultrasonic-assisted extraction was operatedafter enzymatic extraction for 45 min at the power of 100 W by 50 % ethanol solution as extractant. Under theseconditions, the maximum extraction yield of polyphenols from walnut green peels was 61.36 %.
response surface methodology; cellulase; ultrasonic; walnut green peels; polyphenols
10.3969/j.issn.1005-6521.2015.07.011
2014-11-17
新疆兵團(tuán)工業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(NO:2012BA011);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(NO:TDGCX201246,NO:201310757009)
伏慧慧(1992—),女(漢),本科,主要研究方向:糧油加工。
*通信作者