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    正交試驗法優(yōu)化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝

    2016-05-30 14:52:53曾帥周德慶劉楠
    南方農(nóng)業(yè)學(xué)報 2016年9期
    關(guān)鍵詞:多酚

    曾帥 周德慶 劉楠

    摘要:【目的】采用正交試驗法優(yōu)化羊棲菜多酚的酶輔助提取工藝,以提高羊棲菜多酚提取量,為羊棲菜多酚的提取應(yīng)用于實際生產(chǎn)提供科學(xué)參考?!痉椒ā恳孕迈r羊棲菜為原料,用酶輔助提取法提取其多酚,通過單因素試驗研究纖維素酶添加量、復(fù)合酶質(zhì)量比(中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量)、酶解溫度、酶解pH和酶解時間對多酚提取效果的影響,用正交試驗法優(yōu)化提取工藝條件,并與傳統(tǒng)的溶劑提取法進(jìn)行比較。【結(jié)果】各因素對羊棲菜多酚提取量的影響大小依次為:酶解pH>酶解溫度>復(fù)合酶質(zhì)量比>酶解時間,其中酶解pH和酶解溫度對羊棲菜多酚提取量的影響顯著(P<0.05);最佳酶解條件為:酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min、復(fù)合酶質(zhì)量比20∶1(復(fù)合酶添加量126 mg/g),在此條件下得到羊棲菜多酚提取量為9.26 mg/g,較溶劑提取法的多酚提取量(8.26 mg/g)有明顯提高。【結(jié)論】采用正交試驗法優(yōu)化的酶輔助提取工藝能有效提高羊棲菜多酚提取量,優(yōu)化的工藝參數(shù)可在實際生產(chǎn)中加以應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞: 羊棲菜;多酚;正交試驗法;酶輔助提取

    中圖分類號: R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-1191(2016)09-1564-06

    Abstract:【Objective】In order to provide scientific reference for extraction and application of polyphenols from Sargassum fusiforme, the enzyme-assisted extraction process of polyphenols from S. fusiforme was optimized by orthogonal experimental method to improve yield of polyphenols. 【Method】With fresh S. fusiforme as raw material, the polyphenols were extracted from S. fusiforme by enzyme-assisted extraction method. The effects of compound enzyme mass ratio(neutral protease amount: cellulase amount), enzymolysis temperature, enzymolysis pH and enzymolysis time on extraction yield of polyphenols were studied through single factor experiment, and then extraction process conditions were optimized by orthogonal experimental method. The enzyme-assisted extraction method was compared with traditional solvent extraction method. 【Result】The results showed that, the factors influencing extraction yield of polyphenols were in order as follows: enzymolysis pH>enzymolysis temperature>compound enzyme mass ratio>enzymolysis time. And enzymolysis pH and temperature had significant effects on extraction yield of polyphenols(P<0.05). The optimum enzymolysis conditions were as follows: enzymolysis temperature of 50 ℃, enzymolysis pH of 5.5, enzymolysis time of 45 min, and compound enzyme mass ratio of 20∶1(126 mg/g composite enzyme). Under above optimum conditions, the extraction yield of polyphenols from S. fusiforme was up to 9.26 mg/g, and obviously higher than that(8.26 mg/g) of solvent extraction method. 【Conclusion】Enzyme-assisted extraction process optimized by orthogonal experiment method can effectively improve extraction yield of polyphenols from S. fusiforme, and the optimized process parameters can be applied in actual production.

    Key words: Sargassum fusiforme; polyphenols; orthogonal experimental method; enzyme-assisted extraction

    0 引言

    【研究意義】羊棲菜(Sargassum fusiforme)又稱鹿角尖、羊奶子、海大麥等,屬褐藻門植物,日本稱其為“長壽菜”,可用作開發(fā)保健品、調(diào)味品及方便食品等多種產(chǎn)品的原料(程忠玲和吳效楠,2011),具有較高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)價值。羊棲菜多酚是一類重要的褐藻多酚化合物,褐藻多酚對自由基有較顯著的清除能力(王君虹等,2013),可作為天然的抗氧化劑和自由基清除劑應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品及保健食品等領(lǐng)域(呂成林等,2014)。此外,現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,褐藻多酚還具有化學(xué)防御(Pangestuti and Kim,2011)、抗凝血(Li et al.,2011)、抑菌(Eom et al.,2012;錢卓權(quán)等,2014)、延緩衰老(Kang et al.,2014)、降血糖(Pantidos et al.,2014)及抗腫瘤(Yang et al.,2015)等多種生物活性功能。因此,開展優(yōu)化羊棲菜多酚提取工藝研究,對擴(kuò)大其在食用、藥用和保健等方面的應(yīng)用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前有關(guān)羊棲菜多酚的提取工藝研究已有不少報道。王君虹等(2013)利用微波輔助提取羊棲菜多酚,并優(yōu)化其提取條件,在最佳工藝條件[乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、微波功率600 W、浸提溫度70 ℃、料液比1∶10(g/mL)、浸提時間4 min]下羊棲菜多酚提取率為2.33%。方麗等(2014)對超聲波輔助提取羊棲菜多酚的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,在最優(yōu)超聲提取條件[提取溫度70 ℃、超聲波功率180 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)44%、浸提時間2 h、液固比29∶1(mL/g)、超聲時間45 min]下,得到羊棲菜多酚提取率為(0.395±0.090)%。呂成林等(2014)研究溶劑提取羊棲菜多酚中乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、提取時間、提取溫度等因素對多酚提取效果的影響,結(jié)果表明,在乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、料液比1∶25、提取時間5 h、提取溫度70 ℃的最佳條件下得到羊棲菜多酚提取量為4.45 mg/g。何傳輝等(2015)采用響應(yīng)面法對羊棲菜多酚溶劑提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)25%、提取時間3 h、液料比30∶1、提取溫度40 ℃,在此條件下得羊棲菜多酚提取量為7.91 mg/g。張麗斌等(2015)利用溶劑提取法對羊棲菜多酚進(jìn)行提取,結(jié)果表明,在浸提溫度70 ℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、液料比20∶1的條件下浸提46 min,羊棲菜多酚提取量為4.048 mg/g?!颈狙芯壳腥朦c】酶輔助提取法具有酶的專一性強(qiáng)、酶解條件溫和等優(yōu)點,已有研究表明,利用此法提取植物多酚的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的溶劑提取法(裴海閏等,2009;程雅芳等,2012;付曉燕等,2012),但目前鮮見利用酶輔助提取羊棲菜多酚的研究報道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】在單因素試驗的基礎(chǔ)上,采用正交試驗法優(yōu)化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝,以提高羊棲菜多酚提取量,為羊棲菜多酚的提取應(yīng)用于實際生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

    1 材料與方法

    1. 1 試驗材料

    新鮮羊棲菜購于浙江省溫州市蒼南縣,洗凈后自然風(fēng)干,經(jīng)粉碎機(jī)粉碎過40目篩,獲得的粉末存放于4 ℃冰箱。Folin-Ciocalteau試劑購自上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司;中性蛋白酶(>20000 U/g)、纖維素酶(>10000 U/g)購自寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司;乙醇、沒食子酸、碳酸鈉等試劑均為國產(chǎn)分析純。主要儀器設(shè)備:紫外—可見分光光度計(UV-2550,日本島津公司)、恒溫水浴鍋(HW·SY21-K,北京長風(fēng)儀器儀表公司)、電子天平(KQ-300VDE,北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)、新悅—可見分光光度計(T6,北京普析通用儀器有限公司)、粉碎機(jī)(TYS-200,永康市紅太陽機(jī)電有限公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52AA,上海亞榮生化儀器廠)。

    1. 2 試驗方法

    1. 2. 1 羊棲菜多酚含量測定 采用福林酚法繪制羊棲菜多酚含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。準(zhǔn)確稱取0.1000 g沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品,用蒸餾水溶解并定容至100.0 mL,即得1000 μg/mL沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)液,將標(biāo)準(zhǔn)液按系列質(zhì)量濃度10、20、30、40、50 μg/mL進(jìn)行稀釋;取1.0 mL上述系列溶液置于比色管中,加入2.0 mL 1.0 mol/L福林酚溶液,混勻后再加入4.0 mL 12.5%碳酸鈉溶液,充分混勻,定容至10.0 mL,30 ℃水浴0.5 h后,在765 nm處測定吸光值。以標(biāo)準(zhǔn)品沒食子酸溶液質(zhì)量濃度(μg/mL)為橫坐標(biāo)、吸光值為縱坐標(biāo),得到羊棲菜多酚含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:y=0.0161x+0.014(R2=0.9997)。提取液在同等條件下于765 nm處測定吸光值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算樣品中羊棲菜多酚質(zhì)量濃度。

    1. 2. 2 溶劑提取法提取羊棲菜多酚 準(zhǔn)確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中,用40%乙醇溶液以1∶55(g/mL)料液比在70 ℃下水浴4.5 h,浸提2次,經(jīng)抽濾旋蒸得羊棲菜粗提液,定容至200.0 mL,在765 nm處測定其吸光值,按上述標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算多酚質(zhì)量濃度,再根據(jù)下式計算羊棲菜多酚提取量:

    羊棲菜多酚提取量(mg/g)=(C×V)/(1000×M)

    式中,C為粗提液中羊棲菜多酚質(zhì)量濃度(μg/mL),V為粗提液定容體積(mL),M為羊棲菜質(zhì)量(g)。

    1. 2. 3 正交試驗法優(yōu)化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝 準(zhǔn)確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中,依次改變纖維素酶添加量(2、4、6、8、10、12 mg/g)、復(fù)合酶質(zhì)量比(中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量為1∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1)、酶解溫度(40、45、50、55、60 ℃)、酶解pH(5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5)和酶解時間(30、45、60、75、90、105 min),酶解結(jié)束后用乙醇溶液浸提,浸提條件同1.2.2;在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上,設(shè)計4因素3水平正交試驗,以優(yōu)化酶輔助提取羊棲菜多酚工藝條件。正交試驗因素與水平見表1。

    1. 3 統(tǒng)計分析

    采用SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

    2 結(jié)果與分析

    2. 1 溶劑提取法提取羊棲菜多酚結(jié)果

    有機(jī)溶劑提取法獲得羊棲菜多酚的試驗結(jié)果如表2所示,根據(jù)3次試驗結(jié)果得到羊棲菜多酚平均提取量為8.26 mg/g。

    2. 2 酶輔助提取羊棲菜多酚單因素試驗結(jié)果

    2. 2. 1 纖維素酶添加量對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在酶解溫度40 ℃、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下,考察不同纖維素酶添加量對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖1可知,纖維素酶添加量在2~6 mg/g時,羊棲菜多酚提取量隨纖維素酶添加量的增加而上升,尤其在添加量4~6 mg/g時上升明顯;當(dāng)纖維素酶添加量超過6 mg/g后,多酚提取量呈下降趨勢。這是因為纖維素酶濃度較低時,羊棲菜細(xì)胞壁中的粗纖維與纖維素酶充分反應(yīng),釋放出羊棲菜多酚,但隨著纖維素酶濃度的提高,細(xì)胞壁中的粗纖維被充分降解,致使纖維素酶的作用受到抑制。因此,提取羊棲菜多酚選擇纖維素酶添加量為6 mg/g即可。

    2. 2. 2 復(fù)合酶質(zhì)量比對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 準(zhǔn)確稱取1.0000 g羊棲菜粉末置于帶塞三角瓶中,先加入纖維素酶6 mg/g,再分別加入中性蛋白酶6、30、60、90、120和150 mg/g,即中性蛋白酶添加量∶纖維素酶添加量為1∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1,在酶解溫度40 ℃、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下進(jìn)行酶解,再用溶劑提取法進(jìn)行浸提,得到羊棲菜多酚提取量如圖2所示。由圖2可知,隨著中性蛋白酶添加量的增加,羊棲菜多酚提取量呈先升高后降低的變化趨勢,是因為中性蛋白酶的加入破壞了羊棲菜的蛋白結(jié)構(gòu),使得與蛋白聚合的多酚物質(zhì)釋放出來,但隨著中性蛋白酶濃度的提高,羊棲菜蛋白成分被充分破壞,致使中性蛋白酶的作用受到抑制。當(dāng)復(fù)合酶質(zhì)量比達(dá)15∶1時,羊棲菜多酚提取量最高。因此,復(fù)合酶質(zhì)量比選擇15∶1較適宜。

    2. 2. 3 酶解溫度對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復(fù)合酶質(zhì)量比15∶1、酶解時間30 min、酶解pH 5.0的條件下,考察不同酶解溫度對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖3可知,酶解溫度在40~60 ℃,羊棲菜多酚提取量的變化趨勢為先增加后減少,在45 ℃時達(dá)最大值。這可能是因為提取溫度為45 ℃時,體系中兩種酶解作用達(dá)到平衡,若繼續(xù)升高酶解溫度,體系中的酶解平衡遭破壞,并且兩種酶的活性也開始下降,同時羊棲菜多酚也會因溫度的升高而部分分解,故提取溫度高于45 ℃后,羊棲菜多酚提取量顯著減少(P<0.05,下同)。因此,酶解溫度以45 ℃為宜。

    2. 2. 4 酶解pH對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復(fù)合酶質(zhì)量比15∶1、酶解溫度45 ℃、酶解時間30 min的條件下,考察不同酶解pH對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。pH是影響酶活性的一個重要因素,纖維素酶的適宜pH范圍為4.5~6.5,中性蛋白酶的適宜pH范圍為5.5~7.5,復(fù)合酶的最適pH取決于整個復(fù)合酶解反應(yīng)體系。由圖4可知,pH在5.0~6.0范圍內(nèi),羊棲菜多酚提取量較高,其中pH為5.0~5.5時,多酚提取量顯著增加,pH為5.5時達(dá)最大值,隨著pH的繼續(xù)增大,多酚提取量下降趨勢為先快后緩,表明5.5是兩種酶解作用反應(yīng)體系的最適pH。

    2. 2. 5 酶解時間對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響 在復(fù)合酶質(zhì)量比15∶1、酶解溫度45 ℃、酶解pH 5.5的條件下,考察不同酶解時間對酶輔助提取羊棲菜多酚效果的影響。由圖5可知,當(dāng)酶解時間小于45 min時,酶解反應(yīng)較充分,羊棲菜多酚提取量隨酶解時間的延長顯著提高,但酶解時間超過45 min后,羊棲菜多酚提取量逐漸減少。故45 min是較合適的酶解時間。

    2. 3 酶輔助提取羊棲菜多酚正交試驗結(jié)果

    依據(jù)單因素試驗結(jié)果,應(yīng)用正交試驗法對酶輔助提取羊棲菜多酚進(jìn)行試驗設(shè)計,采用正交設(shè)計助手II (Latin 3.1)對試驗結(jié)果進(jìn)行處理,得到正交試驗結(jié)果分析見表3,方差分析結(jié)果見表4。根據(jù)極差R的大小可判斷各因素對酶輔助提取羊棲菜多酚影響的強(qiáng)弱,R越大,影響作用越強(qiáng)。由表3可知,酶輔助提取羊棲菜多酚過程中,各因素對羊棲菜多酚提取的影響程度為:酶解pH(B)>酶解溫度(A)>復(fù)合酶質(zhì)量比(D)>酶解時間(C);其中酶解溫度和酶解pH對羊棲菜多酚提取量的影響顯著,而酶解時間和復(fù)合酶質(zhì)量比的影響不顯著(P>0.05)(表4)。根據(jù)各因素均值K1、K2、K3的大小,得出最佳工藝組合為A3B2C2D3,即羊棲菜多酚的最佳酶解工藝條件為酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min、復(fù)合酶質(zhì)量比20∶1(復(fù)合酶添加量126 mg/g)。在此最佳酶解工藝條件下進(jìn)行3次平行試驗,得到羊棲菜多酚平均提取量9.26 mg/g,高于溶劑提取法得到的羊棲菜多酚提取量(8.26 mg/g)。

    3 討論

    由于多酚良好的生物學(xué)特性,使其受到學(xué)者的廣泛關(guān)注,多酚提取成為近年的研究熱點之一。海洋是人類的寶庫,目前人類已從海洋生物中分離出1萬多種化合物(楊好等,2005)。羊棲菜多酚是一類重要的褐藻多酚化合物,具有多種生物活性功能,近年來不少學(xué)者研究從羊棲菜中提取多酚,主要采用傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法。羊棲菜中含粗纖維3.0%~23.9%、粗蛋白5.5%~15.4%,本研究采用酶輔助提取法提取羊棲菜多酚,選用纖維素酶和中性蛋白酶對羊棲菜細(xì)胞壁及蛋白成分進(jìn)行破壞,使羊棲菜中的多酚物質(zhì)盡可能釋放出來,以期提高多酚提取量,并利用正交試驗法對其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,對酶輔助提取羊棲菜多酚影響最大的因素是酶解pH,其次是酶解溫度,復(fù)合酶質(zhì)量比和酶解時間的影響相對較小;酶解溫度和酶解pH對羊棲菜多酚提取量的影響顯著,實際生產(chǎn)中,在控制好這兩個顯著因素的前提下,可適當(dāng)減少復(fù)合酶添加量和酶解時間,以降低生產(chǎn)成本。優(yōu)化的最佳酶解工藝條件為:復(fù)合酶質(zhì)量比20∶1(復(fù)合酶添加量126 mg/g)、酶解溫度50 ℃、酶解pH 5.5、酶解時間45 min,在最佳條件下,酶輔助提取得到羊棲菜多酚提取量9.26 mg/g,與傳統(tǒng)溶劑提取法相比,羊棲菜多酚提取量有明顯提高;且酶輔助提取法具有酶的專一性強(qiáng)、酶解條件溫和等優(yōu)點,與王君虹等(2013)采用微波輔助、方麗等(2014)采用超聲波高能量的提取方式相比,酶輔助提取能更好地保護(hù)羊棲菜多酚的活性,使其受到較少破壞。

    此外,本研究所得的羊棲菜多酚粗提物中多酚純度較低,如何采用其他方法(如大孔樹脂吸附分離法將其分離、純化)提高多酚純度,有待進(jìn)一步研究。

    4 結(jié)論

    采用正交試驗法優(yōu)化的酶輔助提取工藝能有效提高羊棲菜多酚提取量,優(yōu)化的工藝參數(shù)可在實際生產(chǎn)中加以應(yīng)用。

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    (責(zé)任編輯 羅 麗)

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