超高壓輔助提取山藥皮總酚的工藝優(yōu)化

鞠健 喬宇 李冬生 程薇 汪超 李娓 范凱

摘要：【目的】?jī)?yōu)化超高壓輔助提取山藥皮總酚的工藝條件，為山藥皮的開發(fā)利用及提高原料利用率提供技術(shù)參考?！痉椒ā恳陨剿幤た偡犹崛÷蕿榭疾熘笜?biāo)，通過比較水浴提取、超聲波輔助提取、閃式提取和超高壓輔助提取4種方法提取山藥皮總酚的效果，選用超高壓輔助提取法進(jìn)行工藝優(yōu)化，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9（34）正交試驗(yàn)考察提取時(shí)間、超高壓壓力、乙醇體積分?jǐn)?shù)和料液比對(duì)總酚提取率的影響，確定最佳提取工藝條件。【結(jié)果】影響超高壓輔助提取山藥皮總酚的因素排序?yàn)椋禾崛r(shí)間>超高壓壓力>料液比>乙醇體積分?jǐn)?shù)，其最佳提取工藝條件為：在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50的條件下提取4 min，山藥皮總酚平均提取率為0.424%。【結(jié)論】?jī)?yōu)化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率，且提取時(shí)間短、工藝條件穩(wěn)定，是提取山藥皮總酚的有效方法。

關(guān)鍵詞： 山藥皮；總酚；超高壓提??；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)： R284.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）01-0117-05

0 引言

【研究意義】山藥皮富含酚類物質(zhì)（Chung et al.，2008；Hsu et al.，2011；Yeh et al.，2013），而酚類物質(zhì)具有清除自由基、抗氧化、抗病毒及抗腫瘤等功效，目前在醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)用化學(xué)品等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用（Chen et al.，2004；孫榮等，2014）。但日常生活中，人們食用山藥時(shí)常將山藥皮丟棄，既污染環(huán)境又浪費(fèi)生物資源。我國(guó)作為山藥生產(chǎn)大國(guó)，而山藥皮是提取總酚的重要原料之一，因此，研究山藥皮總酚的提取工藝，對(duì)有效利用山藥皮具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前植物總酚的提取方法較多，主要有水浴提取、閃式提取、超聲波提取和超高壓提取等。其中，以水浴提取應(yīng)用較廣泛，如李浩等（2014）采用水浴法提取大蒜渣中的多酚物質(zhì)，結(jié)果表明，在乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、提取溫度50 ℃、料液比1∶20 g/mL的條件下提取70 min，大蒜渣中總酚的最大提取率為0.69 μg/g，該法能耗少、成本較低，但提取率也較低。劉燦等（2010）采用閃式提取法提取羅漢果中的多酚，結(jié)果表明，在液料比25∶1、電壓153 V、提取溫度8.5 ℃的條件下提取3.5 min，羅漢果多酚提取率可達(dá)2.73%，此法提取時(shí)間短、提取率較高，但對(duì)提取條件（容器總裝料系數(shù)、待破碎物料粒度）的要求也相對(duì)較高。超聲波和超高壓提取法可縮短提取時(shí)間，如李臻等（2012）采用超聲波法提取溪黃草總酚，其最佳工藝條件為：在乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1∶10、超聲波功率250 W、提取溫度40 ℃的條件下超聲波提取25 min，多酚提取率為6.81%；嚴(yán)隴兵等（2012）采用超高壓提取石榴皮多酚的最佳提取工藝為：提取壓力582.7 MPa、保壓時(shí)間2.3 min、料液比1∶41、乙醇體積分?jǐn)?shù)52.8%，在此工藝條件下，多酚提取率可達(dá)26%。但超聲波提取法易受超聲波衰減因素的制約形成超聲空白區(qū)，從而影響提取效果；而超高壓提取法具有能耗低、提取效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，對(duì)山藥的相關(guān)研究主要集中在對(duì)山藥肉中有效成分的提取及其藥理作用（Fu et al.，2006；Zhang et al.，2011；Park et al.，2013），而針對(duì)山藥皮中總酚提取工藝的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以山藥皮為原料、總酚提取率為考察指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)對(duì)山藥皮總酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的超高壓提取工藝，為山藥皮的開發(fā)利用及提高原料利用率提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

干燥山藥皮購自利川市匯川現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，粉碎后過200目篩，置于干燥皿中備用。沒食子酸、95%乙醇、濃鹽酸、碳酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉及福林酚等試劑均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。主要儀器設(shè)備有：LXJ-ⅡB型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）、DF-101S型水浴鍋（武漢科爾儀器設(shè)備有限公司）、3802型分光光度計(jì)[尼康儀器（上海）有限公司]、PL2001型分析天平[賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]、JHBE-50T閃式提取儀（河南金鼎科技發(fā)展有限公司）、RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）、KQ5200DE型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、HPPL2-600MPa/2L超高壓提取儀（天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司）。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 標(biāo)準(zhǔn)曲線制作 參考劉碩謙等（2003）的方法，準(zhǔn)確量取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)液分別置于5.0 mL比色管中，各加入3.0 mL蒸餾水，搖勻后加入0.25 mL福林試劑，充分搖勻；1 min后，再加入0.75 mL 20%碳酸鈉溶液，搖勻后用蒸餾水定容?；旌弦河?5 ℃水浴10 min后立即冰浴，5000 r/min離心5 min，在760 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值。以沒食子酸質(zhì)量濃度（μg/mL）為橫坐標(biāo)、吸光值為縱坐標(biāo)，建立測(cè)定總酚含量的回歸方程y=0.0847x+0.0021（R2= 0.9994）。

1. 2. 2 山藥皮總酚提取方法比較試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取50.0 g山藥皮粉，分別采用水浴提取法、閃式提取法、超聲波輔助提取法和超高壓輔助提取法對(duì)山藥皮總酚進(jìn)行提取，以山藥皮總酚提取率為考察指標(biāo)，確定最佳提取方法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。其中水浴提取、超聲波提取和超高壓提取根據(jù)公式（1）、閃式提取根據(jù)公式（2）計(jì)算提取率。

總酚提取率（%）=C×V×n/m （1）

總酚提取率（%）=總酚質(zhì)量/山藥皮質(zhì)量×100 （2）

式中，C為樣品總酚質(zhì)量濃度（μg/mL），V為提取液體積（mL），n為稀釋倍數(shù)，m為山藥皮質(zhì)量（g）。

1. 2. 3 粗提物總酚含量測(cè)定 取稀釋后待測(cè)液0.2 mL置于5.0 mL比色管中，加入3.0 mL蒸餾水，搖勻后加入0.25 mL福林試劑，充分搖勻；1 min后，再加入0.75 mL 20%碳酸鈉溶液，搖勻后用蒸餾水定容?；旌弦河?5 ℃水浴10 min后立即冰浴，5000 r/min離心5 min，于760 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值，計(jì)算總酚含量。

1. 2. 4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過前期對(duì)不同提取方法的比較后，采用超高壓輔助提取法設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。分別考察提取時(shí)間（2、4、6、8、10 min）、超高壓壓力（100、200、300、400、500 MPa）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（30%、40%、50%、60%、70%）、料液比（1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70 g/mL）對(duì)山藥皮總酚提取率的影響。

1. 2. 5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每個(gè)因素選擇3個(gè)較優(yōu)的水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化山藥皮總酚提取工藝。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

1. 3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 8.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 山藥皮總酚提取方法比較結(jié)果

由圖1可知，采用水浴、閃式、超聲波輔助和超高壓輔助4種提取方法對(duì)山藥皮總酚進(jìn)行提取，以超高壓輔助提取法的提取率最高，為0.354%，其次為超聲波輔助提取法，而水浴提取法的提取率最低。故選擇超高壓輔助提取法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2. 2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2. 2. 1 提取時(shí)間對(duì)山藥皮總酚提取率的影響 在固定超高壓壓力200 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、料液比1∶40的條件下，當(dāng)提取時(shí)間為2～4 min時(shí)，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，山藥皮總酚提取率快速上升，提取時(shí)間為4 min時(shí)達(dá)最大值（0.364%）；之后，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，提取率逐漸下降，但超過8 min后，提取率又緩慢回升。這可能是隨著提取時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，山藥皮總酚得到充分提取后開始出現(xiàn)緩慢下降，之后由于料液平衡的原因致使提取率又出現(xiàn)暫時(shí)的緩慢回升。此外，提取時(shí)間為4 min的兩邊有效點(diǎn)分別為2和6 min，以6 min的提取率明顯高于2 min，故選擇提取時(shí)間4、5、6 min作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2. 2. 2 超高壓壓力對(duì)山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時(shí)間4 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、料液比1∶40的條件下，隨著超高壓壓力的增大，山藥皮總酚提取率呈先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)；當(dāng)超高壓壓力為200 MPa時(shí)，提取率達(dá)最大值。理論上，超高壓壓力越大越有利于提取，但擴(kuò)散體系達(dá)到平衡后，即使再增加超高壓壓力，提取率也不再升高，甚至有所下降。因此，選擇超高壓壓力200、250和300 MPa作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2. 2. 3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時(shí)間4 min、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶40的條件下，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，山藥皮總酚提取率整體呈先逐漸上升后快速下降的變化趨勢(shì)，乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)達(dá)最大值（0.370%）；之后，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，提取率開始下降，且下降趨勢(shì)明顯。因此，乙醇體積分?jǐn)?shù)的選擇需適當(dāng)，過高或過低均會(huì)造成提取率下降，故選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、50%和60%作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2. 2. 4 料液比對(duì)山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時(shí)間4 min、超高壓壓力200 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%的條件下，當(dāng)料液比在1∶30～1∶50時(shí)，山藥皮總酚提取率逐漸升高，料液比為1∶50時(shí)，提取率達(dá)最大值（0.405%）；隨后繼續(xù)增加溶劑用量，提取率反而下降。這是因?yàn)殡S著溶劑用量的增加，擴(kuò)散達(dá)到平衡后總酚的有效濃度有所降低。因此，從利于生產(chǎn)及節(jié)約成本的角度考慮，選擇料液比1∶40、1∶50和1∶60作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2. 3 正交試驗(yàn)結(jié)果

從正交試驗(yàn)結(jié)果（表2）可以看出，4個(gè)因素對(duì)山藥皮總酚提取率的影響排序?yàn)椋禾崛r(shí)間（A）>超高壓壓力（C）>料液比（D）>乙醇體積分?jǐn)?shù)（B）；超高壓輔助提取山藥皮總酚的最佳組合為A1B2C1D2，即提取時(shí)間4 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50。

2. 4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)篩選出的最佳提取工藝組合A1B2C1D2進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到山藥皮總酚的平均提取率為0.424%，高于正交試驗(yàn)中任一組合的提取率，故A1B2C1D2為超高壓提取山藥皮總酚的最佳工藝組合。

3 討論

超高壓提取法是在一定壓力下保持一定時(shí)間，使細(xì)胞內(nèi)外壓力達(dá)到平衡后快速降壓，細(xì)胞內(nèi)外滲透壓力差驟然增大，使細(xì)胞膜內(nèi)的有效成分轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜外的提取液中，達(dá)到快速提取的目的（寧娜和周晶，2008）。本研究采用超高壓輔助提取山藥皮總酚，結(jié)果表明，在乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50的條件下提取4 min，山藥皮總酚提取率為0.424%，較唐麗麗等（2015）采用溶劑回流提取石榴皮總酚的提取時(shí)間縮短86 min，較吳平妹等（2015）采用微波提取木瓜總酚的提取率（0.0443%）明顯提高，也比王治寶等（2015）采用超聲輔助提取蒙古口蘑總酚酸所需乙醇體積分?jǐn)?shù)（80%）低，表明采用超高壓輔助提取山藥皮總酚具有提取時(shí)間短、效率高、耗能低等優(yōu)點(diǎn)。

本研究以總酚提取率為考察指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)對(duì)超高壓提取山藥皮總酚的提取條件進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果表明，提取時(shí)間對(duì)提取率的影響最大。在單因素試驗(yàn)中，提取時(shí)間4 min時(shí)提取率達(dá)最大值，但在8 min后提取率又出現(xiàn)小幅上升；由于本研究最大時(shí)間設(shè)置為10 min，而未對(duì)其后續(xù)時(shí)間作進(jìn)一步考察，因此有待今后對(duì)提取時(shí)間進(jìn)行深入研究，以期篩選出更適合超高壓輔助提取山藥皮總酚的提取時(shí)間。

4 結(jié)論

優(yōu)化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率，且提取時(shí)間短、工藝條件穩(wěn)定，是提取山藥皮總酚的有效方法。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）