超聲波-微波協(xié)同提取西瓜皮多糖及體外抗氧化活性研究

◎ 王秀杰，相 艷，金 杰

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校 制藥工程系，江蘇 徐州 221116）

西瓜皮富含多種氨基酸和糖類，以及一些豐富的礦物質(zhì)和維生素C等[1-2]，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，具有保健作用[3-4]。大量研究表明，植物多糖除有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤[5]生物學(xué)效應(yīng)外，還有抗衰老[6]、降血糖、抗凝血[7]等作用，且對(duì)機(jī)體毒副作用小。目前西瓜皮多糖提取一般采用溶劑浸提法[8]，酸、堿提取法[9]，酶提取法[10]，超濾法[11]，微波提取法[12]和超聲波提取法[13]。本研究采用超聲波-微波協(xié)同法提取西瓜皮多糖，用單因素和正交試驗(yàn)法確定西瓜皮多糖提取的最佳工藝，并進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)和抗氧化能力測(cè)定，為提高西瓜皮的綜合利用價(jià)值，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)副產(chǎn)品資源高效利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

JA50038電子分析天平：上海精科天美科學(xué)有限公司；UV-2000紫外可見分光光度計(jì)：尤尼柯上海儀器有限公司；CW-2000型超聲波微波協(xié)同萃取裝置：新拓分析儀科技有限公司；HX-10N-50B試驗(yàn)型冷凍干燥機(jī)：上海滬析實(shí)業(yè)有限公司。

T-AOC測(cè)定試劑盒，購于南京建成生物試劑公司。其他試劑均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 材料

京欣西瓜，購于徐州市大潤(rùn)發(fā)超市。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

西瓜皮多糖工藝提取流程為西瓜皮→清洗干燥→粉碎過篩→加入提取溶液→（超聲波-微波輔助浸提）→離心分離→過濾→醇沉→脫除蛋白→二次醇沉→真空干燥→粗多糖。

1.3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）西瓜皮多糖提取方法設(shè)計(jì)。西瓜皮粉碎過100目篩，準(zhǔn)確稱取1 g于錐形瓶中，加入40 mL蒸餾水，用超聲波-微波協(xié)同反應(yīng)器進(jìn)行提取，設(shè)置超聲功率200 W，提取溫度70 ℃，提取時(shí)間300 s進(jìn)行試驗(yàn)。離心后取上清液并稀釋后，測(cè)定吸光度。①單因素試驗(yàn)。分別考察西瓜皮粉的料液比為1∶20 （g∶mL）、1∶30 （g∶mL）、1∶40 （g∶mL）、1∶50 （g∶mL）和1∶60 （g∶mL）；超聲功率為100 W、150 W、200 W、250 W和300 W；提取溫度為50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃；提取時(shí)間為100 s、200 s、300 s、400 s和500 s對(duì)西瓜皮多糖提取效果的影響。②正交試驗(yàn)。在選定單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到因素之間的交互影響，設(shè)計(jì)4因素3水平正交試驗(yàn)，對(duì)西瓜皮多糖提取工藝進(jìn)行研究。

（2）西瓜皮多糖得率測(cè)定。采用蒽酮硫酸法對(duì)提取的多糖進(jìn)行測(cè)定[14]，分別取0 mL、0.30 mL、0.60 mL、0.90 mL和1.20 mL，濃度為0.1 mg·mL-1的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，補(bǔ)加蒸餾水至1.20 mL，分別加入蒽酮-硫酸溶液6.80 mL，混勻后，沸水浴加熱10 min，立即在冷流水下進(jìn)行冷卻，并在紫外可見分光光度計(jì)波長(zhǎng)620 nm下測(cè)定吸光度。多糖得率測(cè)定為：

式中：X為西瓜皮多糖得率，%；Cx為樣品多糖測(cè)定濃度，μg·mL-1；V為樣品定容測(cè)定體積，mL；F為樣品測(cè)定稀釋倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量，g。

（3）西瓜皮多糖提取物的質(zhì)量評(píng)價(jià)。按照西瓜皮多糖最佳提取工藝得到的提取液進(jìn)行離心得到上清液后，分別進(jìn)行兩次Sevege法除蛋白和兩次醇沉后，進(jìn)行真空冷凍干燥得到西瓜皮多糖成品，參照《枸杞多糖》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[15]進(jìn)行西瓜皮多糖提取物的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

（4）西瓜皮多糖提取物總抗氧化能力測(cè)定。選用常用的食品抗氧化劑維生素C和BHA，在相同條件下選用總抗氧化能力（T-AOC）測(cè)定試劑盒同本試驗(yàn)得到的西瓜皮多糖粉進(jìn)行總抗氧化能力比較測(cè)定?？偪寡趸芰τ?jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 蒽酮-硫酸法測(cè)定多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

根據(jù)1.3.2（1）方法，采用蒽酮硫酸法進(jìn)行西瓜皮多糖得率測(cè)定，其標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制，如圖1所示。由圖1可知，蒽酮-硫酸法測(cè)定多糖的線性擬合方程為：y=0.044 5x+0.002 4，相關(guān)系數(shù)r達(dá)到了0.999 9，科學(xué)研究中標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)r通常要求不低于0.999即可。因此，本試驗(yàn)多糖測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線能完全滿足多糖檢驗(yàn)要求。

圖1 蒽酮硫酸法測(cè)定多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 料液比對(duì)西瓜皮多糖提取率的影響

按照1.3.2（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行料液比單因素試驗(yàn)，考察料液比對(duì)西瓜皮多糖提取效果的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著料液比的增加，西瓜皮多糖得率呈現(xiàn)先降低后增加再降低現(xiàn)象，在料液比為1∶50 （g∶mL）時(shí)，西瓜皮多糖得率達(dá)到了最大值。料液比增加，多糖的溶出量隨之增加，西瓜皮多糖得率升高；當(dāng)料液比繼續(xù)增大，多糖溶出可能達(dá)到飽和，但加入的物料質(zhì)量在增加，導(dǎo)致得率降低[16]。所以本試驗(yàn)選擇料液比1∶50 （g∶mL）為最佳。

圖2 不同料液比對(duì)西瓜皮多糖得率的影響圖

2.2.2 超聲功率對(duì)西瓜皮多糖得率的影響

按照1.3.2（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行超聲功率單因素試驗(yàn)，考察超聲功率對(duì)西瓜皮多糖得率效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同超聲功率對(duì)西瓜皮多糖得率的影響圖

由圖3可知，隨著超聲功率的增加，西瓜皮多糖得率不斷增大，當(dāng)超聲功率為250 W時(shí)，西瓜皮多糖得率達(dá)到最大值，隨著超聲功率的繼續(xù)增加，西瓜皮多糖得率開始下降，這可能是由于超聲功率過高會(huì)導(dǎo)致空化泡在聲波的壓縮相內(nèi)來不及發(fā)生破裂，使得細(xì)胞壁破壞不完全，從而不利于提取，導(dǎo)致西瓜皮多糖得率減少，所以選定微波功率250 W為最佳[17]。

2.2.3 提取時(shí)間對(duì)西瓜皮多糖得率的影響

按照1.3.2（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行提取時(shí)間單因素試驗(yàn)，考察提取時(shí)間對(duì)西瓜皮多糖得率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同提取時(shí)間對(duì)西瓜皮多糖得率的影響圖

由圖4可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，西瓜皮多糖得率不斷增加，當(dāng)提取時(shí)間為300 s時(shí)，西瓜皮多糖得率達(dá)到最大值，隨著提取時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，多糖得率逐漸降低，可能是由于超聲波具有較強(qiáng)的機(jī)械剪切作用，使大分子多糖的糖苷鍵斷裂，從而導(dǎo)致多糖含量下降，所以選定提取時(shí)間300 s為最佳[18]。

2.2.4 提取溫度對(duì)西瓜皮多糖得率的影響

按照1.3.2（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行提取溫度單因素試驗(yàn)，考察提取溫度對(duì)西瓜皮多糖得率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 不同溫度對(duì)西瓜皮多糖得率的影響圖

由圖5可知，隨提取溫度的增加，西瓜皮多糖得率出現(xiàn)先增加后減小現(xiàn)象，當(dāng)提取溫度為80 ℃時(shí)，西瓜皮多糖得率達(dá)到最大值，這是由于提取溫度過高可能使多糖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致已溶出多糖的降解，從而使西瓜皮多糖得率降低，所以選定提取溫度80 ℃為最佳[19]。

2.3 西瓜皮多糖提取正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以料液比、溫度、功率和時(shí)間為影響因素，以西瓜皮多糖得率為考察指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)西瓜皮多糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。正交試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 西瓜皮多糖提取正交試驗(yàn)表

由表1可知，在超聲波微波協(xié)同法提取西瓜皮多糖的正交試驗(yàn)中第4組A2B1C2D3的西瓜皮多糖得率最高，達(dá)到了13.0%；根據(jù)k值分析，對(duì)西瓜皮多糖得率影響因素的大小順序?yàn)镈＞C＞B＞A。根據(jù)k值可知，西瓜皮多糖提取的最優(yōu)組合為A2B2C2D3，核對(duì)正交試驗(yàn)表1中沒有符合的試驗(yàn)號(hào)，因此有必要與4號(hào)試驗(yàn)組得率最高的A2B1C2D3組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，A2B2C2D3比A2B1C2D3的得率高，最終選定西瓜皮多糖提取得最佳組合為A2B2C2D3，即料液比1∶50（g∶mL），提取溫度80 ℃，超聲功率250 W，提取時(shí)間400 s。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)表

2.4 西瓜皮多糖提取物質(zhì)量評(píng)價(jià)

將得到的西瓜皮多糖成品與《枸杞多糖》（QB/T 5176—2017）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行主要指標(biāo)比較，并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。

表3 西瓜皮多糖提取物的質(zhì)量評(píng)價(jià)表

2.5 西瓜皮多糖提取物總抗氧化能力測(cè)定

將食品抗氧化劑維生素C和BHA同得到的西瓜皮多糖提取物進(jìn)行總抗氧化能力比較。試驗(yàn)中均準(zhǔn)確稱量0.030 g維生素C、BHA和西瓜皮多糖提取物，溶解并稀釋后，采用總抗氧化能力試劑盒進(jìn)行測(cè)定，平行測(cè)定3次，取其平均值，結(jié)果見圖6。

圖6 不同物質(zhì)總抗氧化能力的比較圖

如圖6所示，3種物質(zhì)中本試驗(yàn)提取的西瓜皮多糖的總抗氧化能力最高，其抗氧化能力比常見的抗氧化劑BHA和維生素C的抗氧化能力分別高出23%和131%。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)和單因素確定了提取西瓜皮多糖的最佳工藝條件西瓜皮粉碎度為100目，料液比為1∶50 （g∶mL），功率250 W，溫度80 ℃，時(shí)間400 s，溶劑pH=7時(shí)，多糖提取得率最好。

（2）在最佳條件下得到的西瓜皮多糖的成品為顏色一致的黃褐色粉末狀，無異味，多糖含量達(dá)到62%，并對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，符合《枸杞多糖》（QB/T 5176—2017）的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）本試驗(yàn)得到的西瓜皮多糖提取物有較強(qiáng)的抗氧化活性，其抗氧化能力比常見的抗氧化劑BHA和維生素C的抗氧化能力分別高23%和131%。

3.2 討論

微波提取技術(shù)是指使用適合的溶劑在微波反應(yīng)器中從天然藥用植物、礦物、動(dòng)物組織中提取各種化學(xué)成分的技術(shù)和方法，該技術(shù)與現(xiàn)有其他提取技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯,可有效提取物料中的有用成分,對(duì)提取物具有高選擇性,并具有提取快、產(chǎn)率高、省時(shí)、耗能低、溶劑用量少、生產(chǎn)線組成簡(jiǎn)單、節(jié)省投資和無污染等優(yōu)點(diǎn)。本研究以超聲微波輔助提取得到的西瓜皮多糖得率較高，并且西瓜皮多糖具有強(qiáng)體外抗氧化活性，本試驗(yàn)優(yōu)化的西瓜皮多糖提取工藝合理可行,可為西瓜皮多糖的研究與開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。本研究后期會(huì)繼續(xù)對(duì)提取得到的西瓜皮多糖進(jìn)行進(jìn)一步純化，進(jìn)行多糖種類和性質(zhì)的深入研究，以盡快實(shí)現(xiàn)對(duì)西瓜皮多糖的工業(yè)化應(yīng)用。