響應(yīng)面法優(yōu)化番石榴葉多酚的超聲提取工藝

楠 極,李遠志

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術(shù)學院,內(nèi)蒙古包頭 014109;2.華南農(nóng)業(yè)大學食品院,廣東廣州 510642)

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響應(yīng)面法優(yōu)化番石榴葉多酚的超聲提取工藝

楠 極1,李遠志2,*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術(shù)學院,內(nèi)蒙古包頭 014109;2.華南農(nóng)業(yè)大學食品院,廣東廣州 510642)

以番石榴葉為原料,研究了多酚物質(zhì)的超聲輔助提取工藝，探討了各因素對多酚物質(zhì)提取含量的影響。通過二次響應(yīng)面法,確定了超聲輔助提取番石榴葉多酚物質(zhì)的最佳提取條件,以1∶30(g/mL)的料液比加入51%的乙醇,在60 ℃的溫度、60 W的超聲波功率下提取47 min,多酚物質(zhì)含量可達143.38 mg/g。

番石榴葉,多酚物質(zhì),超聲輔助提取,響應(yīng)面法

番石榴葉為桃金娘科植物番石榴(PsidiumguajavaL.)的干燥葉及帶葉嫩莖,具有一定的營養(yǎng)價值和保健作用,主要分布在廣東、廣西、福建、臺灣、海南、四川等地[1]。番石榴葉具有收斂、止瀉、消炎作用,對腹瀉、久痢、腸炎、腸胃潰瘍、濕疹、瘙癢等癥狀有明顯緩解效果[2]。研究還發(fā)現(xiàn),番石榴葉能軟化血管、降低血脂、血糖和膽固醇,并具有抗氧化、抗菌活性和治療咳嗽等功效[3]。而大量實驗研究證明,番石榴葉中產(chǎn)生這些功效作用的主要成分是多酚類物質(zhì)[4-5]。因此提取番石榴葉中功能性成分多酚物質(zhì)具有一定意義。

植物多酚提取方法主要有溶劑浸提法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法和超臨界流體萃取法等。超聲輔助提取是一種物理破碎手段,主要是利用超聲波強化提取過程,提高了植物有效成分的浸提。超聲波產(chǎn)生了獨特的機械振動和空化作用。當超聲強度達到一定程度時,能夠破壞植物細胞壁結(jié)構(gòu),使細胞壁瞬間破裂,植物細胞內(nèi)的有效成分得以釋放,直接進入溶劑產(chǎn)生較高的提取率[6-7]。超聲輔助提取法與其他提取方法相比,具有操作簡單、不需要昂貴的儀器設(shè)備、提取時間短、提取效率高、提取安全無毒等優(yōu)點[8]。石恩慧[9]等利用超聲提取板栗總苞多酚,得率為23.20%;蔣邊[10]等利用超聲提取楊桃多酚,得率為28.5 mg/g;張旭等[11]利用超聲提取核桃青皮渣中多酚,得率為5.520%。查閱相關(guān)文獻,沒有發(fā)現(xiàn)用超聲輔助提取番石榴葉多酚物質(zhì)的報道。本文采用響應(yīng)面法對超聲輔助提取番石榴葉中多酚物質(zhì)的工藝進行優(yōu)化,為其更有效地開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干番石榴葉 廣州市清香農(nóng)產(chǎn)有限公司;沒食子酸標準品、福林酚試劑、無水碳酸鈉、無水乙醇 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

中藥粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;FA2004上皿電子天平 上海精科儀器公;KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器 120 W,昆山市超聲儀器有限公司;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;SHZ-D循環(huán)真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;TU-1800紫外可見分光光度計 北京普析通儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 提取方法 將番石榴葉烘干(45 ℃)粉碎,過篩(40～60目)分離,稱取1 g番石榴葉粉置于250 mL錐形瓶中,加入一定量一定濃度的乙醇水溶液,用保鮮膜封口,完全浸潤后,經(jīng)超聲波處理一定時間后抽真空過濾,將濾液定容到50 mL容量瓶中待測,每組做三次平行實驗。

1.2.2 多酚物質(zhì)含量的測定 番石榴葉中多酚物質(zhì)含量的測定方法參照楠極[12]微波輔助提取法中的多酚物質(zhì)含量的測定方法。計算提取液中多酚物質(zhì)含量時,參照楠極[4]所作標準曲線回歸方程(Y=0.0008X+0.0184,R2=0.9993)算出濃度,再換算成每克干番石榴葉粉中的多酚物質(zhì)含量。

1.2.3 單因素實驗 參考相關(guān)文獻[13-14],以乙醇濃度50%、料液比1∶30(g/mL)、提取溫度60 ℃、超聲波功率84 W(70%)、提取時間45 min為固定水平,變換各單因素水平進行實驗,考察其對番石榴葉多酚物質(zhì)含量的影響。各因素水平為乙醇濃度30%、40%、50%、60%、70%、80%,料液比1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 g/mL,提取溫度30、40、50、60、70 ℃,提取時間10、20、30、40、50、60、70 min,超聲波功率48、60、72、84、96、108、120 W。每組實驗重復(fù)3次。

1.2.4 Plackett-Burman設(shè)計優(yōu)化提取條件 參照文獻[15-17],依據(jù)單因素實驗的結(jié)果,利用“Two-Level”即二水平設(shè)計篩選主要因素。A為乙醇濃度,B為料液比,C為提取溫度,D為超聲波功率,E為提取時間,1取每個因素里最高含量所對應(yīng)的水平,-1取每個因素里最低含量所對應(yīng)的水平,實驗因素水平編碼見表1。

表1 實驗因素及水平編碼

1.2.5 響應(yīng)面法Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化提取條件 參照文獻[15-17],根據(jù)設(shè)計要求,采用Box-Behnken設(shè)計方案,實驗因素水平編碼見表2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SAS(SAS package version 9.0)軟件對數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合。

表2 實驗因素及水平編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 乙醇濃度對多酚物質(zhì)含量的影響 由圖1可以看出,隨著乙醇濃度的增加番石榴葉提取液中多酚物質(zhì)的含量先增大后減小,乙醇濃度為50%時出現(xiàn)了最大值,乙醇濃度超過50%時多酚物質(zhì)的含量顯著下降,在實驗中表現(xiàn)為乙醇濃度低于50%時提取液顏色為黃綠色,當乙醇濃度超過50%時提取液顏色為綠色。這可能是大量的葉綠素被提取出來占據(jù)了優(yōu)勢,影響了多酚物質(zhì)在乙醇溶液中的最佳溶解濃度[12]。所以乙醇濃度選擇在50%左右為宜。

圖1 乙醇濃度對多酚物質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on the content of polyphenol

2.1.2 料液比對多酚物質(zhì)含量的影響 由圖2可以看出,乙醇用量(料液比)從1∶20到1∶25含量增幅不大,在1∶30時含量增高顯著,之后隨著料液比的增大,多酚物質(zhì)含量的增加趨勢變得緩慢,基本達到了平穩(wěn)。所以考慮到提取溶劑量過大,對回收造成困難,另外從節(jié)約使用原料的角度,料液比選擇1∶30即可。

圖2 料液比對多酚物質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the content of polyphenol

2.1.3 提取溫度對多酚物質(zhì)含量的影響 由圖3可以看出,隨著提取溫度的升高多酚物質(zhì)的含量先增大后降低。當提取溫度低于40 ℃時,隨著提取溫度的升高,提取液中多酚物質(zhì)的含量緩慢上升。當提取溫度高于40 ℃時,隨著提取溫度的繼續(xù)升高,提取液中多酚物質(zhì)的含量迅速上升,60 ℃時多酚含量達到最高。隨后,隨著溫度的升高提取液中多酚物質(zhì)的含量有所下降。這可能是因為隨著溫度的升高,植物組織軟化加快,促進膨脹,增加可溶性物質(zhì)的溶解度和擴散速度,但是溫度過高時多酚物質(zhì)發(fā)生非酶促氧化聚合或分解反應(yīng),導(dǎo)致含量有所下降[18]。因此,提取溫度選擇在60 ℃為宜。

圖3 提取溫度對多酚物質(zhì)含量的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the content of polyphenol

2.1.4 提取時間對多酚物質(zhì)含量的影響 由圖4可以看出,隨著提取時間的延長多酚物質(zhì)含量基本勻速上升,當提取時間為40～50 min時達到最高點,之后伴隨時間的繼續(xù)延長稍有下降。這可能是因為隨著提取時間過度的拖延,提取液中的多酚物質(zhì)會發(fā)生氧化、聚合、分解等各種反應(yīng),從而使其含量有所下降。因此,提取時間選擇在45 min為宜。

圖4 提取時間對多酚物質(zhì)含量的影響Fig.4 Effect of extraction time on the content of polyphenol

2.1.5 超聲波功率對多酚物質(zhì)含量的影響 由圖5可以看出,超聲波功率對多酚物質(zhì)含量影響并不大,功率從48 W到120 W,多酚物質(zhì)的含量都持續(xù)著緩慢上升的狀態(tài),但不顯著。所以考慮到功率過高增加了其他物質(zhì)的溶出,對后期的分離純化造成困擾,超聲波功率選擇48 W即可。

圖5 超聲波功率對多酚物質(zhì)含量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on the content of polyphenol

2.2 Plackett-Burman設(shè)計實驗結(jié)果與統(tǒng)計分析

按照Placket-Burman設(shè)計方案進行實驗,結(jié)果見表3。

由表4可知,五個因素對多酚物質(zhì)含量影響的大小順序為乙醇濃度>提取時間>提取溫度>超聲波功率>料液比。其中,乙醇濃度、提取時間、提取溫度對含量的影響顯著,因此,選擇乙醇濃度、提取時間、提取溫度作為進一步優(yōu)化的因素做響應(yīng)面分析,以確定這些因素所對應(yīng)的最優(yōu)水平。

表3 Placket-Burman實驗結(jié)果

表4 各因素方差分析

2.3 二次響應(yīng)面設(shè)計實驗結(jié)果與統(tǒng)計分析

按照Box-Behnken設(shè)計方案進行實驗,結(jié)果見表5。

表6 方差分析

表5 Box-Behnken實驗結(jié)果

得到多元二次回歸模型:

Y1=142.4267+0.86375X1+0.555X2+0.73375X3-1.309583X12-0.085X1X2-0.8925X1X3-4.507083X22-0.355X2X3-1.929583X32

從表6可知:模型的一次項對番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的線性效應(yīng)均表現(xiàn)顯著;一次項中,X2對番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的曲面效應(yīng)高度顯著、而X1和X3表現(xiàn)極顯著;二次項均對番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的曲面效應(yīng)極顯著;交互項X1X3交互效應(yīng)高度顯著,其他交互項不顯著;表明各影響因素對番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的影響不是簡單的線性關(guān)系。此外,還可以看出各因素對番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取的影響的大小順序為:X1>X3>X2,即乙醇濃度>提取時間>提取溫度。

2.3.1 交互作用 圖6是對番石榴葉多酚含量影響較大的交互作用的響應(yīng)面,乙醇濃度與提取時間的交互作用對多酚含量的影響顯著,其他因素交互作用不顯著。由圖6可以看出,當提取溫度處在最佳值60 ℃時,在一定范圍乙醇濃度與提取時間所得到的響應(yīng)面和等高線圖存在極值,即是響應(yīng)面的最高點,在此提取條件下,所得多酚物質(zhì)的含量最高。當提取時間一定時,隨著乙醇濃度的增加,多酚物質(zhì)含量先增大后減小;當提取乙醇濃度一定時,隨著提取時間的增加,多酚物質(zhì)含量先增大后減小。同時可以看出,在本實驗水平范圍之內(nèi),乙醇濃度和提取時間的曲面坡度均比較陡,說明這兩個因素對多酚提取的影響都比較大。

圖6 乙醇濃度與提取時間對多酚含量的影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface for ethanol concentration and extraction time on the extraction amount of polyphenol

2.3.2 響應(yīng)面的典型分析 為了進一步確證最佳點的值,采用SAS軟件對實驗?zāi)Ｐ瓦M行響應(yīng)面典型分析,以獲得最大含量時的各提取條件,得番石榴葉多酚物質(zhì)超聲波提取最優(yōu)條件為:乙醇濃度51.44%,提取溫度60.27 ℃,提取時間46.78 min,在此條件下,多酚物質(zhì)的含量理論值為142.61 mg/g。采用上述最優(yōu)提取條件進行驗證實驗,同時考慮到實際操作的情況,將提取工藝參數(shù)修正為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時間47 min,在此條件下提取3次,實際測得的平均多酚物質(zhì)含量為143.38 mg/g,與理論預(yù)測值誤差在10%以內(nèi)。表明該回歸模型對番石榴葉多酚物質(zhì)提取進行分析和預(yù)測是合適的。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助提取法,首先由Placket-Burman設(shè)計方案確定了對提取效果有顯著影響的三個因素,分別為提取時間、乙醇濃度、提取溫度。接著選擇這三個因素進行響應(yīng)面分析。三因素所對應(yīng)的最佳水平為:乙醇濃度51%,提取溫度60 ℃,提取時間47 min,在此條件下多酚物質(zhì)含量可達143.38 mg/g。

[1]蔡丹昭,劉華鋼. 大孔吸附樹脂分離純化番石榴葉總黃酮的研究[J].生命科學研究,2008,12(1):57-60.

[2]Arima H,Danno GI.Isolation of antimicrobial compounds from Guava(PsidiumguajavaL.)and their structural elucidation[J]. Biosci Biotechnol Biochem,2002(66):1727-1730.

[3]Begum S,Siddiqui BS,Hassan SI.Triterpenoids from Psidium guajava leaves[J].Nat Prod Lett,2002(16):173-177.

[4]楠極,李遠志. 番石榴葉中多酚物質(zhì)含量測定條件的優(yōu)化[J].農(nóng)產(chǎn)品加工,2009(3):181-192.

[5]Lozoya X,Meckes M,Abou-Zaid M,et al.Quercetin glycosides inPsidiumguajavaL. leaves and determination of a spasmolytic Principle[J].Archives Medical Research,1994,25(1):11.

[6]Haizhou Li,Lester Pordesimo,Jochen Weiss.High intensity ultrasound-assited extraction of oil from soybeans[J].Food Research International,2004(37):731-738.

[7]Athanasios C,Kimbaris,Nikolaos G,et al.Comparison of distillation and ultrasound-assited extraction methods for the isolation of sensitive aroma compounds from garlic(Alliumsativum)[J].Ultrasonics Sonochemistry,2006(13):54-60.

[8]Farid E,Ahmed.Analysis of polychlorinated biphenyls in food products[J].Trends in Analytical Chemistry,2003,22(3):170-185.

[9]石恩慧,李紅,谷明燦,等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲提取板栗總苞多酚工藝條件[J].中國食品學報,2013,13(5):69-76.

[10]蔣邊,潘進權(quán).響應(yīng)面優(yōu)化超聲提取楊桃多酚的工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2016,37(7):248-252.

[11]張旭,曹麗娟.核桃青皮渣中多酚的超聲提取工藝研究[J].食品科技,2016,41(3):218-222.

[12]楠極,李遠志.微波輔助提取番石榴葉中多酚物質(zhì)的工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2010,31(5):229-347.

[13]Zheng Yi,Li Yong,Wang Weidong. Optimization of ultrasonic-assisted extraction andinvitroantioxidant activities of polysaccharides from Trametes orientalis[J]. Carbohydrate Polymers,2014,111:315-323.

[14]Ying Zhi,Han Xiaoxiang,Li Jianrong. Ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from mulberry leaves[J]. Food Chemistry,2011,127(3):1273-1279.

[15]歐宏宇,賈士儒. SAS軟件在微生物培養(yǎng)條件優(yōu)化中的應(yīng)用[J].天津輕工業(yè)學院學報,2001(1):14-17.

[16]楊文雄,高彥祥.響應(yīng)面法及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 中國食品添加劑,2005(2):68-71.

[17]郝學財,余曉斌,劉志鈺,等.響應(yīng)面方法在優(yōu)化微生物培養(yǎng)基中的應(yīng)用[J].食品研究與開發(fā),2006,27(1):38-41.

[18]唐曉珍,劉賓.酸化乙醇法提取紫色小麥麩皮色素的工藝條件研究[J].中國糧油學報,2008,23(5):24-27.

Optimization of ultrasonic extraction of polyphenol from guava leaf using response surface methodology

NAN Ji1,LI Yuan-zhi2,*

(1.Vocational and Technical College of Inner Mongolia Agricultural University,Baotou 014109,China; 2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Using guava leaf as raw material,extraction of guava leaf polyphenol by ultrasound-assisted method was studied in this paper. The influence of various factors on the extraction efficiency of polyphenol was discussed. With quadratic response surface design,the optimal extracting conditions for ultrasound-assisted extraction were established:51% alcohol(v/v),the 1∶30(g/mL)of material-solution ratio,60 ℃,60 W ultrasonic power for 47 min. Under these conditions,the content of polyphenol reached 143.38 mg/g.

guava leaf;polyphenol;ultrasound-assisted extraction;response surface methodology

2016-06-17

楠極(1985-)，女，碩士，講師，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：nanji855@qq.com。

*通訊作者:李遠志(1953-)，男，教授，研究方向：食品加工、保藏與包裝，E-mail：liyzh@scau.edu.cn。

廣東省農(nóng)業(yè)攻關(guān)科技計劃項目(2012B020401004)。

TS209

B

1002-0306(2016)22-0300-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.050