微波強(qiáng)化提取葡萄籽中原花青素的工藝研究

張衛(wèi)波 楊 豆 樊 華 張 娜

(陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 陜西漢中 723000)

微波強(qiáng)化提取葡萄籽中原花青素的工藝研究

張衛(wèi)波 楊 豆 樊 華 張 娜

(陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 陜西漢中 723000)

實(shí)驗(yàn)比較了乙醇水溶液和SDS水溶液的提取效果，優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的SDS水溶液作為提取劑，通過(guò)微波強(qiáng)化葡萄籽中的原花青素的提取。實(shí)驗(yàn)探究了料液比、微波溫度、微波時(shí)間、微波功率等因素對(duì)葡萄籽中原花青素的提取效果的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)正交優(yōu)化得到葡萄籽中原花青素微波提取的最佳工藝參數(shù)：SDS水溶液濃度0.15%、料液比1∶18g/mL、微波溫度55℃、微波時(shí)間3min、微波功率400W，此條件下的原花青素得率為5.597%。

葡萄籽；原花青素；微波提取；SDS

前言

葡萄籽是葡萄加工過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有豐富的蛋白質(zhì)、粗脂肪、各種氨基酸、維生素、多酚、黃酮類(lèi)化合物及礦物質(zhì)等，是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的天然飼料資源。面對(duì)傳統(tǒng)玉米、大豆等飼料原料價(jià)格攀升的趨勢(shì)，將葡萄籽部分替代傳統(tǒng)飼料飼喂畜禽具有很好的戰(zhàn)略意義。原花青素是葡萄籽中研究最活躍的活性成分之一，因其具有清除自由基抗氧化、抗癌抗衰老、消炎抗腫瘤、保護(hù)組織細(xì)胞、促進(jìn)傷口愈合等多種生理作用，而備受關(guān)注，在醫(yī)藥、化妝品、飼料工業(yè)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。原花青素用作飼料添加劑具有促消化、提高機(jī)體免疫力、防腹瀉、促進(jìn)骨骼生成、促生長(zhǎng)等效果，是不可多得的天然飼料添加劑，且不會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)殘留。本文通過(guò)SDS強(qiáng)化葡萄籽中原花青素的微波提取，旨在為天然提取的原花青素在飼料工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

紅提葡萄籽，清洗后干燥粉碎，石油醚脫脂后，過(guò)60目篩于陰涼干燥處放置備用；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品 （中國(guó)藥品生物制品檢驗(yàn)所，純度≥98%）；乙醇、SDS、石油醚等均為分析純。

島津UV-260紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：日本島津；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限公司；GR-200電子天平：日本AND；電熱鼓風(fēng)干燥箱101型：北京科偉永興儀器有限公司；DHG-9075A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；80-1型離心機(jī)：江蘇金壇正基儀器有限公司；WF-2000微波快速反應(yīng)系統(tǒng)：上海屹堯分析儀器有限公司。

1.2.1 原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

參照文獻(xiàn)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。精密稱(chēng)取0.1g的原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，用體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶解后定容，配制濃度為1mg/mL的原花青素標(biāo)準(zhǔn)溶液。以此標(biāo)準(zhǔn)溶液為基礎(chǔ)，再分別稀釋配制濃度為0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05mg/mL不同濃度的原花青素溶液，于280nm處測(cè)定吸光度。以原花青素的質(zhì)量濃度 (c/(mg/mL))為橫坐標(biāo)，不同濃度的溶液的吸光度 (A)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為 A=11.3843c+0.0102 (R2=0.9998)

1.2.2葡萄籽中原花青素得率的計(jì)算

得率 (%)=Wcv/m×100

式中：v—測(cè)定液的體積 (mL)；W—稀釋總倍數(shù)；c—提取液中原花青素質(zhì)量濃度 （mg/mL）；

m—每次提取時(shí)所取的葡萄籽粉末質(zhì)量/g；

分別探究了料液比 (1:9、1:12、1:15、1:18、1:21g/mL)，微波溫度 (45、55、65、75、85℃)，微波時(shí)間 (1、2、3、4、5min)，微波功率 (100、200、300、400、500W)四個(gè)因素不同水平下的提取效果，為正交實(shí)驗(yàn)選擇合適的水平范圍。

以單因素實(shí)驗(yàn)中的料液比、微波溫度、微波時(shí)間、微波功率為正交實(shí)驗(yàn)的考察因素，以葡萄籽中原花青素的得率為指標(biāo)，采用四因素三水平的中心組合正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化葡萄籽中原花青素的提取，實(shí)驗(yàn)安排見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)安排表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了篩選合適的提取劑來(lái)提取葡萄籽中原花青素，實(shí)驗(yàn)分別選擇不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SDS水溶液作為提取劑，設(shè)定微波溫度 50℃，料液比 1:15g/mL，微波時(shí)間3min，微波功率300W，考察不同提取劑對(duì)葡萄籽原花青素得率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 提取劑對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響

乙醇水溶液是常用的原花青素提取劑，本文在考慮提取成本及提取到的原花青素的使用的基礎(chǔ)上，選擇含有SDS的水溶液作為提取劑，與乙醇水溶液在同樣的提取條件下進(jìn)行比較。從圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中可以看出，對(duì)于乙醇水溶液來(lái)說(shuō)，體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇水溶液提取效果最好，原花青素得率為4.462%；對(duì)于含SDS的水溶液來(lái)說(shuō)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的SDS水溶液提取效果較好，原花青素得率為5.226%，和體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇水溶液提取原花青素的得率相比，提高了14.62%，從兩種提取劑的成本考慮，SDS更廉價(jià)，同時(shí)不會(huì)存在有機(jī)物殘留的問(wèn)題，故選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的SDS水溶液作為提取劑。

為了探究料液比對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定微波溫度50℃，微波時(shí)間3min，SDS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15%，微波功率300W，改變料液比，分別為1:9g/mL，1:12g/mL，1:15g/mL，1:18g/mL，1:21g/mL，以料液比為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的原花青素得率為縱坐標(biāo)繪圖，考察料液比對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 料液比對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響

由圖2可知，葡萄籽中原花青素的得率在1: 9～1:21g/mL料液比范圍內(nèi)隨著料液比的增大一直在增大，當(dāng)料液比較小的時(shí)候，傳質(zhì)速率小，原花青素不能完全溶出，隨著料液比的增大，傳質(zhì)速率也增大，因此得率增大。但當(dāng)料液比大于1: 15g/mL后，得率增大幅度越來(lái)越小，兼顧提取效果和提取成本，選擇1:15g/mL的料液比較合適。

為了探究微波時(shí)間對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定微波溫度50℃，料液比1:15g/mL，SDS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，微波功率300W，改變微波時(shí)間，分別為 1min，2min，3min，4min，5min，以微波時(shí)間為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的原花青素得率為縱坐標(biāo)繪圖，考察微波時(shí)間對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 微波時(shí)間對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響

微波輻射時(shí)間越長(zhǎng)作用越明顯，對(duì)于葡萄籽粉末的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞程度也越充分，從圖3可以看出，在微波作用2min的時(shí)候，原花青素的得率和1min相比提高很多，繼續(xù)延長(zhǎng)微波時(shí)間，原花青素得率逐漸增大，當(dāng)微波時(shí)間超過(guò)4min后，原花青素得率開(kāi)始減小。可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的微波提取，在破壁和SDS增溶兩方面作用下使得葡萄籽中其他雜質(zhì)成分溶出，影響了原花青素的提取，因此微波時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，4min為好。

為了探究微波溫度對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定微波時(shí)間3min，料液比1:15g/mL，SDS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，微波功率300W，改變微波溫度，分別為 45℃，55℃，65℃，75℃，85℃，以微波溫度為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的原花青素得率為縱坐標(biāo)繪圖，考察微波溫度對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 微波溫度對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響

適宜的微波溫度在提取過(guò)程匯總加快分子熱運(yùn)動(dòng)，加快摩擦破壁，使葡萄籽粉末中原花青素快速溶出。由圖4可以看出，微波溫度在45～55℃升溫范圍內(nèi)，原花青素的得率不斷增大，55℃時(shí)得率最大，再升高溫度原花青素得率先緩慢降低，然后急劇減小，主要是因?yàn)楦哌^(guò)高的溫度導(dǎo)致原花青素結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此，55℃為最適合微波提取。

為了探究微波溫度對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定微波時(shí)間3min，料液比1:15g/mL，SDS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，微波溫度50℃，改變微波功率，分別為100W、200W、300W、400W、500W，以微波功率為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的原花青素得率為縱坐標(biāo)繪圖，考察微波功率對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 微波功率對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響

微波功率是微波作用的直接體現(xiàn)，微波功率越大，產(chǎn)生的微波能越大，在葡萄籽原花青素的提取中的正向作用越明顯。從圖5可以看出，微波功率為100W時(shí)，花青素得率非常低，隨著微波功率的增大，花青素得率也增大，當(dāng)微波功率增大到400W時(shí)，得率最大，之后隨著微波功率的增大，花青素得率急劇降低，功率越大，越容易產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象，過(guò)熱會(huì)破壞原花青素的結(jié)構(gòu)，因此并不是功率越高越好，綜合考慮，選擇400W較合適。

3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了優(yōu)化SDS強(qiáng)化葡萄籽中原花青素的微波提取工藝，以單因素實(shí)驗(yàn)的四個(gè)因素作為影響因子，原花青素得率為指標(biāo)，通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳提取工藝參數(shù)，按照表1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

正交實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)各因素的水平進(jìn)行有規(guī)律的組合，是快速高效的確定最佳工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2中的極差R的大小反應(yīng)了所對(duì)應(yīng)的因素對(duì)葡萄籽中原花青素提取的影響程度，通過(guò)比較可知，各因素對(duì)得率的影響順序?yàn)椋何⒉囟龋疚⒉üβ剩疚⒉〞r(shí)間＞料液比。由表2所得的最優(yōu)組合為：A3B2C2D3，對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為：料液比1:18g/mL，微波時(shí)間3min，微波溫度55℃，微波功率400W。為了驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝參數(shù)條件下的提取效果，對(duì)其進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)，所得的原花青素得率分別為5.593%、5.612%、5.587%，取其平均值5.597%為最終得率，高于正交表中的任何一組得率，因此確定其為葡萄籽中原花青素的最佳微波提取工藝。

從表3的方差分析結(jié)果可以看出，微波功率對(duì)提取效果影響最顯著，F(xiàn)值最大，其次為微波功率、微波時(shí)間、最后是料液比，這和正交極差分析的結(jié)果吻合。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要想獲得高的原花青素得率，在控制好微波功率的情況下，可以適當(dāng)?shù)臏p小對(duì)提取效果影響最小的料液比，達(dá)到節(jié)省提取成本、高效提取的目的。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 方差分析

結(jié)論

微波提取具有高效、節(jié)省溶劑、得率高等優(yōu)勢(shì)，加上SDS的強(qiáng)化提取作用，得到了理想的提取效果。正交優(yōu)化所得的最佳提取工藝條件為：料液比1:18g/mL，微波時(shí)間3min，微波溫度55℃，微波功率400W，此條件下葡萄籽中原花青素的得率為5.597%。與常規(guī)的有機(jī)溶劑相比，SDS水溶液作用下原花青素不僅得率高，而且不存在有機(jī)物殘留的問(wèn)題，可安全應(yīng)用于飼料工業(yè)中。

（略）