超聲輔助低共熔溶劑提取沙棘籽粕多酚的工藝優(yōu)化

倪玉嬌 趙春建 李春英* 李國春 王楷婷 張玉坤

(1.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院，哈爾濱 150040)

超聲輔助低共熔溶劑提取沙棘籽粕多酚的工藝優(yōu)化

倪玉嬌1趙春建1李春英1*李國春2王楷婷1張玉坤1

(1.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院，哈爾濱 150040)

以一系列低共熔溶劑為提取劑，采用超聲波輔助法從沙棘籽粕中提取多酚。在單因素試驗結果基礎上，利用Box-Behnken實驗設計，運用響應面分析法對影響沙棘籽粕多酚得率的主要因素(超聲功率、超聲時間、超聲溫度)進行優(yōu)化。結果表明，沙棘籽粕多酚最佳提取工藝條件為：以含水量為30%的氯化膽堿—草酸低共熔溶劑為最佳提取劑，液料比為14∶1，超聲功率420 W，超聲時間56 min，超聲溫度44℃。在此條件下，多酚得率為3.31±0.008%。對比試驗發(fā)現(xiàn)：氯化膽堿—草酸低共熔溶劑對沙棘籽粕多酚的得率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑；與熱回流提取相比，超聲提取法具有明顯的優(yōu)勢。

低共熔溶劑；超聲；沙棘籽粕；多酚

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)是胡頹子科(Elaeagnaceae)沙棘屬(Hippophae)多年生落葉灌木或小喬木，主要分布于亞歐大陸的溫帶、寒溫帶及亞熱帶高山區(qū)，我國是世界上沙棘資源蘊藏量最豐富的的國家，占世界總面積的95%以上，素有“沙棘王國”之稱[1]。沙棘的各部分器官都具有很高的營養(yǎng)和藥用價值，其藥用價值主要有抗氧化、降血壓、降血脂、抗腫瘤、抗菌、抗炎、抗輻射等功效，可用于心血管、消化、血液系統(tǒng)的疾病[2]。沙棘的果實是沙棘價值的主要部分，其化學成分主要有維生素、氨基酸、油脂、揮發(fā)油、糖類、有機酸、酚類和黃酮、萜類及甾體類等[3]。目前，從新鮮的沙棘漿果中取得果汁、分離果油，在果汁移去后保留的果漿中提取“沙棘黃”可有效地利用資源[4]。而沙棘籽主要用于提取沙棘油，在提油之后沙棘籽粕中仍遺留大量生物活性物質，而這部分籽粕通常被當作廢棄物，極大地浪費了資源[5]。近年來，對沙棘籽粕的研究主要集中在提取黃酮[6]和原花色素方面[7]，對多酚提取工藝的研究尚未見報道。

植物多酚(plant polyphenols)，主要有酚酸、黃酮類物質、木酚素等，是一種植物體內的多元酚類次生代謝產物[8]，具有良好的保健功能。它的生理活性主要表現(xiàn)在抗氧化、清除自由基方面，與人工合成的抗氧化劑相比，不會對生物體造成傷害。其藥理活性主要表現(xiàn)在對心血管疾病的防預和保護以及增強免疫、抗炎、抗癌、抗突變等方面[9～10]。植物多酚對人類身體健康具有重要和多元的作用，并且因其具有天然、高效、低毒的特點，植物多酚已迅速成為當前研究的一個熱點。沙棘籽粕作為加工中產生的殘渣沒有得到充分利用，因此合理利用加工副產物，構建工業(yè)固體廢棄物資源利用的綠色模式，對促進沙棘的綜合利用，延長產業(yè)鏈，具有積極的意義。

低共熔溶劑(deep eutectic solvents，DESs)是一類具有比單個純組分更低熔點的離子型溶劑，因具有一系列獨特性質使得其在萃取天然產品領域的潛力也漸漸為人們所重視[11～12]。Xu[13]等將DESs用于雙水相體系中的蛋白質萃取，Dai[14]等研究了利用低共熔溶劑從紅花中提取酚類代謝產物，Marina[15]等和Peng[16]等也已成功將DESs用于多酚類化合物的提取。本實驗以超臨界CO2萃取沙棘油后的沙棘籽粕為原料，應用超聲波輔助提取技術，研究不同DESs對沙棘籽粕多酚得率的影響，并利用BBD實驗設計結合響應面對提取工藝進行了優(yōu)化，以期為沙棘籽粕多酚工業(yè)化提取提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：沙棘籽粕(超臨界CO2萃取后的沙棘籽粕)，由內蒙古宇航人有限公司提供，密封后在-20℃下避光儲存?zhèn)溆谩?/p>

試劑：氯化膽堿、草酸、葡萄糖、蘋果酸、丙三醇、乳酸、碳酸鈉等，均為分析醇，購于哈爾濱百特生物試劑有限公司；沒食子酸標準品(純度≥98%)，購于阿拉丁試劑有限公司；福林酚試劑：購于美國Sigma公司。

1.2 方法

1.2.1 低共熔溶劑的制備

制備5種低共熔溶劑(DES-1到DES-5)如表1。將氯化膽堿與草酸(葡萄糖、蘋果酸、丙三醇)或乳酸與葡萄糖按照一定的摩爾比混合置于圓底燒瓶中，在恒溫水浴鍋中，保持溫度50℃～80℃，磁力攪拌2～4 h，待反應結束后取出，冷卻至室溫后得到無色透明液體，在室溫、4℃～-20℃條件下，放置一周仍為均勻透明的液體。

表1不同類型的低共熔溶劑

Table1Differenttypesofdeepeutecticsolvents(DESs)

縮寫Abbreviation溶劑體系Solventsystem氫受體Hydrogenacceptor氫供體Hydrogenbonddonors摩爾比MoleratioDES?1氯化膽堿Cholinechloride葡萄糖Glucose1∶1DES?2氯化膽堿Cholinechloride蘋果酸Malicacid1．5∶1DES?3氯化膽堿Cholinechloride草酸Oxalicacid1∶1DES?4氯化膽堿Cholinechloride丙三醇Glycerol1∶2DES?5乳酸Lacticacid葡萄糖Glucose5∶1

1.2.2 多酚提取的工藝流程

脫脂后的沙棘籽粕粉末→加入低共熔溶劑(或傳統(tǒng)溶劑)→混勻→超聲波輔助(熱回流)避光提取→離心→定容。

1.2.3 多酚得率的測定

利用Folin-ciocalteu比色法測定多酚含量[17]。具體操作如下：終體積為200 μL，取2 μL沒食子酸標準品溶液或樣品溶液、空白溶液加入到96孔板，依次加入福林酚試劑10 μL，去離子水20 μL，靜置1～8 min后，加入10 μL，20%的碳酸鈉溶液，最后用去離子水補至終體積，室溫條件下反應2 h，于760 nm波長處測定吸光值。得到吸光值(Y)與樣品中多酚濃度(X，mg·mL-1)的回歸方程：Y=1.306 5X-0.014 8，R2=0.999 3。多酚得率的計算公式如下：

(1)

式中：c為提取液中多酚含量(mg·mL-1)；v為樣品溶液定容體積(mL)；m為提取前沙棘籽粕質量(g)。

1.2.4 試驗設計

準確稱取0.2 g沙棘籽粕于10 mL的指形管中，以沙棘籽粕中多酚得率為評價指標進行單因素試驗，分別考察低共熔溶劑類型(DES-1、DES-2、DES-3、DES-4、DES-5)、低共熔溶劑含水量(10%～100%)、超聲功率(280～700 W)、超聲溫度(30℃～60℃)、液料比(8∶1～20∶1)、超聲時間(10～60min)對多酚得率的影響。

在單因素試驗結果的基礎上，根據(jù)單因素方差分析選擇影響較大的3個因素(超聲功率、超聲時間 和超聲溫度)，運用響應面分析軟件的Box-Behnken模型，以多酚得率為響應值進行響應面試驗分析，確定多酚提取最佳工藝條件。響應面因素編碼及各自變量水平見表2。數(shù)據(jù)運用Design-Expert 8.05統(tǒng)計軟件處理。

表2響應面實驗因素水平及編碼

Table2CodedvaluesandcorrespondingactualvaluesoffactorsinBBDdesign

因素Factors編碼水平Codedlevels-101X1超聲功率Ultrasonicpower(W)350420490X2超聲時間Ultrasonictime(min)405060X3超聲溫度Ultrasonictemperature(℃)404550

2 結果與討論

2.1 低共熔溶劑(DESs)種類的選擇

以液料比10∶1、超聲波功率350 W、超聲溫度40℃、超聲波輔助提取40 min作為多酚提取條件，5種不同低共熔溶劑對多酚得率的影響如圖1所示。由圖1可以看出，5種低共熔溶劑中，DES-3對多酚的提取效果最佳，其余依次為DES-5>DES-4>DES-2>DES-1。DES對于多酚的高得率可能是由于DESs與多酚類化合物之間的氫鍵作用力[15]，當氯化膽堿為氫受體，氫供體為草酸、蘋果酸、丙三醇、葡萄糖等多元醇類和羧酸類化合物時，對沙棘籽粕多酚的提取優(yōu)于氫供體為糖類化合物的低共熔劑。另外也可能是由于DES-3相對于其它低共熔溶劑的運動分散性好，能更好地與多酚分子接觸，故在后續(xù)實驗中，選擇氯化膽堿—草酸(DES-3)低共熔溶劑為萃取劑。

圖1 提取溶劑對多酚得率的影響Fig.1 The influence of extraction solvents on polyphenol yield

同時，參考文獻報道[16～17]，比較了低共熔溶劑與有機溶劑(60%丙酮和80%乙醇)對提取沙棘籽粕多酚提取的影響(圖1)，結果表明：低共熔溶劑DES-3對沙棘籽粕多酚的提取明顯優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑。

2.2 低共熔溶劑含水量的選擇

作為萃取溶劑DESs具有較高的粘度、較差的擴散能力，導致其較難滲入到樣品基質的內部[18]。試驗證明，在低共熔溶劑中加入一定比例的水可以顯著地降低DESs的粘度[19]。因此，以不同含水量的DES-3為提取溶劑，液料比10∶1、超聲波功率350 W、超聲溫度40℃、超聲波輔助提取時間為40 min進行多酚的提取(圖2)。如圖2所示，在含水量為30%時，多酚得率達到了最大值3.27%，是水作為提取劑時的6.95倍。但低共熔溶劑含水量超過30%后，繼續(xù)增加含水量，多酚的得率呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是由于加入過量的水后減弱了低共熔溶劑與多酚類成分間的作用力，從而使目標成分得率下降[18]。因此，選擇含水量為30%的DES-3作為后續(xù)實驗中的提取劑。

圖2 低共熔溶劑(DES-3)的含水量對多酚得率的影響Fig.2 The influence of water content in DES-3 on polyphenol yield

2.3 單因素試驗

2.3.1 超聲功率對多酚得率的影響

在提取溫度35℃，提取時間40 min，液料比10∶1(mL∶g)的條件下，不同超聲功率對多酚得率的影響如圖3A所示。從圖3A可以看出，隨著功率的增大，得率逐漸增大，這可能是因為超聲波可使原料質點在其傳播空間內進入振動狀態(tài)，產生空化現(xiàn)象，原料細胞部分被破壞，強化了溶質擴散，同時也極大促進了低共熔溶劑萃取離子態(tài)的多酚，因而其得率增加。當超聲功率達到420 W后，多酚的得率降低，可能因為超聲功率導致了多酚部分降解，從而其得率下降。因此，選擇超聲功率420 W進行后續(xù)實驗。

2.3.2 超聲溫度對多酚得率的影響

在液料比10∶1，提取時間40 min，超聲功率420 W的條件下，不同溫度對多酚得率的影響如圖3B。由圖3B可知，當溫度從30℃上升到45℃時，多酚得率呈上升趨勢。但是繼續(xù)升高溫度，得率隨溫度的升高而下降?？赡艿脑蚴菧囟鹊纳邥铀俜肿拥倪\動，降低低共熔溶劑的粘度系數(shù)，同時增加擴散系數(shù)，增加表面張力，提高其對多酚的溶解度；而溫度繼續(xù)升高，可能導致部分熱敏性的多酚，因而得率降低[20]。綜合考慮，選擇45℃作為沙棘籽粕多酚最佳提取溫度。

2.3.3 液料比對多酚得率的影響

在超聲功率420 W，提取溫度45℃，提取時間40 min的條件下，考察不同料液比對多酚得率的影響，如圖3C所示。由圖3C可知，在液料比為14∶1之前，得率隨液料比的增大而增大，在14∶1時達到最大，但在14∶1后得率稍有下降。在提取過程中，液料比的提高必然會在較大程度上提高傳質推動力，有利于多酚得率的增加[21]。然而，當液料比增加到一定程度后，萃取劑已將多酚充分提出，再單純加大溶劑比例對多酚的提取作用不明顯，反而使得已吸附的多酚脫附重新回到待提取物中，導致得率出現(xiàn)下降[22]。因此，應選擇14∶1作為沙棘籽粕多酚最佳提取液料比。

圖3 多酚提取的單因素試驗結果Fig.3 Results of the single factor test of polyphenol extraction

2.3.4 超聲時間對多酚得率的影響

超聲功率420 W，提取溫度45℃，液料比14∶1，考察超聲時間對多酚的得率的影響，如圖3D所示,隨著提取時間的延長，多酚的得率先上升，后下降，多酚得率50 min時達到最大，為3.54%。隨著提取時間的繼續(xù)延長，多酚的得率反而下降，這可能是由于提取時間過長提取液中的多酚部分被氧化所致。因此，最佳提取時間選用50 min。

2.4 響應面試驗結果分析

2.4.1 回歸模型的建立與分析

在單因素試驗的基礎上，選擇超聲功率、超聲時間、超聲溫度對得率有顯著影響的3個因素，設計了3因素3水平的響應面分析試驗，以獲得最佳提取工藝參數(shù)。BBD實驗設計及結果見表2。

表2BBD試驗設計及結果

Table2TheBBDdesignofexperimentandresults

序號Run因素FactorsX1X2X3多酚得率Polyphenolyield(%)149060452．99242050453．26335040451．37449040451．84542050453．28642040501．65749050402．23835060452．77942040401．341042050453．131142060502．861242060402．681335050502．231442050453．131549050502．591635050401．351742050453．11

采用Design-Expert 8.05軟件對表2的響應面試驗結果進行分析，得到試驗條件與響應值間的回歸模型：

式中：Y為多酚的得率(%)；X1為超聲功率(W)；X2為超聲時間(min)；X3為超聲溫度(℃)。

對回歸模型進行方差分析結果見表3。表3表明，得到的回歸模型極顯著(P<0.000 1)，失擬項不顯著(P=0.066 8>0.05)，說明建立的模型是可靠的。相關系數(shù)R2為0.983 3，說明該模型擬合程度較好，預測值與實測值之間有較好的相關性，該模型可以用來預測提取沙棘籽粕多酚的得率。

表3回歸模型的方差分析

Table3Analysisofvariance(ANOVA)forafittedregressionequation

方差來源Source平方和Sumofsquares自由度df均方MeansquareF值FvalueP值Pvalue顯著性Significant模型Model7．9290．8845．84<0．0001?X10．4710．4724．250．0017?X23．2513．25169．33<0．0001?X30．3710．3719．480．0031?X1X20．01610．0160．810．3970nsX1X30．0710．0683．520．1027nsX2X34．22×10-314．22×10-30．220．6533nsX120．9910．9951．800．0002?X220．8710．8745．100．0003?X321．5011．5077．90<0．0001?殘差Residual0．1370．019失擬項LackofFit0．1130．0365．490．0668nsR2(adj)=0．9619R2=0．9833

注：*.差異顯著(P<0.01)；ns.差異不顯著(P>0.05)

Note：*.Significant(P<0.01)；ns.Not significant(P>0.05)

由方差分析結果可知，一次項X1、X2、X3均極顯著(P<0.01)，二次項X1X2、X1X3、X2X3均不顯著(P>0.05)，X12、X22、X32均極顯著(P<0.01)。表明各因素與響應值之間不是簡單的線性關系。從回歸系數(shù)絕對值大小分析各因素對提取沙棘籽粕多酚得率影響依次為超聲時間、超聲功率、超聲溫度。

2.4.2 響應面交互作用分析

運用Design-Expert8.05軟件，根據(jù)回歸方程分析作響應面圖，如圖4所示。由圖4可以看出，多酚得率隨3個因素的變化均為開口向下的拋物線，即沙棘多酚得率最初隨3個因素的逐漸增大而升高，在超過各因素中心值后，沙棘多酚得率隨各因素的增大而下降。由3組圖對比可知，超聲時間(B)對沙棘多酚得率影響最為顯著，表現(xiàn)為圖4A、C中超聲時間的曲面較陡，這與二次回歸方程方差分析結果一致。由圖4B可知，超聲溫度和超聲功率交互作用不明顯。

圖4 各因素對多酚得率影響的響應面圖Fig.4 Response surface plots for the ultrasonic power, ultrasonic time and ultrasonic temperature on polyphenol yield

2.5 最佳工藝條件的確定及驗證實驗

采用Design-Expert8.05軟件進行最佳理論工藝優(yōu)化得出最佳提取工藝參數(shù)為：超聲功率451.11 W，超聲時間56.35 min，超聲溫度44.46℃，在此條件下沙棘多酚得率為3.38%。綜合考慮試驗的可操作性、效率和成本等，將各因素確定為：超聲功率420 W，超聲時間56 min，超聲溫度44℃，在此條件下，多酚得率的實驗驗證值為(3.31±0.08)%，與理論值接近，說明本研究優(yōu)化得到的提取沙棘多酚工藝參數(shù)是可靠的，可擬合實際提取過程。

2.6超聲提取和傳統(tǒng)熱回流提取對沙棘籽粕多酚得率的對比分析

為了比較沙棘籽粕多酚不同方法的提取效果，取相同質量的沙棘籽粕，以含水量為30%的DES-3為提取劑，分別采用44℃熱回流提取56 min，120 min；超聲功率420 W、超聲溫度44℃、超聲波輔助提取56 min，對沙棘籽粕多酚得率的對比分析如圖5所示。由圖5可知，當提取時間均為56 min時，超聲輔助提取的得率為3.32±0.076%，是熱回流提取的得率的1.6倍。熱回流提取120 min的得率為3.25%與超聲提取56 min的得率相當。對比結果說明超聲輔助提取法的效率高于傳統(tǒng)的熱回流提取法。

圖5 不同提取方法對多酚得率比較Fig.5 The comparison of the polyphenol yield with different extraction methods

3 結論

本文通過單因素和響應面分析實驗優(yōu)化獲得了低共熔溶劑超聲波輔助提取沙棘籽粕中的多酚的最佳工藝條件：以含水量為30%的氯化膽堿—草酸低共熔溶劑為提取劑，液料比為14∶1，超聲功率420 W，超聲時間56 min，超聲溫度44℃提取沙棘粕多酚。通過超聲波輔助提取與傳統(tǒng)熱回流提取法比較，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取方法有具有較高的效率。本文的數(shù)據(jù)可為沙棘籽粕多酚的工業(yè)化提取提供參考。

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The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2572015EA04)

introduction：NI Yu-Jiao(1992—),female,master,research on plant resources development and utilization.

date:2017-02-27

ProcessOptimizationofUltrasonicAssistedDeepEutecticSolvents(DESs)ExtractionofPolyphenolsfromHippophaerhamnoidesSeedMeal

NI Yu-Jiao1ZHAO Chun-Jian1LI Chun-Ying1*LI Guo-Chun2WANG Kai-Ting1ZHANG Yu-Kun1

(1.Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040；2.Heilongjiang Province Forestry Survey and Planning Institute,Harbin 150040)

A range of deep eutectic solvents(DESs) as the solvent were used for extraction polyphenols with ultrasonic-assisted extraction methods from sea buckthorn. According to the single-parameter study, experiment factors(ultrasonic power、ultrasonic time、ultrasonic temperature) remarkably affected the yield of polyphenols were selected and Box-Behnken experimental design was investigated to be optimized by response surface methodology. The results indicated that with 30% water in Choline chloride-Oxalic acid as the suitable solvent and liquid to material ratio of 14∶1, the optimal conditions of ultrasonic extraction were as follows: ultrasonic power of 420 W, ultrasonic time of 56 min, and ultrasonic temperature of 44℃. Under these conditions, the yield of polyphenols was(3.31±0.08)%. Comparison experiment indicated that the extraction efficiency of polyphenols from sea buckthorn seed meal by DES was superior to the traditional solvent. Compared with the heat refluxing extraction method, DESs extraction method was a extraction technology with high efficiency.

deep eutectic solvents(DESs);ultrasonic-assisted extraction;sea buckthorn seed meal;polyphenol

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(2572015EA04)

倪玉嬌(1992—) ，女，碩士研究生，主要從事植物資源開發(fā)與利用研究。

* 通信作者：E-mail:lcy@nefu.edu.cn

2017-02-27

* Corresponding author：E-mail:lcy@nefu.edu.cn

Q949.9

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.03.020