響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取胡蘿卜葉多酚工藝研究

藍(lán)志福

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程學(xué)院，福建 漳州363000)

胡蘿卜(Daucuscarota)葉又名胡蘿卜纓，具有很高的營養(yǎng)價值。其味辛、甘，主治浮腫、小便不通、脘腹痛、淋痛，還可以作為理氣止痛藥，具有一定的藥理作用[1,2]。胡蘿卜葉因?yàn)橛邢銡舛灰赘腥静∠x害，因此很少使用農(nóng)藥，是非常好的綠色食品原料[3]。但在收獲的時候，往往將胡蘿卜葉當(dāng)作飼料或棄之不用，造成極大的浪費(fèi)。多酚是存在于植物葉、根、皮、殼和果肉中的一種多羥基酚類化合物的總稱，其含量僅次于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。多酚具有抗腫瘤、抗氧化、抗動脈硬化、防治冠心病與中風(fēng)等心腦血管疾病以及抗菌等多種生理功能，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)引起了越來越多學(xué)者的重視[4,5]。

近些年來，超聲提取法在提取天然植物有效成分中運(yùn)用較廣，具有提取溫度低、提取時間短、提取率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。本研究以胡蘿卜葉為原料，通過單因素試驗(yàn)，考察超聲時間、乙醇濃度、液料比、超聲溫度等因素對多酚提取率的影響，并利用響應(yīng)面分析法對胡蘿卜葉多酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以為充分開發(fā)利用胡蘿卜葉資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與試劑

KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器：江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；UV-200型紫外-可見分光光度計：上海美普達(dá)儀器有限公司。

胡蘿卜葉：采購于漳州市赤湖蔬菜基地，用蒸餾水將胡蘿卜葉洗凈并晾干，后于烘箱中烘干，粉碎過60目篩后備用。硫酸鋰：分析純，西隴化工股份有限公司；食用酒精：食品級，河南浩宇食品添加劑有限公司；鎢酸鈉：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為市售分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

分別加入不同體積(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL)的100mg/L沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和0.5mL福林-酚試劑到10mL的容量瓶中，按福林-酚法進(jìn)行測試，得到?jīng)]食子酸質(zhì)量濃度y與光密度x的線性回歸方程為y= 0.083x+ 0.02733，R2= 0.9991。

1.2.2 胡蘿卜葉多酚的提取及含量的測定

在100mL圓底燒瓶中加入1g的胡蘿卜葉粉末，按工藝條件加入乙醇進(jìn)行超聲提取，結(jié)束后取出燒瓶靜置冷卻，移取上清液1mL，稀釋一定倍數(shù)后備用。采用福林-酚法測定多酚含量，量取1mL經(jīng)稀釋倍數(shù)后的提取液于10mL容量瓶中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線測定方法于765nm處測定光密度值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出多酚濃度，從而得到多酚物質(zhì)的提取率。

式中：C為胡蘿卜葉多酚質(zhì)量濃度，mg/L；V為提取液體積，mL；N為稀釋倍數(shù)；M為胡蘿卜葉質(zhì)量，g。

1.2.3 單因素試驗(yàn)方法

1)超聲時間 稱取胡蘿卜葉粉末1g，加入35mL 70%的乙醇，在65℃下考察超聲時間對多酚提取率的影響。

2)乙醇濃度 稱取胡蘿卜葉粉末1g，加入35mL不同濃度的乙醇溶液，在65℃下浸提40min，考察乙醇濃度對多酚提取率的影響。

3)液料比 稱取胡蘿卜葉粉末1g，加入不同體積濃度為70%的乙醇，在65℃下浸提40min，考察液料比對多酚提取率的影響。

4)超聲溫度 稱取胡蘿卜葉粉末1g，加入35mL 70%的乙醇，在不同超聲溫度下浸提40min，考察超聲溫度對多酚提取率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計

表1 因素與水平編碼表

通過對單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選取超聲時間、乙醇濃度、液料比和超聲溫度為試驗(yàn)因素，以多酚提取率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面分析法，并結(jié)合Box-Behnken設(shè)計原理設(shè)計4因素3水平試驗(yàn)，對胡蘿卜葉多酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。因素與水平編碼表詳見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲時間對胡蘿卜葉多酚提取率的影響

圖1 不同超聲時間下的多酚提取率

如圖1所示，多酚提取率在超聲時間為40min時達(dá)到最大，超過40min后，提取率反而降低。這是因?yàn)槌晻r間越長會使多酚的溶出更徹底，但超聲時間過長時，由于超聲的熱效應(yīng)，過長的超聲時間會導(dǎo)致多酚中熱敏感組分的降解[7]。因此，適宜的超聲時間為40min。

2.2 乙醇濃度對胡蘿卜葉多酚提取率的影響

如圖2所示，多酚提取率在乙醇濃度為70%時達(dá)到最大，超過70%后，提取率反而降低。這是因?yàn)殡S著乙醇濃度逐漸增大，溶劑極性減弱，多酚與胡蘿卜葉顆粒內(nèi)物質(zhì)間氫鍵及疏水作用力容易斷裂，使得提取率較增大；而乙醇濃度過高時，胡蘿卜葉顆粒中蛋白質(zhì)等會加快溶出并與多酚物質(zhì)產(chǎn)生溶出競爭[8]。因此，適宜的乙醇濃度為70%。

圖2 不同乙醇濃度下的多酚提取率

圖3 液料比對多酚提取率的影響

圖4 不同超聲溫度下的多酚提取率

2.3 液料比對胡蘿卜葉多酚提取率的影響

如圖3所示，多酚提取率在液料比為35mL/g時達(dá)到最大，超過35mL/g后，提取率反而降低。這是因?yàn)橐毫媳鹊脑龃笤黾恿嗽吓c溶劑之間的接觸面積，使多酚能夠較多地溶解出來；當(dāng)液料比為35mL/g時，原料與溶劑充分結(jié)合，達(dá)到飽和，取得最大提取率。液料比不斷增加過程中，由于液料比過大會造成雜質(zhì)過多地溶出，導(dǎo)致多酚提取率的下降，同時考慮到降低溶劑原料和能耗等方面的因素[9]，因此適宜的液料比為35mL/g。

2.4 超聲溫度對胡蘿卜葉多酚提取率的影響

如圖4所示，多酚提取率在超聲溫度為65℃時達(dá)到最大，超過65℃后，提取率反而降低。這是因?yàn)槌暅囟鹊纳?，增加了多酚的溶出速度，提取率隨之增大；但超聲溫度過高，會破壞多酚物質(zhì)結(jié)構(gòu)，容易造成溶劑揮發(fā)損失及胡蘿卜葉中其他成分的溶出，降低提取率[10]。因此，適宜的超聲溫度為65℃。

2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用超聲時間、乙醇濃度、液料比和超聲溫度4因素3水平設(shè)計Box-Behnken試驗(yàn)，得出29組的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果如表2所示。

利用Design-Expert V8.0.6件對表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，可得以胡蘿卜葉多酚提取率為響應(yīng)值的二次多項回歸模型為：

Y=31.51+0.39A+0.63B+0.8C+0.44D+0.32AB-0.06AC-0.21AD+0.035BC+0.5BD+0.15CD-1.34A2-1.59B2-1.28C2-1.53D2

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 響應(yīng)面圖分析

圖5是在超聲溫度為65℃和液料比為35mL/g時，超聲時間與乙醇濃度的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖5可知，當(dāng)超聲時間一定時，胡蘿卜葉多酚提取率隨著乙醇濃度的變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢，超聲時間的趨勢亦是如此。在超聲時間40min、乙醇濃度70%的條件下，胡蘿卜葉多酚的提取率達(dá)到最大值。

表3 方差分析

注：*表示影響顯著(P<0.05)；** 表示影響極顯著(P<0.01) 。

圖5 超聲時間與乙醇濃度的交互作用

圖6是在超聲溫度為65℃和乙醇濃度為70%時，超聲時間和液料比的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖6可知，當(dāng)超聲時間一定時，適當(dāng)增加液料比可提高多酚提取率。當(dāng)液料比超過35mL/g時，多酚提取率下降明顯。液料比的變化曲線明顯較陡，說明液料比對多酚提取率的影響比超聲時間的影響更顯著。

圖6 超聲時間與液料比的交互作用

圖7是在液料比35mL/g和乙醇濃度為70%時，超聲時間和超聲溫度的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖7可知，超聲時間固定時，為加快多酚的溶出，可以適當(dāng)增加超聲溫度；當(dāng)超聲溫度不變時，隨著時間的延長，多酚提取率呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

圖7 超聲時間與超聲溫度的交互作用

圖8是在超聲時間35min和超聲溫度65℃的條件下，乙醇濃度和液料比的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖8可知，乙醇濃度在65%～75%時、液料比在30～40mL/g時，胡蘿卜葉多酚提取率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

圖8 乙醇濃度與液料比的交互作用

圖9是在超聲時間35min和液料比35mL/g時，乙醇濃度和超聲溫度的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖9可知，當(dāng)乙醇濃度固定時，適當(dāng)提高超聲溫度可以加快多酚物質(zhì)的溶出速度，但溫度過高時，多酚提取率隨之下降；當(dāng)超聲溫度固定時，增加乙醇的濃度，多酚提取率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。響應(yīng)面圖較陡峭，表明乙醇濃度和超聲溫度的交互作用影響顯著。

圖9 超聲溫度與乙醇濃度的交互作用

圖10所示為超聲時間35min和乙醇濃度70%時，液料比和超聲溫度的二次交互作用對胡蘿卜葉多酚提取率的影響。由圖10可知，當(dāng)液料比一定時，提高超聲溫度可以有效增強(qiáng)提取效果；當(dāng)超聲溫度一定時，隨著液料比的增加，多酚提取率逐漸增加，在液料比35 mL/g時達(dá)到最大值，之后再增大液料比，提取率逐漸下降。

圖10 超聲溫度與液料比的交互作用

2.5.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

對響應(yīng)面方程進(jìn)行分析，得到超聲輔助提取胡蘿卜葉多酚的最佳工藝條件為：超聲時間40.77min、乙醇濃度71.23%、液料比36.61mL/g和超聲溫度65.94℃，此條件下多酚提取率預(yù)測值為31.79mg/g?？紤]操作的方便性，選取超聲時間41min、乙醇濃度71%、液料比37 mL/g和超聲溫度66 ℃為最佳工藝條件進(jìn)行平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測得胡蘿卜葉多酚提取率為32.13mg/g，與理論預(yù)測值(31.79mg/g)相對誤差為1.07%，說明利用響應(yīng)面法所得的提取工藝參數(shù)可靠，可行性強(qiáng)。

3 結(jié)論

采用超聲對胡蘿卜葉中的多酚進(jìn)行輔助提取，并對影響多酚提取率的各工藝進(jìn)行了考察，用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，建立了胡蘿卜葉多酚提取率回歸模型，優(yōu)化得出提取胡蘿卜葉多酚的最佳工藝條件為：超聲時間41min、乙醇濃度72%、液料比37mL/g和超聲溫度66℃，在此條件下得到的多酚提取率為32.13mg/g，與理論預(yù)測值(31.79mg/g)相對誤差為1.07%。