黑麥籽粒多酚提取工藝優(yōu)化及其成分鑒定

靳明凱 楊文平 郝教敏 高志強(qiáng) 楊珍平 樊瑋鑫

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，太谷 030801)(華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2，唐山 063210)(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院3，太谷 030801)(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心4，太谷 030801)

谷物中含有豐富的植物多酚，可從籽粒與麩皮中提取，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。超臨界二氧化碳萃取法(SFE-CO2)提取效率高，能耗較少，最大限度保持物質(zhì)的天然特性，已廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。YESSICA等[2]研究表明超臨界萃取法是燕麥多酚提取的新方法，在38 MPa和55 ℃下，多酚的產(chǎn)量最高，且可獲得18.2 μg/g C6～C1結(jié)構(gòu)的多酚(香蘭素和香草醛)和1 389 μg/g C6～C3結(jié)構(gòu)的多酚(咖啡、芥子、香豆酸和阿魏酸)。顧仁勇等[3]對(duì)八月瓜多酚提取工藝比較，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2萃取結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)提取工藝。黑麥(SecalecerealeL.)又稱裸麥、黑小麥，為禾本科黑麥屬1年生草本植物，抗寒能力強(qiáng)，廣泛種植于華北地區(qū)。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)20世紀(jì)90年代引進(jìn)馴化并推廣的加拿大黑麥品種“4R”在山西晉中地區(qū)種植，表現(xiàn)生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，莖葉長(zhǎng)勢(shì)良好，籽粒營(yíng)養(yǎng)豐富[4]，作為當(dāng)?shù)氐耐茝V品種，對(duì)優(yōu)化山西農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要作用。黑麥的膳食纖維含量最高，同時(shí)含有廣泛的生物活性化合物[5，6]，其中酚類化合物是黑麥中最主要、最具多樣性的一類植物化學(xué)物質(zhì)，如全麥黑麥富含烷基間苯二酚(36～320 mg/100 g谷物)、酚酸(103～300 mg/100 g谷物)和木質(zhì)素(2 mg/100 g谷物)[7]。黑麥多酚具有較強(qiáng)的清除亞硝酸鹽能力[8]，良好的抗脂肪、蛋白氧化能力及抑菌性[9,10]，在改善或不降低產(chǎn)品品質(zhì)的前提下提高產(chǎn)品貨架期。作為一種天然抗氧化劑，黑麥多酚具有替代合成抗氧化劑(0.02% BHT)、生產(chǎn)功能改良的健康肉制品的較大潛力。高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)在植物化學(xué)物質(zhì)分析鑒定中被廣泛使用[11]。目前黑麥多酚的提取主要是傳統(tǒng)有機(jī)溶劑浸提[12]，采用超臨界二氧化碳萃取法的報(bào)道相對(duì)較少。本實(shí)驗(yàn)以引進(jìn)馴化的加拿大黑麥品種“4R”的籽粒為原料，研究響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取技術(shù)提取黑麥籽粒多酚工藝條件，并運(yùn)用HPLC-MS正負(fù)離子掃描法對(duì)黑麥籽粒多酚提取液中主要成分進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，為黑麥深加工及黑麥多酚天然抗氧化劑的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑麥(SecalecerealeL.)，引進(jìn)馴化的加拿大的“4R”品種，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

乙醇、無水碳酸鈉均為分析純；福林酚、沒食子酸均為生物試劑；甲醇、乙腈、正己烷等試劑均為色譜純；二醇基(Diol)固相萃取柱。

1.2 儀器與設(shè)備

HCP-100華晨高速多功能粉碎機(jī)，WFJ2100型可見分光光度計(jì)，SFT-110超臨界CO2萃取儀，DC150-1B氮吹儀，UltiMate3000高效液相色譜儀，LTQ XLTM線性離子阱質(zhì)譜儀，ASE-24固相萃取裝置。

1.3 方法

1.3.1 黑麥籽粒多酚提取工藝

1.3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

配制0.05 mg/mL沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次吸取0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液于8支25 mL具塞比色管中，各管分別用50%乙醇補(bǔ)至3.5 mL，加1 mL福林酚試劑，搖勻、靜置 3 min；用0.05 g/mL碳酸鈉溶液定容，搖勻、避光靜置15 min后，765 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值A(chǔ)。根據(jù)吸光值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：Y=4.590 5x+0.024 8(R2=0.997 9)，回歸方程整體擬合，數(shù)據(jù)可靠。

1.3.1.2 黑麥籽粒多酚提取與測(cè)定

黑麥曬干后粉碎、過80目篩。稱取3 g 黑麥籽粒粉末于400目尼龍篩絹并裝入萃取釜中，旋緊密封，設(shè)置溫度和壓力，打入夾帶劑，CO2加壓到指定壓力值，開始靜態(tài)萃取。萃取結(jié)束后取收集瓶收集10 min，氮吹30 min揮發(fā)掉殘留夾帶劑。70%乙醇復(fù)溶，取1 mL 上清液，按照1.3.1.1的測(cè)定方法測(cè)定樣品中多酚含量，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程，按公式計(jì)算黑麥籽粒多酚得率：

黑麥多酚得率(mg/g)=C×X×V/m

式中：C為黑麥籽粒多酚質(zhì)量濃度/mg/mL；X為稀釋倍數(shù)；V為提取液體積/mL；m為樣品質(zhì)量/g。

1.3.1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

以黑麥籽粒粉末為原料，采用超臨界CO2萃取法，研究夾帶劑種類對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響；在萃取時(shí)間2.5 h、壓強(qiáng)4 350 psi和萃取溫度55 ℃條件下，考察料液比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8 g/mL)對(duì)多酚得率的影響；在料液比1∶4 g/mL、壓強(qiáng)4 350 psi和萃取溫度55 ℃條件下，考察萃取時(shí)間(0.5、1、1.5、2、2.5、3 h)對(duì)多酚得率的影響；在料液比1∶4 g/mL、萃取時(shí)間2 h和萃取溫度55 ℃條件下，考察壓強(qiáng)(3 625、4 350、5 080、5 800、6 530 psi)對(duì)多酚得率的影響；在料液比1∶4 g/mL、萃取時(shí)間2 h和壓強(qiáng)4 350 psi條件下，考察萃取溫度(40、45、50、55、60 ℃)對(duì)多酚得率的影響。

1.3.1.4 響應(yīng)面因素水平設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在每組最佳條件的附近選值。由于儀器條件要求夾帶劑用量不宜超過5%，因此料液比選用1∶4 g/mL，利用Design Expert 8.0軟件Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以萃取溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間3個(gè)因素為自變量，以黑麥多酚得率為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。因素水平編碼見表1。

表1 響應(yīng)面分析的因素水平

1.3.2 黑麥籽粒多酚成分鑒定

1.3.2.1 樣品的純化

根據(jù)最佳工藝提取黑麥籽粒多酚，純化方法參照LS/T 6119—2017并進(jìn)行修改，二醇基固相萃取柱(6 mL，500 mg)依次用10 mL甲醇和10 mL正己烷活化，流速為2.0 mL/min。準(zhǔn)確稱取2 g試樣溶于6 mL正己烷中，將該溶液以1.0 mL/min流速過二醇基固相萃取柱，10 mL正己烷淋洗萃取柱，棄去淋洗液，10 mL甲醇洗脫，收集洗脫液，弱氮?dú)獯蹈桑瑲堅(jiān)苡? mL 50%甲醇溶液中，渦旋振蕩1 min，-18 ℃冷凍16 h，4 ℃下10 000 r/min離心5 min后取上清液，待測(cè)。

1.3.2.2 高效液相色譜(HPLC)條件

表2 液相條件優(yōu)化

色譜柱：EchpsePlusC18柱(2.1 mm×100 mm，1.8 μm)；流速：0.3 mL/min；柱溫：40 ℃；進(jìn)樣體積：5 μL；流動(dòng)相A：0.1%甲酸水；B：乙腈；流動(dòng)相梯度洗脫程序見表2。

1.3.2.3 質(zhì)譜(MS)條件

離子源：ESI；毛細(xì)管電壓：3.0 kV；離子源溫度：100 ℃；脫溶劑氣溫度：350 ℃；脫溶劑氣(N2)流量：800 L/h；錐孔氣(N2)流量：50 L/h；檢測(cè)模式：多反應(yīng)檢測(cè)(MRM)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2013和Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖；SPSS22軟件進(jìn)行方差分析、SNK法多重比較；Design Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用X±σ表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑麥籽粒多酚提取工藝結(jié)果分析

2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以CO2靜態(tài)萃取，在萃取壓力4 350 psi、萃取溫度55 ℃、料液比1∶4 g/mL、時(shí)間2.5 h、分離時(shí)間10 min的條件下，選擇乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、環(huán)己烷、正己烷、乙酸乙酯、石油醚為夾帶劑，不添加夾帶劑為對(duì)照，黑麥籽粒多酚得率見表3。

表3 夾帶劑種類對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響

少量夾帶劑(攜帶劑、改性劑)能夠顯著改變超臨界流體的極性，從而選擇性改變提取物，這種方式大大拓寬超臨界在植物功能因子的應(yīng)用范圍[13]。對(duì)于極性較強(qiáng)的多酚黃酮類化合物，僅僅使用SC-CO2萃取效率不高，由于CO2是非極性分子，根據(jù)相似相溶原理，超臨界CO2萃取的產(chǎn)物多為非極性的含脂質(zhì)混合物、揮發(fā)油等。通過適當(dāng)加入乙醇、甲醇等作為夾帶劑以增強(qiáng)其溶解力和選擇性，使極性強(qiáng)、分子量大的物質(zhì)被萃取出來。從表4可知，黑麥籽粒多酚提取得率效果較好的夾帶劑依次是甲醇、95%乙醇、無水乙醇，極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑對(duì)黑麥中多酚有較強(qiáng)的溶解能力，多酚得率也隨之增大。但是考慮到甲醇對(duì)人體的毒性作用，后續(xù)研究選擇95%乙醇作為夾帶劑。

其他各單因素對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響見圖1。

注：小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。圖1 料液比、萃取時(shí)間、壓強(qiáng)和溫度對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響

料液比在1∶1～1∶6 g/mL范圍內(nèi)，隨著夾帶劑增加，黑麥多酚得率顯著提高(P<0.05)，這是由于夾帶劑乙醇的加入使超臨界CO2流體對(duì)黑麥多酚的溶解度增加，起到了提攜作用，提高了多酚得率。當(dāng)料液比為1∶6 g/mL時(shí)，黑麥籽粒多酚得率達(dá)到最大；隨夾帶劑添加量繼續(xù)增大，黑麥籽粒多酚萃取得率顯著降低(P<0.05)，這可能是乙醇加入過多使超臨界CO2溶解度飽和所致。當(dāng)料液比超過1∶4 g/mL后，經(jīng)氮吹后的收集瓶中就沒有夾帶劑殘留，因此，選擇料液比1∶4 g/mL萃取黑麥籽粒多酚。

萃取時(shí)間在0.5～2 h范圍內(nèi)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，黑麥籽粒多酚得率顯著增加(P<0.05)。當(dāng)萃取時(shí)間為2 h時(shí)，黑麥籽粒多酚得率最大。繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，黑麥籽粒多酚得率開始下降，可能是由于溫度和壓力的協(xié)同作用對(duì)其中的多酚物質(zhì)造成破壞。因此萃取時(shí)間以2 h為宜。

超臨界流體在一定條件下，密度和介電常數(shù)可隨著壓力增大而增加。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定壓力后，溶解能力隨著壓力增加而減小。如圖1所示，在3 625～5 080 psi范圍內(nèi)，隨著壓強(qiáng)增加，黑麥籽粒多酚得率顯著增加(P<0.05)。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到5 080 psi時(shí)，黑麥籽粒多酚萃取得率達(dá)最高值。繼續(xù)加大壓強(qiáng)，黑麥籽粒多酚得率開始顯著下降(P<0.05)，這是由于萃取壓力過高，導(dǎo)致CO2分子、乙醇分子及其他成分出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象而導(dǎo)致溶解性能降低，使提取率降低[14]。因此，最適萃取壓強(qiáng)以5 080 psi為宜。

萃取溫度在40～55 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，黑麥籽粒多酚得率顯著增加(P<0.05)，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，黑麥籽粒多酚得率達(dá)到最大值。這是由于溫度的升高加快了分子熱運(yùn)動(dòng)，提高了分子間相互碰撞幾率，增加了溶質(zhì)揮發(fā)性及溶劑擴(kuò)散系數(shù)，加快了多酚物質(zhì)的溶出[15]。繼續(xù)提高萃取溫度，黑麥籽粒多酚得率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是由于溫度升高的同時(shí)，降低了CO2的密度使物質(zhì)溶解度降低而降低了多酚得率[16]，另一方面高溫會(huì)破壞萃取物的結(jié)構(gòu)，引起蛋白質(zhì)質(zhì)構(gòu)化、多酚類化合物部分氧化，使黑麥籽粒多酚含量降低。因此，選擇55 ℃作為超臨界CO2的萃取溫度。

2.1.2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界萃取黑麥籽粒多酚的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)軟件對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行二次項(xiàng)式回歸擬合，得回歸模型方程：

Y=0.19+0.016A+0.030B+0.017C-0.002 2AB-0.025AC-0.009 2BC-0.042A2-0.045B2-0.038C2，R2=0.986 9。

式中：Y為黑麥籽粒多酚得率，A、B、C分別為萃取溫度、萃取壓強(qiáng)和萃取時(shí)間。

表5 回歸模型的方差分析

由表5還可以看出，因素B、二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)響應(yīng)值影響達(dá)到0.001的極顯著水平，因素A、C、交互項(xiàng)AC和BC對(duì)響應(yīng)值影響顯著(P<0.05)，交互項(xiàng)AB對(duì)響應(yīng)值影響不顯著(P>0.05)；三因素的偏回歸系數(shù)的絕對(duì)值大小依次是|B|>|C|>|A|。表明影響黑麥籽粒多酚得率的主要因素是萃取壓強(qiáng)B，其次是萃取時(shí)間A和萃取溫度C；萃取時(shí)間和溫度(AC)以及萃取時(shí)間和壓強(qiáng)的交互作用(BC)均對(duì)黑麥籽粒多酚得率有顯著影響(P<0.05)。各因素交互作用對(duì)黑麥籽粒多酚得率影響的響應(yīng)面圖見圖2。

從圖2可以看出，黑麥籽粒多酚得率隨著壓強(qiáng)、溫度的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；萃取壓強(qiáng)對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響更大，但兩因素的交互作用不明顯。當(dāng)萃取溫度、時(shí)間增加時(shí)，黑麥籽粒多酚得率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，兩者交互作用明顯。當(dāng)壓強(qiáng)、時(shí)間增加時(shí)，黑麥籽粒多酚得率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)；萃取壓強(qiáng)的響應(yīng)面坡度更大，說明其對(duì)多酚得率的影響程度比萃取時(shí)間更明顯，同時(shí)兩者交互作用明顯。

2.1.3 最優(yōu)提取工藝的確定及驗(yàn)證

響應(yīng)面法得到超臨界CO2萃取黑麥籽粒多酚工藝的最優(yōu)工藝為：夾帶劑95%乙醇、料液比1∶4 g/mL、萃取壓強(qiáng)5 230 psi、萃取時(shí)間2.07 h、萃取溫度55.65 ℃，此時(shí)黑麥籽粒多酚得率為0.200 7 mg/g。按照此工藝參數(shù)進(jìn)行3次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，測(cè)得黑麥籽粒多酚得率平均為0.201 mg/g，與預(yù)測(cè)值接近，該模型較好地反映了各因素對(duì)黑麥籽粒多酚得率的影響。

圖2 萃取溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間之間兩兩互作的響應(yīng)面圖

2.2 黑麥籽粒多酚成分鑒定結(jié)果與分析

根據(jù)黑麥籽粒多酚樣品的HPLC-MS正負(fù)總離子流圖(圖略)可知，黑麥籽粒多酚主要組分有9種，見表6，其中樣品中組分4、5的含量與其他組分含量相比相對(duì)較多。

表6 黑麥籽粒多酚主要組分

黑麥籽粒多酚組分2的一級(jí)質(zhì)譜掃描結(jié)果見圖3。正離子掃描模式下的準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+質(zhì)荷比(m/z)為359，因此可知化合物的分子質(zhì)量為358，初步推測(cè)其中含有的化合物為羅漢松脂酚(matairesinol)(表6)。此數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)一致[17]。

圖3 黑麥籽粒多酚組分2的一級(jí)質(zhì)譜分析

黑麥籽粒多酚組分4、5的一級(jí)質(zhì)譜掃描結(jié)果分別見圖4、圖5。從圖4可知，正離子掃描模式下的準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+質(zhì)荷比(m/z)為433，因此可知化合物的分子質(zhì)量為432，初步推測(cè)其中含有的化合物為二十三烷基間苯二酚(tricosylresorcinol)(表6)；從圖5可知，正離子掃描模式下的組分5有3個(gè)主要的峰，其中準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+質(zhì)荷比(m/z)為459；加鈉峰[M+Na]+的m/z為481；加鉀峰[M+K]+的m/z為497，因此可知化合物的分子質(zhì)量為458，初步推測(cè)其中含有的化合物為二十五烷基間苯二酚(pentacosenylresorcinol)(表6)。此數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)一致[18]。

黑麥籽粒多酚組分7的一級(jí)質(zhì)譜掃描結(jié)果見圖6。正離子掃描模式下的組分7有兩個(gè)主要的峰，其中準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+的質(zhì)荷比(m/z)為679.61；加鈉峰[M+Na]+的m/z為701.59。因此初步推測(cè)其中含有的化合物為β-谷甾醇油酸酯(sitosteryl-18∶1)(表6)，分子質(zhì)量為678。此數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)一致[19]。

圖4 黑麥籽粒多酚組分4的一級(jí)質(zhì)譜分析

圖5 黑麥籽粒多酚組分5的一級(jí)質(zhì)譜分析

圖6 黑麥籽粒多酚組分7的一級(jí)質(zhì)譜分析

本研究推測(cè)出黑麥籽粒多酚中含有兩種烷基間苯二酚(ARs)，一種木脂素和一種植物甾醇。烷基間苯二酚具有抑菌(革蘭氏陽性菌)、提高生物膜的穩(wěn)定性、抗腫瘤、抗氧化等生物活性作用[20，21]；羅漢松脂酚為木脂素類成分，有抗腫瘤、抗氧化活性，抗氧化活性比VC更強(qiáng)，因?yàn)槠浜屑籽趸姆枷悱h(huán)[22，23]；β-谷甾醇油酸酯具有β-谷甾醇所有的優(yōu)良性能，如抗氧化、抗炎作用，能夠抑制人體對(duì)膽固醇的吸收，能減輕非酒精性脂肪肝大鼠高脂飲食引起的肝脂肪變性[24，25]。烷基間苯二酚是黑麥中含量最豐富的酚類化合物之一，幾乎只存在于黑麥和小麥的麩皮中，因此被認(rèn)為是全麥黑麥和小麥攝入量的生物標(biāo)志物[26]。NYSTRO等[27]報(bào)道黑麥中烷基間苯二酚總含量為796～1 231 μg/g，在法國(guó)的Nikita、Rekrut和Queyras3個(gè)品種中含量最高，Grandrieu品種中含量最低。烷基間苯二酚主要的同系物有5種，C17∶0 22%～28%、C19∶0 32%～34%、C21∶0 21%～27%、C23∶0 9%～11%和C25∶0 8%～10%。ROSS等[28]和EVANS等[29]分別測(cè)得的黑麥中烷基間苯二酚的總含量為568～1 022 μg/g和3 220 μg/g。這些差異可能與品種和農(nóng)業(yè)氣候條件的不同有關(guān)。本研究未對(duì)所選用的黑麥品種中含有的多酚化合物含量進(jìn)行檢測(cè)，后續(xù)研究會(huì)選擇不同品種進(jìn)行相關(guān)定量分析和作用研究。

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取法(SFE-CO2)提取黑麥籽粒多酚，得出最優(yōu)提取工藝為：夾帶劑95%乙醇，料液比1∶4 g/mL，萃取壓強(qiáng)5 230 psi，萃取時(shí)間2.07 h，萃取溫度55.65 ℃，此條件下黑麥籽粒多酚得率為0.201 mg/g。經(jīng)高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)技術(shù)初步推測(cè)出黑麥籽粒多酚中含有羅漢松脂酚、二十三烷基間苯二酚、二十五烷基間苯二酚、β-谷甾醇油酸酯4種化合物。