檳榔下腳料中檳榔堿的提取工藝及應(yīng)用研究

陳 娟 盧克強(qiáng) 朱門(mén)君 蔣雪薇

(1.湖南皇爺食品有限公司，湖南 湘潭 411228；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

食用檳榔是指以檳榔干果(也稱(chēng)檳榔原籽)為原料經(jīng)甜味劑及香精發(fā)制而制成的一類(lèi)休閑食品[1]。據(jù)報(bào)道[2]，截至2017年底，僅湖南省湘潭市天易全區(qū)的檳榔年制成品就超過(guò)10萬(wàn)t，而檳榔在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生檳榔核、檳榔蒂及報(bào)廢檳榔片等下腳料，其中下腳料約占檳榔成品量的10%～15%，然而目前這些下腳料常常作為廢棄物或生活垃圾以焚燒等方式處置，不僅浪費(fèi)了資源，也易造成環(huán)境污染。有研究[3-4]表明，檳榔果的各個(gè)部位均含有檳榔堿，其中鮮果檳榔核的檳榔堿含量為0.118%、檳榔殼的含量為0.043%，且檳榔堿含量隨熟度的增加而增加。因此可將檳榔下腳料用作提取檳榔堿的原料。

目前，檳榔堿的提取方法有有機(jī)試劑提取法[5-6]、超聲波輔助提取法[7]、微波輔助提取法[8]、超臨界CO2流體萃取法[9-10]、亞臨界水提取法[11]等，在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，低沸點(diǎn)易燃的有機(jī)試劑有一定的安全隱患，超聲波、微波、超臨界和亞臨界CO2流體萃取等方法的輔助設(shè)備的造價(jià)過(guò)高。研究擬采用酸水提取法提取檳榔堿，并將經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化的最佳提取工藝得到的提取物應(yīng)用于檳榔產(chǎn)品中，以期低成本高值化利用檳榔下腳料這一資源。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

檳榔加工下腳料：湖南皇爺食品有限公司；

甲醇：色譜純，默克股份兩合公司；

乙腈：色譜純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

鹽酸、磷酸、乙二胺：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

檳榔堿氫溴酸鹽：色譜純(純度98.5%)，國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

烘箱：DKN412C型，日本雅馬拓公司；

粉碎機(jī)：RRH-A350型，上海緣沃工貿(mào)有限公司；

超聲波：KQ-500E型，昆山市超聲儀器有限公司；

高效液相色譜儀：RF-20A型，日本島津公司；

水浴恒溫振蕩器：SHZ-A型，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 檳榔下腳料的選擇 將收集的檳榔下腳料于50 ℃ 干燥至水分含量為10%～15%，再按核、蒂、廢棄檳榔片分類(lèi)分開(kāi)，粉碎機(jī)分別粉碎后，測(cè)定其檳榔堿含量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 檳榔堿的提取 稱(chēng)取5 g過(guò)60目篩的檳榔核，按照試驗(yàn)方案加入一定量的溶劑，在恒溫振蕩水浴鍋(105 r/min)中以一定的溫度處理一定時(shí)間后，過(guò)濾，收集濾液，測(cè)定濾液中檳榔堿含量。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

(1) 粉碎粒度對(duì)檳榔堿提取量的影響：檳榔核經(jīng)粉碎機(jī)處理后過(guò)20，40，60，80，100，120目篩，分別測(cè)定不同粉碎粒度下檳榔核提取物的檳榔堿含量。

(2) 提取時(shí)間對(duì)檳榔堿提取量的影響：在粉碎粒度60目，鹽酸質(zhì)量濃度0.00%，料液比(m檳榔∶V水)為1∶15 (g/mL)，提取溫度70 ℃，提取次數(shù)1次的條件下測(cè)定提取時(shí)間為15，30，45，60，75 min時(shí)濾液的檳榔堿含量。

(3) 提取溫度對(duì)檳榔堿提取量的影響：在粉碎粒度60目，鹽酸質(zhì)量濃度0.00%，料液比(m檳榔∶V水)為1∶15 (g/mL)，提取時(shí)間30 min，提取次數(shù)1次的條件下測(cè)定提取溫度為50，60，70，80，90 ℃時(shí)濾液的檳榔堿含量。

(4) 料液比對(duì)檳榔堿提取量的影響：在粉碎粒度60目，鹽酸質(zhì)量濃度0.00%，提取時(shí)間30 min，提取溫度70 ℃，提取次數(shù)1次的條件下測(cè)定料液比(m檳榔∶V水)分別為1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 (g/mL)時(shí)濾液的檳榔堿含量。

(5) 鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)檳榔堿提取量的影響：在粉碎粒度60目，料液比(m檳榔∶V水)為1∶15 (g/mL)，提取溫度70 ℃，提取時(shí)間30 min，提取次數(shù)1次的條件下測(cè)定鹽酸質(zhì)量濃度分別為0.00%，0.15%，0.30%，0.45%，0.60%時(shí)濾液的檳榔堿含量。

(6) 提取次數(shù)對(duì)檳榔堿提取量的影響：在粉碎粒度60目，鹽酸質(zhì)量濃度0.00%，料液比(m檳榔∶V水)為1∶15 (g/mL)，提取溫度70 ℃，提取時(shí)間30 min的條件下測(cè)定提取次數(shù)分別為1，2，3，4，5次時(shí)濾液的檳榔堿含量。

每組試驗(yàn)3次重復(fù)。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)中心試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考察提取時(shí)間、提取溫度、鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)檳榔堿提取量的影響，確定最佳提取工藝。

1.2.5 檳榔堿含量的測(cè)定及提取量的計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn)[12]修改如下：

(1) 樣品處理方式：取適量樣品于比色管中，加甲醇定容至25 mL?；靹蚝蟪暡ㄌ幚? h，過(guò)0.45 μm有機(jī)膜，進(jìn)樣。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制定：配制0.1 mg/mL的氫溴酸檳榔堿對(duì)照品溶液，分別吸取0.06，0.20，0.40，0.80，1.60，3.20，4.00 mL對(duì)照品溶液加流動(dòng)相定容至4 mL，混勻后進(jìn)樣。根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果以氫溴酸檳榔堿標(biāo)準(zhǔn)品的峰面積為縱坐標(biāo)，氫溴酸檳榔堿的濃度(mg/mL)為橫坐標(biāo)，繪制檳榔堿標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性關(guān)系式：y=2×107x+173 859。

(3) 檳榔堿提取量計(jì)算：按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

Y——檳榔堿提取量，mg/g；

X——檢測(cè)樣品的檳榔堿含量，mg/g；

C——檢測(cè)樣品對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度，mg/mL；

V——檢測(cè)樣品的定容體積，mL；

m1——檢測(cè)樣品的質(zhì)量，g；

m2——濾液質(zhì)量，g；

m3——檳榔核的質(zhì)量，g。

1.2.6 檳榔提取物對(duì)檳榔產(chǎn)品品質(zhì)的影響 按檳榔原籽→煮籽→發(fā)制→烤籽→悶香→壓籽→上膠→切籽→去核→點(diǎn)鹵→晾片→包裝的工藝流程制作檳榔產(chǎn)品。其中試驗(yàn)樣品在發(fā)制步驟中用檳榔堿最優(yōu)提取方案得到的提取物濃縮5倍后等量替代熬料用水，其余不變。測(cè)定試驗(yàn)樣品與對(duì)照樣品中的檳榔堿含量，并組織10名經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的品評(píng)人員對(duì)樣品按照表1中的項(xiàng)目打分，最后統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)的平均得分。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)均使用SPSS、Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 檳榔下腳料的選擇

檳榔核、檳榔蒂和廢棄檳榔片中檳榔堿含量見(jiàn)圖1。由圖1 可知，檳榔核中的檳榔堿含量遠(yuǎn)高于檳榔蒂和廢棄檳榔片，與劉蕊等[13]試驗(yàn)得出的鮮檳榔中檳榔堿含量檳榔核>纖維層>表皮基本一致。由于檳榔在高溫水洗、烘烤的加工過(guò)程中會(huì)破壞檳榔殼、蒂中的檳榔堿，而檳榔核被殼包裹能較好地保留檳榔堿，而且檳榔下腳料中檳榔核占總量的90%左右，因此選擇檳榔核作為檳榔堿的提取原料。

2.2 單因素試驗(yàn)

由圖2～7可知，最佳的單因素參數(shù)為：粉碎粒度60目，料液比(m檳榔∶V水)1∶15 (g/mL)，提取時(shí)間30 min，提取溫度70 ℃，鹽酸質(zhì)量濃度0.15%，提取次數(shù)2次。

表1 感官品評(píng)表Table 1 Sensory evaluation table

圖1 不同類(lèi)別檳榔下腳料的檳榔堿含量對(duì)比Figure 1 Arecoline content at different catagory of the betel-nut waste

圖2 不同粉碎粒度下提取的檳榔堿含量Figure 2 Extracted arecoline content at different grinding particle sizes

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 根據(jù)SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明粉碎粒度、提取時(shí)間、提取溫度、料液比、提取次數(shù)、鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)于檳榔堿提取量的影響都是極顯著的(P<0.01)。試驗(yàn)得出的料液比與提取次數(shù)的結(jié)果與相關(guān)研究[14]的結(jié)果基本一致，考慮到粉碎粒度、料液比、提取次數(shù)與試驗(yàn)設(shè)備、操作難易和成本耗費(fèi)緊密相關(guān)，在選定粉碎粒度60目，料液比(m檳榔∶V水)1∶15 (g/mL)，提取次數(shù)2次的基礎(chǔ)上，選擇提取時(shí)間、提取溫度及鹽酸質(zhì)量濃度作為響應(yīng)面優(yōu)化的因素，試驗(yàn)因子與水平表見(jiàn)表2。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 料液比對(duì)檳榔堿提取量的影響Figure 3 Impact analysis of solid-liquid ratio

圖4 提取時(shí)間對(duì)檳榔堿提取量的影響Figure 4 Impact analysis of extraction time

圖5 提取溫度對(duì)檳榔堿提取量的影響Figure 5 Impact analysis of extraction temperature

圖6 鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)檳榔堿提取量的影響Figure 6 Impact analysis of hydrochloric acid concentration

圖7 提取次數(shù)對(duì)檳榔堿提取量的影響Figure 7 Impact analysis of extraction times

2.3.2 模型與數(shù)據(jù)分析 運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到檳榔堿提取量與提取參數(shù)的二次回歸方程為：

Y=7.84+0.30A+0.25B+0.65C-0.075AB+0.035AC+0.24BC-0.12A2-0.14B2-0.71C2。

(2)

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface experiment

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 3 Design and results of response surface experiment

表4 響應(yīng)面模型方差分析?Table 4 ANOVA for the response surface quadratic model

由圖8～10可知，3個(gè)因素對(duì)檳榔堿提取量的影響大小依次為：鹽酸質(zhì)量濃度>提取時(shí)間>提取溫度。當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度固定為0.15%時(shí)，檳榔堿提取量隨著提取時(shí)間和提取溫度的增加而緩慢增加，可能是作為主要影響因素的鹽酸質(zhì)量濃度還未達(dá)到最佳濃度，此時(shí)，增加提取時(shí)間和提取溫度有助于提高提取效率。當(dāng)提取溫度固定為70 ℃時(shí)，提取率隨鹽酸質(zhì)量濃度的增加先升高后降低，隨提取時(shí)間的增加呈緩慢上升的趨勢(shì)；當(dāng)提取時(shí)間固定為30 min時(shí)，提取量隨鹽酸質(zhì)量濃度和提取溫度的增加先上升后降低，可能是高鹽酸質(zhì)量濃度可大大提升檳榔堿的提取量，但長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)導(dǎo)致被提取檳榔堿損失，造成其提取量下降。因此，在確定適當(dāng)?shù)柠}酸質(zhì)量濃度后，尤其要控制好提取溫度以使檳榔堿提取量達(dá)到最大值。

圖8 提取時(shí)間與鹽酸質(zhì)量濃度交互作用的等高線圖和響應(yīng)曲面圖Figure 8 Response surface and contour plots for interaction effects of time and hydrochloric acid concentration

圖9 提取時(shí)間與提取溫度交互作用的等高線圖和響應(yīng)曲面圖Figure 9 Response surface and contour plots for interaction effects of time and temperature

圖10 提取溫度與鹽酸質(zhì)量濃度交互作用的等高線圖和響應(yīng)曲面圖Figure 10 Response surface and contour plots for interaction effects of temperature and hydrochloric acid concentration

2.3.3 最優(yōu)工藝條件的驗(yàn)證 由Design-Expert 8.0.6軟件分析得出的最優(yōu)工藝條件為：提取時(shí)間45 min，提取溫度80 ℃，鹽酸質(zhì)量濃度0.22%，此優(yōu)化條件下預(yù)測(cè)的檳榔堿提取量為8.365 mg/g。對(duì)其進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到檳榔堿提取量的平均值為(8.330±0.109) mg/g，與理論提取量的相對(duì)誤差為0.42%，說(shuō)明該工藝條件合理可行，能用于實(shí)際生產(chǎn)。

2.4 應(yīng)用試驗(yàn)

水的極性大，除了能提取檳榔堿外，也能較全面地提取出具有檳榔風(fēng)味的物質(zhì)。由表5可知，添加了檳榔提取物的檳榔產(chǎn)品風(fēng)味更加濃郁且無(wú)異味，嚼食時(shí)更有漿汁感和勁道，說(shuō)明檳榔提取物的加入可以提升檳榔產(chǎn)品的品質(zhì)。其次，測(cè)定的試驗(yàn)樣品的檳榔堿含量和勁道評(píng)分高于對(duì)照產(chǎn)品，表明樣品勁道的提升可能與檳榔堿有關(guān)。

表5 試驗(yàn)樣品與對(duì)照樣品的對(duì)比Table 5 Comparison between experimental products and control products

3 結(jié)論

采用酸水提取法提取檳榔核中檳榔堿的最佳提取工藝條件為粉碎粒度60目、料液比(m檳榔∶V水)1∶15 (g/mL)、提取次數(shù)2次、提取時(shí)間45 min、提取溫度80 ℃、鹽酸質(zhì)量濃度0.22%，該條件檳榔堿提取量為(8.330±0.109) mg/g，與傳統(tǒng)乙醇提取法(提取率1.90 mg/g[15])相比，檳榔堿的提取效率大幅提高。

將檳榔提取物添加至檳榔產(chǎn)品可以提升其品質(zhì)，并且能夠提高檳榔下腳料的附加值，具有極大的應(yīng)用前景。檳榔提取物不僅可以應(yīng)用于檳榔產(chǎn)品中，還可以應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。因此，下一步可根據(jù)其具體的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)開(kāi)發(fā)適宜的提取、純化方法，以充分利用檳榔下腳料這一資源。