響應(yīng)面法優(yōu)化洋蔥中多酚的提取工藝研究

曹 穎，張子毓，戴楊帆，田霖丹，朱 芹，許明峰

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311121)

洋蔥(AlliumcepaL.)是食藥兩用的蔥屬植物,風(fēng)味獨(dú)特,含有豐富的營養(yǎng)成分和生理活性物質(zhì),被譽(yù)為“蔬菜皇后”[1-3].洋蔥在我國栽培范圍廣,產(chǎn)量高,既可作為鮮食食用，也可作為調(diào)味料使用[4-5].近年來,隨著人們保健意識(shí)的提高,人們對(duì)具有增強(qiáng)免疫能力等功能的植物食品需求大大增加[6]，其中洋蔥的研究也相對(duì)比較熱門.科學(xué)研究者們對(duì)洋蔥的總黃酮[7]等生理活性物質(zhì)展開研究,明確了洋蔥具有抗氧化、降血糖血脂血壓、預(yù)防心血管疾病[8-9]等多種功效.此外，洋蔥提取液也具有清除亞硝酸鹽等作用[10].

植物多酚，是一類廣泛存在于植物中的酚羥基結(jié)構(gòu)化合物,有許多功效，如抗氧化抗衰老、抗菌抗病毒、降血壓、降血脂等[11-12],因此在食品等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，其中也包括作為天然抗氧化劑進(jìn)行應(yīng)用[13].因此，選用洋蔥為多酚的提取原料，通過響應(yīng)面[14]設(shè)計(jì)選定最佳工藝，提高多酚的提取量.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洋蔥：市售；

沒食子酸：生工生物工程股份有限公司；福林酚試劑、無水乙醇、Na2CO3：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.上述采用分析純級(jí)別.

1.2 儀器與設(shè)備

FA3204B分析天平：上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；DK-S26 電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；722E 可見分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；EYEL4 型真空冷凍干燥機(jī)：上海愛朗儀器有限公司.

1.3 方法

1.3.1 乙醇萃取洋蔥多酚的工藝流程

洋蔥鮮果→迅速凍結(jié)→真空冷凍干燥→粉碎過篩→乙醇浸提→抽濾→濾液→乙醇定容→洋蔥多酚提取液.

1.3.2 福林酚比色法沒食子酸溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

以沒食子酸為對(duì)照溶液，用福林-酚法測(cè)定多酚含量.分別取0,0.2 ,0.4,0.6,0.8,1.0，1.2 mL沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)液于7支試管中，加入1.5 mL福林酚試劑，搖勻，靜置5 min，加入3 mL 10%Na2CO3，搖勻.加蒸餾水定容至10 mL,40 ℃避光反應(yīng)1 h，在760 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值[15].

1.4 洋蔥總多酚得率的計(jì)算

取上述洋蔥提取液樣品1.5 mL， 如上方法測(cè)量吸光度值.依照所制標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品多酚含量，進(jìn)而計(jì)算洋蔥多酚得率：

洋蔥多酚得率(%)=(C×V×N)/M×100%[16].

式中：C為根據(jù)吸光度值計(jì)算出的洋蔥多酚溶液質(zhì)量濃度，V為洋蔥多酚溶液體積，N為洋蔥多酚溶液稀釋倍數(shù)，M為洋蔥原料干質(zhì)量.

1.5 工藝優(yōu)化試驗(yàn)說明

1.5.1 不同液料比對(duì)洋蔥多酚得率的影響

在浸提時(shí)間60 min、 浸提溫度60 ℃、乙醇濃度60%[17]的條件下，設(shè)計(jì)液料比10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1對(duì)洋蔥多酚的得率進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).

1.5.2 不同浸提溫度對(duì)洋蔥多酚得率的影響

在浸提時(shí)間60 min、液料比30∶1、乙醇濃度60%的條件下，設(shè)計(jì)浸提溫度40、50、60、70、80 ℃對(duì)洋蔥總多酚的得率進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).

1.5.3 不同浸提時(shí)間對(duì)洋蔥多酚得率的影響

在液料比30∶1、浸提溫度60 ℃、乙醇濃度60%的條件下，設(shè)計(jì)浸提時(shí)間30、45、60、75、90 min對(duì)洋蔥多酚的得率進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).

1.5.4 洋蔥多酚提取的響應(yīng)面試驗(yàn)

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)不同的浸提溫度、浸提時(shí)間、液料比進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)[18]，用軟件分析后得到最佳的洋蔥多酚提取工藝， 共17個(gè)處理組.響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1.

表1 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Tab.1 Box-Behnken test design factors and levels因素 水平-101溫度/℃ A506070時(shí)間/min B456075 液料比 C203045

圖1 不同液料比對(duì)洋蔥多酚得率的影響Fig.1 Effect of different liquid ratio on yield rate of polyphenol from onions

2 結(jié)果與分析

2.1 不同液料比對(duì)洋蔥多酚得率的影響

根據(jù)圖1分析可知，在只改變料液比、不改變其他條件的實(shí)驗(yàn)中，隨著液料比的增大，洋蔥多酚的得率先較快上升而后略微下降.在10∶1到20∶1之間，得率呈較快上升趨勢(shì)，在20∶1～30∶1之間，得率緩慢上升，在30∶1～50∶1之間，得率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).料液比的重要性對(duì)于多酚的提取毋庸置疑，如果提取劑過少，則原料中的多酚就很難充分提取出來，導(dǎo)致提取效率的降低；如果液體與原料的比例過大，則會(huì)增加不必要的生產(chǎn)成本，削弱了其生產(chǎn)價(jià)值.因此可知，料液比處于20∶1～40∶1范圍可獲得較高提取率.

2.2 不同浸提溫度對(duì)洋蔥多酚得率的影響

圖2 不同浸提溫度對(duì)洋蔥多酚得率的影響Fig.2 Effect of different extraction temperature polyphenol yield rate from onions

圖3 不同浸提時(shí)間對(duì)洋蔥多酚得率的影響Fig. 3 Effect of different extraction on time on polyphenol yield rate from onions

由圖2分析得，只改變溫度不改變其他條件的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)浸提溫度在40 ℃～60 ℃內(nèi)時(shí)，洋蔥多酚得率隨著實(shí)驗(yàn)溫度上升而提高，在60 ℃時(shí)洋蔥多酚得率達(dá)到最高值 .猜測(cè)這是由于分子運(yùn)動(dòng)速率由于實(shí)驗(yàn)浸提溫度升高而加快，這樣能幫助提出細(xì)胞中多酚類化合物.但當(dāng)溫度上升到60 ℃～80 ℃時(shí)，洋蔥多酚得率轉(zhuǎn)而下降，猜測(cè)當(dāng)溫度超過60 ℃后，發(fā)生了一些導(dǎo)致多酚含量下降的化學(xué)反應(yīng).由此單因素試驗(yàn)的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論是：提取洋蔥多酚效率高的浸提溫度為50～70 ℃，最佳提取溫度在60 ℃附近.

2.3 不同浸提時(shí)間對(duì)洋蔥多酚得率的影響

根據(jù)圖3分析可知，在控制其他條件不變時(shí)，隨著浸提時(shí)間的增加，在30～45 min的過程中，洋蔥多酚類化合物得率上漲速度較快，在45～60 min范圍中，總多酚的得率仍然上漲，但上漲速度趨于緩慢，而當(dāng)浸提時(shí)間繼續(xù)增加，在60～90 min的范圍內(nèi)，洋蔥多酚得率出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì).猜測(cè)隨著提取時(shí)間的增加，多酚產(chǎn)生降解或其他化學(xué)反應(yīng)[19]，檢測(cè)含量由此出現(xiàn)下降趨勢(shì).由此試驗(yàn)初步推斷較為合適的浸提時(shí)間在45～75 min之間，最優(yōu)浸提時(shí)間也出現(xiàn)在45～75 min內(nèi).

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

以洋蔥多酚得率(Y)為響應(yīng)值，以浸提溫度(A)、浸提時(shí)間(B)和液料比(C)為自變量.表2為響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果.

表2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab.2 Response surface methodology optimization test design and results

表3 響應(yīng)面回歸模型的方差分析結(jié)果Tab.3 Response variance analysis results of the regression model

2.5 雙因素對(duì)洋蔥多酚提取量的影響

根據(jù)回歸模型做出的交互作用響應(yīng)面見圖4～圖6.浸提時(shí)間和浸提溫度交互作用對(duì)多酚提取量的影響見圖4.

由圖4可知，控制溫度不變時(shí)，隨著浸提時(shí)間增加，洋蔥多酚得率先上升而后慢速降低；同樣，當(dāng)浸提時(shí)間固定時(shí)，隨著溫度的升高，洋蔥多酚得率出現(xiàn)前期增高而后緩慢下降的變化趨勢(shì).

浸提時(shí)間和液料比交互作用對(duì)洋蔥多酚得率影響見圖5.

由圖5可知，當(dāng)固定提取時(shí)間時(shí)，隨著液料比增大，洋蔥總多酚得率先上升，之后緩慢下降；同樣，當(dāng)液料比固定時(shí)，隨著浸提時(shí)間增長(zhǎng)，洋蔥多酚得率也先上升而后下降.

浸提溫度和液料比交互作用對(duì)洋蔥多酚得率的影響見圖6.

由圖6可知，洋蔥多酚得率受浸提溫度和液料比的交互作用影響不顯著，從圖中可以看出響應(yīng)面較為平緩.當(dāng)浸提溫度不變時(shí)，隨著液料比增大，洋蔥多酚得率上升，在到達(dá)一定高度后又出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢(shì)；同樣，當(dāng)不改變液料比時(shí)，隨著溫度上升，洋蔥多酚得率先增高，經(jīng)過最大值后下跌.

以上3個(gè)響應(yīng)面圖均能直觀體現(xiàn)出3個(gè)因素中的2個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響 .分析計(jì)算后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，洋蔥總多酚的最佳工藝提取條件為浸提時(shí)間64.2 min，浸提溫度58.5 ℃，液料比為31.8∶1.多酚得率理論預(yù)測(cè)值為26.482 3 mg/g.

2.6 預(yù)測(cè)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論

以本次實(shí)驗(yàn)中通過響應(yīng)面法分析得出的最佳工藝條件處理，進(jìn)行洋蔥多酚的醇提實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所得出的最佳工藝條件結(jié)果是否具有可靠性.實(shí)驗(yàn)中考量到各因素條件的實(shí)際情況，為了增強(qiáng)可操作性，將最佳條件進(jìn)行修改.以液料比31.8∶1、浸提溫度58.5 ℃和浸提時(shí)間64 min的條件重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn).最后洋蔥多酚得率為26.45 mg/g，與上述響應(yīng)面法所分析的理論預(yù)測(cè)值差距較小，驗(yàn)證了使用響應(yīng)面法優(yōu)化洋蔥多酚提取工藝參數(shù)的可靠性.

3 結(jié)論

本研究在得到溫度、時(shí)間、料液比的單因素實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)之后，應(yīng)用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)軟件建立了浸提時(shí)間、浸提溫度和液料比的3因素3水平試驗(yàn)，通過對(duì)結(jié)果的分析得出乙醇提取洋蔥總多酚的最優(yōu)條件：浸提時(shí)間64.2 min，浸提溫度58.5 ℃，液料比31.8∶1.經(jīng)過后續(xù)平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，最佳條件中洋蔥總多酚的得率達(dá)26.45 mg/g.