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响应面法优化甘薯皮多酚超声提取工艺

更新时间:2009-03-28

甘薯(Ipomoea batatas (L.) Lam.)是我国重要的粮食作物,种植面积及其产量居世界首位.甘薯营养丰富,并含有脱氢表雄酮、粘液蛋白、准女性激素等生理活性物质,是天然保健食品[1].以新鲜甘薯为原料加工成的薯条、薯片、果脯等多种形式食品深受消费者喜爱[2].但是,甘薯食品的生产过程中,会产生大量的甘薯皮副产物,近年来主要有用于制饲料、沼气等研究的报道,大多数仍作为废弃物被丢掉,造成资源浪费和环境污染.

多酚是植物体内十分重要的次生代谢产物,因具有抗氧化活性、清除自由基、抗病毒、抗过敏等生理活性而逐渐成为研究的热点[3].研究表明,甘薯皮中富含绿原酸、咖啡酸、香草酸、阿魏酸等多种酚类物质,具有抗氧化活性[4-5].本试验以甘薯皮为对象,研究超声波辅助法提取多酚的工艺,为更有效地开发利用甘薯皮中的生物活性成分提供理论依据.

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1 材料与方法

1.1 材料及试剂

原料 新鲜甘薯(品种为心香,购于浙江临安浙皖农贸城)洗净削皮,将甘薯皮液氮冷冻粉碎并过筛(80目),粉末置于-80 ℃避光密封保存.

试剂 绿原酸、香草酸、对羟基苯甲酸等标准品均购于美国Sigma公司;没食子酸(纯度≥99%)、丙酮、乙酸乙酯、无水乙醇、甲醇等均购于国药集团化学试剂有限公司,为分析纯.实验用水均为蒸馏水.

1.2 主要仪器

2.1.4 超声时间对甘薯皮多酚提取率的影响 由图4可知,随着超声提取时间的增加,甘薯皮多酚提取率增加,当提取时间为30 min时,提取率达到最大值,但此后随着时间的延长多酚提取率呈下降趋势.Fick扩散定律表明[7],总酚提取率与超声时间成正比,在一定范围内,超声时间越长提取率越高,但增高幅度有所下降;同时,超声过程带来的热效应会引起热敏性多酚类物质分子结构的破坏、降解等问题,导致提取率略微下降[8].因此,根据本实验的结果,超声提取时间选择30 min左右为宜.

1.3 实验方法

1.3.1 多酚提取 准确称量5.00 g甘薯皮,加入一定量的提取溶剂,在设定的超声波条件下提取一定时间后抽滤,将取得的滤液进行多酚含量测定.

2.1.5 液料比对甘薯皮多酚提取率的影响 由图5可知,随着料液比的增加,甘薯皮多酚提取率逐渐增加,但是,当液料比大于20 mL·g-1时,多酚提取率增加幅度不明显.这可能是因为提取溶剂量加大时,有利于甘薯皮中多酚类物质的溶出,使得提取率增加,但当提取溶剂量增加到一定程度时,多酚的溶出已基本达到平衡,加入再多的溶剂,对于提高提取效率并不明显,同时,溶剂量过大,还会导致生产成本和溶剂回收成本的增加[9].因此,根据本实验的结果,液料比选择20 mL·g-1左右为宜.

2) 以液料比20 mL·g-1,超声功率400 W,超声时间30 min,将乙醇溶液体积分数设为20%,40%,60%,80%,100%,考察提取溶剂浓度对多酚提取率的影响;

3) 以60%乙醇溶液为溶剂,超声功率400 W,超声时间30 min,将液料比设为10,15,20,25,30 mL·g-1,考察液料比对多酚提取率的影响;

复用方式包括64Kbit/s复用保护和2Mbit/s复用保护。其中一些电网公司2Mbit/s复用保护越来越成为主流。所以本文将阐述 2Mbit/s复用为主。2Mbit/s复用方式是保护装置的光收、发接口利用数字复用技术通过2Mbit/s数据复用接口与SDH 设备及复用通道和对侧保护装置相连。

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4) 以60%乙醇溶液为溶剂,液料比20 mL·g-1,超声时间30 min,将超声功率设为100,200,300,400,500 W,考察功率对多酚提取率的影响;

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易知,当反馈相位使时,不能同时使而Y波导的相位调制难以实现奇偶时隙的不同步,故通常工作在开环状态下.并且,式(10)、(11)进一步验证陀螺奇偶时隙的输出具有负相关性.

每个处理重复3次.

 

表1 Box-Behnken响应面优化试验因素与水平

 

Tab.1 Factors and levels of Box-Behnken design

  

因素 编码水平-101乙醇体积分数/%A506070超声功率/WB350400450超声时间/minC253035液料比/(mL·g-1)D152025

利用Design-Expert软件对实验结果进行多元回归拟合,得到甘薯皮多酚提取率(Y)对各因素编码值的二次多项回归模型为

1.3.5 酚类组成的HPLC分析 色谱柱,迪马C18反向色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);流动相,A相为0.5%乙酸,B相为甲醇,梯度洗脱(0~3 min 5%B;3~15 min 8%B,15~25 min 25%B,25~35 min 28%B,35~42 min 40%B,42~45 min 50%B,45~50 min 100%B);流速,1.0 mL/min;检测波长,280 nm;柱温,30 ℃;进样量,10 μL.

将提取物经0.45 μm微孔滤膜过滤后进行HPLC分析,根据保留时间及紫外吸收光谱图对各组分进行定性分析,并以峰面积进行定量分析.

给排水系统作为现代城市最为重要的基础设施之一,是保证城市生产生活用水供给、雨污废水排放、水资源综合利用等功能实现的保障,决定着市民日常生活的质量和城市工业发展的进程。良好的城市给排水系统可以提升水资源的利用率、促进水生态平衡,有效缓解当前国内水资源紧缺、水污染严重等问题,为此,相关部门和城市给排水承建单位只有从设计、施工、管理等三方面入手,才能切实提升给排水建设的质量,以促进城市的健康发展。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 提取溶剂对甘薯皮多酚提取率的影响 多酚类物质的极性和化学结构会影响其在不同溶剂中的溶解度.由图1知,甲醇和乙醇对甘薯皮多酚的提取效果显著优于水、丙酮和乙酸乙酯,且甲醇略优于乙醇,但甲醇对人体有害,不适合工业化生产,因此,在后续试验中选择乙醇作为提取溶剂.

  

图1 提取溶剂对甘薯皮多酚提取率的影响

 

Fig.1 Effect of extraction solvent on polyphenol yield from the sweetpotato peel

2.1.2 乙醇体积分数对甘薯皮多酚提取率的影响 由图2可知,随着乙醇体积分数(ρ(乙醇))的增加,甘薯皮多酚的提取率呈先增加后减少的趋势,ρ(乙醇)为60%时,提取率最高,大于60%时,多酚提取率逐渐降低.这可能是乙醇体积分数超过一定值后会超出甘薯皮多酚的最佳溶解浓度,同时使得甘薯皮中其他物质的溶出占据优势.因此,根据本实验的结果,乙醇体积分数选择在60%左右为宜.

5) 以60%乙醇溶液为溶剂,液料比20 mL·g-1,超声功率400 W,将超声时间设为10,20,30,40,50 min,考察时间对多酚提取率的影响.

  

图2 乙醇体积分数对甘薯皮多酚提取率的影响

 

Fig.2 Effect of ethanol concentration on polyphenol yield from the sweetpotato peel

2.1.3 超声功率对甘薯皮多酚提取率的影响 由图3可知,随着超声功率的增加,甘薯皮多酚的提取率呈先快速上升后趋于平缓趋势.这可能是因为超声功率增加,使得超声波空化效应提高,在一定程度上能促进甘薯皮多酚类的溶出,但当功率为400 W时,原料内外渗透达到平衡,再提高功率,多酚的溶出趋于稳定,同时会使其他物质溶入提取液中,影响多酚提取率.因此,根据本实验的结果并结合经济考虑,超声功率选择400 W左右为宜.

  

图3 超声功率对甘薯皮多酚提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on polyphenol yield from the sweetpotato peel

400Y多功能粉碎机,铂欧五金厂;APTP457A电子天平,深圳安普特电子科技有限公司;KQ-500DE型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;UV-2450型紫外可见分光光度计,日本岛津公司;LC-20AT液相色谱仪,日本岛津公司.

  

图4 超声时间对甘薯皮多酚提取率的影响

 

Fig.4 Effect of ultrasonic time on polyphenol yield from the sweetpotato peel

1.3.2 单因素试验 1) 以液料比20 mL·g-1,超声功率400 W,超声时间30 min,分别用水、甲醇、乙醇、丙酮及乙酸乙酯作为提取溶剂,考察提取溶剂对多酚提取率的影响;

  

图5 液料比对甘薯皮多酚提取率的影响

 

Fig.5 Effect of solvent/material ratio on polyphenol yield from the sweetpotato peel

2.2 响应面法优化试验

2.2.1 响应面模型的建立与分析 响应面分析方案及结果如表2所示.

 

表2 响应面试验设计与结果

 

Tab.2 Design and results of response surface test

  

序号因素编码值提取率YABCD(mg·g-1)1-1-10083.6121-10087.993-110085.364110082.95500-1-186.236001-192.36700-1176.398001185.589-100-173.1010100-192.3611-100177.4812100172.66130-1-1088.421401-1078.14150-11093.0216011091.7117-10-1077.481810-1081.4219-101093.2420101084.26210-10-178.1422010-183.39230-10-179.6724010175.5125000095.21260000101.1227000097.4028000098.2729000099.80

1.3.4 总酚含量测定 采用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量[6].以没食子酸当量表示甘薯皮多酚质量分数(mg·g-1).

Y=98.36+0.95A-1.15B+4.34C-3.19D-1.70AB-3.23AC-6.02AD+2.24BC-2.35BD+0.77CD-8.54A2-6.54B2-4.00C2-10.92D2.

该方程的拟合优度R2=0.919 4,说明模型可靠性较好.变异系数为3.86%,说明实验稳定性良好.

值得注意的是,在我国当时的民事法律及司法解释中尚无隐私权保护的规定,因此当事人在民事法律上主张住宅方面的隐私权受侵害,并要求法律予以保护,缺乏充分的立法依据。二审法院大胆援用我国宪法关于住宅不受侵犯的规定,从中引申出住宅隐私权的内容,从而对当事人的隐私权加以保障。二审法院对新兴权利的论证思路是,首先从我国宪法第39条第一句关于住宅不受侵犯的规定出发,认定住宅体现了个人领域,进而认定住宅的私密性属于隐私权,应受法律保护。

  

图9 甘薯皮酚类提取物的HPLC色谱图Fig.9 HPLC chromatogram of polyphenol extracts from the sweetpotato peel

由表3知,整体模型差异达到极显著水平,表明可用来分析和预测超声波辅助提取甘薯皮多酚的提取工艺结果.通过方差分析知,模型一次项AB差异不显著,CD差异极显著;交互项ABACBCBDCD差异不显著,AD差异极显著;二次项A2B2C2D2差异极显著.各因素的主效应关系为:超声时间>液料比>超声功率>乙醇体积分数.由回归方程绘制的响应面分析图见图6~8,可直接反映各因素对响应值的影响大小.

 

表3 回归模型方差分析

 

Tab.3 Variance analysis for the regression model

  

方差来源均方和自由度均方F值P值模型1757.3714125.5311.41<0.0001**A10.77110.770.980.3391B15.85115.851.440.2499C226.111226.1120.560.0005**D122.181122.1811.110.0049**AB11.53111.531.050.3233AC41.73141.733.790.0718AD144.961144.9613.180.0027**BC20.12120.121.830.1977BD22.14122.142.010.1778CD2.3412.340.210.6516A2473.531473.5343.06<0.0001**B2277.791277.7925.260.0002**C2103.871103.879.440.0083**D2774.081774.0870.39<0.0001**残差153.971411.00失拟检验133.421013.342.600.1853纯误差20.5445.14

*表示P<0.05,差异显著;**表示P<0.01,差异极显著

2.2.2 甘薯皮多酚提取工艺条件 结合二次回归模型的分析结果,超声波辅助提取甘薯皮多酚的最佳工艺参数为:乙醇体积分数59.96%,超声功率401.41 W,超声时间32.70 min,液料比19.36 mL·g-1,在此条件下,多酚理论提取率为99.72 mg·g-1.从实际情况考虑,确定提取工艺条件为:乙醇体积分数60%,超声功率400 W,超声时间33 min,液料比19 mL·g-1,在此条件下,多酚提取率为99.38 mg·g-1,说明该模型可靠,经优化得到的提取工艺条件可靠.

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2.2.3 酚类的组成分析 经RP-HPLC分析,甘薯皮中检出对羟基苯甲酸、绿原酸、咖啡酸、香草酸、芥子酸、香豆酸和阿魏酸7种酚酸类物质,见图9.从组成和比例上看,甘薯皮中酚酸的主要组分是绿原酸、对羟基苯甲酸、香草酸和香豆酸,其中,绿原酸含量最高,为36.2 mg·g-1,其他的酚酸含量较低.

  

图6 乙醇体积分数与超声功率(a)及其与超声时间(b)的响应面图

 

Fig.6 Response surface diagram of ethanol concentration with ultrasonic power (a), and it with ultrasonic time (b)

  

图7 超声功率与超声时间(a)及其与液料比(b)的响应面图 Fig.7 Response surface diagram of ultrasonic power with ultrasonic time (a), and it with solvent/material ratio (b)

  

图8 乙醇体积分数与液料比(a)及超声时间与液料比(b)的响应面图Fig.8 Response surface diagram of ethanol concentration with solvent/material ratio (a), and ultrasonic time with solvent/material ratio (b)

3 结论

为探讨各因素对超声波辅助提取甘薯皮多酚效果的影响,采用响应面法优化甘薯皮多酚提取工艺参数,最终确定最佳提取条件为:乙醇体积分数60%,超声功率400 W,超声时间33 min,液料比19 mL·g-1.在此条件下甘薯皮多酚提取率为99.38 mg·g-1.采用超声波辅助提取甘薯皮多酚具有效率高、无污染等优势.利用RP-HPLC对甘薯多酚主要组分进行分析,确定其主要组分为绿原酸、对羟基苯甲酸、香草酸和香豆酸.甘薯皮组织中的酚酸类物质可以进一步开发为新的天然抗氧化剂,为甘薯加工废弃物综合利用提供参考.

参考文献:

[1] 张立明,王庆美,王荫墀.甘薯的主要营养成分和保健作用[J].杂粮作物,2003,23(3):162.

[2] 张汆,李敏,贾小丽,等.甘薯资源的综合利用[J].粮食与食品工业,2009,16(1):22.

[3] 李健,杨昌鹏,李群梅,等.植物多酚的应用研究进展[J].广西轻工业,2008(12):1.

[4] 张宽朝,李东磊.甘薯废弃物中多酚物质的提取及抗氧化活性[J].食品与生物技术学报,2011,30(4):566.

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[6] Chen Mingshun,Zhao Yi,Yu Shujuan.Optimisation of ultrasonic-assisted extraction of phenolic compounds,antioxidants,and anthocyanins from sugar beet molasses[J].Food Chem,2015,172:543.

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[8] 曹艳萍,李霄,薛成虎,等.马铃薯皮多酚类物质的超声波提取工艺研究[J].延安大学学报(自然科学版),2012,31(3):72.

[9] 阮征,胡筱波,赖富饶,等.油菜花粉中黄酮类物质提取工艺的优化研究[J].食品科学,2007,28(7):133.

 
忻晓庭,潘悠优,陆国权,成纪予
《江苏师范大学学报(自然科学版)》2018年第01期文献

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