微波辅助提取小米中多酚类活性物质的研究

王若兰,田志琴,李东岭,孔祥刚,游 慧,张立国

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

微波辅助提取小米中多酚类活性物质的研究

王若兰,田志琴,李东岭,孔祥刚,游 慧,张立国

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

以晋谷 9号小米作为原料,采用微波辅助提取技术,研究了乙醇体积分数、微波作用时间、微波功率、料液比及提取次数对小米多酚得率的影响,并进行了响应面设计.获得单因素最佳条件为:乙醇体积分数 70%,微波萃取时间 90 s,微波功率 440 W,料液比 1︰12,萃取次数为2次;响应面试验的最佳工艺参数为:乙醇体积分数 66%,微波时间 120 s,微波功率 414 W,料液比 1︰12,在此工艺条件下得到小米多酚提取得率为 105.38 mg/100 g.

小米;多酚;微波提取;响应面分析

0 前言

小米 (Setaria italica),中国古称稷或粟,亦称作粱.脱壳制成的粮食,因其粒小,直径 2 mm左右,故名.原产于中国北方黄河流域,是我国北方地区的主要粮食作物之一,小米营养丰富、易消化吸收,是中华民族传统的食物.目前其栽植面积有140万 hm2,年产量 270万～450万 t.无论从营养膳食的角度,还是从农业产业结构调整的角度来看,小米资源的开发利用都具有非常重要的意义[1].

近年来,多酚类物质成为了国内外食品学科的研究热点之一,大量研究表明,多酚类物质在抗氧化、清除自由基、杀菌、抑菌、抗癌、抗衰老、降血糖、降血脂、预防心血管疾病等方面具有独特的生理功效[2-5].Sanaa Ragaee等[6]比较了大麦、珍珠小米、黑麦、高粱的总酚含量,得出小米中的总酚含量为 (1 387±13.3)μg/g.而我国现有文献报道对小米多酚的提取得率只有 30 mg/100 g[7].另外,小米中的多酚含量与其品种有关[8],因此笔者以中国小米产量最大的山西品种晋谷 9号作为原料,采用一种新型、高效的提取方法——微波辅助提取来探求小米多酚提取的最佳工艺,以期提高小米多酚得率._

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小米:产地山西,品种为晋谷 9号;小米籽粒经筛选除去杂质后粉碎过 80目筛,脱脂后待用.

没食子酸标准品:GeneralMaterial公司;Foin-Ciocalteu显色剂:自制;无水乙醇、石油醚、碳酸钠均为国产分析纯;

752N紫外可见分光光度计:上海菁华科技仪器有限公司;M700美的微波炉:广东美的微波炉制造有限公司;JXFM110型锤式旋风磨:上海嘉定粮油仪器有限公司;GL—20GⅡ型高速冷冻离心机:上海安亭科学仪器厂.

1.2 方法

1.2.1 多酚类物质的提取

精确称取一定质量处理好的小米粉放入锥形瓶中,加入一定量不同体积分数的无水乙醇浸提液后摇匀,在一定的微波功率下浸提一定时间,将粗提液离心过滤后定容得到待测提取液.

1.2.2 小米中多酚类物质的测定

以 Foin-Ciocalteu法[9-10]测定总酚含量,以没食子酸作为标准物.

1.2.2.1 Foin-Ciocalteu显色剂的配置[11]

称取 50.0 g钨酸钠和 12.5 g钼酸钠,用 350 mL蒸馏水溶于 1 000 mL回流瓶中,加入 25 mL磷酸和 50 mL浓盐酸,充分混匀,微沸回流 10 h;再加入 75.0 g硫酸锂,25 mL蒸馏水和数滴溴水,然后开口继续煮沸 15 min,使得溴水完全挥发为止;冷却后定容至 500 mL,过滤,滤液呈黄绿色,置于棕色试剂瓶中保存备用.此液在冰箱中可长期保存,使用时加入 1倍体积的蒸馏水稀释即可.

1.2.2.2 总酚标准曲线绘制

精确称取没食子酸标准品 25 mg,用水溶解并定容到 250 mL,得 0.1 mg/mL的对照品标准溶液.精确吸取对照样品溶液 0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.5 mL于 10 mL容量瓶中,再加入 1 mLFolin-Ciocalteau试剂,摇匀后加入 2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室温下反应 2 h后测定A760,绘制标准曲线.得回归方程为 y=0.068 7x-0.000 4.见图 1,其中 y为没食子酸含量 (mg),x为吸光度,R2=0.999 0,具有良好的线性关系.

图1 没食子酸标准曲线

1.2.2.3 提取液中总多酚含量的测定

移取待测提取液 1 mL于 10 mL容量瓶中,依次加入 1 mL Folin-Ciocalteu显色剂,摇匀后加入2 mL15%Na2CO3溶液定容到 10 mL,室温下反应2 h后,于 760 nm处测定吸光值,根据标准曲线计算总多酚的没食子酸当量,总酚含量以每 100 g小米粉的没食子酸当量 (mg)表示.

1.2.3 单因素试验

通过单因素试验研究乙醇体积分数、微波萃取时间、微波功率、料液比 (质量体积比,g/mL,下同)及提取次数对小米多酚提取得率的影响,确定出最佳工艺参数范围.

1.2.4 响应面试验

在单因素试验的基础上,以乙醇体积分数、微波萃取时间、微波功率、料液比为试验因素,根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理,利用Design-Exper7.0软件进行 4因素 3水平试验确定最佳工艺参数,响应面因素与水平见表1.

表1 响应面分析因素与水平

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 乙醇体积分数对提取率的影响

精确称取约 5.00 g脱脂后的小米粉放入锥形瓶中,分别加入水,体积分数为 20%、40%、60%、80%、100%的乙醇溶液各 50 mL,在 440 W微波功率条件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后进行总多酚含量的测定,结果见图 2.

图2 乙醇体积分数对提取率的影响

由图 2可知,其他条件一定时,随着乙醇体积分数的升高,小米粉中总多酚类物质的提取率先升高,当乙醇体积分数超过 70%后,总多酚类物质的提取率呈下降趋势.这是由于多酚类物质在植物体内通常与蛋白质、多糖等以氢键和疏水键形式结合,因此提取溶剂除必须是多酚类物质的良好溶剂外,还必须具有断裂氢键的作用,水和有机溶剂的复合体系最适合多酚类物质的提取,最常用的是丙酮、甲醇和乙醇与水的复合体系.本研究结合前期预试验结果,考虑到对环境友好因素、产品中有害物的残留和节约成本,采用乙醇 -水复合体系作为提取溶剂,其中乙醇的体积分数应在 70%以下.

2.1.2 微波萃取时间对提取率的影响

“动机是一切活动的原动力”，它是推动学生自主管理活动的主观因素，是进行自主管理的前提，在一定意义上讲，自主管理动机制约着自主管理的方向、态度，影响着自主管理的方法和成果。自我管理的直接动力来源于小学生自我服务，行为自律的需要。真正的自我服务、自我管理是儿童发自内心的行动，具有明确的目的性和计划性。因此，引导自我管理首先要强化自我管理的意识。

精确称取约 5.00 g脱脂后的小米粉放入锥形瓶中,加入体积分数为 70%的乙醇 50 mL,在440 W微波功率条件下分别萃取 (萃取 2次)30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s,然后进行总多酚含量的测定,结果见图 3.

图3 微波萃取时间对提取率的影响

由图 3可知,其他条件一定时,小米粉中总多酚类物质的提取率在 90 s内随着萃取时间的延长而升高,90 s后总多酚类物质的提取率略有下降.这可能是微波萃取时间越长,较高的温度会导致小米粉中多酚受热分解,结构遭到破坏.因此,萃取时间控制在 90 s.

2.1.3 微波功率对提取率的影响

精确称取约 5.00 g脱脂后的小米粉放入锥形瓶中,加入体积分数为 70%的乙醇 50 mL,分别在 136 W、264 W、440 W、616 W、800 W的微波功率下萃取 90 s(萃取 2次),然后进行总多酚含量的测定,结果见图 4.

图4 功率对提取率的影响

由图 4可知,其他条件一定时,随着微波功率的升高,小米粉中总多酚类物质的提取率先升高,当微波功率超过 440 W后,总多酚类物质的提取率呈下降趋势,因为微波功率过高,会导致热量的大量聚集,这一方面会导致小米粉中的多酚受热分解,结构遭到破坏;另一方面过高的温度致使乙醇挥发,乙醇体积分数降低,从而降低多酚的提取效果.所以本试验微波处理功率取 440 W为最佳.

2.1.4 提取次数对提取率的影响

精确称取约 5.00 g脱脂后的小米粉放入锥形瓶中,加入体积分数为 70%的乙醇 60 mL,在440 W微波功率条件下分别进行 1次萃取、2次萃取、3次萃取,每次 90 s,然后进行总多酚含量的测定,结果见图 5.

图5 提取次数对提取率的影响

2.1.5 料液比对提取率的影响

精确称取约 5.00 g脱脂后的小米粉放入锥形瓶中,分别加入体积分数为 70%的乙醇 30 mL、40 mL、50 mL、60 mL、70 mL,在 440 W 微波功率条件下萃取 (萃取 2次)90 s,然后进行总多酚含量的测定,结果见图 6.

图6 料液比对提取率的影响

由图 6可知,其他条件一定时,小米粉中总多酚类物质的提取率随料液比的增大而增大,但超过 1︰12后,提取率趋于稳定.因为过低的料液比不利于小米粉中总酚的完全溶出,而过高的料液比增加了溶剂的使用量.故料液比选用 1︰12.

2.2 小米粉中多酚类物质提取最佳工艺条件的确定

2.2.1 响应面试验设计和试验结果

试验以小米粉中多酚类物质的提取率为响应值,据此采用 Design-Expert7.0软件安排试验,见表2.

2.2.2 响应面试验结果方差分析

运用Design Expert7.0软件对 29个试验点的响应值进行回归分析,拟合后得到关于乙醇体积分数、微波处理时间、微波功率及料液比的二次多项式回归模型为:多酚得率 (Y)=99.61-3.29A+3.93B+2.88C+5.29D-5.33AB+1.28AC-2.14AD-4.39BC-2.22BD-1.64CD-11.36A2-0.53B2-7.92C2-9.19D2.

对此模型进行方差分析 (见表3),结果表明,该模型极显著 (P＜0.000 1),其决定系数 R2=0.938 7,说明该模型能解释 93.87%响应值的变化,因而该模型拟合程度良好4,表明该响应面方程不需做进一步的优化,该模型可用于预测;“Adeq Precision”(信噪比 )值为 11.497,该值高亦表明该模型可用于预测.因此,此模型可很好地描述各因素与响应值之间的关系.

表2 响应面试验设计与结果

在此回归模型中,因素 D、A2、C2、D2对小米多酚的提取率影响极显著,因素 A、B、C、AB、BC对小米多酚的提取率影响显著.因素 AC、AD、BD、CD、B2对响应值的影响不显著.同时各因素的均方值可以反映出各个因素对试验指标的重要性,均方值越大,表明对试验指标的影响越大.从表3可知影响小米多酚提取得率的 4个因素顺序是:D ＞B ＞A ＞C.

2.2.3 响应面试验中各个因素之间的交互作用分析

图 7～图 12为某两个因素对小米多酚提取率的交互影响.

由图 7可知,当固定微波功率 440 W,料液比1︰12,随着乙醇体积分数的增大,小米多酚提取率先增大后减少;随着微波萃取时间的增加,多酚得率逐渐增大;两因素间有显著的交互效应.

表3 回归模型方差分析

从图 8可以看出,当固定微波萃取时间 90 s,微波功率 440 W,随着乙醇体积分数的增大,小米多酚提取得率先增大后减少;随着料液比的增加,小米多酚得率先增大后趋于稳定.

从图 9可以看出,当固定微波萃取时间 90 s,料液比 1︰12,随着乙醇体积分数的增大,小米多酚提取率先增大后减少;随着微波功率的增加,小米多酚得率也呈先增大后下降的趋势.

图9 乙醇体积分数和微波功率对多酚得率的影响

图 10为微波萃取时间和微波功率对多酚含量的影响,结果表明当固定乙醇体积分数 70%,料液比 1︰12时,随着微波萃取时间的增大,小米多酚得率逐渐增大;随着微波功率的增加,小米多酚得率先增大后减少.

图10 微波萃取时间和微波功率对多酚得率的影响

由图 11可知,当固定乙醇体积分数 70%,微波功率 440 W,随着微波萃取时间的增加,小米多酚提取率逐渐增加,这说明时间越长越有利于小米多酚类物质的充分溶出,因此适当延长微波萃取时间有利于提高小米多酚的得率;随着料液比的增加,小米多酚的提取率先升高后趋于稳定.

图11 微波萃取时间和料液比对多酚得率的影响

图 12为微波功率和料液比的交互作用对小米多酚提取得率的影响,当固定乙醇体积分数70%,微波萃取时间 90 s,小米多酚得率随着微波功率的增加先增大后减小,随着料液比的增加先增大后趋于稳定.

图12 微波功率和料液比对多酚得率的影响

2.2.4 最佳提取条件的确定和试验验证

从响应面分析可以得到从小米粉中提取多酚类物质的最佳工艺参数为:乙醇体积分数65.91%,微波时间 120 s,微波功率 413.3 W,料液比 1︰12.46,在此工艺条件下得到小米多酚提取率为 105.46 mg/100g.

为检验该法的可靠性,考虑到实际操作的便利,将最佳工艺参数修正为:乙醇体积分数 66%,微波时间 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工艺条件下得到小米多酚提取得率为 105.38 mg/100 g,接近最佳提取率.

3 结论

通过单因素试验和响应面法优化试验,进行微波辅助提取小米多酚类物质的研究.获得单因素最佳条件为:乙醇体积分数 70%、微波萃取时间 90s、微波功率 440 W、料液比 1︰12、萃取次数为 2次;响应面试验的最佳工艺参数为:乙醇体积分数 66%,微波时间 120 s,微波功率 414W,料液比 1︰12,在此工艺条件下得到小米多酚提取率为105.38 mg/100 g.

[1] 王强,孙晓明,宋玉丽,等.小米资源的开发利用 [J].中国食物与营养,2000(6):26-27.

[2] Sripriy G,Chandrasekharan K,Murty V S,etal.ESR spectroscopic studies on free radical quenching action of fingermillet(Eleusine coracana)[J].Food Chemistry,1996,57(4):537-540.

[3] Linda Dykes,Lioydw Rooney.Sorghum and millet phends and antioxidants[J].Joural of Cereal Science,2006,44:236-251.

[4] Tseng Yu-hsiv,Yang Joan-hwa,Chang Huiling,et al.Antioxidant properties ofmethanolx extracts from monascal adlay[J].Food Chemistry,2006,98:32-38.

[5] 凌关庭.有“第七类营养素”之称的多酚类物质 [J].中国食品添加剂,2000(1):28-37.

[6] Sanaa Ragaee,El-SayedM.Abdel-Aal,MaherNoaman.Antioxidant activity and nutrient composition of selected cereals for food use[J].Food Chemistry,2006,98:32-38.

[7] 薛月圆,林勤保.小米中总酚提取条件的优化[J].农产品加工·学刊,2007(4):24-26.

[8] PrashantS Hegde,Chandra T S.ESR spectroscopic study reveals higher free radical quenching potential in kodo millet(Paspalum scrobiculatum)compared to other millets[J].Food Chemistry,2005,92:177-182.

[9] Bonoli M,Verardo V,Marconi E,et al.Antioxidant phenols in barley(Hordeum vulgare L.) flour:comparative spectrophotometric study among extraction methods of free and bound phenolic compounds[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004,52:5195-5200.

[10] 张海晖,段玉清,倪燕,等.谷物中多酚类化合物提取方法及抗氧化效果研究[J].中国粮油学报,2008,23(6):107-110.

[11] Singleton V L,Rossi J A.Colori metry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents[J].Am J EnolVitic,1965,16:144-158.

STUDY ON M ICROWAVE EXTRACTION OF B IOACTIVE POLYPHENOL COMPOUND FROM FOXTA IL M ILLET

WANG Ruo-lan,TIAN Zhi-qin,L IDong-ling,KONG Xiang-gang,YOU Hui,ZHANG Li-guo
(School of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper studied the effects of the ethanol volume fraction,the microwave time,the microwave power,the solid-liquid ratio and the extraction times on the yield of polyphenol in foxtailmillet(jingu No.9)by using microwave-assisted extraction technique,and conducted the response surface analysis.According to the single factor tests,the optimal conditionswere as follows:ethanol volume fraction 70%,microwave ti me 90 seconds,microwave power 440W,solid-liquid ratio 1︰12,and extraction t wice.According to the response surface analysis,the optimal conditions were as follows:ethanol volume fraction 66%,microwave ti me 120 seconds,microwave power 414W,and solid-liquid ratio 1︰12,and the yield of polyphenol from foxtailmillet was 105.38 mg/100 g under the conditions.

foxtailmillet;polyphenol;microwave extraction;response surface analysis

TS201.2

B

1673-2383(2010)06-0015-06

2010-09-25

王若兰 (1960-),女,河南开封人,教授,研究方向为粮食储藏技术及品质控制.