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响应面法优化新疆红肉苹果多糖的超声辅助提取工艺

2016-12-09杨天歌孟永宏郭玉蓉

食品工业科技 2016年20期
关键词:红肉液料多糖

齐 娜,杨天歌,孟永宏,邓 红,郜 杰,郭玉蓉

(陕西师范大学食品工程与营养科学院,陕西西安 710062)



响应面法优化新疆红肉苹果多糖的超声辅助提取工艺

齐 娜,杨天歌,孟永宏,邓 红,郜 杰,郭玉蓉

(陕西师范大学食品工程与营养科学院,陕西西安 710062)

以新疆红肉苹果为原料,采用超声辅助法提取新疆红肉苹果中的多糖物质。通过单因素实验,考察了提取温度、提取时间、超声功率、液料比四个因素对新疆红肉苹果多糖得率的影响;在单因素实验的基础上采用响应面法优化了超声辅助提取多糖的工艺条件。实验结果显示,新疆红肉苹果多糖的最佳提取参数为:提取温度65 ℃、提取时间71 min、超声波功率450 W、液料比为45∶1(mL/g),在该条件下,其多糖的得率最高达到4.53%,与理论预测的4.65%接近;实验获得的回归数学模型能够准确预测红肉苹果多糖的得率。该研究结果可为充分开发利用新疆红肉苹果资源提供实验依据。

红肉苹果,多糖,超声辅助,响应面法,提取工艺

中国是苹果属植物的起源中心,新疆野苹果是第三纪孑遗物种,被认为是栽培苹果的祖先[1-2]。红肉苹果是新疆野苹果的一个珍贵种质,其花、果皮及果肉均为红色,因不能鲜食而不为广大消费者所知,但该苹果含有大量的花色苷、多酚、类黄酮等生物活性物质,在种质资源的研究和加工利用方面有非常高的潜在利用价值[3-4]。

多糖(polysaccharide)是一类有免疫调节、抗肿瘤、降低胆固醇等多种生物活性的大分子,具有广阔的应用前景[5-7]。研究证明,不同来源的植物多糖其功能作用也不同。苹果多糖存在于果皮与果肉组织中,目前科研人员在苹果多糖的提取研究中做了许多工作[8-10],苏钰琦[9]等人采用不同方法从苹果渣中提取苹果多糖,优化了工艺参数。窦娇[11]等人研究了榨前分离苹果皮中苹果多糖的超声波辅助法提取,并对多糖进行了分离纯化。

但是,有关苹果多糖的提取研究几乎都是针对富士、秦冠等苹果汁加工副产物苹果渣所进行的,对于新疆红肉苹果多糖的研究还是空白。目前仅见王燕[12]等人研究了新疆红肉野苹果‘紫红1号’发现“其果肉花色苷含量高达228.3 mg·kg-1FW,且总酚和类黄酮含量分别达到2523 mg·kg-1FW和2514 mg·kg-1FW”。对于红肉苹果多糖的提取条件、含量、组成成分以及功能活性等是否与已知的苹果多糖一致等情况均不知,所以有必要进行相关的基础研究。

此外,超声波(2×104~109Hz)在植物有效成分的提取中应用广泛且提取效率高[13-14],响应曲面法[15]可快速有效地确定多因子系统的最佳条件,已经应用于各类实验条件的优化中。本实验利用响应曲面法和超声辅助法探讨不同因素对新疆红肉苹果多糖得率的影响,确定最佳提取参数,以获得一种简便快捷、经济高效的提取工艺方法,为后续生物活性功能研究的深入开展打下基础,也为新疆红肉苹果资源的开发利用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新疆红肉苹果“红勋一号”(于2015年9~10月成熟期采摘,0 ℃冷藏备用)产地新疆塔城;乙醇、苯酚、硫酸、葡萄糖等试剂 均为分析纯,西安吉祥化学试剂公司。

BS224S型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;SB25-12DTDN型超声仪 宁波新芝生物科技股份有限公司;RE-52AA型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;GZX-9146型数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.2 实验方法

1.2.1 多糖的提取、分析与得率计算

1.2.1.1 多糖的提取 参照文献[16]确定了多糖的提取步骤:将红肉苹果破碎得到果渣,低温烘干果渣后粉碎,过筛。以一定的液料比、在一定的温度以及一定的超声功率下提取一定的时间,然后进行抽滤,在55 ℃下旋蒸浓缩。浓缩液用70 mL的95%乙醇进行醇沉,抽滤;分析粗提物多糖含量。最后将多糖粗提物放在50 ℃烘箱中烘干,称重。

1.2.1.2 新疆红肉苹果多糖的含量分析 实验采用苯酚-硫酸法[17]测定多糖的含量。标准曲线的绘制:配制0.2 mg/mL的标准葡萄糖溶液,分别吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL,以水补至2.0 mL,然后加入6%苯酚水溶液1.0 mL,再迅速加入浓硫酸5.0 mL,显色后在冷水中冷却,以蒸馏水代替糖溶液作空白对照,用紫外-可见分光光度法在490 nm的波长处测定吸光值,以吸光值为纵坐标,葡萄糖的浓度为横坐标,绘制标准曲线。

样品多糖含量分析:准确称取50 mg多糖粗提物,定容至50 mL,测定样品吸光值,根据标准曲线计算多糖含量。

1.2.1.3 多糖得率的计算 新疆红肉苹果多糖的得率按照下面的公式进行计算:

多糖得率(%)=[(粗多糖质量×多糖含量)/红肉苹果渣质量]×100

1.2.2 新疆红肉苹果多糖提取工艺条件研究

1.2.2.1 单因素实验条件研究 参照文献[11,18]设计红肉苹果多糖提取的单因素实验条件如下:提取温度为55、60、65、70、75 ℃(液料比50∶1、提取时间70 min、超声功率450 W不变);提取时间为10、30、50、70、90 min(液料比50∶1、提取温度65 ℃、超声功率450 W不变);超声功率为300、350、400、450、500 W(液料比50∶1、提取温度65 ℃、提取时间70 min不变);液料比为20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1(mL/g)(超声功率450 W、提取温度65 ℃、提取时间70 min不变),以此来研究各因素对新疆红肉苹果多糖得率的影响。

1.2.2.2 响应曲面优化实验 在1.2.2.1单因素实验的基础上,根据响应面Box-Behnken设计原理,选取提取温度X1、提取时间X2、超声功率X3及液料比X4共4个对多糖提取影响显著的因子,以多糖得率为响应值,采用4因子3水平的响应面分析法,得到二次回归方程,并获得最佳工艺参数。实验设计如表1所示。

表1 Box-Behnken响应面设计实验因子与水平

1.3 数据处理

每个实验均重复三次,结果以均值±标准差表示。采用设计专家(Design-Expert.V 8.0.6.1)软件作图,并用此统计分析软件对实验结果进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 葡萄糖标准曲线的绘制

按照1.2.1.2的方法绘制的葡萄糖标准曲线如图1所示,由该曲线获得的回归方程为Y=1.7889X-0.0425,R2=0.9952,以此计算下面所有实验得到的粗提物中多糖的含量。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Standard curve for glucose

2.2 单因素实验

2.2.1 提取温度对新疆红肉苹果多糖得率的影响 由图2可知,随着温度的升高,多糖得率逐渐增大,当达到65 ℃后,多糖得率增加减缓;再继续升高温度则多糖得率提高不显著。但温度越高,杂质的溶出就越多,还可能会加快多糖的分解。考虑到温度高对多糖提取纯度的不良影响和能耗问题,所以选取65 ℃为最适提取温度。此结果与李锦运[8]等人的研究趋势基本一致,考虑到超声的良好辅助作用及热效应,本实验选择了相对较低的65 ℃以利于多糖的提取。

图2 提取温度对红肉苹果多糖得率的影响Fig.2 The effect of temperature on the yield of polysaccharide of red flesh apple

2.2.2 提取时间对新疆红肉苹果多糖得率的影响 由图3可以看出,随着时间的增加,多糖得率逐渐增大,当达到70 min时,多糖得率最大,随后逐渐减低。这可能是因为时间延长超声引起的热量积聚或机械剪切作用导致多糖的结构变化而损失[19];提取时间过长,会导致多糖分解,杂质溶出。因此超声时间选择为70 min 较为合理。此结果与马文杰[10]等人的研究趋势基本一致,由于超声提取具有高效性,所以本实验提取时间较李锦运[8](5.7 h)、马文杰(3 h)等人的实验结果大大缩短。

图3 提取时间对新疆红肉苹果多糖得率的影响Fig.3 The effect of time on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.3 超声功率对新疆红肉苹果多糖得率的影响 超声功率越高,越容易获得较大的超声强度,但超声强度对多糖提取率的影响需要考虑超声波与介质相互作用的程度和提取物的性质[19-20]。从图4可以看出,超声功率在300~450 W时,随超声功率的增加,超声波对细胞壁的破碎作用增强,细胞内多糖溶出速率增加,得率逐渐提高,但功率大于450 W时,随着超声功率增大,多糖得率反而降低,可能因为过高的超声波功率使多糖降解导致新疆红肉苹果多糖的破坏从而得率下降。因此,超声功率选450 W较为合理。

图4 超声功率对新疆红肉苹果多糖得率的影响Fig.4 The effect of ultrasonic power on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.4 液料比对新疆红肉苹果多糖得率的影响 由图5可以看出,当液料比较小时(20∶1~30∶1),部分多糖不能溶出,得率较低;随着料液比的增多,液固两相接触面增大水溶性物质溶解加快,多糖溶出增加得率逐渐增大;当液料比达到50∶1时,多糖得率最大,随后逐渐降低。这可能是由于料液比的过大,其他杂质成分的溶出也相对增多。且增大料液比会延长浓缩时间,增加操作费用,考虑到降低能耗和成本等方面,选择液料比40∶1~50∶1(mL/g)时较为合理。此结果与马文杰[10]等的实验结果趋势基本一致。

图5 液料比对新疆红肉苹果多糖得率的影响Fig.5 The effect of liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.3 响应面法优化多糖的提取工艺

2.3.1 响应面实验结果 通过响应面实验设计优化多糖的提取工艺,实验结果见表2。根据表2的实验结果进行响应面分析,利用设计专家(Design-Expert 8.0)软件对表2实验数据进行二次多项式回归拟合,得到多糖得率的回归方程模型如下:

Y=4.64+0.00276X1+0.13X2+0.001X3+0.022X4+0.015X1X2+0.021X1X3+0.088 X1X4-0.001X2X3-0.018X2X4-0.082X3X4-0.35X12-0.45X22-0.29X32-0.37X42

表2 响应面实验设计与结果

表3 回归方程系数显著性检验表

注:*为影响显著(p<0.05);**为影响极显著(p<0.01)。

根据表3的结果可知,提取时间对多糖得率的影响显著,其余三个因素不显著,但四个因素的二次项(X12、X22、X32、X42)均影响极显著;各因素对响应值的排序为:提取时间(X2)>液料比(X4)>提取温度(X1)>超声功率(X3)。通常响应曲面图(图6)可以直观的反应两因素交互作用对响应值的影响,即如果相应曲面比较陡,说明此时各因素对响应值的影响较为显著,反之,则各因素对响应值的影响较小。从图6(a)~(f)中可以看出影响因素两两交互作用与响应值的关系,总的影响趋势基本一样,交互作用多红肉苹果多糖的影响不显著,这与表3的结果(因素交互作用的p值均大于0.05)相一致。但是图6中的c、d、e曲面相对来说比较陡一些,说明提取时间与温度、超声功率与提取时间、提取时间和液料比的交互作用对新疆红肉苹果多糖得率有影响(这可能与提取时间的显著影响有关),但交互作用影响不显著(p>0.05);其次是b、a、f图曲面相对较平缓,说明提取温度与超声功率、液料比与提取温度、超声功率与液料比的交互作用对多糖得率的影响很小。

图6 两因素交互作用对多酚得率影响的响应面图Fig.6 Response surface plots showing the effects of two factors interaction on the polyphenols yield

2.3.2 最佳条件的确定和回归模型的验证 通过响应面分析得到超声波辅助提取新疆红肉苹果多糖最佳工艺条件为:提取温度65.2 ℃、提取时间71.4 min、超声功率449.8 W、液料比45.15∶1(mL/g),在此条件下的多糖理论得率为4.65%。

在实际操作中对上述条件稍作调整,最终确定的最佳工艺条件为提取温度65 ℃、提取时间71 min、超声功率450 W、液料比为45∶1(mL/g);在修正的条件下,进行3次验证实验,得到红肉苹果多糖实际的提取率为4.53%,此结果与理论预测的4.65%较为接近。因此,采用RSM 法优化得到的提取条件参数可靠。

3 结论

超声辅助响应面提取新疆红肉苹果多糖的最佳工艺条件为:提取温度 65 ℃、提取时间71 min、超声功率 450 W、液料比为45∶1(mL/g);在此条件下实际的多糖得率可达到4.53%。本研究结果为进一步探讨红肉苹果多糖的生物活性提供实验基础,也为新疆红肉苹果资源的开发利用和丰富植物多糖种类提供参考。

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Optimization of ultrasonic extraction process of polysaccharide from red flesh apple of XingJiang with response surface method

QI Na,YANG Tian-ge,MENG Yong-hong,DENG Hong*,GAO Jie,GUO Yu-rong

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062,China)

The polysaccharides from red flesh apple was extracted by ultrasonic assisted method using Xinjiang red flesh apple as raw materials. Firstly,the effects of the four main factors(time of operation,liquid ratio,ultrasonic power and temperature)on the yield of polysaccharides in red flesh apple was discussed through single-factor experiments. The extraction technological condition of polysaccharides from red flesh apple was optimized with response surface method after single-factor test. The results showed that the optimal parameter was as follows:the extraction temperature was 65 ℃,time was 71 min,the ultrasonic power was 450 W and liquid-solid ratio was 45∶1(mL/g). Under this condition,the yield of polysaccharide in red flesh apple with ultrasonic extraction was the best of 4.53%,and it is close to the theoretical prediction of 4.65%. The mathematical model obtained in this experiment can accurately predict the yield of polysaccharide in red flesh apple. This results will provide a experimental basis to develop the resources of wild red flesh apple in Xinjiang.

red fiesh apple;polysaccharides;ultrasonic assisted method;response surface;extraction process

2016-05-27

齐娜(1993-),女,硕士,研究方向:食品科学,E-mail:1030841929@qq.com。

*通讯作者:邓红(1967-),女,博士,副教授,研究方向:食品工程,E-mail:hongden@snnu.edu.cn。

陕西师范大学中央高校经费项目(GK201405005);农业部苹果产业技术体系专项(CARS-28)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)20-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.20.000

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