螯合剂协同微波双辅助提取核桃青皮多酚
2017-07-21张春媛
张春媛
摘要：以山西核桃青皮为原料，采用螯合剂微波双辅助优化红枣中多糖的提取工艺，以微波功率、提取时间、液料比、乙醇体积分数、螯合剂添加量5个因素为自变量，多酚提取率为因变量，在单因素试验的基础上，利用微波功率、提取时间、螯合剂添加量3个因素进行了响应面试验优化研究。用Design Expert 8.06软件对多糖提取率进行了多元回归模型拟合分析。分析结果表明：微波功率为830 W，提取时间为7.4 min，最佳螯合剂为六偏磷酸钠，添加量0.22%，多酚的提取率为4.115%。
关键词：螯合剂；微波；核桃青皮；多酚
中图分类号：S664
文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12025205
1引言
核桃，又名胡桃，为胡桃科植物，核桃富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、人体必需的钙、磷、铁等多种微量元素、矿物质以及胡萝卜素、核黄素等多种维生素，具有极高的营养价值和药用价值。而核桃青皮作为核桃作物废弃的副产物，含有丰富的多酚类物质，植物多酚由于其独特的生物活性，广泛应用于制革、医药、保健品、化妆品等领域，与人们的日常生活密切相关[1～3]。为了充分利用核桃资源，将核桃青皮变废为宝，本文以山西核桃为研究材料，采用螯合剂微波双辅助提取核桃青皮多酚，采用Design-Expert软件设优化核桃青皮多酚提取最佳工艺参数，以期为核桃青皮的进一步深加工提供理论信息。
2材料与方法
2.1材料与仪器
核桃；没食子酸、无水乙醇、7.5%碳酸钠溶液、福林酚（1∶2）、六偏磷酸钠（SHMP）、柠檬酸钠（CAS）、乙二胺四乙酸（EDTA）等试剂皆为市售国产分析纯。
BS110S型电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；GZX-9246鼓风干燥箱，上海博讯事业有限公司医疗设备厂；LSY电热恒温水浴锅，北京医疗设备厂；WP800BS微波炉，格兰仕电器有限公司；UV-1100紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；RJ-TDL-40C低速台式离心机，无锡市瑞江分析仪器有限公司。
2.2实验方法
2.2.1原料预处理
核桃青皮于60℃鼓风干燥箱12 h，粉碎过60目筛后备用。
2.2.2标准曲线的制作
以X轴为没食子酸浓度，Y轴为吸光度，制作标准曲线。
2.2.3单因素实验
以微波功率、提取时间、液料比、乙醇体积分数、螯合剂添加量5个因素进行单因素设计，设定微波功率450 W、550 W、650 W、750 W、850 W、950 W；设定提取时间1 min、3 min、5 min、7 min、9 min；液料比15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1；乙醇体积分数40%、50%、60%、70%、80%、90%；螯合劑SHMP、CAS、EDTA添加量分别0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。分析各单因素对核桃青皮多酚提取率的影响。
2.2.4核桃青皮多酚提取响应面优化
在单因素试验的基础上，选取对核桃青皮多酚提取率影响显著的微波功率、浸提时间、六偏磷酸钠（SHMP）添加量3个因素，进行三因素三水平响应面试验优化研究，用Design Expert 8.06软件对多酚提取率进行二次多元回归模型拟合分析。
3结果与分析
3.1标准曲线的绘制及回归方程的建立
从图1可知，其吸光度在765 nm处与没食子酸浓度高度相关，其相关系数R2=0.9996。
3.2单因素实验
3.2.1微波功率对核桃青皮多酚提取率的影响
由图2可知，随着微波功率的增大，核桃青皮多酚的提取率不断增加，当微波功率达到750 W时，多酚提取率达到最大，微波功率850 W时，多酚提取率趋于平缓，继续增大微波功率到950 W时，多酚提取率降低。这主要是因为随着微波功率的逐渐增大，加热速度逐渐升高，使得多酚与多糖、蛋白质等一些大分子物质结合稳定性性变差，使多酚溶解度增大，提取率增加；但微波功率过大时，会使多酚结构发生严重破坏，而且高功率的微波使得提取液挥发导致乙醇浓度降低而使多酚提取率降低[4]。
3.2.2提取时间对核桃青皮多酚提取率的影响
由图3可知，无论是微波辅助提取，还是微波螯合剂双辅助提取，均随着提取时间的延长多酚提取率呈上升趋势，达到最大值后呈下降趋势。这主要是因为提取时间太短，多酚不能充分溶解在提取液乙醇中；而提取时间太长，容易使得多酚发生一些不可逆的化学反应，如氧化、聚合等等，使溶液中多酚含量降低[5]。
3.2.3液料比对核桃青皮多酚提取率的影响
由图4可知，无论是微波辅助提取、螯合剂辅助提取还是微波螯合剂双辅助提取，液料比30：1时，多酚提取率达到最大。这主要因为液料比太小时，多酚很容易就达到饱和，使得多酚不能充分溶解出来，在30∶1时，多酚溶解度达到最大饱和，继续增大液料比，多酚提取率趋于平缓[6]，因此液料比30∶1比较合适。
3.2.4乙醇体积分数对核桃青皮多酚提取率的影响
由图5可知，乙醇体积分数为70%时，多酚提取率最大，继续加大乙醇体积分数，多酚提取率反而下降。这主要是因为提取液乙醇溶液可以使多酚与核桃青皮组织中一些大分子物质如蛋白质、多糖等之间的氢键和疏水键断裂，从而使多酚溶解在乙醇溶液中；当乙醇体积分数70%时，乙醇极性与多酚极性差异极小，多酚溶出最多；但如果乙醇体积分数太大，一些其他脂溶性物质溶出增加，反而影响多酚的溶出[7]。
3.2.5螯合剂对核桃青皮多酚提取率的影响
由图6可知，3种螯合剂均能提高核桃青皮多酚的提取率，并且都随着螯合剂添加量的增加呈上升趋势，达到最大值后均呈下降趋势。这主要因为金属离子螯合剂能够螯合提取液中与多酚结合的金属离子，使多酚溶解在提取液乙醇中；但随着螯合剂添加量的进一步增加，螯合剂会与提取液中的水分子结合，从而使提取液乙醇的极性发生改变，多酚溶解度降低[8]。从图中也可以看出SHMP添加量0.2%，CAS添加量0.3%，EDTA添加量0.4%时，核桃青皮多酚提取率最大，且SHMP添加量0.2%多酚提取率与CAS添加量0.3% 、EDTA添加量0.4%多酚提取率基本持平；因此从经济、工艺合理性等多方面考虑，其最佳螯合剂添加量为0.2%的SHMP。
3.3核桃青皮多酚提取工艺参数优化
3.3.1响应面试验设计
结合单因素的实验结果，采用三因素三水平（微波功率：650 W、750 W、850 W；提取时间：5 min、7 min、9 min；六偏磷酸钠添加量：0.1%、0.2%、0.3%）的响应面分析，采用软件Design Expert 8.06来处理分析数据，共17组试验，试验设计及结果见表1。
3.3.2模型的建立及其显著性检验
利用Design Expert 8.06软件对表1的数据进行多元回归拟合分析，得出多酚提取率对微波功率（A）、提取时间（B）、六偏磷酸钠添加量（C）的二次多项回归模型为：
多酚提取=+3.93+0.32A+0.27B+0.073C+0.37AB+0.052AC+0.25BC-0.64A2-1.11B2-0.67C2。
对该二次多元回归模型进行方差分析，结果如表2。
由表2方差分析可知，F回归=11.7>F0.05=6.94，P<0.05，说明回归方程显著，F失拟=5.68
R2=0.9816，可知该模型的拟合度良好，校正拟合度R2Adj=0.9739与预测拟合度R2Pred=0.9698值比较相近，Adeq Precision=11.615其值远大于4，表明采用该响应面法所得的回归方程模型是可行的，可以对核桃青皮多酚提取优化试验进行预测[9]。
3.3.3两因素间的交互影响
根据表3的结果，做微波功率与提取时间、微波功率与六偏磷酸钠、提取时间与六偏磷酸钠之间交互作用的三维空间响应面图和等高线图，如图7-图8。
由图7可知，微波功率与提取时间、微波功率与六偏磷酸钠添加量等高线图的形状是椭圆形，说明这几个因素之间交互作用显著，而提取时间与六偏磷酸钠添加量等高线图的形状是圆形，说明这两个因素交互作用不显著[10]。
由图8可知，拟合曲面有最大值，对回归方程进行分析，求出其核桃青皮多酚提取率理论最佳值为4.115%，其所对应的最佳提取参数为：微波功率830 W，提取时间7.4 min，六偏磷酸钠添加量为0.22%。
3.4验证性试验
为了验证模型结果的可靠性，在模型得到的最优条件下进行三次平行试验，核桃青皮多酚提取率为4.202%、4.118%、4.109%，平均得率为4.143%，与理论值相差0.028%，说明该模型得到的工艺参数准确可靠。
4结论
通过响应面试验，建立了微波功率、浸提时间和液料比3因素3水平的回归模型拟合方程，根据模型，对微波功率、提取时间、液料比对红枣多糖提取率影响的交互作用的探讨；得出最佳的提取工艺参数为：微波功率830 W、时间7.4 min、六偏磷酸钠添加量0.22%、液料比30∶1、乙醇体积分数70%，此条件下， 核桃青皮多酚提取率为4.115%。
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