响应面法优化米糠多酚的醇提工艺

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(沈阳师范大学粮食学院,辽宁沈阳 110034)

响应面法优化米糠多酚的醇提工艺

徐彩红,马丽鑫,李桂杰*,时超,柏松

(沈阳师范大学粮食学院,辽宁沈阳 110034)

以大米糠为原料,经脱脂处理后,采用响应面法优化醇提脱脂米糠多酚的提取工艺。在单因素实验的基础上,采用central composite design中心复合响应面分析法,以多酚得率为响应值,对乙醇浓度、料液比和提取温度等工艺参数进行了优化。结果表明,脱脂米糠多酚的最佳提取工艺为乙醇浓度57%,提取温度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),提取时间2 h,提取次数2次。此条件下,脱脂米糠多酚得率最高为(4.75±0.16) mg/g,与回归方程所得预测值4.82 mg/g 的相对误差为1.47%。该法所得的提取工艺参数可靠,可为开发利用米糠资源提供依据。

响应面法,米糠,多酚,醇提工艺

米糠是稻谷加工的主要副产物,约占稻谷质量的8%,但却集中了稻米65%左右的营养素,其中含有15%～23%脂肪、14%～16%蛋白质、25%～50%膳食纤维、谷维素(3.86～5.89 mg/g)和多酚(9.60～81.85 mg GAE/g)等生理活性物质,极具开发潜力[1-2]。但由于新鲜米糠贮存稳定性差、易酸败、加工性差等原因,严重制约了米糠的开发利用[3]。我国米糠年产量超过1500万吨,长期以来大部分米糠被用作动物饲料,绝大部分未被开发而浪费[4]。因此,我国亟需推进米糠的基础研究和开发应用。

食源多酚能够降低心血管疾病、中风、Ⅱ型糖尿病等慢性疾病的发病率,尤其在老年退行性疾病和癌症中的生物活性越来越受到关注[5-6]。人们日常摄入的谷物类食品是多酚的主要来源之一,其酚类物质主要包括酚酸类、黄酮类和烷基间苯二酚类[7]。米糠富含多酚类化合物,具有抗氧化[8-9]、抗炎[10]、抗癌[11]等重要的营养价值和药理作用,如能充分研究其多酚类化合物的组成、含量、生物活性等,对拓宽米糠的应用载体范围、延长稻谷加工产业链、开发功能性新食品及食品安全性方面等都具有重要意义。但是,目前国内外对米糠多酚研究较少[12-14]。有研究采用酶解法[12]和丙酮水溶剂法[13-14]提取米糠多酚,但是尚未检索到醇提米糠多酚的报道。因此,本文采用醇提工艺提取米糠多酚,并进一步采用中心组合设计(central composite design，CCD)法优化提取条件,旨在为推动米糠的综合应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

大米米糠 华润五丰(沈阳)有限公司;石油醚(沸程60～90 ℃)、无水乙醇 分析纯,天津市富宇精细化工有限公司;无水碳酸钠 分析纯,天津博迪精细化工股份有限公司;没食子酸(纯度>98%)、福林酚(Foin-Ciocalteu试剂) 上海金穗生物科技有限公司;重蒸水 实验室自制。

HH-6型数显恒温水浴锅 上海皓庄仪器公司;HY-2型多用调速振荡器 金坛市医疗仪器厂;DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;AXTD5A型台式低速离心机 盐城市安信实验仪器有限公司;UV9000型紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;YP20002电子天平 上海佑科仪器仪表有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 米糠的预处理 将米糠粗粉过80目筛,准确称取一定量米糠粉末,按料液比1∶4(质量体积比,g/mL)加入石油醚,于振荡器(150 r/min)室温振荡24 h,抽滤,滤渣于60 ℃低温烘干,即得脱脂米糠。

1.2.2 米糠多酚提取工艺 准确称量2.0 g脱脂米糠于锥形瓶中,按料液比加入乙醇水提取溶剂,搅拌均匀,加入回流浸提装置,在设定的温度和时间下浸提,提取完成后将粗提液离心(4000 r/min,10 min),过滤,收集滤液,并使用提取溶剂洗涤,合并洗涤液后定容,然后吸取稀释液进行测定。

1.2.3 标准曲线的绘制 精确称量10 mg没食子酸标准品,用蒸馏水溶解并定容到100 mL容量瓶中,得到0.1 mg/mL的标准溶液。分别精密移取该溶液100、200、300、400和500 μL于10 mL棕色容量瓶中,加入Foin-Ciocalteu试剂1 mL,摇匀后加入15% Na2CO3溶液2 mL,定容,避光静置2 h后,以空白作参比,测定760 nm下的吸光度,以没食子酸标准溶液质量浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制标准曲线,得到回归线性方程:y=0.6706x-0.0048(R2=0.9993)。

1.2.4 多酚的测定 采用Foin-Ciocalteu比色法测定多酚含量[15-16]。精密吸取1.0 mL稀释后的待测液于10 mL容量瓶中,加入 Foin-Ciocalteu 试剂1 mL,摇匀后,加入15% Na2CO3溶液2 mL,摇匀后定容,避光反应2 h后,于760 nm处测定吸光值,将该值代入当日标准曲线回归方程,查得米糠多酚的浓度。参考梁鹏举[16],按下式计算多酚的得率。

Y=CV1V0/mV2

式中,Y:多酚得率,mg/g;C:标准曲线查得的米糠多酚浓度,mg/mL;V0:米糠多酚初次提取液定容后的体积,mL;V1:样品溶液测定时定容后的体积,mL;V2:样品溶液测定时的体积,mL;m:脱脂米糠质量,g。

1.2.5 单因素实验 参考相关文献[16-17],以乙醇浓度70%、料液比1∶20 (g/mL)、提取温度50 ℃、提取时间2 h、提取次数2次为固定水平,考察各单因素水平对脱脂米糠多酚提取量的影响,确定后续实验的最佳工艺参数范围。各因素水平为乙醇浓度30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%,料液比1∶10、1∶20、1∶30和1∶40 g/mL,提取温度30、40、50、60、70和80 ℃,提取时间1、2、3和4 h,提取次数1、2、3和4次。每组实验重复3次。

1.2.6 提取工艺的优化 在单因素实验的基础上,选取提取温度(X1)、料液比(X2)和乙醇浓度(X3)3个因素为自变量,以多酚得率为响应值(Y),进行三因素五水平的CCD中心复合响应面实验设计,优化醇提法提取米糠多酚的最佳工艺参数。因素水平编码见表1。

表1 中心组合实验设计因素水平表Table 1 Factors and levels table of central composite design

1.2.7 数据处理 每组实验重复三次,数据结果运用Design Expert 8.0.6软件进行响应面设计和统计分析,采用Origin 8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1 提取溶剂浓度对多酚得率的影响 由图1可知,乙醇浓度在30%～70%范围时,米糠多酚的提取率随乙醇浓度的增大而增大,70%的乙醇浓度提取量最高,此后多酚的提取量呈下降趋势。可见,70%的乙醇水复合溶剂体系具有更好地使多酚类物质从米糠细胞壁中溶出的能力。综合考虑经济、环境等因素,后续单因素实验选取70%乙醇为提取溶剂。

图1 提取溶剂浓度对米糠多酚得率的影响Fig.1 Effect of extraction solvents on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.2 料液比对多酚得率的影响 由图2可知,米糠多酚的提取量随着料液比的升高而增大,当料液比大于1∶20 (g/mL)时,多酚的提取量虽有提高但效果不明显。因此,选择料液比1∶10～1∶30 (g/mL)进行优化。

图2 料液比对米糠多酚得率的影响Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.3 提取温度对多酚得率的影响 由图3可知,在30～70 ℃范围内,米糠多酚的提取率随温度升高而增大,当提取温度超过70 ℃后,米糠多酚的提取率下降。这说明提取温度过高可能会导致米糠中多酚类物质的分解。

图3 提取温度对米糠多酚得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the yield of polyphenols from rice bran

图4 提取时间对米糠多酚得率的影响Fig.4 Effect of extraction time on the yield of polyphenols from rice bran

2.1.4 提取时间对多酚得率的影响 由图4可知,提取时间对多酚得率有明显影响。在1～3 h内,米糠多酚提取量增加至最大,尤其在2 h内多酚提取量增加迅速,2～3 h多酚得率上升趋势缓慢,而后随着提取时间的增加,多酚得率反而有所下降,这可能是因为随着提取时间的延长,提取系统中的多酚类物质可能发生氧化、分解等反应,从而使其含量下降。为提高实验效率,米糠多酚醇提实验的最佳提取时间确定为2 h。

2.1.5 提取次数对多酚得率的影响 由图5可知,增加提取次数会提高米糠多酚得率。2次提取后,多酚得率量提高不大。考虑到节约资源和成本,后续响应面实验提取2次。

图5 提取次数对多酚得率的影响Fig.5 Effect of extraction times on the yield of polyphenols from rice bran

2.2米糠多酚制备工艺条件的优化

2.2.1 响应模型的建立与分析 实验设计及结果见表2。

表2 中心组合实验设计和响应值Table 2 Experimental design of central composite design and response value

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

注:* 表示差异显著(p<0.05),** 表示差异极显著(p<0.01)。

对上述数据进行多元回归处理,得到二项式拟合的代码方程为:Y=4.55+0.50X1+0.27X2+0.35X3-0.021X1X2+0.23X1X3+0.13X2X3-0.60X12-0.27X22-0.67X32,R2=0.9897。

本实验中各实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系,因素间交互作用的响应曲面见图6～图8。响应曲面的坡度越陡峭,说明响应值对因素条件的改变越敏感[17]。响应面在底面的投影,即等高线图,该图的形状反映出两因素交互效应的强弱,它越接近椭圆(且椭圆的轴线与坐标轴存在一定角度)而非圆形,表示交互作用越明显[16]。

由图6可知,当料液比(1∶20 g/mL)和提取温度一定时,随着乙醇浓度的增加,多酚得率先增加后逐渐降低。提取温度在62～72 ℃,乙醇浓度在53%～61%范围内,所选取的工艺条件均能使多酚得率4.70 mg/g以上,达到比较好的提取效果。

图6 乙醇浓度和提取温度对多酚得率的影响Fig.6 Effect of solvent concentration and extracted temperature on the yield of polyphenols

由图7可知,当提取温度一定时,乙醇浓度和料液比有显著交互作用。当乙醇浓度和提取温度一定时,随料液比的增加,多酚得率逐渐增加,达到最高值后逐渐降低。当提取温度取57 ℃以上,乙醇浓度在53%～61%时,料液比在1∶24～1∶28 (g/mL)水平内,多酚得率较高。

图7 乙醇浓度和料液比对多酚得率的影响Fig.7 Effect of solvent concentration and solid liquid ratio on the yield of polyphenols

由图8可知,当乙醇浓度(50%)一定时,提取温度和料液比之间的交互作用。此条件下,料液比在1∶18～1∶30 (g/mL),提取温度在50.5～80 ℃水平内,多酚得率均能达到4.50 mg/g以上。可见,二者的交互作用不明显,这与方差分析的结果一致。

图8 提取温度和料液比对多酚得率的影响Fig.8 Effect of extracted temperature and solid liquid ratio on the yield of polyphenols

在以上数据分析的基础上,根据所建立的模型得到最佳工艺条件:乙醇浓度56.5%,提取温度64.7 ℃,料液比1∶24.5 (g/mL),此时米糠多酚得率的预测值为4.82 mg/g。

2.2.2 响应面分析法的验证 为验证回归模型的可靠性和实用性,根据模型预测结果进行近似验证实验,并综合经济原则和实际操作的可行性,选取最优实验条件为:乙醇浓度57%,提取温度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),按此工艺进行3次平行实验,测得多酚的得率为(4.75±0.16) mg/g,与回归方程所得预测值4.82 mg/g的误差为1.47%,说明该回归方程能够真实地反映各因素对米糠多酚得率的影响,预测性良好。

3 结论

采用醇提法提取脱脂米糠多酚,通过单因素和CCD响应面实验得到优化的提取工艺条件为:乙醇浓度57%,提取温度65 ℃,料液比1∶25 (g/mL),提取时间2 h,提取次数2次。在此条件下,脱脂米糠多酚的得率为(4.75±0.16) mg/g,与预测值的相对误差为1.47%,回归模型较好地预测了醇提脱脂米糠多酚的提取率。采用响应面法优化了脱脂米糠多酚化合物的醇提工艺条件,所得多酚得率较高。本研究为开发利用米糠资源提供了依据,有利于提升米糠的附加值。

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Optimizationofethanolextractiontechniqueofpolyphenolsfromricebranbyresponsesurfacemethodology

XUCai-hong,MALi-xin,LIGui-jie*,SHIChao,BAISong

(College of Grain Science and Technology,Shenyang Normal University,Shenyang 110034,China)

The aim of this paper was to optimize the extraction technique of polyphenols from rice bran by ethanol extraction. Based on the single factor experimental analysis,central composite design of response surface analysis was used to explore the optimal processing conditions to extract polyphenols from rice bran including the concentration of ethanol,extraction temperature and solid to liquid ratio. The results showed that the optimal extraction conditions were the concentration of ethanol 57%,extraction temperature of 65 ℃,solid to liquid ratio of 1∶25 (g/mL),extraction duration of 2 h and extraction times of 2 times.Under these conditions,the highest yield of polyphenols from defatted rice bran was(4.75±0.16) mg/g,the predicted value of the regression equation was 4.82 mg/g,and the relative error was about 1.47%. In conclusion,the optimized extraction process was reliable and could be utilized to develop products based on rice bran.

response surface methodology;rice bran;polyphenols;ethanol extraction

2017-02-13

徐彩红(1979-)，女，博士，讲师，研究方向：食品化学与营养学，E-mail：xuch0828@126.com。

*通讯作者:李桂杰(1959-)，女，大学本科，教授，研究方向：粮食与饲料工程研究，E-mail：18640131777@163.com。

辽宁省科技攻关项目(2015211003)；沈阳师范大学校内项目(科学技术，XNL2016016；博士科研启动，BS201406；大学生科研基金，L2016068)。

TS201.1

:B

:1002-0306(2017)16-0194-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.036