应用表面活性剂提取玉竹黄酮的工艺研究

2018-05-15夏光辉梁钰韩爽

食品研究与开发 2018年9期

夏光辉，梁钰，韩爽

（1.通化师范学院食品科学与工程学院，吉林通化134002；2.通化师范学院生物制剂国际合作研究中心，吉林通化134002）

玉竹[学名 Polygonatum odoratum（Mill.）Druce]，别名甜草根、地管子，属于百合科黄精属植物[1]。玉竹根茎是药食两用材料，含有多糖、黄酮、生物碱、皂苷等成分[2]，具有除烦、止渴的功效[3]，可治热病伤阴、咳嗽、消谷易虚、劳发热饥等症[4-5]。近几年，玉竹作为一种具有独特的保健与营养功能的食材受到人们的广泛关注。黄酮类化合物是广泛存在于植物界的一类天然色素[6]，是玉竹的重要活性成分。玉竹中的黄酮主要高异黄酮类[7]，具有清除自由基、抗病毒、抑菌、防治心血管疾病等生理功能[8-9]。研究黄酮的生物学活性，必须采取合适的方法对黄酮成分进行提取，天然环保、无残留的提取方法广受关注。目前，提取黄酮的方法主要有溶剂浸提法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、酶法提取等[10-11]，各有优缺点，但共性问题是环保程度偏低，提取成本偏高[12]。采用表面活性剂来提取玉竹黄酮的研究尚未有报道。表面活性剂是一类可降低溶液表面张力，具有亲水与疏水双重基团的特殊试剂，具有较强的增溶作用[13-14]。提取液可不经处理，直接采用大孔树脂来富集黄酮成分，省去有机溶剂提取时的浓缩、冷凝等操作，节省提取成本，提取后的残余原料经水洗后还可加工利用。常用的聚乙二醇系列和吐温系列表面活性剂无毒或毒性较低，价格低廉，在样品中无残留，对环境无污染，对黄酮类成分具有较好的溶解性。以表面活性剂代替有机溶剂提取玉竹黄酮，能降低提取成本，减小环境污染。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原材料与试剂

玉竹：产于吉林省白山市松江河镇的新鲜玉竹；聚乙二醇400：沈阳华东试剂厂；吐温80：天津市科密欧化学试剂有限公司；烷基糖苷、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、平平加：广州市阳航化工有限公司；芦丁标准品：上海士锋生物科技有限公司；D101大孔树脂：天津市光复精细化工研究所；乙醇、亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠：均为分析纯。

1.1.2 试验设备

BNI-A电子天平称：台湾巨林樱花企业；HWS26恒温水浴锅：上海一恒科学仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发器：上海亚荣升生化仪器厂；TDL-5-A离心机：上海安亭科学仪器厂；SHD-Z（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市英峪予华仪器厂；T6-紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；FE-130药物粉碎机：上海华岩仪器设备有限公司。

1.2 表面活性剂提取玉竹黄酮的工艺操作方法

1.2.1 表面活性剂提取玉竹黄酮的工艺流程

玉竹根茎→水洗→烘干→粉碎→称量→表面活性剂溶液提取黄酮→离心→过滤→滤渣二次提取→离心→抽滤→合并提取液→过大孔树脂柱→水洗→80%醇洗→玉竹黄酮粗提液

1.2.2 操作方法

将玉竹根茎清洗干净，烘干之后用药物粉碎机粉碎，过40目筛，得到玉竹粉末。称取1 000 g玉竹粉末，置入玻璃罐中，加入一定质量分数的表面活性剂水溶液后放入超声波提取机中，搅拌均匀，于试验设定温度下提取一定时间后于5 000 r/min下离心5min，抽滤，得到的残渣再次加入相同质量分数的表面活性剂水溶液，在相同条件下二次提取。合并两次提取的滤液。滤液以1mL/min的速度泵入D101大孔树脂柱，全部过柱后，用5倍～10倍柱体积的蒸馏水洗涤，再用2倍柱体积的80%乙醇溶液洗涤，收集80%乙醇洗液，即为玉竹黄酮粗提液。

1.3 表面活性剂提取玉竹黄酮的试验方法

1.3.1 适宜表面活性剂种类的确定

对吐温80、聚乙二醇400、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、烷基糖苷、平平加等分别进行单一种类、两种和3种复配使用来提取玉竹黄酮，操作时表面活性剂的浓度为 2%，料液比为 1 ∶10（g/mL），超声提取 20min，提取2次。计算在不同种类表面活性剂下的玉竹黄酮提取率，分析确定最佳表面活性剂种类。

1.3.2 其他单因素试验

分别进行表面活性剂浓度、适宜料液比、提取时间、提取温度4个方面的单因素试验。选取的表面活性剂浓度分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%，料液比为 1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30（g/mL），提取温度为 20、25、30、35、40、45 ℃，提取时间为 5、10、15、20、25、30min。

1.3.3 表面活性剂提取玉竹黄酮的正交试验设计

确定表面活性剂种类后，以料液比、提取剂浓度、提取温度和提取时间为因素，参考单因素试验最佳结果，各因素各取3个水平，进行正交试验以确定各因素的最佳组合方式。

1.3.4 玉竹黄酮粗提液中黄酮含量检测方法

参考温玲蓉等[15]采用硝酸铝显色法绘制芦丁标准曲线，得到的回归方程为y=1.052 6x-0.005 1，相关系数R2=0.998 9，线性关系良好。对玉竹黄酮样品采用硝酸铝显色法测定吸光度后，由回归方程计算样品溶液中黄酮的含量。

1.3.5 数据统计分析

数据统计分析采用SPSS 17.0统计软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 表面活性剂提取玉竹黄酮单因素试验

2.1.1 表面活性剂种类的确定

对不同种类的表面活性剂分别进行玉竹黄酮提取试验，试验结果见表1。

续表1 不同类型表面活性剂提取玉竹黄酮的提取率Continue table1 The influenceof extraction rateof Polygonatum odoratum flavonoidsw ith different kindsofsurfactants

由表1可知，聚乙二醇400对玉竹黄酮的提取率最大，几种表面活性剂配合使用没有提高玉竹黄酮的提取率。不同种类的表面活性剂由于其在水中形成的胶束结构的差异[16]，对黄酮的溶解能力是不同的。试验数据表明，聚乙二醇400对玉竹黄酮的溶解能力高于其他种类的表面活性剂。为考察几种表面活性剂复配使用对玉竹黄酮提取率的影响情况，设计了两种、三种表面活性剂的不同比例复配使用方案，研究结果表明，几种表面活性剂的复配使用对玉竹黄酮的提取率无影响，效果不比单一种类的好。选择单一种类的提取剂，不但操作简单，而且成本更低，对玉竹黄酮的提取效果更佳。确定聚乙二醇400为提取玉竹黄酮的最佳试剂。

2.1.2 提取剂浓度的确定

聚乙二醇400质量分数对玉竹黄酮提取率的影响见图1。

图1 聚乙二醇400质量分数对玉竹黄酮提取率的影响Fig.1 The influenceof extraction rateof Polygonatum odoratum flavonoidsw ith differentmass fraction of polyethyleneglycol400

由图1可知，聚乙二醇400的质量分数为2%～6%时，玉竹黄酮的提取率随聚乙二醇400浓度的升高而提高。质量分数大于6%后，玉竹黄酮提取率开始缓慢减小，说明再增大聚乙二醇400的浓度已无意义。当聚乙二醇400浓度达到10%时，溶液黏度明显上升，不利于玉竹黄酮的溶解和后续黄酮富集过程的进行。确定合适的聚乙二醇400提取剂浓度为6%。

2.1.3 适宜料液比的确定

料液比对玉竹黄酮提取率的影响见图2。

图2 料液比对玉竹黄酮提取率的影响Fig.2 The influenceof extraction rateof Polygonatum odoratum flavonoidswith differentsolid-liquid ratio of surfactants

如图 2 所示，料液比从 1 ∶5（g/mL）到 1 ∶15（g/mL）之间，玉竹黄酮的提取率随料液比的增大而升高；料液比超过1∶15（g/mL）后，玉竹黄酮的提取率增加幅度较小。增加提取剂用量，随可小幅度提高玉竹黄酮的提取率，但提取剂聚乙二醇400的用量却显著增加，增加了提取成本。同时，提取剂用量越大，后续用大孔树脂富集玉竹黄酮的时间越长，延长了提取工艺的总时间。可见，选取适宜的料液比会提高玉竹黄酮提取操作过程的经济效益。料液比为1∶15（g/mL）时提取率较高，同时最省提取溶剂，经济性最强。

2.1.4 适宜提取温度的确定

提取温度对玉竹黄酮提取率的影响见图3。

图3 提取温度对玉竹黄酮提取率的影响Fig.3 The influenceof extraction rateof Polygonatum odoratum flavonoidswith differentextraction tem perature

在对玉竹黄酮进行提取时，采用了超声波进行辅助。频率高于20 kHz的超声波可加速物质分子的振动，增强传递性能，加速可溶成分的扩散和传播[17]。超声波还可破坏植物细胞壁，促进细胞内容物的溶出。同时，超声波还可产生一定程度的热效应。采用超声波辅助提取，可显著缩短提取时间。从图3可以看出，采用30℃的提取温度可以达到较高的提取率，再提高温度，会导致和玉竹黄酮极性相近的杂质快速溶出，对后续操作不利，导致玉竹黄酮的提取率逐渐小幅下降。30℃的提取温度接近室温，对黄酮成分的稳定性影响很小，而且提取时容易操作，可利用超声波自身的产热效应就可达到，不需要额外加热。确定适宜的提取温度为30℃。

2.1.5 适宜提取时间的确定

提取时间对玉竹黄酮提取率的影响见图4。

图4 提取时间对玉竹黄酮提取率的影响Fig.4 The influenceof extraction rateof Polygonatum odoratum flavonoidsw ith differentextraction tim e

由图4可以看出，5min～20min内，随着表面活性剂提取玉竹黄酮时间的延长，玉竹黄酮的提取率逐渐增大；超过20min后，玉竹黄酮的提取率开始减小，可能原因是超声波导致部分黄酮与杂质发生反应或导致部分黄酮分子发生水解，致使提取率下降。适当延长提取时间，有助于黄酮与聚乙二醇400水溶液的充分接触，但当提取时间越长，超声波耗费的能量越多，成本会随之增大。选取20min的超声提取时间比较适宜，在此范围内，玉竹黄酮的提取率已达最高，超声波导致的提取液温度升高幅度较小，可容易调控。

2.2 表面活性剂提取玉竹黄酮正交试验结果

经单因素试验确定聚乙二醇400为提取玉竹黄酮的最佳试剂，以料液比、提取剂浓度、提取温度和提取时间为因素进行的L9（34）正交试验设计见表2，试验结果见表3。

由表3可以看出，3号试验的提取率最高，但未必是最佳提取方式组合。对正交试验结果数据分析可知，影响玉竹黄酮提取率的因素大小为B＞C＞D＞A，即聚乙二醇400浓度＞提取温度＞提取时间＞料液比。最佳提取方式组合为 A1B3C2D2，即料液比为 1∶10（g/mL），聚乙二醇400质量分数为8%，提取温度为30℃，提取时间为20min。按照A1B3C2D2条件进行3次平行试验，玉竹黄酮平均提取率为0.662 7%，高于正交试验的最高水平。

表2 玉竹黄酮提取工艺正交试验设计Tab le2 Theorthogonalexperiment design of Polygonatum odoratum flavonoidsextraction p rocess

表3 表面活性剂法提取玉竹黄酮正交试验结果Tab le3 Theorthogonalexperiment resu ltsof Polygonatum odoratum flavonoidsextraction ratewith surfactants

3 结论

以聚乙二醇400为最适提取剂，对玉竹黄酮的提取工艺进行了研究。通过单因素和正交试验，确定了表面活性剂提取玉竹黄酮的最佳工艺参数。最佳操作条件为，聚乙二醇400提取剂的浓度为8%，料液比为1∶10（g/mL），提取温度为 30 ℃，提取时间为 20min，在此条件下玉竹黄酮的提取率可达0.662 7%。使用表面活性剂来提取玉竹黄酮具有成本低、无污染、绿色节能等特点，为更好地研究玉竹黄酮特性和开发玉竹功能食品提供理论参考。

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