謝文杰,張 磊,胡璐曼,駱麗如,曾澤南,唐忠海
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410128)
爬山虎(ParthenocissustricuspidatePlach)又名“地錦”、“爬墻虎”,為葡萄科多年生落葉藤本植物。其根、莖可入藥,能破瘀血、消腫毒[1],成熟的果實(shí)為紫黑色球形漿果[2],富含原花青素[3-4]。
花青素(Anthocyanidin),又名花色素,為3,5,7-三羥基-2-苯基苯并吡喃陽(yáng)離子結(jié)構(gòu),是一種廣泛存在于自然界植物中的水溶性天然色素,同時(shí)也是構(gòu)成花瓣和果實(shí)顏色的主要色素之一,屬于黃酮類化合物?;ㄇ嗨剡@個(gè)名稱是Marquart在1835年給車矢菊花朵中提取出的藍(lán)色物質(zhì)命名的時(shí)候提出來(lái)的,并且沿用至今現(xiàn)在為同類物質(zhì)的統(tǒng)稱[5]。原花青素是植物中廣泛存在的一類多酚化合物的總稱,具有抗氧化、抗炎癥、抗過(guò)敏、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、維持正常視覺(jué)、抗熱應(yīng)激、清除機(jī)體自由基、降低血脂以及預(yù)防心血管系統(tǒng)疾病等重要生理調(diào)節(jié)功能[6-8]。原花青素色澤純正、食用安全、益于人體健康,主要用于食品工業(yè)、藥品制造和化妝品生產(chǎn)等領(lǐng)域[7,9-10]。另有研究證實(shí),原花青素能夠有效防治包括心臟病、關(guān)節(jié)炎等在內(nèi)的80多種由體內(nèi)自由基所引起的疾病;能夠有效防止食品在貯藏、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的氧化變質(zhì),尤其是油脂和富脂食品的酸敗;此外,原花青素還具有抗菌、抗腫瘤、防糖尿病、防腹瀉、促進(jìn)生長(zhǎng)、益智健腦、減輕疲勞、延緩衰老和抗輻射損傷等重要的生物學(xué)功能[11-14]。
目前所利用的原花青素主要來(lái)自葡萄籽及海松皮提取物[15],對(duì)葡萄、海松樹(shù)等單一資源的依賴嚴(yán)重制約了我國(guó)原花青素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[16]。而我國(guó)爬山虎資源豐富,品質(zhì)天然、無(wú)污染,是提取原花青素的重要潛在資源物質(zhì)[17]。如能有效綜合開(kāi)發(fā)與利用我國(guó)豐富的爬山虎資源,對(duì)提升我國(guó)原花青素產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。
本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)考察了提取溫度、提取時(shí)間、液料比和乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)爬山虎果實(shí)中原花青素得率的影響;通過(guò)響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化,以期得到爬山虎果實(shí)中原花青素的最佳提取工藝,為爬山虎的綜合開(kāi)發(fā)與利用提供新思路。
爬山虎果實(shí) 由湖南省林產(chǎn)化工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供,采自吉首大學(xué)張家界校區(qū)后山(經(jīng)測(cè)定為葡萄科爬山虎屬植物爬山虎);甲醇、香草醛、石油醚、氫氧化鈉 分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水乙醇 分析純,廣東市光華化學(xué)廠;濃鹽酸 分析純,衡陽(yáng)市凱信化工試劑有限公司;乙酸乙酯 分析純,天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。
微型植物粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;KQ-A玻璃儀器氣流烘干器 北京中興科學(xué)儀器公司;HH.S11-4型數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋 上海嵐洋自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司;DHG-9070型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;RE-2000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;SHB-II多用循環(huán)水式真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;紫外-可見(jiàn)分光光度檢測(cè)器:Agilent8453;AUW220D精密電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;真空冷凍干燥器。
1.2.2 原花青素提取工藝路線 脫脂后的干爬山虎果實(shí)粗粉→乙醇回流提取→抽濾→濾液減壓濃縮→烘干(47 ℃ 20 h)→水溶解除雜→抽濾→石油醚萃取(石油醚∶抽濾后的原料=1∶1,30 min)→分離醚相,將石油醚水浴揮發(fā)出來(lái)→乙酸乙酯萃取(乙酸乙酯∶水浴后的原料=1∶1,30 min)→加蒸餾水揮去乙酸乙酯→預(yù)凍(-80 ℃,1 h)→真空冷凍干燥(-80 ℃)→原花青素粉末[18-19]。
1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)
1.2.3.1 提取溫度對(duì)原花青素得率的影響 稱取7組,每組3.0 g的脫脂后的果實(shí)粗粉,溶解在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中,控制液料比為20∶1 mL/g,調(diào)整pH至5.0[21];置于恒溫水浴鍋中,分別在30、40、50、60、70、80、90 ℃下提取1 h;平行三次。測(cè)定并計(jì)算原花青素得率。
1.2.3.2 提取時(shí)間對(duì)原花青素得率的影響 稱取7組,每組3.0 g的脫脂后的果實(shí)粗粉,溶解在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中,控制液料比為20∶1 mL/g,調(diào)整pH至5.0;置于恒溫水浴鍋中,在70 ℃恒溫條件下,分別提取30、50、70、90、110、130、150 min;平行三次。測(cè)定并計(jì)算原花青素得率。
1.2.3.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率的影響 稱取6組,每組3.0 g的脫脂后的果實(shí)粗粉,溶解在體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%、60%、70%、80%、90%的乙醇溶液中,控制液料比為20∶1 mL/g,調(diào)整pH至5.0;置于恒溫水浴鍋中,在70 ℃恒溫條件下提取1 h;平行3次,測(cè)定并計(jì)算原花青素得率。。
1.2.3.4 液料比對(duì)原花青素得率的影響 稱取6組,每組3.0 g的脫脂后的果實(shí)粗粉,溶解在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中,控制液料比為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 mL/g,調(diào)整pH至5.0;置于恒溫水浴鍋中,在70 ℃恒溫條件下,提取1 h;平行3次,測(cè)定并計(jì)算原花青素得率。
1.2.3.5 重復(fù)提取次數(shù)對(duì)原花青素得率的影響 稱取4組,每組3.0 g的脫脂后的果實(shí)粗粉,溶解在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中,控制液料比為20∶1 mL/g,調(diào)整pH至5.0;置于恒溫水浴鍋中,在70 ℃恒溫條件下,提取時(shí)間1 h,分別提取1、2、3、4次;平行三次。測(cè)定并計(jì)算原花青素得率。。
在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中,不單單只有土壤以及肥料會(huì)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量造成影響,同時(shí)其相關(guān)的種植模式也會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)造成一定的影響。就比如,在選擇農(nóng)作物的種類進(jìn)行種植時(shí),如果不能充分的考慮農(nóng)作物的間套種植,那么其相關(guān)的光溫及肥料的吸收和利用率就必然會(huì)受到嚴(yán)重的影響。因此農(nóng)業(yè)工作人員一定要選擇科學(xué)合理的種植模式,不能單單只是進(jìn)行一種農(nóng)作物的種植,進(jìn)而對(duì)土地進(jìn)行充分的利用。
1.2.4 提取工藝條件的響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn) 綜合單因素實(shí)驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果,選取對(duì)原花青素得率影響較大的4個(gè)因素,即:提取溫度、提取時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)和液料比,分別以X1、X2、X3和X4表示(表1)。以X1、X2、X3和X4為自變量,以原花青素得率為響應(yīng)值(Y)進(jìn)行試驗(yàn)。采用Design-Expert 7.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。每一自變量的低、中、高實(shí)驗(yàn)水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼。
表1 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平和編碼Table 1 Independent variables and their levelsused in the response surface design
1.2.5 原花青素含量測(cè)定 原花青素含量的測(cè)定采用香草醛-鹽酸比色法[20]
1.2.5.1 原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 分別取1 mg/mL原花青素標(biāo)準(zhǔn)液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL置于10 mL具塞容量瓶中,依次加入6 mL A液(4%香草醛甲醇溶液),3 mL B液(濃鹽酸),用甲醇定容至10 mL,搖勻;空白對(duì)照為A液∶B液∶甲醇=6∶3∶1 (V∶V∶V)。30 ℃避光水浴20 min,反應(yīng)期間輕輕晃動(dòng)數(shù)次。反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至室溫,搖勻,用Agilent8453紫外分光光度計(jì),測(cè)520 nm處吸光值。以原花青素濃度為橫坐標(biāo),OD值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.5.2 樣品中原花青素含量測(cè)定 取1 mL甲醇復(fù)溶后的原花青素樣品按照上述方法進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后用Agilent8453紫外分光光度計(jì),測(cè)520 nm處吸光值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中原花青素濃度,并利用下式計(jì)算原花青素得率:
其中,C為測(cè)得的原花青素濃度,mg/mL;V為樣品定容體積mL;n為樣品稀釋倍數(shù);m為干爬山虎果實(shí)粗粉質(zhì)量mg。
如圖1所示,標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=6.7592+0.0283(R2=0.9984)。結(jié)果表明,原花青素在0.01~0.06 mg/mL范圍內(nèi)與520 nm處吸光值線性關(guān)系良好。
圖1 原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins
2.2.1 提取溫度對(duì)原花青素得率的影響 如圖2所示,在30~70 ℃范圍內(nèi),原花青素得率隨著溫度升高而增大,超過(guò)70 ℃后,原花青素得率卻隨著溫度的升高而降低,這是由于原花青素極易氧化,溫度越高,原花青素有效成分的結(jié)構(gòu)被破壞的程度就越大,活性成分損失的就越多。并且高溫下固體原料本身會(huì)起化學(xué)變化,使雜質(zhì)溶出增多,因而會(huì)降低原花青素得率。
圖2 提取溫度對(duì)原花青素得率的影響Fig.2 Effect of different extractiontemperature on extraction rate
2.2.2 提取時(shí)間對(duì)原花青素得率的影響 由圖3可知,提取時(shí)間為30~70 min時(shí),原花青素得率隨著時(shí)間增加而增大,70 min處達(dá)到最大值;之后隨提取時(shí)間的延長(zhǎng),原花青素得率開(kāi)始逐漸下降。提取時(shí)間過(guò)短,原花青素來(lái)不及溶出,提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng),酚類物質(zhì)易被破壞[22]。
圖3 提取時(shí)間對(duì)原花青素得率的影響Fig.3 Effect of different extraction time on extraction rate
2.2.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率的影響 如圖4可知,當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%~70% 時(shí),隨著乙醇濃度增大,原花青素得率相應(yīng)增加;當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí),提取量也達(dá)到最高值。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)大于60%時(shí),原花青素得率開(kāi)始下降。這是由于乙醇濃度不同,浸提溶劑極性大小不同,因此其對(duì)原花青素的溶出效果有不同影響。原花青素是一種多酚類物質(zhì),含較多羥基且具有一定極性,依據(jù)相似相溶的原理,當(dāng)溶劑極性和原花青素極性相當(dāng)時(shí),溶解度達(dá)到最大,同時(shí),得率最多,隨著乙醇濃度進(jìn)一步增加,其中,一部分醇溶性成分溶出,同原花青素競(jìng)爭(zhēng)與乙醇的結(jié)合,會(huì)導(dǎo)致原花青素提取得率下降[23]。因此選擇合適的醇/水比例尤為關(guān)鍵。
圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率的影響Fig.4 Effect of different ethanol concentration on extraction rate
2.2.4 液料比對(duì)原花青素得率的影響 由圖5可知,液料比在5∶1~15∶1 mL/g范圍內(nèi),原花青素得率隨著溶劑的增加而增加。在15∶1~30∶1 mL/g內(nèi)原花青素得率增加緩慢。在實(shí)際生產(chǎn)中,如果液料比較大,不僅會(huì)消耗較多的溶劑,而且會(huì)降低原花青素的濃度,在后續(xù)的操作過(guò)程中需要消耗更多的能源,因而,液料比取15∶1較好。
圖5 液料比對(duì)原花青素得率的影響Fig.5 Effect of different solid to liquid ratio on extraction rate
2.2.5 重復(fù)提取次數(shù)對(duì)原花青素得率的影響 由圖6可知,提取次數(shù)的增多能增加提取總量。提取1次以后,材料中原花青素得率明顯降低;提取2次之后,材料中原花青素得率已經(jīng)很低了,提取3次之后,材料中原花青素得率已經(jīng)接近零了。綜合考慮到能源消耗、設(shè)備占用和勞動(dòng)力成本,提取1次較好。
圖6 重復(fù)提取次數(shù)對(duì)原花青素得率的影響Fig.6 Effect of different extract times on extraction rate
2.3.1 響應(yīng)面法優(yōu)化原花青素提取工藝 根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取對(duì)原花青素得率影響較大的4個(gè)因素,即:提取溫度、提取時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)和液料比,分別以X1、X2、X3和X4表示。試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。以X1、X2、X3和X4為自變量,以爬山虎果實(shí)原花青素得率為響應(yīng)值(Y)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。表2共27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),其中7、11、14是中心試驗(yàn),其余為析因試驗(yàn)。析因點(diǎn)為自變量取值在X1、X2、X3和X4所構(gòu)成的頂點(diǎn),零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn),其中零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)3次,用以估算試驗(yàn)誤差。
表2 響應(yīng)面分析法結(jié)果Table 2 Results of response surface analysis
2.3.2 模型的建立與顯著性檢驗(yàn) 采用Design-Expert 10對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析,分析結(jié)果見(jiàn)表3。由于各因素對(duì)原花青素的得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,為了明確各因子對(duì)相應(yīng)值的影響,使用Design Expert 10,對(duì)表3中原花青素得率進(jìn)行回歸擬合,獲得二次多項(xiàng)回歸方程:
從表3的分析結(jié)果來(lái)看,模型的P值小于0.0001,表明該二次方程模型達(dá)到極顯著水平;失擬項(xiàng)0.6999遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05,表明該項(xiàng)不顯著,由此可說(shuō)明該方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好,自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系良好,可以用于原花青素得率的理論值的預(yù)測(cè)。
表3 回歸分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis
由表3可知,提取溫度、乙醇體積分?jǐn)?shù)的一次項(xiàng),提取溫度、提取時(shí)間與乙醇體積分?jǐn)?shù)的二次項(xiàng),提取溫度與提取時(shí)間交互項(xiàng),提取溫度與乙醇體積分?jǐn)?shù)交互項(xiàng)均達(dá)到高度顯著水平P<0.0001;液料比的一次項(xiàng),乙醇體積分?jǐn)?shù)與液料比的交互項(xiàng)達(dá)到極顯著水平(P<0.01);液料比二次項(xiàng),提取溫度與液料比的交互項(xiàng)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。由F值可知,各因素對(duì)原花青素得率的影響次序?yàn)?提取溫度>乙醇體積分?jǐn)?shù)>液料比>提取時(shí)間。
2.3.3 交互作用分析 從Design Expert10軟件中可得到各因素X1、X2、X3、X4對(duì)響應(yīng)值原花青素得率Y所構(gòu)成的三維空間曲面圖,用來(lái)反映各因素與響應(yīng)值之間的影響作用。曲面越陡峭,表示變化越急劇,作用越明顯,曲面顏色也呈加深趨勢(shì)。交互效應(yīng)強(qiáng)弱程度可從等高線的形狀中觀察,圓形為交互作用不顯著,橢圓則為交互作用顯著[24]。此外,在一定范圍內(nèi),等高線圖中等高線的疏密或條數(shù)也是判斷交互作用顯著與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[25]。
從圖7a~圖9a,圖12a中可以看出,曲面傾斜度比較大,且越接近曲面頂端時(shí),顏色愈深,說(shuō)明相關(guān)兩因素間交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響顯著。而圖10~圖11中曲面的變化相對(duì)平緩,說(shuō)明相關(guān)兩因素間交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響不明顯。
圖7 提取溫度與提取時(shí)間對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plots of extraction temperature and extraction time on the proanthocyanidin extraction rate
圖8 提取溫度與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface plots of extraction temperature and concentration of ethanol on the proanthocyanidin extraction rate
圖9 提取溫度與液料比對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface plots of extraction temperature and material quality concentration on the proanthocyanidin extraction rate
圖10 提取時(shí)間與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface plots of extraction time and concentration of ethanol on the proanthocyanidin extraction rate
圖11 提取時(shí)間與液料比對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.11 Response surface plots of extraction time and material quality concentration on the proanthocyanidin extraction rate
圖12 液料比與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素得率影響的響應(yīng)面圖Fig.12 Response surface plots of material quality concentration and concentration of ethanol on proanthocyanidin extraction rate
從圖7b~圖9b,圖12b可以看出,各圖等高線基本接近橢圓形,故相關(guān)兩因素之間均存在交互作用。以圖9b為例,取提取溫度X1的三個(gè)水平進(jìn)行等高線圖分析。在-1到0之間時(shí),等高線條數(shù)明顯多于0到1之間,且越接近0水平,等高線越稀疏,相鄰等高線之間跨度越大;在0到1之間,等高線條數(shù)僅為1條。結(jié)果表明,一定范圍內(nèi),等高線越密集,曲面變化率越小,交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響越不顯著。反之,等高線越稀疏,則表示交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著。
2.3.4 最佳提取工藝條件的確定 結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析可知,乙醇回流法提取爬山虎果實(shí)原花青素的最佳工藝參數(shù)為:提取溫度75.87 ℃,提取時(shí)間74.12 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)55.71%,液料比20∶1。在此工藝條件下爬山虎果實(shí)原花青素的理論得率為3.8166%。為檢驗(yàn)RSA法的可靠性,采用上述最佳提取條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)??紤]到實(shí)際操作條件,將最佳提取條件修正為:提取溫度76 ℃,提取時(shí)間74 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)56%,液料比20∶1,實(shí)際測(cè)得的原花青素得率為3.8214%±0.2287%,稍高于理論預(yù)測(cè)值3.8166%。此結(jié)果說(shuō)明實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與軟件預(yù)測(cè)值吻合度良好,證明此優(yōu)化方案可行,在實(shí)際應(yīng)用中具有可操作性。
單因素實(shí)驗(yàn)以提取溫度、提取時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)、液料比和重復(fù)提取次數(shù)為單因素,采用乙醇回流提取法考察其對(duì)原花青素得率的影響。結(jié)果表明,這幾個(gè)因素對(duì)原花青素得率都有明顯影響。結(jié)合單因素結(jié)果,本研究采用響應(yīng)面分析法進(jìn)一步優(yōu)化爬山虎果實(shí)中原花青素的提取工藝研究,以提取溫度、提取時(shí)間、乙醇體積分?jǐn)?shù)和液料比為主要因素進(jìn)行中心組合試驗(yàn),建立了原花青素含量預(yù)測(cè)方程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提取溫度、乙醇體積分?jǐn)?shù)的一次項(xiàng),提取溫度、提取時(shí)間與乙醇體積分?jǐn)?shù)的二次項(xiàng),提取溫度與提取時(shí)間交互項(xiàng),提取溫度與乙醇體積分?jǐn)?shù)交互項(xiàng)均達(dá)到高度顯著水平(P<0.0001);液料比的一次項(xiàng),乙醇體積分?jǐn)?shù)與液料比的交互項(xiàng)達(dá)到極顯著水平(P<0.01);液料比二次項(xiàng),提取溫度與液料比的交互項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。當(dāng)提取工藝條件為提取溫度76 ℃,提取時(shí)間74 min,乙醇體積分?jǐn)?shù)56%,液料比20∶1,提取1次時(shí),原花青素含量達(dá)到極大值3.8214%,與理論預(yù)測(cè)值接近。說(shuō)明響應(yīng)面分析法優(yōu)化爬山虎果實(shí)中原花青素的提取工藝可行。