摘 要:在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化了核桃青皮單寧(WGHT)微波-超聲波協(xié)同提取工藝條件,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.結(jié)果表明,影響核桃青皮單寧提取量的主次順序?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)>微波處理時(shí)間>超聲波處理時(shí)間>液料比;最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)為51%、液料比為50 mL/g、微波處理時(shí)間為161 s、超聲波處理時(shí)間為23 min.在此條件下的單寧提取量為18.84 mg/g,與模型預(yù)測(cè)值較好吻合.FT-IR和13C-NMR結(jié)果證實(shí)核桃青皮單寧歸屬于水解類單寧
關(guān)鍵詞:核桃青皮; 單寧; 微波-超聲波協(xié)同提取法; 響應(yīng)面分析
中圖分類號(hào):TS209""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
Microwave-ultrasonic assisted extraction process optimization of tannins from walnut green husk by response surface methodology and their structural characterization
Abstract:The microwave-ultrasonic assisted extraction process of walnut green husk tannin (WGHT) was optimized by response surface methodology based on the single factor experiment result,and the structure of tannin was then characterized.The results indicated that the ethanol volume fraction,microwave treatment time,ultrasonic treatment time,and liquid-feed ratio were the most influential factors on amount of the extracted tannins.The optimal conditions were identified as an ethanol volume fraction of 51%,a liquid-feed ratio of 50 mL/g,a microwave treatment time of 161 s,and an ultrasonic treatment time of 23 min.The tannin yield under those conditions was 18.84 mg/g,which was consistent with the model predictions.FT-IR and 13C-NMR analyses confirmed the presence of hydrolyzed tannins in the walnut green husk.
Key words:walnut green husk; tannin; microwave-ultrasonic assisted extraction; response surface analysis
0 引言
核桃青皮是核桃加工過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,每年約產(chǎn)生200萬(wàn)噸核桃青皮,其中大部分被當(dāng)作廢物堆棄,既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源[1].研究表明核桃青皮中富含單寧類[2]、黃酮類[3]、蒽醌類[4]、萜類[5]等成分,在紡織染料、食品抗氧化劑、醫(yī)藥助劑、電池電容器等領(lǐng)域[6-9]有著廣闊的應(yīng)用前景.其中的單寧富含酚羥基,能與蛋白質(zhì)、多糖、生物堿、金屬離子等產(chǎn)生鍵合作用[10];還具有優(yōu)異的抗氧化[11]、抑菌[12]等性能.因此,它在食品包裝、傷口敷料、污水處理、功能涂層、皮革鞣制等領(lǐng)域[13-16]具有良好的發(fā)展?jié)摿?目前,有關(guān)核桃青皮單寧的傳統(tǒng)溶劑萃取法的研究[17-19]頗多,發(fā)展也較為成熟.但大多存在萃取時(shí)間較長(zhǎng)、產(chǎn)率較低等問(wèn)題.
微波-超聲波協(xié)同提取天然產(chǎn)物技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的一種輔助提取技術(shù).微波提取是通過(guò)高頻微波作用,使得材料的偶極分子旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致其內(nèi)的氫鍵以及分子間作用力遭到破壞,同時(shí)使細(xì)胞內(nèi)的溫度迅速提升,從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂,細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出,從而能在短時(shí)間高效浸出樣品[20].超聲波提取是利用超聲波的空化效應(yīng),在液體內(nèi)部產(chǎn)生微氣泡.這些氣泡生長(zhǎng)和破裂,引起振動(dòng)并破壞植物材料的細(xì)胞壁,溶出胞內(nèi)物質(zhì),以此提高提取速率[21].與傳統(tǒng)的溶劑萃取法相比,微波-超聲波協(xié)同提取法極大地縮短了提取時(shí)間,在提高單寧產(chǎn)率的同時(shí),還解決了單寧在高溫環(huán)境中易氧化的問(wèn)題.因此,近年來(lái)微波-超聲波聯(lián)用法逐漸成為了天然產(chǎn)物提取研究中的常用方法之一[22-24].但它用于核桃青皮單寧提取的文獻(xiàn)并不多.
故本文采用微波-超聲波協(xié)同提取方法,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以單寧提取量為指標(biāo),結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化最佳提取條件,并對(duì)核桃青皮單寧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.為核桃青皮的開(kāi)發(fā)與利用提供參考和理論支持.
1 材料與方法
1.1 試劑與儀器
1.1.1 主要試劑
核桃青皮,產(chǎn)自云南;無(wú)水乙醇,AR,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;單寧酸,AR,天津奧普升化工有限公司.
1.1.2 主要儀器
KH-200KDB型高功率數(shù)控超聲波清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;P70F23P-G5(S0)型微波爐,廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司;752S紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海棱光技術(shù)有限公司;Vector-22型傅里葉變換紅外光譜儀,德國(guó)Bruker公司;INOVA-400型核磁共振波譜儀,美國(guó)Varian公司.
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 核桃青皮原料的預(yù)處理
將核桃青皮去蟲(chóng)尸,于45 ℃條件下烘干,粉碎,過(guò)40目篩后置于低溫避光處保存.
1.2.2 單寧含量的計(jì)算
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)定方法采用Folin-Denis比色法[18].分別量取1 g/L的單寧酸(TA)標(biāo)準(zhǔn)溶液0 mL、1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL,2.5 mL Folin-Denis試劑和5 mL飽和Na2CO3溶液,用蒸餾水定容至50 mL,充分混勻,室溫靜置30 min后,以蒸餾水為空白對(duì)照,在760 nm-1處測(cè)定吸光度.以吸光度為橫坐標(biāo),單寧濃度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.得到回歸方程:Y=25.616X+0.087(plt;0.001).
得到的核桃青皮提取液抽濾后再經(jīng)過(guò)上述步驟,在760 nm-1處測(cè)得吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算單寧提取量(C):
C=(c×V×n×0.001)/m(1)
式(1)中:C——單寧提取量(mg/g);c——樣品中單寧酸含量(mg/L);V——提取液總體積(mL);n——稀釋倍數(shù);m——樣品質(zhì)量(g).
1.2.3 單因素分析
(1)不同提取方法對(duì)WGHT提取量的影響
取1 g的核桃青皮粉末,在常溫下,使用體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇,分別在正常環(huán)境下浸泡21.5 min;超聲波處理下浸泡21.5 min;微波處理下浸泡90 s,再在正常環(huán)境下浸泡20 min;微波處理下浸泡90 s,再在超聲波處理下浸泡20 min;考察了四種不同提取方法對(duì)WGHT提取量的影響.
(2)乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)WGHT提取量的影響
固定液料比50 mL/g、微波處理時(shí)間90 s、超聲波處理時(shí)間20 min,考察乙醇體積分?jǐn)?shù)(30%、40%、50%、60%、70%)對(duì)WGHT提取量的影響.
(3)液料比對(duì)WGHT提取量的影響
固定乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、微波處理時(shí)間90 s、超聲波處理時(shí)間20 min,考察液料比(30 mL/g、40 mL/g、50 mL/g、60 mL/g、70 mL/g)對(duì)WGHT提取量的影響.
(4)微波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響
固定乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、液料比50 mL/g、超聲波處理時(shí)間20 min,考察微波處理時(shí)間(20 s、50 s、80 s、110 s、140 s)對(duì)WGHT提取量的影響.
(5)超聲波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響
固定乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、液料比50 mL/g、微波處理時(shí)間90 s、考察超聲波處理時(shí)間(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min)對(duì)WGHT提取量的影響.
1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化WGHT的提取
在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Design-Expert V 8.0.6軟件進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì)如表1所示的四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn).
1.3 WGHT的結(jié)構(gòu)表征
為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,在進(jìn)行WGHT結(jié)構(gòu)測(cè)定前,參照文獻(xiàn)報(bào)道的方法,用大孔吸附樹(shù)脂與Sephadex-LH20柱色譜對(duì)WGHT進(jìn)行純化[25,26].
1.3.1 WGHT的FI-IR測(cè)試
采用KBr壓片法對(duì)樣品進(jìn)行制樣后,使用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定,分辨率為2 cm-1,掃描范圍4 000~500 cm-1,掃描次數(shù)為32.
1.3.2 WGHT的13C-NMR測(cè)試
用氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)將適量WGHT溶解后,使用核磁共振波譜儀進(jìn)行碳譜測(cè).
2 結(jié)果與討論
2.1 單因素實(shí)驗(yàn)
2.1.1 不同提取方法對(duì)WGHT提取量的影響
不同提取方法對(duì)WGHT提取量的影響如圖1所示.由圖1可知,使用微波-超聲波協(xié)同提取法的WGHT提取量最高(8.46 mg/g),超聲波提取法次之(6.57 mg/g),微波提取法較低(5.21 mg/g),溶劑提取法最低(3.83 mg/g).這說(shuō)明了微波-超聲波協(xié)同作用的效果最好.因此,本文選用微波-超聲波協(xié)同提取法來(lái)提取WGHT.
2.1.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)WGHT提取量的影響
乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)WGHT提取量的影響如圖2所示.由圖2可知,隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)在30%~70%范圍內(nèi)增加,WGHT提取量先增加后減小;當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí),提取量最大.這是由于隨著乙醇濃度的增加,破壞了單寧與蛋白質(zhì)的疏水作用[27],使單寧在乙醇溶液中的溶解量變大,提取量增加;而當(dāng)乙醇濃度過(guò)高時(shí),溶劑中水分越來(lái)越少,導(dǎo)致細(xì)胞通透性越來(lái)越差,細(xì)胞內(nèi)的單寧向外擴(kuò)散的難度變大[18],提取量反而下降.因此選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%、50%、60%作為響應(yīng)面優(yōu)化的因素水平值.
2.1.3 液料比對(duì)WGHT提取量的影響
液料比對(duì)WGHT提取量的影響如圖3所示.由圖3可知,液料比在30~50 mL/g時(shí)單寧提取量不斷增加,液料比高于50 mL/g時(shí)單寧提取量又呈下降狀態(tài).這是由于隨著液料比的不斷增加,物料與溶劑的濃度差變大,使得更多的單寧溶解出來(lái).但當(dāng)單寧的溶出達(dá)到平衡時(shí),再增加液料比不能提高提取量,反而可能會(huì)溶出更多雜質(zhì),從而使超聲的工作效率降低[28].因此選擇液料比為40 mL/g、50 mL/g、60 mL/g作為響應(yīng)面優(yōu)化的因素水平值.
2.1.4 微波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響
微波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響如圖4所示.由圖4可知,微波處理時(shí)間在60~150 s時(shí)單寧提取量不斷增加,微波處理時(shí)間高于150 s時(shí)單寧提取量呈現(xiàn)下降趨勢(shì).這是由于隨著微波處理時(shí)間的增加,細(xì)胞被進(jìn)一步破壞,使得更多的單寧溶解出來(lái).但當(dāng)微波處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致單寧的氧化降解,從而使單寧提取量降低[29].因此選擇微波處理時(shí)間為120 s、150 s、180 s作為響應(yīng)面優(yōu)化的因素水平值.
2.1.5 超聲波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響
超聲波處理時(shí)間對(duì)WGHT提取量的影響如圖5所示.由圖5可知,超聲波處理時(shí)間在5~20 min時(shí)單寧提取量不斷增加,高于25 min時(shí)單寧提取量呈現(xiàn)下降狀態(tài).這是由于隨著超聲波處理時(shí)間的不斷增加,細(xì)胞進(jìn)一步被破壞,使得更多的單寧溶解出來(lái).但當(dāng)超聲波處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致溶出更多雜質(zhì),從而降低超聲的工作效率.另外,長(zhǎng)時(shí)間的提取還會(huì)使得單寧被氧化降解,從而使單寧提取量降低[30].因此選擇超聲處理時(shí)間為15 min、20 min、25 min 作為響應(yīng)面優(yōu)化的因素水平值.
2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
2.2.1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析
在單因素基礎(chǔ)上,以乙醇體積分?jǐn)?shù)(A)、液料比(B)、微波處理時(shí)間(C)、超聲波處理時(shí)間(D)為考察因素,單寧提取量(Y)為指標(biāo),利用Design-Expert V 8.0.6 軟件設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表2所示.對(duì)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合,得到回歸方程:
Y=18.45+1.79A+0.093B+1.36C+1.07D-0.33AB-0.57AC-0.087AD+0.12BC-0.052BD+0.28CD-6.33A2-0.84B2-2.04C2-1.13D2
由表3可知,模型的P值lt;0.000 1(Plt;0.01)極顯著;失擬項(xiàng)F值為3.08,P值為0.145 0(Pgt;0.05),說(shuō)明該模型的失擬項(xiàng)差異不顯著,影響響應(yīng)值的各因素均已包含在模型范圍內(nèi),回歸模型中無(wú)失擬因素存在.模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.978 5,說(shuō)明響應(yīng)值核桃青皮提取量與模型預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配.校正相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.957 0,表明響應(yīng)值WGHT提取量有95.70%受模型中所涉及的各因素的影響.
通過(guò)對(duì)模型的顯著性檢驗(yàn)和誤差分析,發(fā)現(xiàn)此模型可用于WGHT提取結(jié)果的預(yù)測(cè)分析.通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)因素的F檢驗(yàn)可以得出各單因素對(duì)響應(yīng)值WGHT提取量影響的大小為A>C>D>B,即乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)WGHT提取量的影響最顯著,其次是微波處理時(shí)間和超聲波處理時(shí)間,最不顯著的是液料比.提取過(guò)程中因素A、C、D對(duì)響應(yīng)值影響極顯著(Plt;0.01);二次項(xiàng)A2、C2、D2對(duì)響應(yīng)值影響極顯著(Plt;0.01),B2對(duì)響應(yīng)值影響顯著(Plt;0.05).
2.2.2 響應(yīng)面分析
微波-超聲波法協(xié)同提取WGHT多元二次回歸方程各因素的影響如圖6所示.在響應(yīng)面圖中,曲線越陡,表明該因素對(duì)單寧提取量的影響越明顯;圖中的等高線的形狀越趨近于橢圓時(shí),表明其對(duì)響應(yīng)值的交互作用越顯著.
由圖6可知,各單因素對(duì)響應(yīng)值WGHT提取量影響的大小為乙醇體積分?jǐn)?shù)>微波處理時(shí)間>超聲波處理時(shí)間>液料比,且各因素之間存在極大值點(diǎn)使得WGHT提取量最大,與方差分析結(jié)果一致.結(jié)合方差分析,結(jié)果表明乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波處理時(shí)間、超聲波處理時(shí)間、液料比4個(gè)因素之間的交互作用對(duì)WGHT提取量的影響不顯著.
2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
利用Design-Expert V 8.0.6軟件預(yù)測(cè)得到WGHT最佳提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)51.20%、液料比50.38 mL/g、微波處理時(shí)間160.55 s、超聲波處理時(shí)間22.57 min,單寧的提取量為19.08 mg/g.為了方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn),調(diào)整最佳參數(shù)乙醇濃度51%,液料比為50 mL/g、微波處理時(shí)間為161 s、超聲波處理時(shí)間為23 min.平行三次實(shí)驗(yàn)后,得出WGHT提取量為18.84 mg/g,與預(yù)測(cè)值吻合較好.
2.4 結(jié)構(gòu)表征
2.4.1 WGHT的FT-IR分析
對(duì)WGHT和TA進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如圖7所示.在WGHT的紅外光譜圖中,3 420 cm-1為-OH的伸縮振動(dòng)峰,2 922 cm-1和2 848 cm-1為-CH2-的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,1 724 cm-1為C=O的伸縮振動(dòng)峰,1 616 cm-1~1 409 cm-1為苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰,1 207 cm-1和1 074 cm-1為-C-O-C的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰.對(duì)比TA的紅外光譜圖測(cè)試結(jié)果,可知WGHT中具有酚羥基、芳香環(huán)及酯基結(jié)構(gòu).因此,推測(cè)WGHT應(yīng)為水解類單寧.
2.4.2 WGHT的13C-NMR分析
對(duì)WGHT進(jìn)行核磁共振波譜掃描,所得的13C-NMR如圖8所示.δ=168 ppm周圍的碳信號(hào),為WGHT結(jié)構(gòu)中C=O中碳(e號(hào)位)的核磁共振波譜信號(hào).δ=145 ppm周圍的碳信號(hào),為苯環(huán)中兩個(gè)連接有酚羥基碳(d號(hào)位)的核磁共振波譜信號(hào).由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,使得兩個(gè)連接酚羥基的碳信號(hào)重疊,從而信號(hào)較強(qiáng).δ=139 ppm周圍的碳信號(hào),為苯環(huán)上一個(gè)連接有酚羥基的碳(c號(hào)位)的核磁共振波譜信號(hào).δ=121 ppm周圍的碳信號(hào),是與羰基相連接的苯環(huán)上碳(b號(hào)位)的核磁共振波譜信號(hào).δ=109 ppm周圍的碳信號(hào),是苯環(huán)上未被取代的兩個(gè)重疊的碳(a號(hào)位)的核磁共振波譜信號(hào).δ=70 ppm周圍的碳信號(hào)為WGHT中葡萄糖羥醛縮合環(huán)(Glycosyl)結(jié)構(gòu)的碳信號(hào).根據(jù)WGHT的13C-NMR核磁掃描結(jié)果可知,WGHT結(jié)構(gòu)中存在連苯三酚結(jié)構(gòu)、酯基結(jié)構(gòu)以及葡萄糖羥醛縮合環(huán)結(jié)構(gòu).因此,結(jié)合FT-IR結(jié)果,證實(shí)WGHT主成分是以沒(méi)食子?;鶠榻Y(jié)構(gòu)單元的水解類單寧.
3 結(jié)論
通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到WGHT的最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)為51%、液料比為50 mL/g、微波處理時(shí)間為161 s、超聲波處理時(shí)間為23 min.最優(yōu)工藝條件下的單寧提取量為18.84 mg/g,與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致.采用微波-超聲波協(xié)同提取法不僅可以縮短提取加工時(shí)間,還提高了WGHT的產(chǎn)率.WGHT的FT-IR和13C-HNM測(cè)試結(jié)果表明,WGHT屬于水解類單寧.本研究為核桃青皮的開(kāi)發(fā)與利用提供了參考和理論支持.
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