隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化法對新疆雪菊中黃酮和多酚提取工藝的研究

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(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化法對新疆雪菊中黃酮和多酚提取工藝的研究

蔣莉,祁英,劉玉梅*

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

采用隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化設(shè)計研究了新疆雪菊中黃酮和多酚類化合物的亞臨界水提取工藝。實驗結(jié)果表明,亞臨界水可有效地提取雪菊中的黃酮和多酚類物質(zhì),通過對提取溫度、料液比和提取時間三個因素的的優(yōu)化和驗證,獲得了亞臨界水的最佳提取工藝條件為:提取溫度160～170℃、料液比0.04、提取時間47min。在該條件下,雪菊黃酮和多酚總含量達(dá)到了25.85%以上,其中,總黃酮的含量大于15.81%,總多酚的含量大于10.04%。隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化法可以不進(jìn)行單因素實驗直接優(yōu)化實驗參數(shù),具有優(yōu)化過程簡單,實驗次數(shù)少、廣泛的適應(yīng)性等特點,而亞臨界水同時提取多酚和黃酮的工藝完全避免有機(jī)溶劑和酸的使用,是高效、無毒、環(huán)保的綠色提取技術(shù)。

雪菊,隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化,亞臨界水,黃酮,多酚

雪菊,學(xué)名兩色金雞菊(CoreopsistinctoriaNutt.),菊科金雞菊屬一年生草本植物,原產(chǎn)于北美地區(qū),目前世界各地均有分布[1]。新疆雪菊,又稱 “血菊”、“昆侖雪菊”等,指生長于新疆和田昆侖山海拔3000米雪線以上采摘的雪菊,因氣味清香,色澤明艷,當(dāng)?shù)鼐用褚云洚?dāng)花茶飲用,維吾爾醫(yī)也用作清熱解毒、活血化瘀、和胃健脾的藥材使用,用于治療燥熱煩渴、高血壓、心慌、胃腸不適、食欲不振、痢疾及瘡癤腫毒[2]等,常飲雪菊茶尤以降血壓效果最為明顯。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,雪菊具有細(xì)胞保護(hù)[3]、降血脂[4]、降血壓降血糖[5-7]及增強(qiáng)血液循環(huán)[8-9]等作用。

亞臨界水(也稱高壓水)是指溫度在100～374℃之間,壓力在0～22.1MPa之間仍保持液體狀態(tài)的水,亞臨界水的介電常數(shù)和極性隨溫度和壓力的增加均逐漸下降,且變化敏感,具有了類似酸催化劑的性質(zhì)[11],由此可控制條件而用于弱極性、中等極性及極性較大化合物的提取[10],如用于黃酮和多酚類、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素水解反應(yīng)的研究報道[12-14],優(yōu)點在于摒棄了使用強(qiáng)酸。隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化程序(random-centroid optimization program,簡稱RCO)是由加拿大哥倫比亞大學(xué)食品科學(xué)系教授Dr. Nakai于1981年設(shè)計的[15],并在隨后使用的過程中不斷的被學(xué)者改進(jìn)[16-17]。本研究采用隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化法研究新疆雪菊中黃酮和多酚類的亞臨界水提取工藝,旨在開發(fā)一種新的環(huán)境友好的高效提取技術(shù),為新疆雪菊的深度開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

新疆雪菊 產(chǎn)自和田地區(qū),經(jīng)超臨界二氧化碳萃取脫脂后的萃余物粉末；乙醇、福林酚、NaNO2、Al(NO3)3、NaOH、Na2CO3等均為分析純 購自試劑公司。

1.2儀器與設(shè)備

UV-5300PC型紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；BS210S型電子天平 德國賽多利,感量:0.1mg,稱量范圍0～210g；DHG-9075A型電熱恒溫箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司,溫度范圍:室溫～300℃。

1.3實驗方法

1.3.1 隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化程序(RCO)對提取因素的優(yōu)化 選擇提取溫度、提取時間和料液比三個因素,采用RCO進(jìn)行實驗方案的設(shè)計和優(yōu)化確定最佳的工藝條件,RCO程序操作基本流程如圖1。具體實驗操作如下:根據(jù)選擇的實驗條件,準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量的實驗原料(精確到0.1mg)于10mL高壓反應(yīng)釜中,分別加入5mL蒸餾水,待原料完全浸潤后密閉反應(yīng)釜,置于預(yù)熱到設(shè)定溫度的電熱恒溫箱中提取,達(dá)到提取時間后,將反應(yīng)釜取出迅速冷卻至室溫,過濾,準(zhǔn)確移取1mL濾液定容到10mL容量瓶中得到待測樣品溶液。

圖1 RCO程序操作的基本流程圖Fig.1 The basic flowcharts of RCO

1.3.2 總黃酮含量的測定 采用三氯化鋁比色法測定[18],以105℃預(yù)先烘至恒重的蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)定量。移取1mL樣品溶液或標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度分別為0.2552、0.5104、0.7656、1.0208、1.2760、1.5312、2.0416mg/mL)于25mL容量瓶中,依次加入9 mL 30%乙醇和1mL 5%的NaNO2后,混勻,放置60min；加入1mL 10%的Al(NO3)3,混勻,放置6min；再加入10mL 1 mol/L的NaOH,用蒸餾水定容至刻度,混勻后放置15min；在510nm下測定溶液的吸光度,以30%的乙醇溶液做參比。根據(jù)A510-蘆丁濃度制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算雪菊提取液中總黃酮的含量。

總黃酮的含量(%)=[(測定樣品濃度/mg/mL×提取液體積/mL)/(樣品質(zhì)量/g×1000)]×100

1.3.3 總多酚含量的測定 采用沒食子酸比色法測定[18],以105℃預(yù)先烘至恒重的沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)定量。移取1mL樣品溶液或沒食子酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度分別為8.8、17.6、35.2、70.4、88.0、105.6μg/mL)于10mL容量瓶中,依次加入1mL蒸餾水、0.5mL福林-酚試劑、1.5mL質(zhì)量濃度為20%的Na2CO3溶液,用蒸餾水定容后,放置2h后在760 nm下測定吸光值,根據(jù)A760-沒食子酸濃度制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算雪菊提取液中總多酚的含量。

總多酚含量(%)=[(測定樣品濃度/(g/mL×提取液體積/mL)/樣品質(zhì)量/g×1000]×100

1.4數(shù)據(jù)處理

每組實驗的測定次數(shù)均≥3,實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel來處理,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(means±standard deviation)來表示。

2 結(jié)果與討論

2.1隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化條件的設(shè)計

對提取工藝的優(yōu)化設(shè)計方法多數(shù)采用響應(yīng)面設(shè)計或正交實驗設(shè)計,這兩種實驗設(shè)計方法均需要先進(jìn)行單因素實驗,確定各個因素的范圍后再通過正交或響應(yīng)面設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,最終確定最佳的工藝條件,如果實驗的因素比較多,則需要進(jìn)行多次的單因素實驗。由于黃酮和多酚的極性比較大[19],常用的提取黃酮和多酚類化合物的溶劑是不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇或乙醇的水溶液,也有采用丙酮水溶液提取的,單獨使用水提取效果不佳。亞臨界水作為提取溶劑,克服了常壓下水的極性較強(qiáng),提取物中雜質(zhì)過多不易分離的缺點,同時由于亞臨界狀態(tài)下水的偶極矩減小、極性下降,對一些中等或弱極性物質(zhì)的溶解能力增強(qiáng),特別是亞臨界水的離子強(qiáng)度會隨溫度發(fā)生變化,在反應(yīng)中具有了酸催化的作用,對黃酮的提取,特別是對pH比較敏感的多酚類化合物的提取優(yōu)勢明顯。

由于亞臨界水提取的提取溫度是關(guān)鍵因素,而當(dāng)提取溫度相對較高時,提取時間恰當(dāng)與否對提取物的活性和穩(wěn)定性均會產(chǎn)生一定的影響。為了充分考察提取溫度和相應(yīng)的提取時間之間的關(guān)系,本實驗采用隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化程序(RCO)來完成。RCO程序主要特點是可以進(jìn)行多次循環(huán)過程,其中每一個循環(huán)系統(tǒng)又包含兩個步驟:隨機(jī)搜索步驟和質(zhì)心校驗步驟,在實驗過程中無需單因素實驗即可對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,對具有多種因素的實驗方案的優(yōu)化較為實用。在第一輪設(shè)計時選擇了較寬的溫度和提取時間的上下限范圍,同時對料液比進(jìn)行了優(yōu)化。各因子水平的設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化設(shè)計待優(yōu)化因子的上下限范圍Table 1 Range of optimization factors for RCO

輸入各因子的范圍后,隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化軟件設(shè)計出相應(yīng)的實驗方案,依據(jù)RCO設(shè)計出的隨機(jī)實驗點,完成第一輪實驗。實驗結(jié)果以提取液中總黃酮和總多酚的總和來評價。第一輪循環(huán)的實驗條件及測定結(jié)果見表2。

對第一輪的實驗結(jié)果采用RCO軟件進(jìn)行優(yōu)化條件映射,結(jié)果見圖2。

圖2 第一輪優(yōu)化條件映射圖Fig.2 Mapping results of drawn by RCO in the first round注:縱坐標(biāo)為總多酚含量和總黃酮含量的加和,圖3同。

圖中箭頭所指為每個因素的最佳映射條件值,由圖2可知,提取雪菊中黃酮多酚類化合物的最佳提取工藝條件為:提取時間49min、提取溫度194℃、料液比0.03,但是箭頭所指方向并不是很明確,映射結(jié)果較分散,所以尚需根據(jù)第一輪實驗的結(jié)果,確定第二輪實驗中各個因子的上下限范圍(見表1)。在RCO程序中輸入各因子的范圍后,運行程序獲得第二輪實驗方案。第二輪實驗條件和實驗結(jié)果見表3。

表3數(shù)據(jù)表明,第二輪循環(huán)的各個實驗條件下,提取液多酚和黃酮類化合物的含量明顯的要高于第一輪實驗結(jié)果,證明隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化程序?qū)ρ┚罩械狞S酮和多酚類化合物的提取工藝進(jìn)行了一定的優(yōu)化。對第二輪的實驗結(jié)果采用RCO軟件進(jìn)行優(yōu)化條件映射,結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出,圖中箭頭所指方向明確,優(yōu)化得到的雪菊中總黃酮和總多酚提取的最佳工藝條件為:提取時間47min、提取溫度170℃、料液比0.04；此結(jié)果與第二輪質(zhì)心搜索的最佳提取條件(實驗8)是一致的。

2.2驗證實驗

由表3數(shù)據(jù)可知,在優(yōu)化的實驗條件下,總多酚的含量最高,而總黃酮的含量在3號和7號實驗中均高于8號實驗。由于前兩個實驗所采用的提取溫度分別為162℃和163℃,為了進(jìn)一步確定實驗結(jié)果,又通過對比2組不同溫度下的實驗對上述優(yōu)化工藝進(jìn)行了驗證,結(jié)果見表4。

表3 第二輪隨機(jī)實驗方案及實驗結(jié)果Table 3 The proposed factor values given by RCO in the second round

表4 驗證實驗結(jié)果Table 4 The better factor values given by RCO

由表4的數(shù)據(jù)可以看出,在料液比和提取時間不變的條件下,溫度選擇160℃和170℃,所得雪菊提取液中總黃酮的含量接近,總多酚含量160℃條件下略低。考慮到提取過程時的溫度控制的精度等因素,最終確定亞臨界水提取雪菊總黃酮和總多酚的優(yōu)化工藝條件為:提取溫度160～170℃、料液比0.04、提取時間47 min。

3 結(jié)論

亞臨界水作為一種對環(huán)境友好的新興技術(shù),越來越受到研究人員的關(guān)注。本文采用隨機(jī)質(zhì)心優(yōu)化程序(RCO)優(yōu)化了亞臨界水提取新疆雪菊中的黃酮和多酚類化合物的工藝條件,優(yōu)化過程簡單,實驗次數(shù)少等特點,結(jié)果經(jīng)驗證準(zhǔn)確可靠。該工藝應(yīng)用于雪菊黃酮和多酚的提取,可以避免產(chǎn)品中的有機(jī)溶劑殘留,后處理簡單。

圖3 第二輪優(yōu)化條件映射圖Fig.3 Mapping results of drawn by RCO in the second round

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Study on extraction technology of flavonoids and polyphenols fromCoreopsistinctoriaNutt. by using Random Centroid Optimization

JIANGLi,QIYing,LIUYu-mei*

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urmuqi 830046,China)

Random-Centroid Optimization(RCO)methodology was used to optimize the extraction technology of flavonoids and polyphenols from theCoreopsistinctoriaNutt. grow in xinjiang. The results showed that Subcritical Water Extraction was a effective methods for flavonoids and polyphenols. By comparing the extraction temperature,solid-liquid ratio and extraction time,the optimum extraction process of flavonoids and polyphenols from theCoreopsistinctoriaNutt. has been established as follows:extraction temperature 160～170℃,solid-liquid ratioratio 0.04,extraction time 47min. In this condition,the total yields of flavonoids and polyphenols was more than 25.85%,and among them the flavonoids was more than 15.81%,the polyphenols was more than 10.04%. Parameter optimization can be carried out directly without single test by using Random-Centroid Optimization methodology,which has the advantages of simplicity,fewer experiments and flexibility. Meanwhile flavonoids and polyphenols can be extracted simultaneously with subcritical water,which is organic solvent-free and acid-free. That is a green extract technology with high-efficiency,non toxic and environmental-friendly.

CoreopsistinctoriaNutt.;random-centroid optimization;subcritical water;flavonoids;polyphenols

2014-02-10 *通訊聯(lián)系人

蔣莉(1992-)，女，本科，研究方向：化學(xué)專業(yè)。

新疆大學(xué)本科生科研實踐訓(xùn)練項目(XJU-SRT-13034)。

TS255.1

B

1002-0306(2014)17-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2014.17.001