超聲波輔助酶法提取黑莓酒渣中花色苷工藝優(yōu)化及其生物活性

李亞輝，馬艷弘*，黃開紅，張宏志

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014）

超聲波輔助酶法提取黑莓酒渣中花色苷工藝優(yōu)化及其生物活性

李亞輝，馬艷弘*，黃開紅，張宏志

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014）

利用響應(yīng)面法對(duì)超聲波輔助果膠酶提取黑莓酒渣中花色苷的條件進(jìn)行了優(yōu)化，并通過測(cè)定所提花色苷的抗氧化能力和對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響，評(píng)價(jià)其生物活性。結(jié)果顯示，當(dāng)料液比1∶15（g/mL）、超聲波功率300 W、pH 4.5時(shí)，最佳提取條件為加酶量0.30%、提取溫度48 ℃、提取時(shí)間20 min，此條件下花色苷提取量為4.70 mg/g，比酸化乙醇法提高了14.08%；所提花色苷具有一定的抗豬油氧化能力、羥自由基清除能力和較強(qiáng)的1′1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除能力，并可有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。

黑莓酒渣；花色苷；超聲波；果膠酶；生物活性

黑莓又名覆盆子，是新興的第三代水果。黑莓商業(yè)化栽培始于歐洲和北美，于1986年由江蘇省中科院植物研究所首次引入中國(guó)[1-2]。目前我國(guó)黑莓種植面積約占世界種植面積的1/5，其中江蘇省黑莓種植面積約占我國(guó)種植面積的80%[1′3]。黑莓具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，尤其花色苷含量豐富[4-6]，其具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗癌、降血糖、降血壓、保護(hù)血管和減緩衰老等多種功效[5′7-12]。

新鮮黑莓保質(zhì)期短、不易儲(chǔ)存，因此對(duì)其進(jìn)行深加工是黑莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。黑莓果酒最大限度的保留了其營(yíng)養(yǎng)和生物活性物質(zhì)，是黑莓深加工的重要途徑之一。酒渣是果酒釀造中重要的副產(chǎn)物，直接排放不僅污染環(huán)境，而且造成資源浪費(fèi)。黑莓酒渣中含有大量的花色苷，和其目前被用作肥料或動(dòng)物飼料相比，從中提取花色苷可大大提高其應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，關(guān)于漿果類花色苷的提取國(guó)內(nèi)外已有較多報(bào)道，提取方法主要為有機(jī)溶劑萃取法，除此之外還有超臨界CO2萃取法、酶法、發(fā)酵法、微波輔助和超聲波輔助法等[13-17]。花色苷存在于植物細(xì)胞液中，被細(xì)胞壁和細(xì)胞膜包裹難于溶出[13]。超聲波的機(jī)械作用可破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，加速內(nèi)容物的溶出；果膠酶可破壞植物細(xì)胞壁，提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性，也可加速花色苷的溶出[18-19]。目前，關(guān)于黑莓果實(shí)花色苷的提取及活性研究雖已有報(bào)道[4′8-11]，但對(duì)于黑莓酒釀造中副產(chǎn)物黑莓酒渣中花色苷的研究還鮮有報(bào)道。因此，本實(shí)驗(yàn)利用超聲波輔助果膠酶法提取黑莓酒渣中花色苷，通過響應(yīng)面優(yōu)化其提取條件，并對(duì)所提花色苷的抗氧化性和抑菌活性進(jìn)行初步研究。這對(duì)黑莓資源的綜合利用和黑莓產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑莓酒渣由句容萬山紅遍生物科技有限公司提供。

果膠酶（5萬 U/g） 無錫明輝國(guó)際貿(mào)易有限公司化工分公司；豬油 南京某菜市場(chǎng)；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌 實(shí)驗(yàn)室保存；VC、硫酸亞鐵、水楊酸、過氧化氫 天津科密歐試劑公司；其他試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-2500E型超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)儀器有限公司；UV-3802H紫外-可見分光光度儀 上海尤尼柯儀器有限公司；真空冷凍干燥機(jī) 上海比朗儀器制造有限公司；R-120型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 瑞士Büchi公司；pH酸度計(jì) 梅特勒-托利多公司；DHG-9070電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司；培養(yǎng)箱、超凈工作臺(tái) 蘇州蘇凈凈化設(shè)備廠。

1.3 方法

1.3.1 黑莓酒渣前處理

取新壓榨分離的黑莓酒渣，用鼓風(fēng)干燥箱40 ℃烘12～15 h。將烘干的酒渣放入粉碎機(jī)粉碎并用200 目篩網(wǎng)過濾，然后置于棕色瓶?jī)?nèi)在4 ℃條件下密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 黑莓酒渣花色苷的提取

超聲波輔助果膠酶法提取：將黑莓酒渣干粉按一定料液比加入到蒸餾水中，復(fù)水30 min，調(diào)節(jié)pH值，加入果膠酶0.30%（m/m），超聲輔助提取，獲得花色苷提取液。將提取液抽濾后在40 ℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至體積約10～15 mL，然后—80 ℃冷凍24 h，最后冷凍干燥即得花色苷粗提物干品。

酸化乙醇法提取：參照王秀菊等[20]優(yōu)化的藍(lán)莓酒渣中花色苷的提取條件進(jìn)行提取。以含1% HCl的70%乙醇溶液為提取溶劑，其他條件為料液比1∶25（g/mL）、提取溫度70 ℃、提取時(shí)間60 min。

1.3.3 花色苷含量的測(cè)定

參照宋德群等[21]報(bào)道的pH示差法測(cè)定提取花色苷的含量。計(jì)算公式為：

式中：ρ為花色苷提取量/（mg/g）；A0、A1分別為pH 1.0、pH 4.5時(shí)花色苷在520 nm波長(zhǎng)處的吸光度；V為提取液總體積/mL；n為稀釋倍數(shù)；M為矢車菊色素-3-葡萄糖苷的相對(duì)分子質(zhì)量，449；ε為矢車菊色素-3-葡萄糖苷的消光系數(shù)，29 600；m為樣品質(zhì)量/g。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

按照1.3.2節(jié)所述超聲波輔助果膠酶法，分別研究在料液比1∶10、超聲波功率400 W、pH4.0、加酶量0.2%、提取溫度50 ℃和提取時(shí)間40 min條件下，改變單一因素對(duì)花色苷提取量的影響，單因素試驗(yàn)水平如下：料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL），超聲波功率100、200、300、400、500 W，pH 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，加酶量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，提取溫度30、40、50、60、70℃，提取時(shí)間10、20、30、40、50 min。每個(gè)單因素試驗(yàn)平行重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，選擇料液比1∶15（g/mL）、超聲波功率300 W、pH 4.5，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以加酶量、提取溫度和提取時(shí)間3 個(gè)因素為自變量，進(jìn)行響應(yīng)面分析，以—1、0、1分別代表自變量的低、中、高3 個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table1 Factors and levels used in response surface methodology

1.3.6 黑莓酒渣花色苷的抗氧化性分析

1.3.6.1 抗油脂氧化能力測(cè)定

參照李穎暢等[22]所述方法，稱取黑莓酒渣花色苷粗提物，按0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%添加量加入到50 g豬油中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，空白組不加花色苷粗提物，陽性對(duì)照組加相同質(zhì)量濃度的VC，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.3.6.2 1′1-二苯基-2-三硝基苯肼（1′1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力測(cè)定

參照Atoui等[23]所述方法，分別取1 mL質(zhì)量濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL的黑莓酒渣花色苷溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，空白組用水代替樣品，對(duì)照組用同等質(zhì)量濃度的VC代替，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.3.6.3 羥自由基清除能力測(cè)定

山東紅日化工股份有限公司通過開展質(zhì)量宣傳、業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)、“我為質(zhì)量提建議”、市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)比武、管理體系內(nèi)審等活動(dòng)，增強(qiáng)全員的質(zhì)量意識(shí)，以進(jìn)一步提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量及整體質(zhì)量管理水平。圖為該公司分析工技術(shù)比武現(xiàn)場(chǎng)。

參照李穎暢等[24]所述方法，分別取1 mL質(zhì)量濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL的黑莓酒渣花色苷溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，空白組用水代替樣品，對(duì)照組用同等質(zhì)量濃度的VC代替，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.3.7 黑莓酒渣花色苷的抑菌活性分析

參照韓永斌等[25]所述方法，將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)中期，按5%接種量分別接種于100 mL LB液體培養(yǎng)基中，對(duì)照組中不添加花色苷，實(shí)驗(yàn)組添加不同量花色苷，使其終質(zhì)量濃度分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mg/mL。37 ℃培養(yǎng)，24 h后取樣在600 nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度（A）。每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0和Design-Expert V8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

表2 料液比對(duì)花色苷提取量的影響Table2 Effects of solid/liquid ratio on the extraction yield of anthocyanins

如表2所示，隨著溶劑用量的增加，花色苷提取量逐漸升高，當(dāng)料液比為1∶25、1∶20和1∶15時(shí)，花色苷提取量無顯著差異，因此選擇1∶15為最佳料液比。

表3 超聲波功率對(duì)花色苷提取量的影響Table3 Effects of ultrasonic power on the extraction yield of anthocyanins

如表3所示，隨著超聲波功率的增加，花色苷提取量逐漸增加，當(dāng)功率為300、400、500 W時(shí)，花色苷提取量無顯著差異，因此選擇300 W為最佳提取功率。

表4 pH值對(duì)花色苷提取量的影響Table4 Effects of pH on the extraction yield of anthocyanins

如表4所示，當(dāng)提取液pH值小于4.5時(shí)，花色苷提取量隨pH值的升高逐漸升高，pH 5.0時(shí)，花色苷提取量開始降低，因此選擇pH 4.5為提取液最佳pH值。

表5 加酶量對(duì)花色苷提取量的影響Table5 Effects of enzyme dosage on the extraction yield of anthocyanins

如表5所示，隨著加酶量的增大，花色苷提取量逐漸增大，但當(dāng)加酶量大于0.3%時(shí)花色苷提取量沒有顯著差異，所以選擇最佳加酶量為0.3%。

表6 提取溫度對(duì)花色苷提取量的影響Table6 Effects of extraction temperature on the extraction yield of anthocyanniinnss

如表6所示，50 ℃時(shí)提取量最高，選為最佳提取溫度；60、70 ℃時(shí)提取量降低可能是因?yàn)楦邷厥姑缸冃裕浠盍ο陆翟斐傻摹?/p>

表7 提取時(shí)間對(duì)花色苷提取量的影響Table7 Effects of extraction time on the extraction yield of anthocyanins

如表7所示，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，花色苷提取量逐漸增大，當(dāng)提取時(shí)間大于30 min時(shí)提取量沒有顯著差異，所以選擇30 min為最佳提取時(shí)間。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 回歸模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

表8 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table8 Design and results of response surface methodology

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及其預(yù)測(cè)值如表8所示（3 次重復(fù)）。對(duì)表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得花色苷提取量對(duì)自變量的二次多項(xiàng)回歸模擬方程如下：

Y=14.437X1＋0.140X2—1.625×10—3X3—0.018X1X2＋4.129×10—16X1X3—7.500×10—5X2X3—23.000X12—1.375×10—3X22＋5.000×10—5X3

2—0.603

式中：Y表示花色苷提取量；X1、X2、X3分別為加酶量、提取溫度和提取時(shí)間的編碼值。利用該方程所得預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值較為接近，說明該方程合理、擬合度高。

表9 回歸模型方差分析Table9 ANOVA of response surface modelmodel

如表9所示，提取溫度（X2）對(duì)花色苷提取量影響顯著（P＜0.05），加酶量二次項(xiàng)（X12）和提取溫度二次項(xiàng)（X22）對(duì)花色苷提取量影響極顯著（P＜0.01），說明提取溫度對(duì)花色苷提取量具有較大影響，加酶量對(duì)其有一定影響，而提取時(shí)間對(duì)其影響較小。所得模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（0.729 3），且表8中預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值較接近，說明該回歸模型合理，可很好解釋響應(yīng)值。

2.2.2 響應(yīng)面分析及優(yōu)化

圖1 加酶量和提取溫度對(duì)黑莓酒渣花色苷提取量影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot showing the effects of enzyme amount and extraction temperature on the yield of anthocyanins extracted from blackberry wine pomace

圖2 加酶量和提取時(shí)間對(duì)黑莓酒渣花色苷提取量影響的響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface plot showing the effects of enzyme amount andextraction time on the yieldo f anthocyanins extracted from blackberry wine pomace

圖3 提取溫度和提取時(shí)間對(duì)黑莓酒渣花色苷提取量影響的響應(yīng)面圖Fig.3 Response Surface plot showing the effects of extraction temperature and time on the yield of anthocyanins extracted from blackberry wine pomace

由圖1～3可看出，任何兩個(gè)交互因素的響應(yīng)面都存在最高點(diǎn)，加酶量和提取溫度對(duì)花色苷提取量的影響較大，而提取時(shí)間對(duì)其影響較小。通過Design-Expert V8.0軟件分析得到黑莓酒渣中花色苷的最佳提取條件為加酶量0.30%、提取溫度48.39 ℃、提取時(shí)間20 min，在此提取條件下黑莓酒渣中花色苷提取量的預(yù)測(cè)值為4.86 mg/g。為了驗(yàn)證該響應(yīng)面結(jié)果的可行性，對(duì)所得最佳條件進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在加酶量、提取溫度和提取時(shí)間分別為0.30%、48 ℃和20 min條件下進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)，所得花色苷提取量平均值為4.70 mg/g，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.07 mg/g，說明該條件下試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定；與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為3.29%，說明該響應(yīng)面結(jié)果可靠。

2.3 超聲波輔助果膠酶法與酸化乙醇法的比較

利用優(yōu)化的超聲波輔助果膠酶法提取黑莓酒渣中花色苷提取量為（4.70±0.11） mg/g，與常用的酸化乙醇法所得提取量（4.12±0.06） mg/g相比提高了14.08%。這可能是因?yàn)榛ㄉ沾嬖谟诤谳ぴ?xì)胞內(nèi)部的液泡中，果膠酶酶解掉黑莓細(xì)胞壁中的果膠，促使細(xì)胞破裂；另外，超聲波的空化效應(yīng)和振動(dòng)作用，也促使黑莓細(xì)胞破裂；同時(shí)，超聲波還有助于果膠酶與細(xì)胞壁中果膠充分結(jié)合和作用[18-19]。因此在果膠酶和超聲波的雙重作用，大大加速了黑莓細(xì)胞壁的溶解和細(xì)胞的破裂，從而促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)部花色苷的溶出。

2.4 黑莓酒渣中花色苷的抗氧化性分析

圖4A顯示的是花色苷的抗豬油氧化能力測(cè)定結(jié)果，隨著花色苷添加量的增加，其抗豬油氧化的能力逐漸增強(qiáng)；添加量為0%～0.8%時(shí)，隨著添加量的增加，其抗氧化能力增加較快，添加量大于0.8%時(shí)其對(duì)豬油的抗氧化能力達(dá)到最大；和VC相比，其抗豬油氧化能力略小于同等添加量條件下VC。圖4B、4C分別顯示的是提取花色苷的羥自由基清除能力和DPPH自由基清除能力測(cè)定結(jié)果。隨著花色苷質(zhì)量濃度的增加，其羥自由基清除能力和DPPH自由基清除能力均逐漸增強(qiáng)；花色苷質(zhì)量濃度在0～0.4 mg/mL時(shí)，隨著質(zhì)量濃度的增加，其羥自由基和DPPH自由基清除能力增加較快，質(zhì)量濃度大于0.4 mg/mL時(shí)兩清除率均達(dá)70%以上；和同質(zhì)量濃度的VC相比其羥自由基清除率略小，而其DPPH自由基清除率略大。這些結(jié)果說明黑莓酒渣中花色苷具有一定的抗豬油氧化能力、羥自由基清除能力和較強(qiáng)的DPPH自由基清除能力。

圖4 黑莓酒渣中花色苷的抗氧化性Fig.4 Anti-oxidant activity of anthocyanins extracted from blackberry wine pomace

2.5 黑莓酒渣中花色苷的抑菌活性分析

圖5 黑莓酒渣花色苷對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)的抑制作用Fig.5 Inhibitory effects of anthocyanins from blackberry wine pomace on growth of E. coli and Staph. aureus

由圖5可知，接種于LB液體培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h后，隨著培養(yǎng)基中花色苷質(zhì)量濃度的增加，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的A600nm值均逐漸減小，在0～1.2 mg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)金黃色葡萄球菌的A600nm值下降更為明顯；金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在花色苷質(zhì)量濃度分別大于1.2 mg/mL和1.6 mg/mL時(shí)，A600nm值接近于0（說明其沒有生長(zhǎng)）。這些結(jié)果說明了黑莓酒渣中花色苷對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑制作用；對(duì)金黃色葡萄球菌的最低抑制質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL，對(duì)大腸桿菌的最低抑制質(zhì)量濃度為1.6 mg/mL；在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用要明顯于對(duì)大腸桿菌的抑制作用。

3 結(jié) 論

響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助果膠酶法提取黑莓酒渣中花色苷得：當(dāng)料液比1∶15（g/mL）、超聲波功率300 W、pH 4.5時(shí)，最佳提取條件為果膠酶添加量0.30%、提取溫度48 ℃、提取時(shí)間20 min，此條件下花色苷提取量為4.70 mg/g，和常用的酸化乙醇法相比提高了14.08%。所提花色苷具有一定的抗豬油氧化能力、羥自由基清除能力和較強(qiáng)的DPPH自由基清除能力，并可有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。此研究對(duì)提高黑莓釀酒副產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和促進(jìn)黑莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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Ultrasonic-Assisted Enzymatic Extraction and Bioactivity Assessment of Anthocyanins from Blackberry Wine Pomace

LI Yahui MA Yanhong*′HUANG Kaihong ZHANG Hongzhi
(Institute of Farm Product Processing Jiangsu Academy of Agricultural Sciences Nanjing 210014′China)

This study was focused on applying response surface methodology to optimize the ultrasonic-assisted enzymatic hydrolysis of blackberry wine pomace using pectinase for anthocyanins extraction The bioactivity of the extracted anthocyanins was also evaluated with respect to antioxidant and antibacterial activities Results showed that the optimum extraction conditions were determined as follows enzyme dosage′0.30%; extraction temperature′48 ℃; extraction time′20 min solid-to-liquid ratio′1:15 (g/mL); ultrasonic power′300 W and pH′4.5. Under these conditions the anthocyanins yield was 4.70 mg/g which was improved by 14.08% compared to that obtained by acidified ethanol extraction The anthocyanins extracted from blackberry wine pomace exhibited a good antioxidant activity by inhibiting lard oxidation and scavenging 1′1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH and hydroxyl radicals and exerted potent inhibition on E. coli and Staph. aureus.

blackberry wine pomace anthocyanins ultrasonic pectinase biological activity

S567.2

A

1002-6630（2015）06-0063-06

10.7506/spkx1002-6630-201506012

2014-08-14

江蘇省博士后基金項(xiàng)目（1302057B）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012786）

李亞輝（1985—），男，助理研究員，博士，主要從事食品生物技術(shù)研究。E-mail：liqianhao217@126.com

*通信作者：馬艷弘（1972—），女，副研究員，博士，主要從事食品功能因子開發(fā)利用研究。E-mail：ma_yhhyy@126.com