超高壓輔助提取山藥皮總酚的工藝優化

鞠健 喬宇 李冬生 程薇 汪超 李娓 范凱

摘要：【目的】優化超高壓輔助提取山藥皮總酚的工藝條件，為山藥皮的開發利用及提高原料利用率提供技術參考。【方法】以山藥皮總酚提取率為考察指標，通過比較水浴提取、超聲波輔助提取、閃式提取和超高壓輔助提取4種方法提取山藥皮總酚的效果，選用超高壓輔助提取法進行工藝優化，在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗考察提取時間、超高壓壓力、乙醇體積分數和料液比對總酚提取率的影響，確定最佳提取工藝條件。【結果】影響超高壓輔助提取山藥皮總酚的因素排序為：提取時間>超高壓壓力>料液比>乙醇體積分數，其最佳提取工藝條件為：在乙醇體積分數50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50的條件下提取4 min，山藥皮總酚平均提取率為0.424%。【結論】優化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率，且提取時間短、工藝條件穩定，是提取山藥皮總酚的有效方法。

關鍵詞： 山藥皮；總酚；超高壓提取；工藝優化

中圖分類號： R284.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）01-0117-05

0 引言

【研究意義】山藥皮富含酚類物質（Chung et al.，2008；Hsu et al.，2011；Yeh et al.，2013），而酚類物質具有清除自由基、抗氧化、抗病毒及抗腫瘤等功效，目前在醫藥、化妝品、農用化學品等領域已得到廣泛應用（Chen et al.，2004；孫榮等，2014）。但日常生活中，人們食用山藥時常將山藥皮丟棄，既污染環境又浪費生物資源。我國作為山藥生產大國，而山藥皮是提取總酚的重要原料之一，因此，研究山藥皮總酚的提取工藝，對有效利用山藥皮具有重要意義。【前人研究進展】目前植物總酚的提取方法較多，主要有水浴提取、閃式提取、超聲波提取和超高壓提取等。其中，以水浴提取應用較廣泛，如李浩等（2014）采用水浴法提取大蒜渣中的多酚物質，結果表明，在乙醇體積分數65%、提取溫度50 ℃、料液比1∶20 g/mL的條件下提取70 min，大蒜渣中總酚的最大提取率為0.69 μg/g，該法能耗少、成本較低，但提取率也較低。劉燦等（2010）采用閃式提取法提取羅漢果中的多酚，結果表明，在液料比25∶1、電壓153 V、提取溫度8.5 ℃的條件下提取3.5 min，羅漢果多酚提取率可達2.73%，此法提取時間短、提取率較高，但對提取條件（容器總裝料系數、待破碎物料粒度）的要求也相對較高。超聲波和超高壓提取法可縮短提取時間，如李臻等（2012）采用超聲波法提取溪黃草總酚，其最佳工藝條件為：在乙醇體積分數60%、料液比1∶10、超聲波功率250 W、提取溫度40 ℃的條件下超聲波提取25 min，多酚提取率為6.81%；嚴隴兵等（2012）采用超高壓提取石榴皮多酚的最佳提取工藝為：提取壓力582.7 MPa、保壓時間2.3 min、料液比1∶41、乙醇體積分數52.8%，在此工藝條件下，多酚提取率可達26%。但超聲波提取法易受超聲波衰減因素的制約形成超聲空白區，從而影響提取效果；而超高壓提取法具有能耗低、提取效率高、操作簡單等優點。【本研究切入點】目前，對山藥的相關研究主要集中在對山藥肉中有效成分的提取及其藥理作用（Fu et al.，2006；Zhang et al.，2011；Park et al.，2013），而針對山藥皮中總酚提取工藝的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以山藥皮為原料、總酚提取率為考察指標，采用正交試驗對山藥皮總酚的提取工藝進行優化，確定最佳的超高壓提取工藝，為山藥皮的開發利用及提高原料利用率提供技術參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

干燥山藥皮購自利川市匯川現代農業有限公司，粉碎后過200目篩，置于干燥皿中備用。沒食子酸、95%乙醇、濃鹽酸、碳酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉及福林酚等試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。主要儀器設備有：LXJ-ⅡB型離心機（上海安亭科學儀器廠）、DF-101S型水浴鍋（武漢科爾儀器設備有限公司）、3802型分光光度計[尼康儀器（上海）有限公司]、PL2001型分析天平[賽多利斯科學儀器（北京）有限公司]、JHBE-50T閃式提取儀（河南金鼎科技發展有限公司）、RE-52型旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）、KQ5200DE型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、HPPL2-600MPa/2L超高壓提取儀（天津華泰森淼生物工程技術股份有限公司）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 標準曲線制作 參考劉碩謙等（2003）的方法，準確量取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mL沒食子酸標準液分別置于5.0 mL比色管中，各加入3.0 mL蒸餾水，搖勻后加入0.25 mL福林試劑，充分搖勻；1 min后，再加入0.75 mL 20%碳酸鈉溶液，搖勻后用蒸餾水定容。混合液于75 ℃水浴10 min后立即冰浴，5000 r/min離心5 min，在760 nm波長下測定吸光值。以沒食子酸質量濃度（μg/mL）為橫坐標、吸光值為縱坐標，建立測定總酚含量的回歸方程y=0.0847x+0.0021（R2= 0.9994）。

1. 2. 2 山藥皮總酚提取方法比較試驗 準確稱取50.0 g山藥皮粉，分別采用水浴提取法、閃式提取法、超聲波輔助提取法和超高壓輔助提取法對山藥皮總酚進行提取，以山藥皮總酚提取率為考察指標，確定最佳提取方法進行后續試驗。其中水浴提取、超聲波提取和超高壓提取根據公式（1）、閃式提取根據公式（2）計算提取率。

總酚提取率（%）=C×V×n/m （1）

總酚提取率（%）=總酚質量/山藥皮質量×100 （2）

式中，C為樣品總酚質量濃度（μg/mL），V為提取液體積（mL），n為稀釋倍數，m為山藥皮質量（g）。

1. 2. 3 粗提物總酚含量測定 取稀釋后待測液0.2 mL置于5.0 mL比色管中，加入3.0 mL蒸餾水，搖勻后加入0.25 mL福林試劑，充分搖勻；1 min后，再加入0.75 mL 20%碳酸鈉溶液，搖勻后用蒸餾水定容。混合液于75 ℃水浴10 min后立即冰浴，5000 r/min離心5 min，于760 nm波長下測定吸光值，計算總酚含量。

1. 2. 4 單因素試驗設計 通過前期對不同提取方法的比較后，采用超高壓輔助提取法設計單因素試驗。分別考察提取時間（2、4、6、8、10 min）、超高壓壓力（100、200、300、400、500 MPa）、乙醇體積分數（30%、40%、50%、60%、70%）、料液比（1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70 g/mL）對山藥皮總酚提取率的影響。

1. 2. 5 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上，每個因素選擇3個較優的水平進行L9（34）正交試驗設計，優化山藥皮總酚提取工藝。正交試驗因素水平見表1。

1. 3 統計分析

采用Origin 8.5軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 山藥皮總酚提取方法比較結果

由圖1可知，采用水浴、閃式、超聲波輔助和超高壓輔助4種提取方法對山藥皮總酚進行提取，以超高壓輔助提取法的提取率最高，為0.354%，其次為超聲波輔助提取法，而水浴提取法的提取率最低。故選擇超高壓輔助提取法進行后續試驗。

2. 2 單因素試驗結果

2. 2. 1 提取時間對山藥皮總酚提取率的影響 在固定超高壓壓力200 MPa、乙醇體積分數40%、料液比1∶40的條件下，當提取時間為2～4 min時，隨著提取時間的延長，山藥皮總酚提取率快速上升，提取時間為4 min時達最大值（0.364%）；之后，隨著提取時間的延長，提取率逐漸下降，但超過8 min后，提取率又緩慢回升。這可能是隨著提取時間的逐漸延長，山藥皮總酚得到充分提取后開始出現緩慢下降，之后由于料液平衡的原因致使提取率又出現暫時的緩慢回升。此外，提取時間為4 min的兩邊有效點分別為2和6 min，以6 min的提取率明顯高于2 min，故選擇提取時間4、5、6 min作為正交試驗的3個水平。

2. 2. 2 超高壓壓力對山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時間4 min、乙醇體積分數40%、料液比1∶40的條件下，隨著超高壓壓力的增大，山藥皮總酚提取率呈先上升后下降最后趨于平穩的變化趨勢；當超高壓壓力為200 MPa時，提取率達最大值。理論上，超高壓壓力越大越有利于提取，但擴散體系達到平衡后，即使再增加超高壓壓力，提取率也不再升高，甚至有所下降。因此，選擇超高壓壓力200、250和300 MPa作為正交試驗的3個水平。

2. 2. 3 乙醇體積分數對山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時間4 min、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶40的條件下，隨著乙醇體積分數的增大，山藥皮總酚提取率整體呈先逐漸上升后快速下降的變化趨勢，乙醇體積分數為60%時達最大值（0.370%）；之后，隨著乙醇體積分數的繼續增加，提取率開始下降，且下降趨勢明顯。因此，乙醇體積分數的選擇需適當，過高或過低均會造成提取率下降，故選擇乙醇體積分數40%、50%和60%作為正交試驗的3個水平。

2. 2. 4 料液比對山藥皮總酚提取率的影響 在固定提取時間4 min、超高壓壓力200 MPa、乙醇體積分數40%的條件下，當料液比在1∶30～1∶50時，山藥皮總酚提取率逐漸升高，料液比為1∶50時，提取率達最大值（0.405%）；隨后繼續增加溶劑用量，提取率反而下降。這是因為隨著溶劑用量的增加，擴散達到平衡后總酚的有效濃度有所降低。因此，從利于生產及節約成本的角度考慮，選擇料液比1∶40、1∶50和1∶60作為正交試驗的3個水平。

2. 3 正交試驗結果

從正交試驗結果（表2）可以看出，4個因素對山藥皮總酚提取率的影響排序為：提取時間（A）>超高壓壓力（C）>料液比（D）>乙醇體積分數（B）；超高壓輔助提取山藥皮總酚的最佳組合為A1B2C1D2，即提取時間4 min、乙醇體積分數50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50。

2. 4 驗證試驗結果

對正交試驗篩選出的最佳提取工藝組合A1B2C1D2進行3次重復驗證試驗，得到山藥皮總酚的平均提取率為0.424%，高于正交試驗中任一組合的提取率，故A1B2C1D2為超高壓提取山藥皮總酚的最佳工藝組合。

3 討論

超高壓提取法是在一定壓力下保持一定時間，使細胞內外壓力達到平衡后快速降壓，細胞內外滲透壓力差驟然增大，使細胞膜內的有效成分轉移到細胞膜外的提取液中，達到快速提取的目的（寧娜和周晶，2008）。本研究采用超高壓輔助提取山藥皮總酚，結果表明，在乙醇體積分數50%、超高壓壓力200 MPa、料液比1∶50的條件下提取4 min，山藥皮總酚提取率為0.424%，較唐麗麗等（2015）采用溶劑回流提取石榴皮總酚的提取時間縮短86 min，較吳平妹等（2015）采用微波提取木瓜總酚的提取率（0.0443%）明顯提高，也比王治寶等（2015）采用超聲輔助提取蒙古口蘑總酚酸所需乙醇體積分數（80%）低，表明采用超高壓輔助提取山藥皮總酚具有提取時間短、效率高、耗能低等優點。

本研究以總酚提取率為考察指標，利用正交試驗對超高壓提取山藥皮總酚的提取條件進行優選，結果表明，提取時間對提取率的影響最大。在單因素試驗中，提取時間4 min時提取率達最大值，但在8 min后提取率又出現小幅上升；由于本研究最大時間設置為10 min，而未對其后續時間作進一步考察，因此有待今后對提取時間進行深入研究，以期篩選出更適合超高壓輔助提取山藥皮總酚的提取時間。

4 結論

優化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率，且提取時間短、工藝條件穩定，是提取山藥皮總酚的有效方法。

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（責任編輯 羅 麗）