響應面法優化新疆紅肉蘋果多糖的超聲輔助提取工藝

齊 娜,楊天歌,孟永宏,鄧 紅,郜 杰,郭玉蓉

(陜西師范大學食品工程與營養科學院,陜西西安 710062)

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響應面法優化新疆紅肉蘋果多糖的超聲輔助提取工藝

齊 娜,楊天歌,孟永宏,鄧 紅,郜 杰,郭玉蓉

(陜西師范大學食品工程與營養科學院,陜西西安 710062)

以新疆紅肉蘋果為原料,采用超聲輔助法提取新疆紅肉蘋果中的多糖物質。通過單因素實驗,考察了提取溫度、提取時間、超聲功率、液料比四個因素對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響;在單因素實驗的基礎上采用響應面法優化了超聲輔助提取多糖的工藝條件。實驗結果顯示,新疆紅肉蘋果多糖的最佳提取參數為:提取溫度65 ℃、提取時間71 min、超聲波功率450 W、液料比為45∶1(mL/g),在該條件下,其多糖的得率最高達到4.53%,與理論預測的4.65%接近;實驗獲得的回歸數學模型能夠準確預測紅肉蘋果多糖的得率。該研究結果可為充分開發利用新疆紅肉蘋果資源提供實驗依據。

紅肉蘋果,多糖,超聲輔助,響應面法,提取工藝

中國是蘋果屬植物的起源中心,新疆野蘋果是第三紀孑遺物種,被認為是栽培蘋果的祖先[1-2]。紅肉蘋果是新疆野蘋果的一個珍貴種質,其花、果皮及果肉均為紅色,因不能鮮食而不為廣大消費者所知,但該蘋果含有大量的花色苷、多酚、類黃酮等生物活性物質,在種質資源的研究和加工利用方面有非常高的潛在利用價值[3-4]。

多糖(polysaccharide)是一類有免疫調節、抗腫瘤、降低膽固醇等多種生物活性的大分子,具有廣闊的應用前景[5-7]。研究證明,不同來源的植物多糖其功能作用也不同。蘋果多糖存在于果皮與果肉組織中,目前科研人員在蘋果多糖的提取研究中做了許多工作[8-10],蘇鈺琦[9]等人采用不同方法從蘋果渣中提取蘋果多糖,優化了工藝參數。竇嬌[11]等人研究了榨前分離蘋果皮中蘋果多糖的超聲波輔助法提取,并對多糖進行了分離純化。

但是,有關蘋果多糖的提取研究幾乎都是針對富士、秦冠等蘋果汁加工副產物蘋果渣所進行的,對于新疆紅肉蘋果多糖的研究還是空白。目前僅見王燕[12]等人研究了新疆紅肉野蘋果‘紫紅1號’發現“其果肉花色苷含量高達228.3 mg·kg-1FW,且總酚和類黃酮含量分別達到2523 mg·kg-1FW和2514 mg·kg-1FW”。對于紅肉蘋果多糖的提取條件、含量、組成成分以及功能活性等是否與已知的蘋果多糖一致等情況均不知,所以有必要進行相關的基礎研究。

此外,超聲波(2×104～109Hz)在植物有效成分的提取中應用廣泛且提取效率高[13-14],響應曲面法[15]可快速有效地確定多因子系統的最佳條件,已經應用于各類實驗條件的優化中。本實驗利用響應曲面法和超聲輔助法探討不同因素對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響,確定最佳提取參數,以獲得一種簡便快捷、經濟高效的提取工藝方法,為后續生物活性功能研究的深入開展打下基礎,也為新疆紅肉蘋果資源的開發利用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新疆紅肉蘋果“紅勛一號”(于2015年9～10月成熟期采摘,0 ℃冷藏備用)產地新疆塔城;乙醇、苯酚、硫酸、葡萄糖等試劑 均為分析純,西安吉祥化學試劑公司。

BS224S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司;SB25-12DTDN型超聲儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;RE-52AA型旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;GZX-9146型數顯鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 多糖的提取、分析與得率計算

1.2.1.1 多糖的提取 參照文獻[16]確定了多糖的提取步驟:將紅肉蘋果破碎得到果渣,低溫烘干果渣后粉碎,過篩。以一定的液料比、在一定的溫度以及一定的超聲功率下提取一定的時間,然后進行抽濾,在55 ℃下旋蒸濃縮。濃縮液用70 mL的95%乙醇進行醇沉,抽濾;分析粗提物多糖含量。最后將多糖粗提物放在50 ℃烘箱中烘干,稱重。

1.2.1.2 新疆紅肉蘋果多糖的含量分析 實驗采用苯酚-硫酸法[17]測定多糖的含量。標準曲線的繪制:配制0.2 mg/mL的標準葡萄糖溶液,分別吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL,以水補至2.0 mL,然后加入6%苯酚水溶液1.0 mL,再迅速加入濃硫酸5.0 mL,顯色后在冷水中冷卻,以蒸餾水代替糖溶液作空白對照,用紫外-可見分光光度法在490 nm的波長處測定吸光值,以吸光值為縱坐標,葡萄糖的濃度為橫坐標,繪制標準曲線。

樣品多糖含量分析:準確稱取50 mg多糖粗提物,定容至50 mL,測定樣品吸光值,根據標準曲線計算多糖含量。

1.2.1.3 多糖得率的計算 新疆紅肉蘋果多糖的得率按照下面的公式進行計算:

多糖得率(%)=[(粗多糖質量×多糖含量)/紅肉蘋果渣質量]×100

1.2.2 新疆紅肉蘋果多糖提取工藝條件研究

1.2.2.1 單因素實驗條件研究 參照文獻[11,18]設計紅肉蘋果多糖提取的單因素實驗條件如下:提取溫度為55、60、65、70、75 ℃(液料比50∶1、提取時間70 min、超聲功率450 W不變);提取時間為10、30、50、70、90 min(液料比50∶1、提取溫度65 ℃、超聲功率450 W不變);超聲功率為300、350、400、450、500 W(液料比50∶1、提取溫度65 ℃、提取時間70 min不變);液料比為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1(mL/g)(超聲功率450 W、提取溫度65 ℃、提取時間70 min不變),以此來研究各因素對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響。

1.2.2.2 響應曲面優化實驗 在1.2.2.1單因素實驗的基礎上,根據響應面Box-Behnken設計原理,選取提取溫度X1、提取時間X2、超聲功率X3及液料比X4共4個對多糖提取影響顯著的因子,以多糖得率為響應值,采用4因子3水平的響應面分析法,得到二次回歸方程,并獲得最佳工藝參數。實驗設計如表1所示。

表1 Box-Behnken響應面設計實驗因子與水平

1.3 數據處理

每個實驗均重復三次,結果以均值±標準差表示。采用設計專家(Design-Expert.V 8.0.6.1)軟件作圖,并用此統計分析軟件對實驗結果進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 葡萄糖標準曲線的繪制

按照1.2.1.2的方法繪制的葡萄糖標準曲線如圖1所示,由該曲線獲得的回歸方程為Y=1.7889X-0.0425,R2=0.9952,以此計算下面所有實驗得到的粗提物中多糖的含量。

圖1 葡萄糖標準曲線Fig.1 Standard curve for glucose

2.2 單因素實驗

2.2.1 提取溫度對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響 由圖2可知,隨著溫度的升高,多糖得率逐漸增大,當達到65 ℃后,多糖得率增加減緩;再繼續升高溫度則多糖得率提高不顯著。但溫度越高,雜質的溶出就越多,還可能會加快多糖的分解。考慮到溫度高對多糖提取純度的不良影響和能耗問題,所以選取65 ℃為最適提取溫度。此結果與李錦運[8]等人的研究趨勢基本一致,考慮到超聲的良好輔助作用及熱效應,本實驗選擇了相對較低的65 ℃以利于多糖的提取。

圖2 提取溫度對紅肉蘋果多糖得率的影響Fig.2 The effect of temperature on the yield of polysaccharide of red flesh apple

2.2.2 提取時間對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響 由圖3可以看出,隨著時間的增加,多糖得率逐漸增大,當達到70 min時,多糖得率最大,隨后逐漸減低。這可能是因為時間延長超聲引起的熱量積聚或機械剪切作用導致多糖的結構變化而損失[19];提取時間過長,會導致多糖分解,雜質溶出。因此超聲時間選擇為70 min 較為合理。此結果與馬文杰[10]等人的研究趨勢基本一致,由于超聲提取具有高效性,所以本實驗提取時間較李錦運[8](5.7 h)、馬文杰(3 h)等人的實驗結果大大縮短。

圖3 提取時間對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響Fig.3 The effect of time on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.3 超聲功率對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響 超聲功率越高,越容易獲得較大的超聲強度,但超聲強度對多糖提取率的影響需要考慮超聲波與介質相互作用的程度和提取物的性質[19-20]。從圖4可以看出,超聲功率在300～450 W時,隨超聲功率的增加,超聲波對細胞壁的破碎作用增強,細胞內多糖溶出速率增加,得率逐漸提高,但功率大于450 W時,隨著超聲功率增大,多糖得率反而降低,可能因為過高的超聲波功率使多糖降解導致新疆紅肉蘋果多糖的破壞從而得率下降。因此,超聲功率選450 W較為合理。

圖4 超聲功率對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic power on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.2.4 液料比對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響 由圖5可以看出,當液料比較小時(20∶1～30∶1),部分多糖不能溶出,得率較低;隨著料液比的增多,液固兩相接觸面增大水溶性物質溶解加快,多糖溶出增加得率逐漸增大;當液料比達到50∶1時,多糖得率最大,隨后逐漸降低。這可能是由于料液比的過大,其他雜質成分的溶出也相對增多。且增大料液比會延長濃縮時間,增加操作費用,考慮到降低能耗和成本等方面,選擇液料比40∶1～50∶1(mL/g)時較為合理。此結果與馬文杰[10]等的實驗結果趨勢基本一致。

圖5 液料比對新疆紅肉蘋果多糖得率的影響Fig.5 The effect of liquid-solid ratio on the yield of polysaccharide from red flesh apple

2.3 響應面法優化多糖的提取工藝

2.3.1 響應面實驗結果 通過響應面實驗設計優化多糖的提取工藝,實驗結果見表2。根據表2的實驗結果進行響應面分析,利用設計專家(Design-Expert 8.0)軟件對表2實驗數據進行二次多項式回歸擬合,得到多糖得率的回歸方程模型如下:

Y=4.64+0.00276X1+0.13X2+0.001X3+0.022X4+0.015X1X2+0.021X1X3+0.088 X1X4-0.001X2X3-0.018X2X4-0.082X3X4-0.35X12-0.45X22-0.29X32-0.37X42

表2 響應面實驗設計與結果

表3 回歸方程系數顯著性檢驗表

注:*為影響顯著(p<0.05);**為影響極顯著(p<0.01)。

根據表3的結果可知,提取時間對多糖得率的影響顯著,其余三個因素不顯著,但四個因素的二次項(X12、X22、X32、X42)均影響極顯著;各因素對響應值的排序為:提取時間(X2)>液料比(X4)>提取溫度(X1)>超聲功率(X3)。通常響應曲面圖(圖6)可以直觀的反應兩因素交互作用對響應值的影響,即如果相應曲面比較陡,說明此時各因素對響應值的影響較為顯著,反之,則各因素對響應值的影響較小。從圖6(a)～(f)中可以看出影響因素兩兩交互作用與響應值的關系,總的影響趨勢基本一樣,交互作用多紅肉蘋果多糖的影響不顯著,這與表3的結果(因素交互作用的p值均大于0.05)相一致。但是圖6中的c、d、e曲面相對來說比較陡一些,說明提取時間與溫度、超聲功率與提取時間、提取時間和液料比的交互作用對新疆紅肉蘋果多糖得率有影響(這可能與提取時間的顯著影響有關),但交互作用影響不顯著(p>0.05);其次是b、a、f圖曲面相對較平緩,說明提取溫度與超聲功率、液料比與提取溫度、超聲功率與液料比的交互作用對多糖得率的影響很小。

圖6 兩因素交互作用對多酚得率影響的響應面圖Fig.6 Response surface plots showing the effects of two factors interaction on the polyphenols yield

2.3.2 最佳條件的確定和回歸模型的驗證 通過響應面分析得到超聲波輔助提取新疆紅肉蘋果多糖最佳工藝條件為:提取溫度65.2 ℃、提取時間71.4 min、超聲功率449.8 W、液料比45.15∶1(mL/g),在此條件下的多糖理論得率為4.65%。

在實際操作中對上述條件稍作調整,最終確定的最佳工藝條件為提取溫度65 ℃、提取時間71 min、超聲功率450 W、液料比為45∶1(mL/g);在修正的條件下,進行3次驗證實驗,得到紅肉蘋果多糖實際的提取率為4.53%,此結果與理論預測的4.65%較為接近。因此,采用RSM 法優化得到的提取條件參數可靠。

3 結論

超聲輔助響應面提取新疆紅肉蘋果多糖的最佳工藝條件為:提取溫度 65 ℃、提取時間71 min、超聲功率 450 W、液料比為45∶1(mL/g);在此條件下實際的多糖得率可達到4.53%。本研究結果為進一步探討紅肉蘋果多糖的生物活性提供實驗基礎,也為新疆紅肉蘋果資源的開發利用和豐富植物多糖種類提供參考。

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Optimization of ultrasonic extraction process of polysaccharide from red flesh apple of XingJiang with response surface method

QI Na,YANG Tian-ge,MENG Yong-hong,DENG Hong*,GAO Jie,GUO Yu-rong

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062,China)

The polysaccharides from red flesh apple was extracted by ultrasonic assisted method using Xinjiang red flesh apple as raw materials. Firstly,the effects of the four main factors(time of operation,liquid ratio,ultrasonic power and temperature)on the yield of polysaccharides in red flesh apple was discussed through single-factor experiments. The extraction technological condition of polysaccharides from red flesh apple was optimized with response surface method after single-factor test. The results showed that the optimal parameter was as follows:the extraction temperature was 65 ℃,time was 71 min,the ultrasonic power was 450 W and liquid-solid ratio was 45∶1(mL/g). Under this condition,the yield of polysaccharide in red flesh apple with ultrasonic extraction was the best of 4.53%,and it is close to the theoretical prediction of 4.65%. The mathematical model obtained in this experiment can accurately predict the yield of polysaccharide in red flesh apple. This results will provide a experimental basis to develop the resources of wild red flesh apple in Xinjiang.

red fiesh apple;polysaccharides;ultrasonic assisted method;response surface;extraction process

2016-05-27

齊娜(1993-),女,碩士,研究方向:食品科學,E-mail:1030841929@qq.com。

*通訊作者:鄧紅(1967-),女,博士,副教授,研究方向:食品工程,E-mail:hongden@snnu.edu.cn。

陜西師范大學中央高校經費項目(GK201405005);農業部蘋果產業技術體系專項(CARS-28)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)20-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.20.000