牛蒡多酚提取護色和提取工藝條件的優化研究

任媛媛,高曉光,祁 琪,劉殿武

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018；2.河北醫科大學公共衛生學院，河北石家莊 050017)

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牛蒡多酚提取護色和提取工藝條件的優化研究

任媛媛1，2,高曉光1,祁 琪1,劉殿武2

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018；2.河北醫科大學公共衛生學院，河北石家莊 050017)

主要研究了牛蒡預處理中的護色處理及提取時間、乙醇濃度、溫度、料液比等對牛蒡多酚得率的影響,并采用正交實驗設計對牛蒡多酚的提取工藝進行了優化。研究結果表明,濃度為0.75% VC的護色可提高牛蒡多酚的得率。牛蒡多酚類物質提取的最佳條件為:料液比為1∶9、水浴溫度為75 ℃、水浴時間為65 min、乙醇濃度為65%。在此條件下可以得到較理想的提取效果,最大得率為7.12%。

牛蒡,多酚類物質,提取技術

牛蒡(ArctiumlappaL.)屬菊科牛蒡屬,為二年生草本植物,《本草綱目》中記載“牛蒡性溫、味甘無毒,通十二經脈、除五臟惡氣,久服輕身耐老”[1]?，F代醫學認為,牛蒡具有利尿、消積、祛痰、止泄等作用,其纖維可治療便秘,降低體內膽固醇[2]。新鮮牛蒡富含多種多酚類物質,如綠原酸、異綠原酸、咖啡酸、槲皮素等[3-5]?，F有研究表明,牛蒡多酚對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等具有抑菌效果[6],對于幽門螺桿菌引發的胃潰瘍有輔助治療作用[7-8],并具有抗氧化清除自由基的生理功能[9-11],還能夠降低血脂、減肥[12]。

在牛蒡的預處理過程中,極易發生酶促褐變[13-14],多酚類物質會因被氧化而減少,而護色處理是一種有效抑制多酚類物質氧化的方法。本研究主要探討了護色處理對牛蒡多酚得率的影響,并且采用正交實驗對牛蒡多酚的提取條件進行了優化,以期為牛蒡多酚的提取與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛蒡 市售;VC武漢市天楚源醫藥有限公司;檸檬酸 天津博迪化工股份有限公司;氯化鈣 天津市永大化學試劑有限公司;乙醇 天津市永大化學試劑有限公司;沒食子酸 天津博迪化工股份有限公司;福林酚試劑 蘇州晶茂生物科技有限公司;碳酸鈣 天津市恒興化學試劑有限公司;蒸餾水 實驗室自制。

JJ200型精密電子天平 美國雙杰兄弟有限公司;HH-4型數顯恒溫水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司;TGL-509型臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;UV-5100B紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;101-0AB型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;500 g搖擺式高速中藥粉碎機 溫嶺市林大機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品精選 選擇莖直、無蟲咬、無變質、無機械性損傷和無物理性損傷、新鮮的牛蒡為原料。

1.2.2 牛蒡多酚類物質提取的工藝流程 原料精選→清洗→去皮→護色→吹干→切片→二次護色→二次吹干→干燥→出爐冷卻→粉碎→乙醇提取→離心→測吸光值

1.2.3 標準曲線的繪制及得率的計算 用10 mL乙醇溶液溶解50 mg沒食子酸,蒸餾水定容至10 mL,分別移取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0 mL到10 mL容量瓶中,加入0.1 mL福林試劑和0.2 mL 10%的碳酸鈉溶液,用蒸餾水定容。置于45 ℃水浴5 min后在765 nm波長下測定吸光度。

取 1 mL牛蒡提取液到10 mL容量瓶中,加入0.1 mL福林試劑和0.2 mL 10%的碳酸鈉溶液,用蒸餾水定容。置于45 ℃水浴5 min后在765 nm波長下測定吸光度。

得率(%)=提取液濃度×稀釋倍數×(提取液體積/測定時所用體積)/牛蒡質量

1.2.4 護色劑對多酚提取效果的影響

1.2.4.1 VC對多酚提取的影響 取護色劑VC的濃度分別為0.2%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%,護色劑的浸泡時間為0.5 h,進行二次護色。晾干后干燥,粉碎成粉留用。以牛蒡粉∶60%乙醇溶液=1∶10(m/v)的比例在60 ℃的水浴鍋中水浴60 min,通過離心機得到上清液,吸取1 mL上清液,0.5 mL福林試劑,1 mL 10%碳酸鈉溶液于50 mL容量瓶中加蒸餾水定容。在45 ℃水浴鍋中水浴5 min。最后在765 nm下測量吸光度,得出多酚的得率。

1.2.4.2 檸檬酸對多酚提取的影響 護色劑檸檬酸的濃度分別為0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%和1.5%,其他處理同1.2.4.1。

1.2.4.3 氯化鈣對多酚提取的影響 氯化鈣的濃度分別為0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%,其他處理同1.2.4.1。

1.2.5 牛蒡多酚提取條件的優化

1.2.5.1 時間的單因素實驗 乙醇提取的時間分別為30、40、50、60、70、80 min,乙醇濃度60%,料液比1∶10,水浴鍋70 ℃,其他處理同1.2.4.1。

1.2.5.2 乙醇濃度的單因素實驗 乙醇濃度分別為40%、50%、60%、70%、80%和90%,料液比為1∶10,水浴鍋溫度為70 ℃,提取時間為70 min,其他處理同1.2.4.1。

1.2.5.3 溫度的單因素實驗 水浴溫度分別設為50、60、70、80、90、100 ℃,料液比為1∶10,乙醇濃度70%,提取時間為70 min,其他處理同1.2.4.1。

1.2.5.4 料液比的單因素實驗 料液比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16和1∶18,乙醇濃度為70%,提取時間為70 min,水浴鍋80 ℃,其他處理同1.2.4.1。

1.2.6 正交設計 在單因素實驗的基礎上進行正交實驗設計L9(34)。四個單因素分別為水浴時間、乙醇濃度、水浴溫度和料液比。正交實驗的因素水平設計如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factor and level of orthogonal test

1.2.7 數據統計分析 各組結果以平均數±標準差(mean±SD)表示,每個處理重復三次,采用SPSS 16.0進行統計分析。采用單因素方差分析(ANOVA)對結果進行多重比較,顯著性水平為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 標準曲線的繪制

標準曲線如圖1所示,得到吸光度值(y)與沒食子酸質量濃度(mg/mL)之間的回歸方程為:y=0.0682x+0.2655(R2=0.9994)。

圖1 標準曲線Fig.1 The standard curve of gallic acid

2.2 護色劑對多酚提取的影響

2.2.1 VC濃度對牛蒡多酚得率的影響 如圖2所示,隨著VC濃度的增大,多酚物質的得率也在增加。VC濃度為0.25%至0.75%護色時,多酚得率上升速度較快,不同濃度VC對多酚得率存在顯著性影響(p<0.05)。當VC濃度高于0.75%時,多酚得率的增加變緩,VC濃度對多酚得率無顯著影響(p>0.05)。從顏色觀察,0.25%VC、0.50% VC浸泡時牛蒡發生了褐變,褐變程度前者大于后者,VC濃度為0.75%時牛蒡顏色白嫩。所以較佳的VC濃度為0.75%。

圖2 不同VC濃度對多酚得率的影響Fig.2 The effects of VC on the yield of polyphenols注:不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)，圖3～圖8同。

2.2.2 檸檬酸對牛蒡多酚得率的影響 結果如圖3所示,檸檬酸濃度在0.5%～1%范圍內時,對多酚得率無顯著影響(p>0.05);在1%～1.5%范圍內時,多酚得率隨隨檸檬酸濃度的增大而升高,不同濃度對多酚得率存在顯著性影響(p<0.05)。在實驗范圍內,檸檬酸濃度為1.5%時,多酚類物質得率達到最大。

圖3 不同檸檬酸濃度對多酚得率的影響Fig.3 The effects of citric acid on the yield of polyphenols

2.2.3 氯化鈣對多酚得率的影響 如圖4所示,氯化鈣濃度在0.25%～1%范圍內時,隨著氯化鈣濃度的增加,多酚得率逐漸增加,不同濃度對多酚得率存在顯著性影響(p<0.05)。在1%～1.25%范圍內時,多酚得率隨氯化鈣濃度的增大而緩慢增加,對多酚得率無顯著影響(p>0.05)。在1.25%～1.5%范圍內時,多酚得率隨氯化鈣濃度的增大而升高,不同濃度對多酚得率存在顯著性影響(p<0.05)。氯化鈣為1.5%時,牛蒡多酚類物質的得率最大。

對以上三種護色劑VC、檸檬酸、氯化鈣對多酚提取的影響進行比較,VC做為護色劑時,能獲得最大的牛蒡多酚得率,VC最佳濃度為0.75%,所以選擇0.75%的VC做為護色劑。

圖4 不同氯化鈣濃度對多酚得率的影響Fig.4 The effects of CaCl2 on the yield of polyphenols

2.3 單因素實驗

2.3.1 時間對多酚得率的影響 時間對多酚得率的影響見圖5。如圖5可知,乙醇提取時間在40 min到70 min之間時,多酚得率是一個逐漸增高的過程,不同時間對多酚得率存在顯著性影響(p<0.05)。乙醇提取時間為70 min時,多酚類物質得率最高。在提取時間為70～80 min時,得率下降。可能是因為提取時間過長,多酚物質因為分解而損失。所以應選擇70 min為乙醇提取的最佳時間。

圖5 時間對牛蒡多酚類物質提取的影響Fig.5 The effects of time on the yield of polyphenols注:不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)。

2.3.2 乙醇濃度對多酚得率的影響 乙醇濃度對牛蒡多酚得率的影響如圖6所示,當乙醇濃度為70%時,牛蒡多酚得率最高,和其他濃度相比差異顯著(p<0.05)。乙醇濃度70%到90%時,牛蒡多酚得率逐漸降低。因此,乙醇的最佳濃度為70%。

圖6 乙醇濃度對牛蒡多酚提取的影響Fig.6 The effects of ethanol concentration on the yield of polyphenols

2.3.3 溫度對多酚提取的影響 如圖7所示,水浴溫度對牛蒡多酚提取的影響,在水浴溫度50～80 ℃范圍內,隨著溫度的升高,多酚得率也在逐漸增加,不同溫度對多酚得率的影響存在顯著性影響(p<0.05)。水浴溫度80 ℃時,多酚得率最高。當水浴的溫度為水浴溫度80～90 ℃時,多酚得率開始下降,不同溫度對多酚得率無顯著影響(p>0.05)。可能是因為溫度過高,牛蒡多酚類物質出現了分解。所以水浴的最佳溫度為80 ℃。

2.3.4 料液比對多酚提取的影響 由圖8料液比對多酚得率的影響可見,隨著料液比的增加,多酚得率先增加后下降。料液比為1∶10時,多酚得率最高,與其他料液比時相比,多酚得率存在顯著差異(p<0.05);當料液比為1∶18時,多酚得率最低。因此,最佳料液比為1∶10。

圖8 料液比對多酚得率的影響Fig.8 The effects of solid-liquid ratio on the yield of polyphenols

2.4 正交設計實驗

為優化提取工藝,進行正交實驗。正交實驗結果見表2。

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2分析可知,各因素水浴時間(A)、乙醇濃度(B)、水浴溫度(C)、料液比(D)對牛蒡多酚的得率有不同程度的影響。各因素對牛蒡多酚得率的影響大小順序為水浴溫度(C)>料液比(D)>乙醇濃度(B)>水浴時間(A),提取牛蒡中多酚的最優水平組合為C1D1B1A1,即水浴溫度75 ℃、料液比為1∶9、乙醇濃度為65%、水浴時間為65 min,牛蒡多酚的得率最高為7.07%。

按照以上得出的最佳提取條件,對牛蒡中的多酚進行提取,進行驗證實驗,提取條件為水浴溫度75 ℃、料液比為1∶9、乙醇濃度為65%、水浴時間為65 min,牛蒡多酚提取的得率為7.12%,說明優化條件可行。

3 結論

本研究主要探討了牛蒡預處理中的護色處理對牛蒡多酚得率的影響,研究了VC、檸檬酸、氯化鈣對牛蒡多酚提取的影響,研究表明VC作為護色劑效果最好,可以一定程度上減少酚類物質的氧化,增高牛蒡多酚類物質的得率。

本研究通過單因素實驗考察了水浴時間、乙醇濃度、水浴溫度和料液比對牛蒡多酚的得率的影響,在此基礎上運用正交實驗設計,對提取條件進行優化,分析得出各因素對牛蒡多酚得率的影響大小順序為水浴溫度>料液比>乙醇濃度>水浴時間,得出牛蒡中多酚類物質提取的最佳工藝條件為水浴溫度75 ℃、料液比為1∶9、乙醇濃度為65%、水浴時間為65 min,在此條件下牛蒡多酚得率最高為7.12%。

牛蒡多酚是一種天然的功能性成分,具有抗氧化等重要的生理功能。在牛蒡多酚提取的預處理過程中,多酚類物質會發生氧化褐變而減少,通過護色處理的方法可以抑制褐變,提高多酚類物質的得率,所以其他的抑制多酚類物質褐變的方法可能也能夠提高牛蒡多酚的得率。本研究對提高牛蒡多酚得率的研究方法提出了新的思路,并對提取條件進行了優化,為牛蒡多酚的開發應用奠定了一定的基礎。

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Extraction of polyphenol from burdocks of color protecting and extraction conditions optimization

REN Yuan-yuan1,2,GAO Xiao-guang1,QI Qi1,LIU Dian-wu2

(1.College of Bioscience and Bioengineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.College of Public Health,Hebei Medical University,Shijiazhuang 050017,China)

Colorprotectingprocessinginthepretreatmentofburdockwasstudiedtoenhancepolyphenolsextraction.Extractiontechnologicalparametersincludingextractiontime,ethanolconcentration,extractiontemperature,andsolid-liquidratiowereoptimizedwithorthogonalexperiment.TheresultsshowedthatVCwasthesuitablecolorprotectionagent.Attheconcentrationof0.75%,thepretreatmentofVCcouldimprovetheextractionrateofburdockpolyphenol.Theresultalsoshowedthattheoptimalextractionconditionwereasfollowing:solid-liquidratioof1∶9,extractiontemperatureof75 ℃,extractiontimeof65min,ethanolsolventconcentrationof65%.Undertheoptimalconditions,theextractionrateofpolyphenolsreached7.12%.

Burdock;polyphenols;extractiontechnology

2016-05-12

任媛媛(1980-)，女，碩士，講師，研究方向：功能性物質提取,E-mail:cherry1137@126.com。

TS255.1

B

1002-0306(2016)21-0265-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.042