不同方法提取甜玉米芯多酚對(duì)比研究

林樅雨，馬永強(qiáng)，王鑫，李煜，戴傳榮，黃赫雁

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076）

不同方法提取甜玉米芯多酚對(duì)比研究

林樅雨，馬永強(qiáng)*，王鑫，李煜，戴傳榮，黃赫雁

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076）

以美國(guó)脆王甜玉米芯為原料，分別采用乙醇浸提、超聲波輔助和微波輔助提取甜玉米芯多酚并選擇最優(yōu)方法，通過單因素試驗(yàn)及L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定甜玉米芯多酚最佳提取條件。結(jié)果表明：超聲波輔助提取法效果明顯優(yōu)于乙醇浸提法和微波輔助提取法，甜玉米芯多酚提取率為95.10%。單因素試驗(yàn)及正交設(shè)計(jì)表明當(dāng)甜玉米芯多酚提取3次，提取溫度40℃，超聲時(shí)間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL）時(shí)，多酚提取率達(dá)到最高，為96.04%，多酚得率為16.24mg/g。本試驗(yàn)為甜玉米芯多酚分離純化的進(jìn)一步研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

甜玉米芯；多酚；乙醇浸提法；微波輔助法；超聲波輔助法

我國(guó)作為世界傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，植物資源豐富，主要經(jīng)濟(jì)作物——玉米年產(chǎn)量在1.5億t以上，作為副產(chǎn)物的玉米芯也達(dá)到了4 000多萬t[1]，已然變成一種數(shù)量可觀的生物資源，但一直以來國(guó)內(nèi)對(duì)玉米芯的研究較少，回收利用率不高使絕大部分玉米芯只能作為動(dòng)物飼料或直接焚燒，造成了極大資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。本試驗(yàn)所研究的甜玉米又稱為蔬菜玉米。甜玉米起源于美國(guó)，有100多年的栽培歷史，在20多年前傳入了中國(guó)。甜玉米含有豐富和均衡的營(yíng)養(yǎng)成分，且具有較好的口感，很受消費(fèi)者喜歡，被稱為“黃金食品”[2]。陳家明[3]等研究表明甜玉米芯一般占甜玉米重量的20.0%～30.0%，其中含有主要成分為：纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和木聚糖，還有其他成分，如粗脂肪、糖類、粗蛋白、礦物質(zhì)等[4]，也包括蘆丁、金絲桃苷、龍膽酸等多種植物多酚[5]，其含量多于1.34%。植物多酚又被叫做植物單寧，大量存在于植物體的組織中，如黃酮、咖啡酸、兒茶素、綠原酸、榭皮素、金絲桃苷等。K. Frendenberg根據(jù)多酚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又將其分成縮合單寧（condensed tannin）與水解單寧（hydrolysable tannin）兩類[6]，方便了進(jìn)一步的研究。

眾所周知，多酚具有多種生理功能和藥理功能，清除自由基、抗腫瘤、抑菌、抗輻射、降血脂、抗氧化、防曬美白和提高免疫力等對(duì)人類健康有益的作用[7-9]，可以改善并提高膳食的結(jié)構(gòu)，是一種既營(yíng)養(yǎng)又保健的食用佳品。為了增加甜玉米的綜合利用價(jià)值和有效資源開發(fā)，改善農(nóng)業(yè)廢料對(duì)環(huán)境帶來的危害，實(shí)驗(yàn)以甜玉米芯多酚物質(zhì)的幾種提取方法為對(duì)比，選取最優(yōu)方法進(jìn)行工藝優(yōu)化研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料取自黑龍江綏化產(chǎn)美國(guó)脆王甜玉米。

沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品、無水乙醇（分析純）、福林酚試劑（分析純）、碳酸鈉（分析純）和蒸餾水等。

1.2 儀器與設(shè)備

FW177型中草藥粉碎機(jī)、DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；R209型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海申勝生物技術(shù)有限公司；SHB-IV型雙A循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；FA1104B型電子天平：上海越平科學(xué)儀器有限公司；722型紫外分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；TDL80-2B型高速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠制造；JY-98-111DN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)：寧波新芝生物科技有限公司；XH-MC-1型祥鵠實(shí)驗(yàn)室微波催化合成/反應(yīng)儀：北京祥鵠科技發(fā)展有限公司。

1.3 材料的預(yù)處理

將甜玉米去粒后用烘盤裝甜玉米芯，放于陽(yáng)臺(tái)晾干后斬塊，用粉碎機(jī)粉碎甜玉米芯，再過80目篩，備用[10]。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用福林酚法，以沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品，測(cè)定甜玉米芯中多酚的含量[11-12]。

準(zhǔn)確稱取50mg沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品，先加入少量蒸餾水待沒食子酸溶解后，加蒸餾水定容至500mL，混勻后得到濃度為100μg/mL的沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。量取標(biāo)準(zhǔn)液0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mL于10mL比色管中，加蒸餾水定容至2mL，搖勻后加1mL福林酚試劑，4min后加入1mL 10%碳酸鈉溶液，25℃水浴2 h，測(cè)定溶液在765 nm波長(zhǎng)處的吸光值（A765），進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，以吸光度為縱坐標(biāo)，沒食子酸含量（μg）為橫坐標(biāo)，得線性回歸方程y=0.022x+0.009，R2= 0.998 0，具有良好的線性關(guān)系。

1.5 總多酚的測(cè)定

以福林酚顯色法測(cè)定。取甜玉米芯提取液1mL于10mL容量瓶?jī)?nèi)，再加入1mL福林酚試劑，4min后加入1mL 10%碳酸鈉溶液，25℃水浴下反應(yīng)2 h，測(cè)定溶液在765nm波長(zhǎng)處的吸光值（A765），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算甜玉米芯提取液中總多酚的沒食子酸當(dāng)量，總多酚含量以每100 g甜玉米芯的沒食子酸當(dāng)量（mg）表示。

1.6 總多酚提取率的測(cè)定

利用如下公式計(jì)算總多酚提取率（P）

式中：m為提取的多酚總質(zhì)量，mg；M為樣品含有的多酚總質(zhì)量，mg。

1.7 不同方法提取甜玉米芯多酚[13]

1.7.1 乙醇浸提法提取甜玉米芯多酚工藝

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液作為浸提液，在70℃水浴條件下反應(yīng)2h，水浴完畢后，將高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測(cè)定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計(jì)算總多酚提取率。

1.7.2 微波輔助法提取甜玉米芯多酚工藝[14]

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液做為浸提液，調(diào)節(jié)微波功率至600W，溫度至60℃的條件下提取3min，將高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測(cè)定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計(jì)算總多酚提取率。

1.7.3 超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚工藝[15]

精確稱量10 g預(yù)處理后的樣品粉末于500mL燒杯中，以料液比1∶25（g/mL）加入70%的乙醇-水溶液做為浸提液，在溫度50℃，超聲波功率300W的條件下提取60min，將高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為4 000 r/min，離心10min。離心后的樣液經(jīng)過抽濾獲得澄清液體，將樣渣放置于500mL燒杯中，按照上述的步驟再重復(fù)提取2次，3次所得澄清液體旋蒸后即得到粗多酚提取液，定容至250mL，以1.5中的方法測(cè)定提取的多酚總質(zhì)量，再利用1.6的方法計(jì)算總多酚提取率。

1.8 不同提取條件對(duì)甜玉米芯多酚提取率的單因素試驗(yàn)

根據(jù)1.7.1、1.7.2和1.7.3的提取工藝，比較它們的總多酚提取率，選取提取率最高的方法研究提取次數(shù)、提取溫度、超聲時(shí)間、超聲功率、乙醇濃度和料液比對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響。

以1.7.3的提取工藝為基礎(chǔ)，分別調(diào)節(jié)提取次數(shù)為1、2、3、4和5次，提取溫度為30、40、50、60、70℃，超聲時(shí)間為20、40、60、80、100min，超聲功率為200、250、300、350、400W，乙醇濃度50%、60%、70%、80%和90%，料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35（g/mL）。

1.9 正交試驗(yàn)

在1.8的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)甜玉米芯多酚提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以總多酚提取率為指標(biāo)，確定甜玉米芯多酚提取的最佳工藝條件。

根據(jù)單因素試驗(yàn)確定基準(zhǔn)試驗(yàn)因素為：提取次數(shù)3次，料液比為1∶25（g/mL）。選擇試驗(yàn)因素為提取溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲功率（C）和乙醇濃度（D），設(shè)立3個(gè)水平，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L9（34）對(duì)甜玉米芯中多酚的超聲波輔助提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平Table1 Factorsand levels in orthogonalarray design

2 結(jié)果與分析

2.1 提取甜玉米芯多酚的優(yōu)化方法選擇

提取甜玉米芯多酚的優(yōu)化方法選擇見表2。

表2 不同方法提取甜玉米芯多酚的測(cè)定結(jié)果Table2 Themeasurement resultswith differentmethods for extracting of sweet corn cob polyphenols

乙醇浸提法即有機(jī)溶劑提取法，是選用對(duì)目標(biāo)成分具有良好溶解性并可以斷裂氫鍵的有機(jī)溶劑將其從原料中提取浸出的方法。微波輔助法是利用微波能來提高萃取效率的技術(shù)[16]。微波在傳遞過程中穿透植物體并被植物體吸收，產(chǎn)生熱能，在熱效應(yīng)作用下，植物細(xì)胞內(nèi)的溫度迅速上升，使細(xì)胞中的水分氣化，產(chǎn)生的壓力使細(xì)胞膜破裂，增大了提取物與溶劑之間的接觸面積，增加了系統(tǒng)內(nèi)的熱動(dòng)力，使提取成分更容易溶解于提取液中，從而提高了提取效率。而超聲輔助提取是多酚提取方法的一種，超聲波輔助提取的強(qiáng)化動(dòng)力來源于其空化作用，空化作用引起了湍動(dòng)效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)和聚能效應(yīng)等[17]。超聲波被多個(gè)研究證明能夠顯著地減少提取時(shí)問并增加提取率從而促進(jìn)許多植物原材料活性成分的提取[18]。

由表2可知，3種提取甜玉米芯多酚的效果為：超聲波輔助法＞微波輔助法＞乙醇浸提法，且超聲波輔助法效果明顯優(yōu)于其余兩種，故選擇超聲波輔助法進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 超聲波輔助法單因素試驗(yàn)

2.2.1 提取次數(shù)對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

提取次數(shù)對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖1。

由圖1所示，當(dāng)提取次數(shù)在3次之前，甜玉米芯多酚提取率呈顯著上升趨勢(shì)，是因?yàn)樵谝欢ǖ奶崛〈螖?shù)內(nèi)，多酚經(jīng)乙醇作用而大量溶解。在3次之后增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變得平緩，主要由于原料里所剩多酚已經(jīng)不多，呈現(xiàn)附著狀態(tài)，很難被溶解出來。考慮到試驗(yàn)成本和試劑用量，故可選取3次為最佳提取次數(shù)。

圖1 提取次數(shù)對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.1 Effectsofextraction timeson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

2.2.2 提取溫度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

提取溫度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖2。

圖2 提取溫度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.2 Effectsof extraction tem peratureson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖2所示，50℃為最佳提取溫度。當(dāng)溫度低于50℃時(shí)，多酚提取率隨溫度的增高呈顯著上升趨勢(shì)，這是因?yàn)楦叩臏囟瓤梢约涌鞕C(jī)體內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)水平，使多酚從甜玉米芯粉末中快速溶出。在高于50℃后，多酚得率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，是因?yàn)檫^高的溫度會(huì)使乙醇大量揮發(fā)，導(dǎo)致溶劑濃度降低，從而影響了多酚的提取率。

2.2.3 超聲時(shí)間對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

超聲時(shí)間對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖3。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.3 Effectsof ultrasonic tim eon extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖3所示，60min為最佳超聲時(shí)間。當(dāng)超聲時(shí)間少于60min時(shí)，多酚提取率隨著時(shí)間呈明顯的上升趨勢(shì)，但在高于60min之后，多酚提取率呈下降趨勢(shì)，這是由于在一定的空化作用下機(jī)體發(fā)生破碎，多酚分子得以釋放，加快了目標(biāo)物質(zhì)的溶出，但過長(zhǎng)的超聲時(shí)間會(huì)使空化效應(yīng)作用力有所減少，影響多酚的析出，而且會(huì)破壞多酚的分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵，溶出更多的雜質(zhì)。

2.2.4 超聲功率對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

超聲功率對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖4。

圖4 超聲功率對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.4 Effectsof ultrasonic power on extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖4所示，300W為最佳超聲功率。當(dāng)功率低為300W時(shí)，多酚提取率隨功率的加大呈顯著上升趨勢(shì)。隨著功率的繼續(xù)加大，多酚的提取率又急劇下降，主要是由于超聲功率的增強(qiáng)，使空化作用和機(jī)械剪切的攪拌作用也隨之增強(qiáng)，甜玉米芯細(xì)胞加速裂解后使多酚物質(zhì)快速溶出，當(dāng)功率過大時(shí)，超聲可能會(huì)引起溶液瞬時(shí)升溫，使局部過熱，從而造成了分子裂解，提取率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[19]。

2.2.5 乙醇濃度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

乙醇濃度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖5。

圖5 乙醇濃度對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.5 Effectsof ethanolconcentrationson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖5所示，乙醇濃度70%為最佳濃度。當(dāng)試劑濃度低于70%時(shí)，多酚提取率隨濃度的增加顯現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)橐欢舛鹊囊掖既芤嚎梢云茐膬?nèi)部硫水鍵與氫鍵，打開甜玉米芯細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使得多酚物質(zhì)充分析出，當(dāng)乙醇濃度大于70%之后，多酚得率呈明顯下降趨勢(shì)，原因是高濃度的乙醇導(dǎo)致玉米芯中的組織細(xì)胞通透性變?nèi)酰瑫r(shí)乙醇也會(huì)大量地?fù)]發(fā)，作用于物料的減少。

2.2.6 料液比對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響

料液比對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響見圖6。

圖6 料液比對(duì)甜玉米芯多酚提取率的影響Fig.6 Effectsof solid-liquid ratioson extraction efficiency of polyphenols from sweet corncobs

由圖6可看出，料液比在1∶15（g/mL）～1∶25（g/mL）之間，多酚提取率呈上升趨勢(shì)，因?yàn)槿軇┹^多，可增加與物料的表面積接觸，加快了目標(biāo)物質(zhì)的溶出。在1∶25（g/mL）之后，多酚提取率增長(zhǎng)平緩，由于料液比的增加會(huì)溶解出更多的非酚類物質(zhì)，這不僅浪費(fèi)有機(jī)試劑還引入了雜質(zhì)。綜合經(jīng)濟(jì)成本及后續(xù)進(jìn)行的濃縮處理等因素的考慮，故可確定料液比單因素的最佳條件為1∶25（g/mL）。

2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化提取條件

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table3 Orthogonalarray designmatrix and experimental results

通過正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果可知，影響甜玉米芯多酚提取率因素的主次為D>C>A>B，即乙醇濃度>超聲功率>提取溫度>超聲時(shí)間，理論最佳提取組合為A2B2C2D2，因?yàn)檫@個(gè)組合不在正交已做的9組試驗(yàn)中，所以對(duì)其驗(yàn)證并進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，結(jié)果表明該組合對(duì)甜玉米芯多酚的提取率為95.88%，比正交試驗(yàn)最佳組合A1B2C2D2的結(jié)果低，由于超聲作用會(huì)使混合液溫度快速上升，溫度過高，會(huì)造成乙醇揮發(fā)，溶液濃度降低，因此試驗(yàn)得出甜玉米芯多酚提取率最佳條件為提取3次，提取溫度40℃，超聲時(shí)間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL）。賴富饒等[15]的研究結(jié)果表明：提取溫度40℃，超聲時(shí)間45min，超聲功率200W，乙醇濃度80%，料液比1∶15（g/mL）時(shí)，多酚提取率最高。與本文的工藝參數(shù)不同，可能是由于原材料產(chǎn)地不同而造成的總多酚含量不同，還可能是由于采用的超聲輔助提取儀器不同，但最終提取率與本文結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

1）應(yīng)用乙醇浸提法、微波輔助法和超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚，以總多酚提取率為指標(biāo)，可知超聲波輔助法（95.10%）的甜玉米芯多酚提取率明顯高于乙醇浸提法（50.84%）和微波輔助法（72.73%），因此選取超聲波輔助法進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)。

2）由正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，超聲波輔助法提取甜玉米芯多酚試驗(yàn)的影響因素主次是乙醇濃度>超聲功率>提取溫度>超聲時(shí)間，通過驗(yàn)證和計(jì)算得出最佳參數(shù)為提取3次，提取溫度40℃，超聲時(shí)間為60min，超聲功率300W，乙醇濃度70%，料液比1∶25（g/mL），多酚提取率達(dá)到最高，為96.04%，多酚得率為16.24mg/g。

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Com parison of Polyphenols of Sweet Corn Cob Extracted by Different M ethods

LINCong-yu，MA Yong-qiang*，WANGXin，LIYu，DAIChuan-rong，HUANGHe-yan
（Collegeof Food Engineering，Harbin University ofCommerce，Key Laboratory for Food Science and Engineering in Heilongjiang Collegeand University，Harbin 150076，Heilongjiang，China）

In thisstudy，the American Krispy King sweetcorn cob，as theexperimentalmaterials，wasextracted by the ethanol，ultrasonic-assisted and microwave-assisted to decide the bestmethod.Through the single factorexperimentand L9（34）orthogonaldesign to determine the optimum extraction conditionsofpolyphenolsof sweetcorn cob.The resultsshowed thatultrasonic-extractionmethodwasbetter than ethanolextraction andmicrowave-assisted extraction，and the extraction rate of polyphenolswas 95.10%.Single factor experimentand orthogonal design experiments showed thatwhen ultrasonic-assisted extracted three times，extraction temperature 40℃，ultrasonic time 60min，ultrasonic power 300W，ethanol concentration 70%and solid-liquid ratio 1∶25（g/mL），thehighestextraction rateofpolyphenolswas96.04%and theyieldofpolyphenolswas16.24mg/g.This studycanprovideexperimentalreferencesforfurtherdevelopmentandutilizationofpolyphenolsofsweetcorncob.

sweetcorncob；polyphenol；ethanolextraction；microwave-assistedmethod；ultrasonic-assisted method

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.014

2016-08-14

哈爾濱商業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（YJSCX2015-392HSD）

林樅雨（1991—），男（漢），碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

*通信作者：馬永強(qiáng)（1963—），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：食品化學(xué)。