正交優化微波輔助提取馬鈴薯皮渣多酚工藝及抑菌研究

屈文秀，刁小琴，關海寧，汪春玲，沈中乃，王 宇，李 楠

（綏化學院食品與制藥工程學院，黑龍江綏化152061）

正交優化微波輔助提取馬鈴薯皮渣多酚工藝及抑菌研究

屈文秀，刁小琴，關海寧，汪春玲，沈中乃，王 宇，李 楠

（綏化學院食品與制藥工程學院，黑龍江綏化152061）

為了探討微波法提取馬鈴薯皮渣中多酚的最佳工藝條件及其體外抑菌效果，試驗通過正交設計和二次多項式逐步回歸分析，以優化出最佳提取工藝，并利用紙片瓊脂擴散法對其抑菌效果進行測定。結果表明，微波輔助提取馬鈴薯皮渣多酚的最佳工藝條件為：浸提劑乙醇濃度為55%、料液比為1∶25（g/mL）、微波功率50 W、微波時間40 s，多酚提取量為3.02 mg/g；抑菌效果分析顯示，從馬鈴薯皮渣中提取得到的多酚均能夠抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌，抑菌的最低質量濃度均為10 mg/mL，在這3種菌中，大腸桿菌對其最為敏感。

馬鈴薯皮渣；微波提取；多酚；抑菌

多酚是存在于大多數植物中的一類多元酚類化合物，近些年的研究表明，多酚具有抗腫瘤、抗病毒、抗氧化、抗菌、抗衰老、降血脂等多種功能[1-4]。我國生產的馬鈴薯70%～80%用于鮮食或深加工，每年產生近百萬噸的馬鈴薯皮渣[5]，而目前除少數將馬鈴薯皮渣應用于制沼氣和飼料外，大多數作為廢棄物被丟棄掉[6]。有研究報道，馬鈴薯塊莖中的酚類物質占其干質量的0.1%～0.3%，然而，表皮和鄰近組織中酚類物質就占到50%[7]。以馬鈴薯皮渣為原料提取多酚，不僅可以減輕環境污染，還能夠創造一定的經濟效益。

本試驗通過正交設計優化微波輔助提取多酚的工藝，并通過體外試驗研究馬鈴薯皮渣多酚的抗菌性，旨在為更大程度地利用馬鈴薯皮渣以及開發純天然抑菌劑提供理論技術參考。

1 材料和方法

1.1 材料

供試黃麻子馬鈴薯，從綏化市中心市場購買。將其清洗干凈后削皮，將皮晾干，粉碎過0.25 mm篩，備用。

1.2 試劑與儀器設備

焦性沒食子酸、無水乙醇、福林酚試劑、無水碳酸鈉等均為分析純；金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌為微生物實驗室自制。

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計（北京譜析通用儀器有限公司）；RE-52A旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；EG720KG4-NA美的微波爐（美的微波電器制造有限公司）；HPX-9082MBE數顯電熱培養箱（上海博訊實業有限公司）；手提式高壓蒸汽滅菌鍋（上海博訊實業有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯皮渣多酚制備工藝 馬鈴薯皮干品→粉碎→過0.25 mm篩→微波處理→抽濾→減壓濃縮→低溫離心→上層清液→定容→多酚含量待測→乙酸乙酯萃取→減壓濃縮→真空冷凍干燥→粗多酚。

1.3.2 正交試驗 在前期單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交表進行正交試驗，考察乙醇濃度（A）、料液比（B）、微波功率（C）、提取時間（D）4個因素3個水平對馬鈴薯皮渣多酚提取量的影響。試驗因素與水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平

1.4 測定項目及方法

1.4.1 多酚含量的測定 以沒食子酸作為標準品，采用福林酚比色法測定多酚含量[8-9]。

1.4.2 多酚抑菌效果測定 以金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌為試驗菌種，采用紙片瓊脂平板擴散法對馬鈴薯皮渣多酚的抑菌效果進行研究[10-11]。

1.5 數據處理

每個試驗重復3次，采用DPS統計軟件對正交設計試驗結果進行二次多項式逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果與分析

表2 正交試驗結果

以馬鈴薯皮渣中的多酚提取量為考察值，選取乙醇濃度、料液比、微波功率及微波時間進行4因素3水平的正交試驗，其結果列于表2。

采用數據處理軟件DPS對正交試驗結果進行分析，分別得到乙醇濃度、料液比、微波功率及微波時間與多酚提取量的關系，其如圖1～4所示。

2.2 乙醇濃度與多酚提取量的關系

從圖1可以看出，乙醇濃度在45%～55%時，與多酚提取量呈正相關性，即乙醇濃度越高，多酚提取量越大，可能是因為濃度在這個范圍內，乙醇具有的極性與多酚的極性相近，能夠起到較強的浸提劑的作用[12-14]，因此，多酚物質在乙醇中溶解的數量也越多。

2.3 物料比與多酚提取量的關系

從圖2可以看出，料液比在1∶15～1∶25（g/mL）時，隨著提取液體積的增加，多酚提取量呈顯著上升趨勢；當料液比為1∶23（g/mL）時，多酚提取量出現了極大值，之后呈現出緩慢變化的趨勢，原因可能是因為多酚已基本浸出[15]。

2.4 微波功率與多酚提取量的關系

由圖3可知，微波功率在50～70 W時，多酚提取量呈下降趨勢；隨后多酚提取量又繼續上升。軟件模擬的結果為功率越大，多酚提取量越高，結合實際操作，當微波功率較高時，由于瞬間加熱，溫度過高會破壞多酚物質的結構，進而使其變性[16-18]。

2.5 微波時間與多酚提取量的關系

由圖4可知，微波時間在20～40 s時，微波時間與多酚提取量呈明顯的正相關性，可能是因為微波時間不斷增高會使溫度逐步上升，對植物組織軟化也更加充分，分子間的運動明顯加速，擴散也隨之增加[19-20]，多酚物質浸出量也隨之增加，因此，微波時間越長，多酚的提取量也越多。

由DPS軟件擬合得到的回歸方程（1）如下。

Y＝-1.079 139 018＋0.146 382 691 94X4－0.002 637 402 621 8X22＋0.000 293 010 635 16X32＋0.005 007 365 875X1X2－0.002 247 291 667 6X1X4－0.0016547216312X2X3－0.000 310 49351181X3X4。

由方程（1）得出，F＝242.171 3，相關系數 r＝0.999 70，顯著水平 P＝0.049 4，回歸方程（P＜0.05）具有顯著意義，說明回歸方程能夠很好地擬合從馬鈴薯皮渣中提取多酚的工藝。通過該方程計算得到最優參數為：Y＝3.112 02，X1＝55.000 00，X2＝23.300 00，X3＝50.000 00，X4＝40.000 00，即乙醇濃度為 55%、料液比為 1∶23.3（g/mL），微波功率為50 W，微波時間為40 s；在此工藝參數下，馬鈴薯皮渣多酚的提取量為3.11 mg/g。

為檢驗預測結果的可靠性，并且考慮到實際操作的方便性，將提取工藝參數修正為乙醇濃度55%，料液比 1∶25（g/mL），微波功率 50 W，微波時間40 s，試驗重復3次，得到多酚的實際提取量為3.02 mg/g，其接近于最優理論值。

2.6 抑菌圈直徑的測定

馬鈴薯皮渣多酚對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑制效果列于表3。

表3 馬鈴薯皮渣多酚對3種細菌的抑制效果 mm

從表3可以看出，馬鈴薯皮渣多酚對這3種菌均具有一定的抑制能力，尤其是對大腸桿菌的抑制能力顯著優于其他2種菌種（P＜0.05），也就是對革蘭氏陰性菌的抑制效果優于革蘭氏陽性菌。

2.7 最低抑菌濃度測定

馬鈴薯皮渣多酚對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的最低抑制濃度列于表4。

表4 最低抑菌濃度的測定 mm

從表4可以看出，不同濃度的馬鈴薯皮渣多酚對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有一定的抑制效果，且最低抑菌濃度均為10 mg/mL。在相同濃度下，大腸桿菌抑菌圈的直徑最大，枯草芽孢桿菌的直徑最小。

3 結論

本試驗以馬鈴薯皮渣為原料，通過正交試驗設計及二次多項式回歸分析，確定了微波輔助提取馬鈴薯皮渣多酚的最佳工藝條件為：浸提劑乙醇濃度為55%，料液比為1∶25（g/mL），微波功率為50 W，微波時間為40 s，3次平行試驗得到的實際提取量為3.02 mg/g。通過抑菌試驗結果表明，馬鈴薯皮渣多酚對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌均表現出一定的抑制能力，且最低抑菌質量濃度均為10 mg/mL，濃度相同時，馬鈴薯皮渣多酚對大腸桿菌的抑菌效果更為明顯。

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Study on Optimization of Microwave-assisted Extraction of Polyphenols from Potato Peels by Orthogonal Design and Their Antimicrobial Activity

QU Wenxiu，DIAO Xiaoqin，GUAN Haining，WANGChunling，SHENZhongnai，WANGYu，LI Nan
（College of Food and Pharmaceutical Engineering，Suihua University，Suihua 152061，China）

To research the method of extracting polyphenols from potato peels and their antimicrobial activity,the optimum extraction technology was determined through orthogonal design and two degree polynomial regression analysis,as well as,the bacteriostasis tests were conducted by paper-disc agar-diffusion method.The results showed the ethanol concentration was 55%,the ratio of material to liquid was 1∶25 （g/mL）,microwave power was 50 W,microwave time was 40 s,under this condition，polyphenols extraction rate was up to 3.02 mg/g.Bacteriostasis experiments showed that the polyphenols from potato peels had antibacterial activity against Staphylococcus aureus,Escherichia coli and Bacillus subtulis and the minimal inhibitory concentration was 10 mg/mL.Among the 3 bacteria,it had the most significant inhibition effect for Escherichia coli.

potatopeels;microwave-assisted extraction;polyphenols;antibacterial

TQ28

A

1002-2481（2017）10-1698-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.30

2017-05-16

黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（201510236004）

屈文秀（1994-），女，黑龍江大慶人，在讀本科，研究方向：農畜產品加工及保藏。刁小琴為通信作者。