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新疆赤霞珠葡萄皮渣中多酚類物質質量分數及其復合抗氧化劑研究

2018-03-06 05:19:48李婉平呂曉彤李若蘭鞠延侖馬娜娜房玉林
西北農業學報 2018年2期
關鍵詞:質量

李婉平,呂曉彤,李若蘭,鞠延侖,馬娜娜,房玉林,2

(1.西北農林科技大學 葡萄酒學院,陜西楊凌 712100;2.陜西省葡萄與葡萄酒工程技術研究中心,陜西楊凌 712100)

葡萄多酚類物質是一種天然抗氧化劑,在抗腫瘤、抗癌、預防心血管疾病、延緩機體衰老等方面有重要作用,同時具有很強的生物活性和藥理活性,美國及歐洲的一些國家在葡萄多酚類物質的開發與推廣方面已有顯著成果[1]。

葡萄中具有生物活性的多酚物質,主要分布在葡萄皮和籽等部位中,在枝條、卷須和葉片中也有少量分布[2]。多酚物質在流行病方面具有降血脂、抗過敏、抗菌,預防心臟病、高血壓等功效[3-4];在食品加工領域,葡萄皮渣中抗氧化成分在肉制品和食用油中可以有效推遲氧化[5];在日化化工方面,單寧是重要的化工原料經常被用在印染、皮革工業、制作墨水等方面[6]。然而在葡萄酒的加工過程中,會產生大量的葡萄皮、葡萄籽和葡萄梗等廢棄物,鮮果中有20%~30%的比重將成為葡萄工業廢棄物。這些葡萄廢棄物大部分用于制作肥料、飼料或成為燒材,限制了廢棄物的利用價值,也會對環境產生不利影響。因此,對葡萄皮渣中多酚類物質提取及合理開發利用至關重要,目前尚未有報道研究葡萄皮渣多酚與其他抗氧化劑的協同增效作用。本試驗主要研究葡萄皮渣中的多酚類物質質量分數,并研究其復合抗氧化劑的抑菌作用,結果將為葡萄皮渣多酚類物質的應用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 植物材料 試材取自新疆和碩芳香莊園,酒精發酵結束后的赤霞珠葡萄皮渣,用蒸餾水清洗干凈后-40 ℃保存,待用。

1.1.2 試驗菌株 供試大腸桿菌(Escherichiacoli)、金黃色葡萄球菌(Staphyloccocusaureus)及沙門氏桿菌(Salmonellatyphi)均由西北農林科技大學食品學院饋贈。

1.1.3 主要試劑與設備 DPPH,購自美國Sigma公司;維生素C、檸檬酸、三氯乙酸、水楊酸、鐵氰化鉀、硫酸亞鐵、三氯化鐵、焦亞硫酸鈉,均購自天津市博迪化工有限公司;香蘭素,購自廣州金華大化學試劑有限公司;所有試劑均為分析純級。ME-1型大孔吸附樹脂。LB瓊脂細菌培養基,復合抗氧化劑樣品溶液。

SORVAIL RC-5C-PLUS型高速冷凍臺式離心機,購自美國Kendro公司;UV-1700紫外分光光度計,購自日本島津公司;薄膜旋轉蒸發儀,購自上海申生科有限公司;立式壓力蒸汽滅菌器,購自上海申安醫療器械廠。

1.2 方 法

1.2.1 酚類物質提取 葡萄皮渣酚類物質提取的方法參照劉蕓等[7]和葉新紅等[8]的方法。

1.2.2 葡萄皮渣多酚測定 葡萄皮渣的總酚質量分數測定采用福林-肖卡法[9];葡萄皮渣中總類黃酮質量分數的測定參考Peinado等[10]的方法;葡萄皮渣的總黃烷醇質量分數測定采用p-DMACA-鹽酸法[11];葡萄皮渣的單寧質量分數測定使用福林-丹尼斯(Folin-Denis)法[12]。原花青素測定參照Godoy等[13]的方法,繪制標準曲線后,取稀釋2倍的葡萄皮渣提取液0.5 mL于10 mL 離心管中,加入1.5 mL濃鹽酸,3 mL體積分數為4%的香草醛甲醇溶液,混勻,20 ℃水浴15 min,以純水為對照,在500 nm 處測定吸光值。結果用兒茶素表示(mg·g-1)。

1.2.3 復合抗氧化劑復配研究 葡萄多酚的制備參考王麗媛等[14]和李華等[15]的方法,稍作改動。試驗選取ME-1樹脂完成分離純化過程[16]。樹脂裝柱于2.6 cm×30 cm的柱內。以2 mL·min-1的流速進行濃縮液上樣,每次上樣17 BV,用65 BV的蒸餾水除去殘留在樹脂上的雜質后,用體積分數75%的乙醇溶液開始動態洗脫,大約用5 BV洗脫劑,低壓濃縮處理洗脫得到的多酚物質,再將濃縮液冷卻到室溫后平鋪于培養皿內,濃縮液厚度不得高于1 cm,保鮮膜密封培養皿后置于-20 ℃冰箱中,經48 h冷凍后進行真空冷凍干燥,最終獲得葡萄多酚的干燥物。

鐵氰化鉀還原力參照韓林等[17]的方法測定,羥自由基清除力參照郎娜等[18]的方法測定,DPPH清除力參照Phoency等[19]的方法測定。

1.2.4 復合抗氧化劑抑菌性檢測 移液槍頭滅菌后分別吸取菌懸液0.1 mL,轉入平板內后用無菌的三角玻璃刮鏟均勻涂布。用滅菌鑷子夾取高壓蒸汽滅菌且將于150 ℃烘干處理后的牛津杯,放在均勻涂布的培養皿中,3個菌種分別做3個平行。十字對稱方式在培養皿內放4個牛津杯,無菌槍頭分別吸取質量濃度為2.0、2.5、3.0 mg·mL-1的復合抗氧化劑溶液200 μL于牛津杯中,用體積分數為0.85%無菌生理鹽水作對照。將制備好的培養皿置于37 ℃的恒溫培養箱內24 h,取出觀察抑菌情況并拍照。重復3次,最終直徑取3次抑菌圈直徑平均值。

所有數據使用 Mircrosoft Excel 2003 和 SPSS 17.0 進行圖表繪制與數據分析。

2 結果與分析

2.1 葡萄皮渣多酚質量分數

由表1可見,葡萄皮渣中含有豐富的酚類物質,其中總酚質量分數最高(7.113 6 mg·g-1),單寧質量分數最低(0.068 97 mg·g-1)。研究表明酚類物質在醫學、日用化工、食品等領域有廣泛應用。合理地提取利用葡萄皮渣中的酚類物質,不僅可以減少葡萄酒產業的廢棄物,而且可以增加葡萄產業的附加值,開發利用前景廣闊。

表1 葡萄皮渣中多酚質量分數Table 1 Polyphenols of grape pomace

注:結果以3次重復試驗的“平均值±標準差”表示。

Note:Values represent “means±SD” of three replications.

2.2 復合抗氧化劑配比研究

2.2.1 增效劑的篩選 葡萄多酚的抗氧化性非常強,若將葡萄多酚與一些抗氧化劑如維生素C和維生素E,或檸檬酸、酒石酸等增效劑進行復配使用會有顯著的增效協同效果。研究選擇維生素E、檸檬酸和維生素C,質量濃度分別為0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 mg·mL-1,進行抗氧化性試驗并選擇出合適的復配劑與葡萄多酚復配。

由圖1-A可看出,隨抗氧化劑質量濃度的增加,維生素C的鐵氰化鉀還原力不斷上升,并且顯著高于檸檬酸和維生素E的還原力。維生素E鐵氰化鉀還原力隨質量濃度的增大而增大,當質量濃度達到3.0 mg·mL-1時,鐵氰化鉀還原能力達到峰值,之后逐漸下降。相比之下,檸檬酸的鐵氰化鉀還原力始終較弱。

圖1-B顯示,隨著抗氧化劑質量濃度的增加,維生素C引起的DPPH·清除率不斷上升,并顯著高于檸檬酸和維生素E,檸檬酸DPPH·清除率隨質量濃度的增大而增大,在質量濃度為1.0 mg·mL-1時達到峰值,之后逐漸下降,但始終略高于維生素E,相比之下,維生素E的DPPH·清除率幾乎可以忽略。

由圖1-C可看出,隨3種抗氧化劑質量濃度增加,對應的羥自由基清除率相差較小,羥自由基清除率隨著維生素C和檸檬酸的質量濃度的增大而增大,在維生素E質量濃度達到3.0 mg·mL-1時,羥自由基清除率達到峰值,之后有逐漸下降的趨勢。

由以上分析可得,維生素C的抗氧化能力在3種增效劑中最強,雖然維生素E和檸檬酸的抗氧化能力相差較小,但考慮到維生素E屬油溶性物質而不溶于水,不利于試驗操作,故最終選擇維生素C、檸檬酸以及葡萄多酚3種抗氧化物質進行復合研究。

2.2.2 葡萄多酚抗氧化性濃度的確定 為研究葡萄多酚抗氧化性最佳質量濃度,在不同多酚濃度下測定抗氧化能力。

如圖2-A,隨著葡萄多酚質量濃度增加,羥自由基清除率呈明顯的先增后減趨勢,當葡萄多酚質量濃度為0.05 mg·mL-1時羥自由基清除率達到最高值91.74%,DPPH·清除率起初隨葡萄多酚質量濃度的加大而增長迅速,之后多酚質量濃度為0.07~0.15 mg·mL-1時DPPH·清除率增長變得緩慢。

如圖2-B,隨著葡萄多酚質量濃度的增加,葡萄多酚的還原力持續增大,當質量濃度超過0.10 mg·mL-1時,增長速度變得緩慢。綜上,可選擇葡萄多酚進行單因素試驗,質量濃度為0.04~0.10 mg·mL-1。

圖1 3種抗氧化劑的抗氧化能力Fig.1 Antioxidant capacity of three antioxidants

圖2 葡萄多酚抗氧化能力Fig.2 Antioxidant capacity of grape polyphenol

2.2.3 葡萄多酚與其他增效劑配比單因素試驗 (1)維生素C質量分數的確定:將不同質量分數的維生素C與質量分數分別為0.10%、0.006%的檸檬酸和葡萄多酚進行復配,100 mL容量瓶定容。維生素C的質量分數依次為0.005%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.20%。結果如圖3。

如圖3-A,復合抗氧化劑的鐵氰化鉀還原力隨著維生素C質量分數的增加先增加后降低,當質量分數從0.005%增加到0.10%時,復合抗氧化劑還原力隨著質量分數的增加而增加,0.10%時達到最大值。

如圖3-B,復合抗氧化劑DPPH·清除率隨著維生素C質量分數的增加先增加后趨于平衡,當質量分數為0.10%時,復配液的DPPH·清除率相對較高,達到93.66%,接著DPPH·清除率變化趨于平穩。

如圖3-C,復合抗氧化劑羥自由基清除率隨著維生素C質量分數的增加而增加,質量分數從0.005%增加到0.10%時,清除能力變化比較大,當維生素C質量分數為0.1%時,開始趨于平緩。

綜合測定結果,使用質量分數為0.1%的維生素C時復合抗氧化劑具有的抗氧化效果最佳。雖然3種不同抗氧化劑之間存在增效協同作用,但并不與抗氧化劑質量分數呈正相關[20],本試驗選擇質量分數為0.1%的維生素C為最佳單因素。

圖3 維生素C的抗氧化能力Fig.3 Antioxidant capacity of vitamin C

(2) 檸檬酸質量分數的確定:將不同質量分數的檸檬酸與質量分數為0.10%的維生素C和0.006%的葡萄多酚進行復配,在100 mL容量瓶中定容后進行抗氧化性測定。檸檬酸的質量分數依次為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.10%、0.30%、0.50%。結果如圖4。

圖4-A表示不同質量分數檸檬酸對復合抗氧化劑鐵氰化鉀還原力的影響。由圖4-A可見,復合抗氧劑鐵氰化鉀還原力隨著檸檬酸質量分數的增加先增大后減小,檸檬酸質量分數為0.05%,0.07%,0.1%時還原力趨于平衡,其中質量分數為0.07%的還原力略高于0.05%和0.1%的,但相差不大,接著隨檸檬酸質量分數增加,還原力開始下降。

圖4-B表示不同質量分數檸檬酸對復合抗氧化劑DPPH·清除率的影響。由圖可知,復合抗氧化劑DPPH·清除率隨著檸檬酸質量分數的增加先增大后減小,檸檬酸質量分數為0.05%時,DPPH·清除率達到最大94.74%,接著隨著檸檬酸質量分數的增加而減少。

圖4-C表示不同質量分數檸檬酸對抗氧化劑羥自由基清除率的影響。由圖可見,檸檬酸質量分數為0.05%時,復合抗氧化的羥自由基清除率最大,接著隨著檸檬酸質量分數的增加先減小后有增大的趨勢,但是根據添加劑最大攝入量問題,首先考慮在質量分數比較小的情況下,清除能力比較大的質量分數為好。

綜合以上測定結果,使用質量分數為0.05%檸檬酸時復合抗氧化劑具有的抗氧化效果最佳。本試驗確定質量分數為0.05%的檸檬酸為最佳單因素質量分數。

(3)葡萄多酚質量分數的確定:將不同質量分數的葡萄多酚與質量分數為0.1%的維生素C和0.05%的檸檬酸進行復配,在100 mL容量瓶中定容后進行抗氧化性測定。葡萄多酚的質量分數依次為0.001%、0.002%、0.004%、0.006%、0.008%、0.010%、0.013%、0.015%。結果如圖5。

圖5-A表示不同質量分數葡萄多酚對復合抗氧化劑鐵氰化鉀還原力的影響。由圖可知,復合抗氧化劑鐵氰化鉀還原力隨著葡萄多酚質量分數的增加而增加,在質量分數為0.002%~0.013%時,鐵氰化鉀還原力增長比較緩慢,當質量分數達到0.015%時有大幅增長。

圖4 檸檬酸的抗氧化能力Fig.4 Antioxidant capacity of citric acid

圖5-B表示不同質量分數葡萄多酚對復合抗氧化劑DPPH·清除率的影響。由圖可知,復合抗氧化劑DPPH·清除率隨著葡萄多酚質量分數的增加先增加后減小,在質量分數為0.002%、0.004%時,清除能力比較高,接著隨著質量分數的增加清除能力開始下降。

圖5-C表示不同質量分數葡萄多酚對抗氧化劑羥自由基清除率的影響。由圖可見,復合抗氧化劑羥自由基清除率隨著葡萄多酚質量分數的增加先增大后減小,當葡萄多酚質量分數為0.004%時,復合抗氧化劑的清除能力達到最大,接著隨著葡萄多酚質量分數的增加開始減小。

綜合以上測定結果得出,葡萄多酚質量分數為0.004%時復合抗氧化劑的抗氧化能力最強,故試驗確定葡萄多酚質量分數為0.004%為最佳單因素質量分數。

2.2.4 復合抗氧化劑配比優化正交試驗 葡萄多酚與其他抗氧化劑、增效劑進行復配后所具有的抗氧化性并不只是幾種物質抗氧化性的簡單疊加,各種物質共同存在時具有協同增效作用,也能夠加強抗氧化性[21]。所以必須將不同抗氧化劑之間的交互作用考慮到優化正交試驗中。本試驗需要考慮3個2水平因素和3個交互作用,故采用L8(27)正交設計試驗方案進行。因素水平見表2。方差分析見表3~5。

為了避免極差分析法不能區分數據波動是由試驗誤差還是試驗條件改變引起的,以及無法精確的估計各因素對試驗結果的影響大小的缺陷,可采用方差分析得到最優配比組合。

圖5 葡萄多酚質量分數的抗氧化能力Fig.5 Antioxidant capacity of grape polyphenol

因素Factorsw(維生素C)(A)/%VitaminC(A)w(葡萄多酚)(B)/%Grapepolyphenols(B)w(檸檬酸)(C)/%Citricacid(C)10.120.0050.0620.100.0040.05

表3 鐵氰化鉀還原力方差分析Table 3 Analysis of variance of potassium ferricyanide feduction

注:*表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note:* represent significant differences(P<0.05),the same below.

表4 DPPH·清除率方差分析Table 4 Analysis of variance of DPPH· scavenging activity

表5 羥自由基清除率方差分析Table 5 Analysis of variance of hydroxyl radical scavenging activity

綜合以上3個方差分析表,影響復合抗氧化劑抗氧化性因素的主次順序為B>A>C,即葡萄多酚對抗氧化強度影響最大,其次為維生素C,檸檬酸影響較小,結合極差分析得出,B2為B因素最優水平,A2為A因素最優水平,C因素2個水平都可以,根據極差分析可選擇C2為優水平。故最佳組合最終確定為B2A2C2。

2.3 復合抗氧化劑抗氧化性的研究

2.3.1 復合抗氧化劑的抑菌作用 復合抗氧化劑對3種細菌抑菌圈直徑的影響如圖6所示。隨著復合抗氧化劑質量分數的增加,對3種細菌的抑制效果也在增加,當復合抗氧化劑質量濃度為2.0~2.5 mg·mL-1時,對3種致病菌的抑制作用由大到小依次是沙門氏桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌;當復合抗氧化劑質量濃度大于2.5 mg·mL-1時,復合抗氧化劑對沙門氏桿菌的抑制作用增長緩慢,逐漸弱于金黃色葡萄球菌和大腸桿菌受到的抑制作用。

2.3.2 復合抗氧化劑與葡萄多酚抑菌作用比較 圖7顯示,配制質量濃度均為3 mg·mL-1的復合抗氧化劑和葡萄多酚溶液,比較兩者的抑菌效果,由圖看出,葡萄多酚和復合抗氧化劑對3種

圖6 復合抗氧化劑對3種細菌抑菌圈直徑的影響Fig.6 Effect of antibacterial diameter of multipleantioxidants on three bacteria

圖7 葡萄多酚與復合抗氧化劑的抑菌效果對比Fig.7 Antimicrobial efficacies comparison of multipleantioxidants and grape polyphenols

致病菌的抑制效果都很顯著,葡萄多酚與復合抗氧化劑的抑制強度一致,但單一葡萄多酚的抑制效果弱于復合抗氧化劑。

3 討論與結論

多酚物質由于具有特殊的化學結構而具有一定的生物活性,并且在抗氧化、抗腫瘤、抗突變、抗癌變等方面具有很顯著的效果,作為一種食品添加劑被廣泛應用在食品及醫藥領域[22]。在植物多酚中葡萄多酚的抗氧化能力表現的最強[23], 葡萄中多酚類物質是植物多酚類物質的一種,廣泛存在于葡萄果汁、葡萄皮渣和葡萄籽中。中國是葡萄生產大國,葡萄種植面積達幾十萬公頃,其中40%以上用于釀酒,其中葡萄皮渣和枝條浪費嚴重。葡萄多酚在葡萄皮渣和葡萄籽中質量分數很高,紅葡萄皮渣中葡萄多酚質量分數可以達到25%~50%,對葡萄皮渣的利用在不斷深入[24]。本試驗本著對葡萄廢棄物的高附加值利用的原則進行研究,試驗測出葡萄皮渣中總酚、總黃烷醇、總類黃酮、原花青素、單寧的質量分數分別為7.113 6、1.650 2、1.288 5、0.825 3、0.068 97 mg·g-1。葡萄皮渣中多酚質量分數較高,具有很廣闊的開發利用前景。皮渣可作為提取酒石酸、葡萄籽油、膳食纖維等的原料,有關葡萄皮渣的綜合利用有待進一步研究。

近年對葡萄多酚的研究很多,對于抗氧化能力的測定方法也有很多種,一般選擇2種以上抗氧化方法對物質進行抗氧化能力評價。一般根據氫原子轉移和電子轉移的不同可將抗氧化方法分為2大類:根據氫原子轉移機制的方法包括羥自由基清除率、脂質過氧化法等;根據電子轉移機制的方法包括DPPH·清除力、鐵離子還原力、ABTS清除力等方法[25]。但是一般脂質過氧化法反應時間比較長,因此不常被采用。在進行抗氧化檢測時,使用一種方法往往代表性不強,不能很全面地反應物質的抗氧化能力。本試驗采用DPPH·清除率、羥自由基清除率和鐵氰化鉀還原力3種方法對抗氧化性進行檢測。

很多研究發現單一活性成分的抗養化性比復合抗氧化劑的抗氧化性低,一些抗氧化劑經過復合后能夠有很高的抗氧化性并且這些復合抗氧化劑的抗氧化性并不是幾種抗氧化劑直接單純的相加,而是比相加抗氧化性強。一般認為多種抗氧化劑之間的協同作用原理可分為2種:一種可能是由于抗化劑對各個氧系統的位置;另一種為多種抗氧劑的不同作用機制之間存在明顯的互補作用,通過這種作用來消除自由基和單態氧,隔活性氧和它的特意作用部位,使氧化酶或者促氧化活性改變,并且維持和提供還原劑的水平,參與損傷分子的修復或者替代,進而起到協同作用。抗氧化物與維生素、有機酸之間的協同作用已經有很多報道,其中與維生素C、維生素E之間的協同作用研究最多。嚴奉偉等[26]利用菜籽多酚與維生素C進行復配后將其加入到棉籽油中,發現其在棉籽油中的協同增效非常明顯。抗氧化物與有機酸也有很好的協同增效作用[27]。本試驗通過葡萄多酚與維生素、檸檬酸進行復配得出抗氧化性更強的復合抗氧化劑,復合抗氧化劑的最佳配比即質量分數為0.1%維生素C、質量分數為0.004%葡萄多酚及質量分數為0.05%檸檬酸,也發現復合抗氧化劑對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏桿菌均有抑制作用,并且隨著復合抗氧化劑質量分數的增加,對3種細菌的抑菌強度不斷增大,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制作用越來越強,對沙門氏桿菌的抑制作用的強度變得較為緩慢;在質量分數相同的條件下,復合抗氧化劑對3種細菌的抑制作用均高于葡萄多酚。葡萄多酚的復配研究為葡萄廢棄物中多酚類物質的開發利用提供理論依據,為葡萄多酚的抗氧化性被更好地應用到醫藥、日化、保健等領域提供理論基礎,與葡萄多酚復配相關的其他問題有待進一步研究。

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