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猴面包樹果多糖超聲輔助提取及其抗氧化活性研究

2018-05-07 09:05:14孫連立劉露裴運林聶艷峰萬水停吳陽清
食品研究與開發 2018年8期
關鍵詞:能力

孫連立,劉露,裴運林,聶艷峰,萬水停,吳陽清

(廣東丸美生物技術股份有限公司,廣東廣州510530)

猴面包樹果是錦葵目木槿科植物猴面包樹(Adansonia digitata L.)的成熟果實,產于非洲大陸、馬達加斯加、地中海及澳洲北部等地。猴面包樹果因其外觀像面包,并且果肉酸甜多汁,可作為食物而得名[1]。

猴面包樹果含有豐富的營養成分,有學者對猴面包樹果組分進行了研究,結果顯示其含有糖類46%~88%,粗蛋白2.5%~17%,油脂0.2%~15.5%,纖維素11%左右,能量8 489 KJ/kg,此外,其含有豐富的維生素C,含量介于150 mg/100 g~500 mg/100 g[2]。猴面包樹果具有顯著的生理功效,除了可以直接食用外,還可入藥,具有消炎、退熱并預防痢疾的功效,此外,其還具有養胃利膽、清熱消腫、止血止瀉和鎮靜安神的作用[3]。

多糖是由不少于10個糖醛酸或酮糖通過糖苷鍵的鏈接形成的一種聚合物,同蛋白質和核酸一樣均屬生物信息大分子,并參與各種生命活動[4-6]。多糖具有廣泛的藥理作用,在抗氧化、調節免疫功能、抗病毒、抗腫瘤、抗衰老、降血脂等方面具有多種生物活性[7-12]。猴面包樹果實含有豐富的多糖,但目前對其提取及體外生理功效的研究還很少。

隨著人們生活水平的提高,猴面包樹果及其健康食品逐漸進入中國市場,其豐富的營養物質和良好的生理功效正越來越受到人們的歡迎。本文探索利用超聲波輔助提取技術制備猴面包樹果多糖,通過單因素試驗和響應面優化試驗確定最佳提取工藝,經過脫蛋白后得到猴面包樹果粗多糖,并對其抗氧化活性進行研究。本試驗結果可以為猴面包樹果多糖的功效研究提供數據支撐,同時為其在更廣泛領域的開發應用提供可行性參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料

猴面包樹果實,已烘干,購于弘亞食品公司,原產地加納。

1.1.2 主要試劑

葡萄糖、濃硫酸、苯酚、無水乙醇、氯仿、正丁醇、甲醇、冰乙酸、無水乙酸鈉、鹽酸、氯化鐵、硫酸亞鐵、鐵氰化鉀(均為分析純):廣州化學試劑廠;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS):廣州左克生物科技有限公司。

1.1.3 主要儀器

P300H超聲波清洗器:德國ELMA公司;UV2600紫外-可見分光光度計:日本島津公司;RV10旋轉蒸發儀:德國IKA集團;SHZ-DⅢ循環水式真空泵:河南鞏義予華儀器設備有限公司;大容量高速離心機(3-16KL):德國 Sigma公司;冷凍干燥機(FDU-2110):日本東京理化公司;多功能酶標儀(Spark 10M):瑞士Tecan公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

將已干燥的猴面包樹果粉碎,剝除種子后過60目篩,95%酒精回流脫脂除雜,晾干,得到猴面包樹果干粉,密封、干燥條件下保藏備用。

1.2.2 猴面包樹果多糖提取工藝

稱取3.00 g猴面包樹果干粉,按照一定的料液比(g/mL)加蒸餾水混合,密封,放置于超聲波清洗器中,按照單因素試驗設定的參數進行提取;提取結束后,于4℃、4 500 r/min條件下離心20 min,得上清液;將上清液于55℃條件下減壓濃縮至原體積的1/4~1/5;緩慢加入5倍體積的95%乙醇,4℃醇沉12 h;將沉淀冷凍干燥后用蒸餾水復溶,利用sevage法(氯仿∶正丁醇=4∶1(體積比))脫蛋白,重復 2 次;再次醇沉,將沉淀冷凍干燥,即為猴面包樹果粗多糖。

1.2.3 提取單因素試驗

參照方法1.2.2多糖提取工藝,以多糖提取率為考查指標,分別選擇提取溫度、提取時間、超聲功率、料液比、提取次數5個因素進行猴面包樹果多糖提取單因素試驗。

提取溫度的選擇:分別稱取3.00 g猴面包樹果干粉,固定提取時間1.5 h、超聲功率304 W、料液比1∶30(g/mL)、提取次數 1 次,提取溫度分別選擇 40、50、60、70、80、90℃,比較不同提取溫度下多糖提取率。

提取時間的選擇:分別稱取3.00 g猴面包樹果干粉,固定提取溫度70℃、超聲功率304 W、料液比1∶30(g/mL)、提取次數1次,提取時間分別選擇0.25、0.5、1、1.5、2、2.5 h,比較不同提取時間下多糖提取率。

超聲功率的選擇:分別稱取3.00 g猴面包樹果干粉,固定提取溫度70℃、提取時間2 h、料液比 1∶30(g/mL)、提取次數 1 次,超聲功率分別選擇 190、228、266、304、342、380 W,比較不同超聲功率下多糖提取率。

料液比的選擇:分別稱取3.00 g猴面包樹果干粉,固定提取溫度70℃、提取時間2 h、超聲功率304 W、提取次數 1 次,料液比分別選擇 1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50(g/mL),比較不同料液比下多糖提取率。

提取次數的選擇:分別稱取3.00 g猴面包樹果干粉,固定提取溫度70℃、提取時間2 h、超聲功率304 W、料液比 1∶30(g/mL),提取次數分別選擇 1 次、2次、3次、4次、5次,比較不同提取次數下多糖提取率。

1.2.4 響應面優化試驗設計

通過分析單因素試驗結果,確定提取溫度、提取時間、料液比3個因素的零水平,以多糖的提取率為響應值,通過Design Expert 8.0.5軟件,采用Box-Behnken設計,運用三因素三水平響應面分析法,對猴面包樹果多糖提取率進行優化設計,試驗因素水平及編碼見表1。

1.2.5 多糖提取率的測定

采用苯酚-硫酸法測定猴面包樹果多糖,操作方法參照農業行業標準NY/T 1676-2008《食用菌中粗多糖含量測定測定》中多糖的測定方法進行,以葡萄糖質量濃度為橫坐標,以吸光值為縱坐標繪制回歸曲線,所得回歸方程為:y=0.010 4x-0.010 6,R2=0.999。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Experimental factors level and coding

式中:n為稀釋倍數;C為多糖的質量濃度,mg/mL;V為多糖溶液體積,mL;m為猴面包樹果干粉的質量,g。

1.2.6 猴面包樹果多糖抗氧化活性研究

1.2.6.1 猴面包樹果多糖對DPPH·清除能力測定

參照文獻[13]的方法,配制濃度為0.2 mmol/L的DPPH甲醇溶液,用蒸餾水將樣品配制為不同濃度的溶液。準確量取2 mL樣品溶液,加入2 mL DPPH甲醇溶液,混勻,避光反應30 min,用分光光度計在517 nm處測定吸光度,以甲醇溶液調零,以維生素C溶液做陽性對照。

式中:A0為以蒸餾水替代樣品測定的吸光度;A1為樣品組測定的吸光度;A2為以甲醇替代DPPH甲醇溶液測定的吸光度。

1.2.6.2 猴面包樹果多糖對ABTS+·清除能力測定

參照Re等[14]的方法,并稍作修改。準確稱取0.192 g ABTS,用2.45 mmol/L的過硫酸鉀定容50 mL,室溫避光保存12 h~16 h后使用,作為ABTS儲備液。將ABTS儲備液用磷酸鹽緩沖液(10 mmol/L,pH=7.4)稀釋,使其在734 nm處的吸光度達到0.70±0.02,即為ABTS工作液。量取5 mL ABTS工作液,加入0.1 mL樣品溶液,振蕩10 s,30℃條件靜置6 min,測定734 nm處的吸光度。以不同濃度的Trolox溶液作為陽性對照,每組試驗平行進行3次,按照下式計算ABTS+·清除率。

式中:A0為以磷酸鹽緩沖液代替樣品測定的吸光度;A1為樣品組測定的吸光度;A2為以磷酸鹽緩沖液代替ABTS工作液測定的吸光度。

1.2.6.3 猴面包樹果多糖還原能力測定

參照文獻[15]的方法,并稍作修改。取2 mL樣品溶液,加入5 mL的磷酸鹽緩沖液(0.2 mol/L,pH=6.6),再加入5 mL的1%鐵氰化鉀溶液,50℃條件下保溫20 min。急速冷卻,加入5 mL的質量濃度為10%的三氯乙酸溶液,混勻,3 000 r/min離心10 min,取上清液2.5 mL,加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL的質量濃度為0.1%的FeCl3溶液,室溫反應10 min,測定700 nm波長條件下吸光度。以吸光度的大小衡量還原能力的強弱,吸光度越大,還原能力越強。以蒸餾水代替樣品溶液為空白對照,以不同濃度的VC溶液作為陽性對照,每組試驗平行進行3次。

1.3 數據分析

利用SPSS18.0和Design-Expert 8.0.5數據處理軟件進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 提取單因素試驗

2.1.1 提取溫度對猴面包樹果多糖提取率的影響

固定其它參數的條件不變,考察不同提取溫度對猴面包樹果多糖提取率的影響,試驗結果見圖1。

圖1 提取溫度對猴面包樹果多糖提取率的影響Fig.1 Effect of temperature on polysaccharide extraction rate

由圖1可知,隨著溫度的升高,猴面包樹果多糖提取率逐漸升高,當溫度達到70℃時,猴面包樹果多糖提取率達到最大,為41.76%,之后繼續升高提取溫度,提取率趨于穩定并略有下降。隨著提取溫度的升高,多糖分子運動加快,同時可以增加溶劑的滲透能力,提取率隨之升高,但是過高的溫度可能會對多糖分子結構和生物活性產生破壞作用,因此選擇70℃為適宜的提取溫度。

2.1.2 提取時間對猴面包樹果多糖提取率的影響

固定其它參數的條件不變,考察不同提取時間對猴面包樹果多糖提取率的影響,試驗結果見圖2。

由圖2可知,隨著提取時間的延長,猴面包樹果多糖提取率逐漸升高,當提取時間為1.5 h時,多糖提取率達到最高,為41.53%,之后提取時間繼續延長,猴面包樹果多糖的提取率幾乎不變。延長提取時間,可以使更多的多糖分子滲出到提取溶劑中,但是過長的提取時間存在增加能耗的問題,對多糖的提取率也無提升效果,因此選取1.5 h為合適的提取時間。

圖2 提取時間對猴面包樹果多糖提取率的影響Fig.2 Effect of time on polysaccharide extraction rate

2.1.3 超聲功率對猴面包樹果多糖提取率的影響

固定其它參數的條件不變,考察不同超聲功率對猴面包樹果多糖提取率的影響,試驗結果見圖3。

圖3 超聲功率對猴面包樹果多糖提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on polysaccharide extraction rate

由圖3結果可以看出,隨著超聲功率的增大,猴面包樹果多糖提取率呈現先升高后降低的趨勢,當超聲功率為342 W時,多糖提取率達到最大,為42.01%,之后將超聲功率調至最大功率380 W,多糖提取率反而有小幅降低。超聲波的空化作用可以對細胞壁產生破碎作用,加速細胞內物質的溶出,但是較長時間的大功率處理,可能會對多糖的分子結構產生破壞,同時較高的功率意味著較大的能耗,因此選擇342 W的超聲功率進行后續優化試驗。

2.1.4 料液比對猴面包樹果多糖提取率的影響

固定其它參數的條件不變,考察不同料液比對猴面包樹果多糖提取率的影響,試驗結果見圖4。

圖4 料液比對猴面包樹果多糖提取率的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on polysaccharide extraction rate

由圖4結果可知,隨著料液比的減小,猴面包樹果多糖的提取率呈現先升高后緩慢降低的趨勢。當料液比為1∶30(g/mL)時,多糖提取率達到最大,為40.09%,之后隨著料液比繼續減小,提取率也隨之降低。料液比較大時,混合物的黏度較大,對超聲波有一定的阻斷作用,不利于細胞內有效物質的滲出,但是過低的料液比會加大后續濃縮過程的難度,耗時耗能,同樣會造成多糖的損失。因此,選擇料液比1∶30(g/mL)進行后續優化試驗。

2.1.5 提取次數對猴面包樹果多糖提取率的影響

固定其它參數的條件不變,考察不同提取次數對猴面包樹果多糖提取率的影響,試驗結果見圖5。

圖5 提取次數猴面包樹果多糖提取率的影響Fig.5 Effect of extraction times on polysaccharide extraction rate

由圖5可以看出,隨著提取次數的增加,猴面包樹果多糖提取率呈現出先快速升高后趨于平衡的趨勢。當提取次數達到2次時,提取率有顯著升高,達到42.18%,之后增加提取次數,猴面包樹果多糖提取率基本趨于穩定。增加提取次數,可以利用新的提取溶劑的濃度差,促進多糖的溶出,當提取次數過多時,原料中的多糖基本提取完畢,提取率達到平衡,同時過多的提取次數耗時耗能,因此選擇對猴面包樹果提取2次。

2.2 提取響應面優化試驗

2.2.1 試驗結果及方差分析

運用Box-Behnken法,設計三因素三水平的響應面優化試驗,試驗設計及結果如表2所示。

表2 Box-Behnken響應面試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experiment design and corresponding experimental values

續表2 Box-Behnken響應面試驗設計及結果Continue table 2 Box-Behnken experiment design and corresponding experimental values

運用Design Expert 8.0.5數據處理軟件對試驗數據進行回歸擬合分析,得到多糖提取率與各因素變量的二次回歸方程模型:

對該回歸模型進行方差分析,結果見表3。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Table of variance analysis of regression model

由表3可知,此模型具有極顯著性(p<0.01),失擬項不顯著(p>0.05):另外模型的 R2=0.9705,R2Adj=0.9325,信噪比S/N=13.792,模型響應值的變異系數為2.3,小于5,可知回歸方程擬合度和可信度均很高,試驗誤差較小,可以用此模型對猴面包樹果多糖的提取工藝進行分析和預測。

通過表3方差分析結果可知,各因素對猴面包樹果多糖提取率的影響大小為:料液比>提取時間>提取溫度,其中料液比對多糖提取率影響極顯著,提取時間對多糖提取率影響顯著。

2.2.2 交互作用分析及驗證試驗

響應面圖坡度的陡峭程度可以反應各因素對響應值的影響程度,坡度越陡峭說明各因素交互作用對響應值的影響越大[16]。對每兩個因素間的交互作用進行分析,其響應面圖結果見圖6~圖8。

圖6 料液比和提取溫度交互作用對多糖提取率影響的響應面圖Fig.6 Response surface methodology for the effect of solid-liquid ratio and extraction temperature on the extraction rate of polysaccharide

圖7 料液比和提取時間交互作用對多糖提取率影響的響應面圖Fig.7 Response surface methodology for the effect of solid-liquid ratio and extraction time on the extraction rate of polysaccharide

圖8 提取時間和提取溫度交互作用對多糖提取率影響的響應面圖Fig.8 Response surface methodology for the effect of extraction time and extraction temperature on the extraction rate of polysaccharide

由圖6~圖8可以看出,每兩個因素間的響應面圖均呈現為較明顯的凸球形曲面,坡度較陡峭,同時,其在平面投影的等高線圖呈現為橢圓形,說明每兩因素間交互作用顯著,而圖8對應的等高線表現為更明顯的橢圓形,說明提取時間與提取溫度的交互作用對多糖提取率的影響更加顯著,這與表2中對每兩因素間交互作用的方差分析結果一致。

通過二次回歸方程模型分析得到猴面包樹果多糖提取的最佳工藝參數為:A=0.32,B=-0.16,C=-0.03,即料液比為 1∶33.2(g/mL),提取溫度 68.4 ℃,提取時間1.485 h,此時猴面包樹果多糖的理論提取率達到45.71%。結合實際條件對工藝條件修改為料液比1∶33(g/mL),提取溫度 68 ℃,提取時間 1.5 h,超聲功率342 W,提取2次,在此條件下進行驗證試驗,得到猴面包樹果多糖的提取率為(45.03±0.76)%,與理論值相符較好。由此證明,此回歸方程擬合良好,試驗結果可靠。

2.3 猴面包樹果多糖抗氧化性能研究

2.3.1 猴面包樹果多糖對DPPH·的清除能力

按照方法1.2.6.1考察0.1 mg/mL~7.5 mg/mL質量濃度的猴面包樹果多糖和0.05 mg/mL~0.4 mg/mL的VC對DPPH·的清除能力,所得試驗結果如圖9所示。

圖9 不同濃度猴面包樹果多糖和VC對DPPH·的清除能力Fig.9 Scavenging ability of VCand polysaccharide from baobab fruit to DPPH·

由圖9可以看出,隨著質量濃度的增大,猴面包樹果多糖對DPPH·的清除率隨之升高,在濃度大于5 mg/mL后,其對DPPH·清除率的增速減慢;VC對DPPH·的清除率與濃度整體呈正相關性,當濃度高于0.2 mg/mL時,VC對DPPH·的清除率增速減緩并趨向平衡。

考察質量濃度為0.1 mg/mL~5 mg/mL的猴面包樹多糖與DPPH·清除率之間的線性關系,得到回歸方程y=15.244x+11.372,其R2=0.996,線性關系良好。根據回歸方程得到猴面包樹果多糖對DPPH·清除的半最大效應濃度(concentration for 50%of maximal effect,EC50)值為2.53 mg/mL,用同樣的方式得到 VC對DPPH·清除率的回歸方程為y=429.58x-2.94,其R2=0.998,VC對 DPPH·清除的 EC50值為 0.12 mg/mL。試驗結果表明猴面包樹果多糖對DPPH·具有良好的清除能力,但遠低于同濃度的VC對DPPH·的清除能力。

2.3.2 猴面包樹果多糖對ABTS+·的清除能力

按照方法1.2.6.2考察0.5mg/mL~15mg/mL質量濃度的猴面包樹果多糖和0.025 mg/mL~0.5 mg/mL的Trolox對ABTS+·的清除能力,所得試驗結果如圖10所示。

圖10 不同濃度猴面包樹果多糖和Trolox對ABTS+·的清除能力Fig.10 Scavenging ability of Trolox and polysaccharide from baobab fruit to ABTS+·

由圖10可以看出,在較低濃度范圍內,猴面包樹果多糖對ABTS+·的清除能力隨著濃度的增大而增強,當濃度高于12 mg/mL時,其對ABTS+·的清除率趨于平衡。Trolox對ABTS+·的清除能力隨著濃度的增大而增強,當濃度高于0.4 mg/mL時,其對ABTS+·的清除率亦趨于平衡。

對0.5 mg/mL~7.5 mg/mL范圍內的猴面包樹果多糖和0.025 mg/mL~0.25 mg/mL范圍內的Trolox與ABTS+·的清除率做線性回歸,得到回歸方程分別為y=8.871 1x+1.519 3和y=303.24x+2.398 5,其R2分別為0.997和0.998,由此得到猴面包樹果多糖和Trolox對ABTS+·的EC50分別為5.5 mg/mL和0.16 mg/mL。試驗結果表明猴面包樹果多糖對ABTS+·具有較好的清除能力,但遠低于同濃度的Trolox對ABTS+·的清除能力。

2.3.3 猴面包樹果多糖的還原能力

天然產物的還原能力是反應其抗氧化性活性的一個有效指標,并且其抗氧化活性與還原力呈正相關,還原能力越強,其抗氧化活性越強[17]。按照方法1.2.6.3考察0.5 mg/mL~10 mg/mL的猴面包樹果多糖和0.05 mg/mL~0.75 mg/mL的VC的還原能力,試驗結果如圖11所示。

反應體系在700 nm處的吸光值越大,則對應樣品的還原能力越強。由圖11可以看出,在所設濃度范圍內,猴面包樹果多糖還原能力隨濃度升高而增強。VC在濃度低于0.5 mg/mL范圍內呈現同樣的趨勢,其后增大VC的濃度,在本方法的底物濃度范圍內,其還原能力達到平衡。10 mg/mL的猴面包樹果多糖的還原能力和0.1 mg/mL的VC的還原能力基本一致。試驗結果表明猴面包樹果多糖具有良好的還原能力,從而證明了其較好的抗氧化活性。

圖11 不同濃度猴面包樹果多糖和VC的還原能力Fig.11 Reducing ability of polysaccharide from baobab fruit and VCin different concentrations

3 結論

探索將超聲波輔助提取技術應用于猴面包樹果多糖的提取中,通過單因素試驗和響應面優化試驗獲得了超聲波輔助提取猴面包樹果多糖的最佳工藝條件為:料液比 1∶33.2(g/mL),提取溫度 68 ℃,提取時間1.5 h,超聲功率342 W,提取2次,在此條件下,多糖提取率達到(45.03±0.76)%,因此,通過響應面優化模型獲得的最佳提取工藝條件,其數據可靠。

考察了猴面包樹果多糖的抗氧化性能,分別通過DPPH·清除試驗、ABTS+·清除試驗和還原能力試驗進行測定。在所設濃度范圍內,猴面包樹果多糖對DPPH·的清除能力與質量濃度呈正相關性,其對DPPH·的EC50為2.53 mg/mL;猴面包樹果多糖對ABTS+·的清除能力隨質量濃度的升高而增強,其對ABTS+·的EC50為5.5 mg/mL;猴面包樹果多糖的還原能力隨質量濃度升高而增強,10 mg/mL的猴面包樹果多糖和0.1 mg/mL的VC的還原能力基本一致。試驗結果表明猴面包樹果多糖具有良好的抗氧化活性。

綜上所述,本試驗通過超聲波輔助提取法制備猴面包樹果多糖,獲得了最佳提取工藝,并對多糖的抗氧化活性進行研究,證明了其良好的抗氧化性能。鑒于目前對猴面包樹果多糖的研究較少,本試驗結果可以為猴面包樹果多糖的進一步研究及更廣泛地開發利用提供數據參考。

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