山葡萄皮花青素超聲波輔助提取及抗氧化活性研究

（黑龍江民族職業(yè)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150066）

山葡萄為葡萄科葡萄屬植物，主要種植在我國的東北地區(qū)，其種植資源豐富、抗寒性強(qiáng)、葡萄皮花青素含量高等特點(diǎn)[1]。當(dāng)前市面上以葡萄為原料的產(chǎn)品主要有葡萄酒、葡萄果汁，因其具有獨(dú)到的風(fēng)味和滋補(bǔ)養(yǎng)身等功效備受人們的喜愛。葡萄皮作為生產(chǎn)葡萄酒和葡萄果汁的副產(chǎn)物（占整個葡萄的10%）被大量遺棄，不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，而且還污染環(huán)境。目前，如何將副產(chǎn)物變廢為寶以及如何提高副產(chǎn)物利用率已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

葡萄皮中含有大量的花青素，花青素屬于類黃酮類的化合物，是一種安全綠色的天然色素。研究表明：花青素具有抗氧化[2]、抗菌消炎[3]、保護(hù)心腦血管[4]以及緩解視疲勞[5]等功效。如何高效地從葡萄皮中提取花青素是科研工作者備受關(guān)注的問題。目前對花青素的提取主要采用熱浸提法[6]、微波輔助提取法[7]、高壓脈沖電場法[8]、超聲波提取法[9]。其中超聲波提取是一種新型的植物活性成分提取技術(shù)，它是利用超聲波的空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)加速細(xì)胞壁破裂，減小花青素?cái)U(kuò)散阻力，使細(xì)胞內(nèi)的花青素更容易從細(xì)胞中擴(kuò)散到周圍溶劑，從而有效提高了花青素得率[10]。李大婧等[11]采用超聲波技術(shù)從萬壽菊中提取葉黃素，研究發(fā)現(xiàn)葉黃素的得率高達(dá)97%。李山等[12]采用超聲波輔助提取花生殼中的黃色素結(jié)果超聲波提取能顯著提高黃色素的得率。黃靜等[13]對比不同提取方式對萬年蒿總黃酮得率的影響，研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取得到的總黃酮明顯高于其它提取方式。但超聲波提取山葡萄皮花青素的研究未見報道，為了提高山葡萄皮的利用率，本文采用超聲波輔助提取山葡萄皮花青素，通過單因素試驗(yàn)探究超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比對花青素得率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化出超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的工藝參數(shù)，為以后更深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

山葡萄：哈爾市香坊農(nóng)產(chǎn)提供；香草醛、濃鹽酸、甲醇、無水乙醇、水楊酸：均為分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼 （1，1'-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）：美國 Sigma公司；抗壞血酸、過硫酸鉀：美國Fisher公司。

1.2 設(shè)備與儀器

AB204-S型電子分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KQ600DB超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV-1700分光光度計(jì)：日本島津公司；DRYER真空冷凍干燥器：德國西門子公司；LG10-2.4A離心機(jī)：北京京立離心機(jī)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 山葡萄皮的預(yù)處理

挑選成熟度均一的山葡萄，經(jīng)除雜、清洗、去除果肉，將葡萄皮置于真空冷凍干燥機(jī)凍干，然后用粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，制成葡萄皮粉末，避光密封保存在4℃冰箱中備用。

1.3.2 山葡萄皮花青素提取

準(zhǔn)確稱取2.00 g山葡萄皮粉置于萃取容器中，加入試驗(yàn)預(yù)先確定體積和濃度的乙醇作為萃取劑來構(gòu)建萃取體系。將萃取體系置于超聲波中，設(shè)定超聲波功率為400 W～800 W間隔為100 W，超聲溫度為30℃～70℃，超聲30 min。超聲結(jié)束后，將提取液4 000 r/min離心15 min，將上清液和渣液分離，將渣液用預(yù)先設(shè)定濃度的乙醇洗滌直到渣液無色，合并渣液和上清液得最終花青素提取液，采用紫外分光光度法，在500 nm處測定提取液的OD值，計(jì)算出花青素得率。

1.3.3 山葡萄皮花青素得率的計(jì)算

準(zhǔn)確稱取0.02 g花青素標(biāo)準(zhǔn)品，用60%酸化乙醇溶解并定容至50 mL容量瓶中，然后分別準(zhǔn)確取0.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0 mL的標(biāo)準(zhǔn)液，然后用 60%酸化乙醇定容至10 mL，分別從10 mL中各取1 mL置于10 mL具塞的比色管中（另取60%酸化乙醇液為對照液），分別加入5 mL顯色劑，搖勻，避光，在30℃恒溫水浴鍋中保持30 min，保溫比色，在500 nm波長處，測定吸光值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=0.831 6C-0.035 1，R2=0.999 8。

花青素得率的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：C為花青素濃度，mg/mL；V為定容體積，mL；n為稀釋倍數(shù)；W試樣質(zhì)量，g。

1.3.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇乙醇作為提取溶劑，超聲波作為提取方法。以2.00山葡萄粉為提取對象，對超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度、料液比4個因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，討論它們對花青素萃得率的影響。其中超聲波功率設(shè) 400、500、600、700、800 W 5 個水平；超聲溫度設(shè) 30、40、50、60、70 ℃ 5個水平；乙醇濃度設(shè)40%、50%、60%、70%、80%5個水平；料液比設(shè)1 ∶10、1 ∶20、1∶30、1 ∶40、1 ∶50（g/mL）5 個水平。所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗(yàn)所得的平均值。

1.3.5 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比作為試驗(yàn)因素，以花青素得率為目標(biāo)值。根據(jù)Box-Behnken組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，優(yōu)化出超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的工藝。因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼表Table 1 Factors，levels and coding table of test design

采用響應(yīng)面分析法得到的二次回歸模型如下：

式中：b0為截距回歸系數(shù)；bi為線性回歸系數(shù)；bii為交互項(xiàng)的回歸系數(shù)；bij為交互項(xiàng)的回歸系數(shù)；Xi，Xj為自變量。

1.4 山葡萄皮花青素抗氧化能力的測定

1.4.1 DPPH自由基清除率的測定

參照封燕等[14]的方法并略作改動。將最優(yōu)工藝得到山葡萄皮提取液配制成質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL～0.5 mg/mL的樣品液，每個樣品液取2 mL，然后分別加入2.8 mLDPPH溶液并將其充分混合，避光室溫下放置30 min，在517 nm處分別測定其吸光值。以無水乙醇溶液代替樣品溶液作對照，按照式（3）計(jì)算DPPH自由基的清除率。抗壞血酸對DPPH自由基清除率的測定同上述操作。

式中：A樣品為山葡萄皮提取液的吸光度；A對照為抗壞血酸的吸光度。

1.4.2 ·OH清除率的測定

參照呂春茂等[15]的方法并稍作修改。將最優(yōu)工藝得到山葡萄皮提取液配制成質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL～0.5 mg/mL的樣品液，分別取樣品液1 mL置于5個10 mL具塞比色管中，然后加入1 mL 8.8 mmol/L H2O2、1 mL 10 mmol/L FeSO4、1 mL 10 mmol/L 水楊酸-乙醇，在37℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)30 min，以蒸餾水代替樣品溶液作對照，在510 nm處測定其吸光值，按照式（4）計(jì)算·OH的清除率。抗壞血酸對·OH清除率的測定同上述操作。

式中：ΔA為加入花色苷與未加花色苷吸光值之差；A對照為抗壞血酸的吸光度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

對每一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（ANOVA）；采用SAS8.0（SAS Institute Inc.，NC，USA）軟件分析結(jié)果的顯著差異；SigmaPlot12.5 （SPSS，Inc.，Chicago，US）進(jìn)行單因素作圖；采用Design Expert ver8.0（SAT-EASE，Inc.，Last September，UK）軟件設(shè)計(jì)組合試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波提取條件對山葡萄皮花青素得率影響規(guī)律

為了確定組合試驗(yàn)各因素取值范圍和研究超聲波功率、超聲時間、乙醇濃度、料液比4個因素對山葡萄皮花青素得率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同因素對花青素得率的影響Fig.4 Effects of different factors on the yield of anthocyanins

由圖1（A）可知，隨超聲波功率的增加，花青素得率呈現(xiàn)先顯著增加后顯著降低的趨勢（p<0.05）。當(dāng)超聲波功率在400 W～600 W時，隨著超聲波功率的增加花青素得率顯著增加（p<0.05），當(dāng)超聲波功率在600 W時，花青素的得率最大（80.21%）。這是由于隨超聲波功率的增加，超聲波所產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械震動效應(yīng)增強(qiáng)，在萃取液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，引起山葡萄皮細(xì)胞壁破裂，使細(xì)胞內(nèi)花青素傳質(zhì)阻力顯著降低，有效增加溶劑對花青素的傳質(zhì)作用，進(jìn)而促進(jìn)花青素從山葡萄皮細(xì)胞中快速釋放出來[16]。因此，花青素得率隨超聲波功率的增而顯著提高。但當(dāng)超聲波功率在600 W～800 W時，隨著超聲波功率的增加花青素得率顯著降低（p<0.05）。其原因是超聲波功率過高，超聲波所產(chǎn)生的高強(qiáng)度空化作用一方面破壞花青素結(jié)構(gòu)，同時也增加了超聲波裝置的負(fù)擔(dān)[17]。另一方面引起非活性成分雜質(zhì)的溶解，減小了花青素溶解。因此，花青素得率顯著降低。綜合考慮，選擇超聲波功率為500、600、700 W作為后續(xù)組合試驗(yàn)的因素水平。

由圖1（B）可知，花青素得率隨超聲溫度的增加呈現(xiàn)先顯著增加后顯著降低的趨勢（p<0.05）。當(dāng)超聲溫度在30℃～50℃時，隨著超聲溫度的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。當(dāng)超聲溫度在50℃時，花青素的得率最大（80.45%）。這是由于隨超聲溫度的增加，溶劑滲透作用增強(qiáng)，粘度降低，花青素溶解度增加，傳質(zhì)系數(shù)增加，阻力降低，更有利于花青素從山葡萄皮中溶出，從而使花青素得率顯著增加。但當(dāng)超聲溫度在50℃～70℃時，花青素得率隨超聲溫度的增加而顯著降低（p<0.05）。原因是花青素屬于熱敏性成分，高溫一方面會加大超聲波的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。另一方面高溫破壞花青素與糖分子形成的糖苷鍵[18]，引起花青素呈指數(shù)形式降解[19]，結(jié)果使花青素得率顯著降低。綜合考慮，選擇超聲溫度為40、50、60℃作為后續(xù)組合試驗(yàn)的因素水平。

由圖1（C）可知，花青素得率隨乙醇濃度的增加呈現(xiàn)先顯著增加后降低的趨勢（p<0.05）。當(dāng)乙醇濃度在40%～60%時，隨著乙醇濃度的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。原因是由于隨乙醇濃度的增加，花青素在溶劑中的溶解度增加，有利于傳質(zhì)。當(dāng)乙醇濃度在60%時，此時溶劑的極性和花青素極性相似，根據(jù)相似相容原理，花青素溶解度達(dá)到最大，得率最高[20]。當(dāng)乙醇濃度在60%～80%時，隨乙醇濃度的增加，花青素得率顯著降低（p<0.05）。一方面是由于高濃度乙醇易溶解醇溶性、色素和親脂性強(qiáng)的雜質(zhì)，其成分與花青素競爭乙醇-水分子，使得花青素溶出量降低，進(jìn)而導(dǎo)致花青素萃取率降低[21]。另一方面，高濃度的乙醇破壞花青素-蛋白質(zhì)和花青素-纖維素之前的氫鍵和疏水鍵[22]，破壞花青素結(jié)構(gòu)，因此花青素萃得率降低。綜合考慮，選擇乙醇濃度為50%、60%、70%作為后續(xù)組合試驗(yàn)的因素水平。

由圖1（D）可知，花青素得率隨料液比的增加呈現(xiàn)先顯著增加后降低的趨勢（p<0.05）。當(dāng)料液比在1 ∶10（g/mL）～1 ∶30（g/mL）時，隨料液比的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。原因是由于隨料液比的增加，細(xì)胞內(nèi)外濃度差增大，傳質(zhì)驅(qū)動力增加，花青素易于從細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散出來，從而使花青素得率增加[23]。但是當(dāng)料液比在 1 ∶30（g/mL）～1 ∶50（g/mL）時，花青素得率隨料液比的增加呈緩慢降低的趨勢。其原因是溶劑過大，吸收超聲波能量增加，而空化泡對能量吸收相應(yīng)降低，細(xì)胞壁破裂不明顯，傳質(zhì)阻力大，不利于花青素從細(xì)胞中擴(kuò)散出來。另外溶劑過大，會對后續(xù)提取物的濃度帶來很大的工作量。因此，綜合考慮，選擇料液比為 1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40（g/mL）作為后續(xù)組合試驗(yàn)的因素水平。

2.2 山葡萄皮花青素提取工藝優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

確定響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取山葡萄皮花青素最佳工藝條件，所得的試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2。

以花青素得率Y為響應(yīng)值，對試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到山葡萄皮花青素得率對A（超聲波功率）、B（超聲溫度）、C（乙醇濃度）和D（料液比）的回歸方程：

表2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

續(xù)表2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Conyinue table 2 Experimental design and results of response surface methodology

對回歸方程系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，方程一次項(xiàng)中B、C為極顯著因素，A為顯著因素，D為不顯著，因素對山葡萄皮花青素得率影響的主次順序?yàn)?B＞C＞A＞D；方程二次項(xiàng)中 A2、B2、C2、D2均為極顯著因素；各交互項(xiàng)AB、AC、AD為極顯著因素，其余均不顯著。結(jié)果表明試驗(yàn)因素對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，模型中（p＜0.001），多元回歸關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.908 5、模型的變異系數(shù)C.V.=0.562 9，失擬項(xiàng)為 0.427 2（p＞0.05），失擬不顯著，說明方程擬合充分，回歸方程高度顯著，可以較好地描述各因素與響應(yīng)值的真實(shí)關(guān)系，利用該回歸方程可以確定優(yōu)化超聲波輔助提取山葡萄皮的最佳工藝條件。

表3 超聲波輔助提取山葡萄皮花青素回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)報告Table 3 Ultrasonic assisted extraction of mountain grape skins green significant test report in regression coefficient

續(xù)表3 超聲波輔助提取山葡萄皮花青素回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)報告Continue table 3 Ultrasonic assisted extraction of mountain grape skins green significant test report in regression coefficient

2.2.2 山葡萄皮花青素得率的響應(yīng)面分析

依據(jù)響應(yīng)曲面得到的回歸方程，建立花青素得率與試驗(yàn)因素的三維空間的曲面圖，確定最大花青素得率條件。各試驗(yàn)因素對花青素得率的交互影響見圖2。

如圖2所示，各圖表示超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比任意兩個變量取零水平時，其余兩個變量對山葡萄皮花青素得率的影響。這些圖可以直觀發(fā)映出各因素對花青素得率的影響，確定最佳提取花青素的工藝參數(shù)范圍區(qū)間以及各參數(shù)之間的相互作用。

圖2 各試驗(yàn)因素對花青素得率的交互影響Fig.2 Interactive effects of different test factors on yield of anthocyanin

根據(jù)表3中方差分析的結(jié)果可知，超聲波功率和超聲溫度、超聲波功率和乙醇濃度以及超聲波功率和料液比的交互作用對花青素得率均呈現(xiàn)極顯著影響（p＜0.001），其余因素的交互作用對花青素得率影響均不顯著（p＞0.05）。綜合圖1（A～F）可知，當(dāng)超聲波功率在550 W～650 W，超聲溫度在4 5℃～55℃，乙醇濃度55%～65%和料液比在 1∶25（g/mL）～1∶35（g/mL）時，山葡萄皮花青素有較高的得率。在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高超聲波功率，利用超聲波的空化效應(yīng)，有利于花青素溶出，但當(dāng)超聲波功率高于650 W時，超聲波強(qiáng)烈的空化作用破壞花青素結(jié)構(gòu)，不利于花青素提取。在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高超聲溫度，能提高傳質(zhì)系數(shù)，降低溶劑粘度，有利于花青素溶出，但當(dāng)超聲溫度高于55℃時，高溫使花青素大量降解，顯著降低花青素得率。當(dāng)乙醇濃度在55%～65%時，適當(dāng)增加乙醇濃度，使提取液溶解花青素濃度增強(qiáng)，在乙醇濃度為60%時，花青素溶解度達(dá)到最大，此時花青素萃取率也達(dá)到最大值。當(dāng)乙醇濃度高于65%，溶解花青素能力降低，引起花青素得率降低。當(dāng)料液比低于1∶25（g/mL）時，固液界面的濃度梯度較低，不利于花青素?cái)U(kuò)散和溶解，使得花青素得率較低。當(dāng)料液比在高于1∶35（g/mL）時，過多溶劑不利于后期提取液濃縮，給后續(xù)試驗(yàn)增加難度，不利于花青素提取。

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過Design Expert軟件對式（3）的回歸方程分析，得到最佳提取條件：超聲波功率580.78 W、超聲溫度 48.36℃、乙醇濃度 57.65%、料液比 1∶28.72（g/mL），花青素萃取率的理論值86.33%，為了驗(yàn)證該方法的可靠性，考慮實(shí)際情況，將最佳工藝參數(shù)修正為：超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL），在此條件下進(jìn)行花青素得率的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，平均值為83.17%，理論值和試驗(yàn)值的相對誤差為3.66%。說明模型可以較好地模擬和預(yù)測山葡萄皮花青素得率，從而也證明了采用響應(yīng)面法優(yōu)化花青素提取條件參數(shù)的可行性。

2.3 山葡萄皮花青素抗氧化活性

在超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL）下獲得的山葡萄皮花青素進(jìn)行抗氧化活性測定并以抗壞血酸作對照，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲波輔助提取后花青素抗氧化活性Fig.3 Antioxidant activity of anthocyanin after ultrasonic assisted extraction

由圖3（A）可知，隨花青素提取液濃度的增加，對DPPH自由基清除能力顯著增加（p＜0.05），且高于抗壞血酸VC。其原因可能是由于花青素提取液濃度越大，單位體積內(nèi)花青素B環(huán)酚羥基數(shù)目越大，B環(huán)中的酚羥基作為主要的還原部位，在氧化過程中，B環(huán)酚羥基作為供氫體可以與氧化過程中產(chǎn)生的DPPH自由基發(fā)生反應(yīng)，自身形成的自由基可以通過分子內(nèi)氫鍵、半醌式自由基等形式得以穩(wěn)定，從而中斷自由基鏈的反應(yīng)[24]。因此，隨花青素提取液濃度的增加DPPH自由基的清除率顯著增加。

由圖3（B）可知，隨花青素提取液濃度的增加，對·OH清除能力顯著增加（p＜0.05），且高于抗壞血酸VC。這是由于花青素提取液濃度越大，更利于脫氫形成供氫體，當(dāng)機(jī)體在發(fā)生氧化還原產(chǎn)生過量的羥基自由基時，花青素作為供氫體更易于過量的羥基自由基結(jié)合，從而保護(hù)機(jī)體免受·OH的損壞[25]。

3 結(jié)論

1）通過響應(yīng)曲面法建立了以山葡萄花青素得率為響應(yīng)值，以超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比為試驗(yàn)因素的數(shù)學(xué)模型Y=80.64-1.65A+2.42B+2.33C-1.00D+5.47AB+3.87AC+5.62AD+0.49BC-0.48BD+1.14CD-4.16A2-3.10B2-4.23C2-4.38D2，R2=0.908 5，說明可以利用該回歸方程確定超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的最佳工藝條件。因素對花青素得率影響的主次順序?yàn)槌暅囟龋疽掖紳舛龋境暡üβ剩玖弦罕取?/p>

2）經(jīng)響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波輔助提取山葡萄皮花青素最佳的工藝參數(shù)為：超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL）。在此條件下，理論花青素得率為86.33%，試驗(yàn)條件下花青素得率的平均值為83.17%，理論值和試驗(yàn)值相對誤差3.66%。

3）在最優(yōu)工藝條件下，對山葡萄皮花青素進(jìn)行抗氧化活性試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨花青素濃度的增加，對DPPH自由基和·OH的清除率顯著增加且高于抗壞血酸VC。

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