內部沸騰法提取火龍果果皮多糖工藝優化

鄭韻英,黃瓊慧,嚴業雄,李水源,顏榮森,鐘書明,尹艷鎮

(1.欽州學院石油與化工學院,廣西欽州 535099;2.欽州學院石油與化工學院,欽州市生物廢棄物資源富硒功能化利用重點實驗室,廣西欽州 535000)

火龍果是一種高維生素,低糖類,低脂肪的,一高兩低的水果[1],目前,在我國廣泛種植于廣東、廣西、海南、福建等地[2]。火龍果營養價值極高,果肉鮮美甘甜,果皮肉質化,富含多糖等生理活性物質,多糖具有清除自由基、抗疲勞、抗炎等生理功能,并且在抑制腫瘤、抗氧化性、抗凝血、調節免疫力等方面發揮重要作用[3-6]。火龍果果皮也同樣含有多糖等多種生理活性成分[7],然而在日常食用及食品加工過程中,果皮往往會被忽略,火龍果果皮約占整個果重的25%[8],若將其充分利用,可使火龍果資源得到更加合理的開發與利用,有效提高火龍果的經濟附加值。

目前,國內外以火龍果果皮為主要原料提取其有效成分的研究報道較多,如提取黃酮[9]、花青素[10]、膳食纖維[11]、果膠[12]等,而針對火龍果果皮多糖提取工藝的研究尚未見到。內部沸騰提取技術是一項快速、高效而且在天然產物提取有較好效果的實驗方法,目前該方法廣泛應用于植物有效活性成分的提取[13-14]。文獻[15-18]采用內部沸騰法提取多糖均取得很好的效果,同時也表明了該方法具有用時短、雜質少、效果好、收率高和操作簡單等優勢。本實驗以紅皮白肉火龍果的果皮為實驗材料,因多糖屬于極性大分子,呈弱酸性,所以常選用水,乙醇等極性較強的溶劑進行提取[19],因此本實驗優選用乙醇作為解吸劑,水作為提取劑,以火龍果果皮中多糖提取率為考察指標,采用內部沸騰法提取火龍果果皮多糖,在單因素設計的基礎上設計正交實驗優化火龍果果皮多糖提取工藝條件,為火龍果果皮的保健功能及藥用功能開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火龍果,紅皮白肉橢圓形,外表鱗片狀,單果質量約350 g 廣西欽州市火龍果山莊種植基地;葡萄糖、硫酸、苯酚 國藥集團化學試劑有限公司,以上化學試劑均為分析純試劑。

SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵 鄭州長城儀器有限公司;LGJ-10C真空冷凍干燥機 北京四環科學儀器廠有限公司;RE-52A型旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;M20研磨機 德菲科儀;UV-1950紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;BPZ-6090LC真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;HR/T16臺式高速冷凍離心機 湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 火龍果果皮的制備方法 新鮮的火龍果去除果肉后,將果皮用水洗凈后晾干表面水分,切成小塊后冷凍干燥,將干燥的火龍果果皮粉碎后過80目分子篩,備用。

1.2.2 標準曲線的制作 采用苯酚-硫酸法[15],首先將葡萄糖放置105 ℃干燥箱內干燥至恒重,而后精確稱量已恒重的葡萄糖0.0152 g,將其溶解配制為100 mL葡萄糖溶液,于6支比色管中分別吸取該溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL,加水補充至2.0 mL,再加1.0 mL 5%苯酚溶液,迅速加入濃硫酸5.0 mL,搖勻,靜置20 min,冷卻至室溫,以空白為對照,在490 nm的波長下測定其吸光度,以吸光度為縱坐標,葡萄糖濃度為橫坐標,繪制標準曲線,得回歸方程為:Y=0.671X-0.0005,R2=0.9997。

圖1 多糖標準曲線Fig.1 Standard curve of polysaccharide

1.2.3 火龍果果皮多糖的提取及計算 首先準確稱量1.00 g火龍果果皮干粉,加入一定量一定濃度的乙醇解吸劑解吸一段時間,然后加入一定溫度一定體積的水放置一定的時間,提取兩次,減壓抽濾,得到提取液并稀釋至100 mL,準確移取1.00 mL上述稀釋液至25 mL容量瓶中稀釋定容,備用。從上述25 mL容量瓶中準確移取1.00 mL稀釋液置于25 mL比色管中,然后依次在比色管中加入1.0 mL蒸餾水,加入1.00 mL 5%苯酚溶液,搖勻,迅速加入5.00 mL濃硫酸,蓋上塞,搖勻,在室溫顯色20 min,以空白作為對照,于490 nm處測定其吸光度,根據標準回歸方程計算總糖質量濃度,按式(1)計算總糖含量,按式(2)計算火龍果果皮多糖提取率[19]:

式中,W總為火龍果果皮總糖質量,g;C為火龍果果皮提取液濃度,mg/mL;W為火龍果果皮樣品質量,g;E為火龍果果皮多糖提取率,%。

1.2.4 內部沸騰法提取火龍果果皮多糖的工藝

1.2.4.1 解吸劑濃度的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末于燒杯中,加入5.0 mL 50%、60%、70%、80%、90%乙醇解吸15 min,然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.2 解吸劑用量的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末于燒杯中,加入5.0 mL 80%乙醇3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 mL,充分解吸25 min,然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶ 25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.3 解吸時間的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入80%乙醇解吸劑5.0 mL,放置10、15、20、25、30 min進行解吸。然后迅速加入溫度為90 ℃的蒸餾水25.0 mL即料液比為1∶25 (g/mL),恒溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.4 提取溫度的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL 80%乙醇解吸15 min,然后迅速加入25.0 mL溫度為60、70、80、90、100 ℃的蒸餾水即料液比為1∶25 (g/mL),在恒溫的條件下提取6 min,提取2次。

1.2.4.5 料液比的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL80%乙醇解吸15 min,然后按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 (g/mL)的用水量迅速加入其中,在溫度為90 ℃的條件下溫提取6 min,提取2次。

1.2.4.6 提取時間的影響 準確稱取1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL80%乙醇解吸15 min,料液比為1∶25 (g/mL),在溫度為90 ℃的條件下恒溫提取4、5、6、7、8 min,提取2次。

1.2.5 正交實驗設計 根據單因素的實驗,選取對火龍果多糖提取率影響較為明顯的三個因素(解吸劑濃度、料液比及提取溫度)設計L9(33)即3因素3水平正交實驗,詳見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 驗證實驗 根據實驗結果,于100 mL燒杯中放入1.00 g火龍果果皮粉末,加入5.0 mL濃度為80%的乙醇解吸15 min,然后再加入90 ℃ 25.0 mL的蒸餾水恒溫提取6 min。提取兩次。

1.3 數據統計分析

采用正交設計助手ⅡV3.1軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 內部沸騰法提取火龍果果皮多糖的工藝條件

2.1.1 解吸劑濃度對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖2可知,解吸劑濃度(即乙醇的濃度)在50%～80%之間,火龍果果皮多糖提取率逐漸升高,當解吸劑濃度為80%時,火龍果果皮提取率達到最大值,當解吸劑濃度繼續升高,提取率下降。根據有機物相似相容原理,60%～80%的乙醇滲透植物細胞壁的能力是最好的,而80%乙醇溶液能充分滲透火龍果果皮細胞壁,使火龍果果皮多糖得以充分解吸,當乙醇濃度過高時,水溶性多糖易形成沉淀,多糖溶解度變小,解吸不充分,從而導致火龍果果皮多糖提取率下降。因此選擇解吸劑濃度為80%乙醇。

圖2 解吸劑濃度對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.2 The effect of releasing concentration on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.2 解吸劑用量對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖3可知,隨著解吸劑用量的不斷提高,火龍果果皮多糖提取率不斷增加,當用量達到5 mL以后,火龍果果皮多糖提取率上升非常緩慢,趨于平穩。原因可能是:解吸劑用量少時,溶劑滲透物料內部不完全,解吸不充分,影響多糖分子的溶出;當解吸劑用量達到5.0 mL時,解吸劑完全滲透火龍果果皮物料內部,有利于多糖分子充分溶出,提取率較高,繼續增加解吸劑的用量,火龍果果皮多糖提取率沒有明顯增加。因此,從節約資源的角度考慮,選擇解吸劑用量為5.0 mL。

圖3 解吸劑用量對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.3 The effect of releasing amount on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.3 解吸時間對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖4可以看出,解吸時間在10～15 min時間段內,提取率增加很快,當解吸時間達到15 min時,提取率最高,15 min以后火龍果果皮多糖提取率趨于平穩。原因可能是:溶劑與物料之間的作用時間短,溶劑未能充分滲透果皮細胞壁,將火龍果果皮內部多糖成分充分解吸,從而影響多糖提取率。隨著時間的增加,滲透越來越充分,解吸更充分,火龍果果皮多糖溶出越來越多,提取率越來越高,15 min提取率達到最大,再增加時間提取率基本不變。因此選擇解吸時間為15 min。

圖4 解吸時間對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.4 Releasing time on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.4 料液比對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖5可以看出,火龍果果皮提取率先隨著用水量的增加而升高而后趨于恒定,原因可能是用水量逐漸增加,遺留在火龍果果皮內部的糖分逐漸減少,多糖提取率逐漸升高,當用水量為物料的25倍,即料液比為1∶25 (g/mL)時,提取率最高,提取已基本完成,再增加用水量,火龍果果皮提取率趨于平穩。因此選擇料液比為1∶25 (g/mL)。

圖5 料液比對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.5 Effect for ratio of material to solution on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.5 提取溫度對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖6可知,火龍果果皮多糖提取率隨著溫度的上升而升高,當提取溫度升至90 ℃時,提取率達到最高值,再繼續升高溫度,火龍果果皮多糖提取率反而下降了。原因可能是:溫度較低,多糖溶出較為困難[20],導致物料內部多糖分子擴散較難,從而影響提取率;而溫度較高,物料內部沸騰迅速,分子擴散時間短,火龍果果皮多糖未能及時溶出,提取過程已結束,同時溫度過高,多糖也會因其熱不穩定性而產生分解[21],從而導致提取率下降,因此選擇提取溫度為90 ℃。

圖6 提取溫度對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.6 The effect of extraction temperature on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.1.6 提取時間對火龍果果皮多糖提取的影響 由圖7可以看出,火龍果果皮多糖的提取率隨著時間的增加而增加之后趨于平穩,主要原因是提取時間短,反應體系分子間相互作用不充分,提取效果差,當提取時間達到6 min時,物料分子間已充分接觸,提取充分,火龍果果皮多糖提取率高。隨延長時間,提取率基本不變,從節約時間的角度考慮,選擇提取時間為6 min。

圖7 提取時間對火龍果果皮多糖提取率的影響Fig.7 The effect of extraction time on extraction rate of polysaccharide from pitaya peel

2.2 正交實驗結果

綜合單因素實驗結果,在解吸過程中選取解吸劑用量為5 mL,解吸時間15 min,在提取的過程中選取提取時間為6 min,通過L9(33)正交實驗,考察解吸劑濃度、提取溫度、料液比三個因素對火龍果果皮多糖提取的影響,結果見表2。

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal test

由正交實驗結果可以看出,影響火龍果果皮多糖提取率的因素由大到小的順序依次為:提取溫度、解吸劑濃度、料液比。綜合單因素及正交實驗結果分析,可得最佳工藝條件為:A2B2C2,即解吸劑濃度80%、料液比為1∶25 (g/mL)、提取溫度90 ℃。

2.3 驗證實驗結果

根據最優的提取工藝條件,進行三次平行實驗,求取平均值,結果見表3。

表3 驗證實驗Table 3 Verification test

由表3可以看出,平行三次實驗結果得到火龍果果皮多糖提取率為5.81%,實驗表明,內部沸騰法提取火龍果果皮多糖具有穩定性和可行性。

3 結論

采用內部沸騰法提取火龍果果皮多糖,首先考察解吸過程和提取過程中6個單因素對火龍果果皮多糖提取工藝的影響,然后根據單因素的實驗結果進行正交設計實驗,最后通過平行實驗驗證。結果表明內部沸騰法提取火龍果果皮多糖的最佳工藝參數為:解吸劑濃度為80%乙醇、解吸劑用量為5 mL/g、解吸時間為15 min、提取溫度為90 ℃、料液比為1∶25 (g/mL)、提取時間為6 min。在該條件下火龍果果皮多糖提取率為5.81%。內部沸騰法提取火龍果果皮多糖,所用時間比較短、而且提取液中雜質含量少,有機溶劑用量極少,極大地減少對環境的污染,提取收率高,所需實驗設備簡單,設備投資小,節約經費開支,為火龍果果皮的進一步開發應用提供理論基礎。

[1]楊明,胡文娥,吳壽中.微波輔助提取火龍果果皮中果膠工藝[J].食品研究與開發,2012,33(2):55-58.

[2]楊志娟,曾真,吳曉萍.火龍果果皮原花青素提取純化及定性分析[J].食品科學,2015,36(2):75-79.

[3]Dong C X,Hayashi K,Mizukoshi Y,et al. Structures of acidic polysaccharides fromBasellarubraL. and their antiviral effects[J]. Carbohydr Polym,2011,84(3):1084-1092.

[4]Zhang M,Cui S W,Cheung P C K,et al. Antimumor polysaccharides from mushrooms:A review on their isolation process,structural characteristics and antitumor activity[J]. Trends Food Sci Tech,2007,18(1):4-19.

[5]Majdoub H,Mansour M B,Chaubet F,et al. Anticoagulant activity of a sulfated polysaccharide from the green alga Arthrospira platensis[J]. Biochim Biophys Acta,2009,1790(10):1377-1381.

[6]Luo Q,Sun Q,Wu L S,et al. Structural characterization of an immunoregulatory polysaccharide from the fruiting bodies of Lepista sordida[J]. Carbohydr Polym,2012,88(3):820-824.

[7]黃梅華,何全光,淡明,等. 火龍果果皮乳酸菌發酵產品體外抗氧化能力研究[J]. 食品工業科技,2017,38(17):70-74,79.

[8]王雪,丁金龍,黃葦,等.火龍果果皮中果膠的提取及其結構研究[J].中國食品添加劑,2015(3):102-106.

[9]王曉波,鐘嬋君,劉冬英,等.火龍果果皮總黃酮對油脂抗氧化作用的研究[J].食品研究與開發,2012,33(3):19-23.

[10]馬冰雪,潘騰,任中清,等.火龍果果皮花青素提取工藝研究[J]. 北京農業,2013(12):213-215.

[11]張玉鋒,孫麗平,莊永亮,等.火龍果果皮中膳食纖維含量及其物理化學特性[J].食品科學,2012,33(19):164-167.

[12]劉倩倩.超聲波輔助提取火龍果果皮中水溶性膳食纖維工藝研究[J].食品工業科技,2015,36(18):257-260,266.

[13]鄭韻英,童張法,韋滕幼. 內部沸騰法提取銀葉樹葉中總黃酮的研究[J].廣西大學學報:自然科學版,2013,38(3):527-531.

[14]曾淼洋,韋藤幼,童張法. 加酸內部沸騰法提取氯化兩面針堿及其純化研究[J].高校化學工程學報,2014,28(4):719-724.

[15]陳曉光,韋藤幼,彭夢微,等.內部沸騰法提取香菇多糖的工藝優化[J].食品科學,2011,32(10):31-34.

[16]翁艷英,韋藤幼,童張法.內部沸騰法提取三七多糖的研究[J]. 時珍國醫國藥,2011,22(6):1435-1436.

[17]溫擁軍,蔣瓊鳳,郭浪.響應面法優化內部沸騰法提取三七多糖[J]. 食品工業科技,2013,34(23):260-263.

[18]許英偉,肖小年,劉劍青,等. 響應面法優化內部沸騰法提取生米藠頭多糖[J]. 南昌大學學報：理科版,2012,36(5):449-452.

[19]蔡錦源,許金蓉,孫松,等. 響應面法優選火龍果多糖的微波提取工藝研究[J].河南工業大學學報：自然科學版,2015,36(3):65-70.

[20]張淑杰,康玉凡. 天然活性多糖研究進展[J]. 食品工業科技,2017,38(2):379-382,389.

[21]馬釗,李景明,李麗梅,等. 洋蔥多糖提取工藝的研究[J].食品工業科技,2005,26(5):98-99.