超聲-微波協同優化啤酒花殘渣中原花青素的提取工藝

魏文慧,劉小波,于長青,張曉雪,李 冰,賈鴻震

(甘肅省輕工研究院有限責任公司,甘肅蘭州 730030)

原花青素(Procyanidins,OPC),又稱前花青素,它是雙黃酮衍生物的多酚類化合物[1],是一種國際上公認的最有效的天然抗氧化劑之一。醫學研究表明,原花青素具有清除人體自由基、抗腫瘤、降血脂、預防老年癡呆等的作用[2-4]。啤酒花(HumunuslupulusL)是多年生草質蔓生藤本植物,是釀造啤酒的主要原料之一,它不僅能提供啤酒獨特的香氣,而且還賦予啤酒獨特的口感和防腐作用,被譽為“啤酒的靈魂”[5]。我國啤酒花的種植主要分布在甘肅、新疆和寧夏等地。目前,研究發現啤酒花中有400多種化合物,其中主要包括:α-酸、β-酸、酒花油、酒花樹脂和酒花多酚等[6]。啤酒花主要用于提取酒花浸膏,提取浸膏后的殘渣大多被廢棄,其中還含有多種有效成分未被利用,造成了資源的浪費。

目前,從植物中提取原花青素的方法多為直接浸提法,該方法不僅提取時間長,且提取率不高[7]。超聲波提取是一種利用它的機械效應、空化效應和熱效應,通過增大溶劑分子的運動速度和穿透力來快速有效地提取生物活性成分的提取方法[8-9]。微波提取也是一項新的輔助提取技術,在微波場中,由于微波的輻射作用下,物料細胞內部溫度迅速升高,壓力增大,細胞漲破,使有效成分快速被溶出,同時在萃取體系中由于基體物質的差異性選擇吸收微波能，使某些組分被選擇性的加熱,從而被萃取出來[10-11]。超聲波和微波輔助提取在不同植物原料提取原花青素中均有所應用。徐潔等[12]分別利用超聲波和微波從玫瑰花中提取原花青素,提取量分別為96.94和100.81 mg/g。張佰清和陳月英等[13-14]利用微波提取技術從葡萄皮渣和樹莓籽中提取原花青素,提取量分別為9.12和7.19 mg/g。超聲-微波協同提取法能有效地結合超聲波提取法和微波提取法的優點,具有協同有效地提高提取效率,縮短提取時間、降低能耗等優點,在天然產物提取方面應用廣泛[15]。然而,目前對于超聲-微波協同提取法在原花青素提取上的研究并不多見,應用該技術提取啤酒花殘渣中的原花青素的方法還未見報道。

因此,本研究以啤酒花殘渣為原料,利用超聲-微波協同法進行原花青素的提取,研究微波功率、微波時間、乙醇濃度、料液比、浸提溫度和浸提時間對原花青素提取的影響,在此基礎上利用Plackett-Burnman試驗設計選出對其提取量影響較大的4個因素,然后再運用響應面法優化超聲-微波協同提取原花青素的最佳工藝參數,以期為啤酒花殘渣的綜合利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

啤酒花殘渣(超臨界CO2萃取殘渣) 甘肅省玉門拓璞科技開發有限責任公司提供;原花青素標準品(純度:95%) 美國Solarbio公司;甲醇(色譜純)、甲醇、無水乙醇、石油醚(30～60 ℃)、硫酸鐵銨、正丁醇、鹽酸、異丙醇、甲酸 分析純,國藥集團化學試劑公司。

YC-2型索氏抽提器 上海洪紀儀器設備有限公司;HD-E804-34A型恒溫鼓風干燥箱 東莞市海達儀器有限公司;CW-2000型超聲-微波協同提取儀 上海新拓分析儀器科技有限公司;SHZ-D(III)型循環水真空泵 上海貝侖儀器設備有限公司;ES1035A型分析天平 廈門群隆儀器有限公司;Agilent 1260高效液相色譜 北京京科瑞達科技有限公司;KQ-2200DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 參考《食品中脂肪的測定》[16]的方法,略作修改。稱取一定量的酒花殘渣,利用索氏抽提法對其進行脫脂,石油醚熱回流抽提1.5 h,然后將其取出放在50 ℃烘箱中烘至恒重,裝入自封袋冷藏備用。

1.2.2 原花青素的提取 工藝流程:啤酒花殘渣→抽提去脂→超聲-微波協同提取→水浴浸提→抽濾→原花青素提取液

稱取10 g去脂后的酒花殘渣置于500 mL圓底燒瓶中,按照一定的料液比加入一定濃度的乙醇溶液,然后將其放在超聲功率為50 W、溫度為60 ℃的超聲-微波協同提取儀中,設定一定的微波功率和時間對其進行超聲-微波處理,處理結束后將其取出,然后再在一定溫度和時間的水浴鍋中進行振搖提取,提取結束后抽濾,將濾液置于容量瓶中,沉淀物再重復上述提取過程提取1次。合并兩次提取液,用相應濃度的乙醇溶液定容備用。

1.2.3 單因素實驗設計 在超聲波功率為50 W、溫度為60 ℃條件下,研究微波功率、微波時間、乙醇濃度、料液比、浸提溫度、浸提時間6個因素對酒花殘渣中原花青素得率的影響,每個試驗重復3次。以三次提取的平均值為評價值。

1.2.3.1 微波功率 按照“1.2.2”的方法,控制微波時間為50 s,乙醇濃度60%,料液比1∶20 g/mL,浸提溫度55 ℃,浸提時間1.5 h,考察微波功率(400、500、600、700、800 W)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.2.3.2 微波時間 在上述優化微波功率的基礎上,確定微波功率為600 W,乙醇濃度60%,料液比1∶20 g/mL,浸提溫度55 ℃,浸提時間1.5 h,考察微波時間(10、30、50、70、90 s)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.2.3.3 乙醇濃度 在上述優化微波功率和微波時間的基礎上,確定微波功率為600 W、時間為70 s,料液比1∶20 g/mL,浸提溫度55 ℃,浸提時間1.5 h,考察乙醇濃度(40%、50%、60%、70%、80%)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.2.3.4 料液比 在上述優化微波功率、微波時間和乙醇濃度的基礎上,確定微波功率為600 W、時間為70 s,乙醇濃度為60%,浸提溫度55 ℃,浸提時間1.5 h,考察料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.2.3.5 浸提溫度 在上述優化微波功率、微波時間、乙醇濃度和料液比的基礎上,確定微波功率600 W、時間70 s,乙醇濃度60%,料液比1∶15 g/mL,浸提時間1.5 h,考察浸提溫度(25、40、55、70、85 ℃)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.3.3.6 浸提時間 在上述優化微波功率、微波時間、乙醇濃度、料液比和浸提溫度的基礎上,確定微波功率600 W、時間70 s,乙醇濃度60%,料液比1∶15 g/mL,浸提溫度55 ℃,考察浸提時間(0.5、1、1.5、2、2.5 h)對酒花殘渣中原花青素得率的影響。

1.2.4 Plackett-Burman試驗設計 通過Plackett-Burman試驗設計可以確定因素對響應值的影響作用,篩選出對響應值有影響的因素[17-18]。本試驗以原花青素含量為響應值,在單因素的基礎上,利用Plackett-Burman設計來篩選微波功率、微波時間、乙醇濃度、料液比、浸提溫度、浸提時間6個因素對原花青素含量的影響,為進一步的Box-Behnken試驗奠定基礎。試驗因素及水平見表1。

表1 Plackett-Burman 試驗設計因素及水平表Table 1 Factors and levels of Plackett-Burman test design

1.2.5 響應面試驗設計 通過單因素試驗及Plackett-Burman 試驗設計的結果,篩選出對啤酒花殘渣提取原花青素影響最大的4個因素,然后運用Box-Behnken試驗設計進行4因素3水平的響應面試驗優化。以原花青素的含量為響應值(Y),分別以微波功率(A)、微波時間(B)、乙醇濃度(C)、浸提溫度(D)為自變量進行優化。Box-Behnken試驗優化水平設計見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計因素及水平表Table 2 Factors and levels of Box-Behnken test

1.2.6 超聲波、微波輔助提取原花青素 分別稱取兩份去脂后的試樣10 g,放入500 mL圓底燒瓶中,一份進行超聲波輔助提取,另一份進行微波輔助提取,提取工藝同1.2.2。超聲波輔助提取和微波輔助提取條件參考超聲-微波協同提取的最優提取條件進行設定。每個試驗進行3次重復。

超聲波提取條件:超聲波功率50 W、超聲溫度55 ℃、超聲時間76 s,乙醇濃度60%、浸提溫度55 ℃、浸提時間1.0 h、料液比1∶15 g/mL。

微波提取條件:微波功率540 W、微波溫度55 ℃、微波時間76 s、乙醇濃度60%、浸提溫度55 ℃、浸提時間1.0 h、料液比1∶15 g/mL。

1.2.7 原花青素含量的測定

1.2.7.1 色譜條件 原花青素標準曲線制作參考《保健食品中前花青素的測定》[19]的方法,略作修改。色譜柱:Symmetry C18(250 mm×4.6 mm,5 μm),流動相:水∶甲醇(色譜純)∶異丙醇∶甲酸=73∶13∶6∶8,紫外檢測器波長:525 nm,進樣量:10 μL,流速:1.0 mL/min,柱溫:35 ℃。

1.2.7.2 標準曲線的繪制 準確稱取20.00 mg原花青素標準品,將其溶解在甲醇溶液中,配制成1 mg/mL的標準液,然后分別吸取1、2、3、4、5 mL置于5 mL容量瓶中,加甲醇定容至刻度,搖勻。配制成梯度標準液,然后各取2 mL進行水解反應,并上高效液相色譜分析測定,水解處理方法同試樣測定,以峰面積對原花青素濃度做標準曲線。

1.2.7.3 試樣測定 將正丁醇與鹽酸按95∶5的體積比混合后,取出15 mL置于具塞錐形瓶中,再加入0.5 mL 2%的硫酸鐵銨溶液和2 mL試樣溶液,混勻,置于沸水中水浴回流,精確加熱40 min后,立即置于冰水中冷卻,經0.45 μm膜過濾,待進高效液相色譜分析。

試樣中原花青素計算公式如下:

式中:x:原花青素的含量,單位(mg/g);X1:從標準曲線中得到的原花青素,單位(mg/mL);V1:試樣定容體積,單位(mL);f:稀釋倍數;m:試樣的體積,單位(mL);V2:提取液體積,單位(mL);M:去脂后啤酒花殘渣質量，單位(g)。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 原花青素的標準曲線

以不同濃度的原花青素標準品繪制的原花青素含量與峰面積之間的標準曲線如圖1所示,原花青素濃度在200～1000 μg/mL時,峰面積與原花青素濃度之間呈很好的線性關系,線性方程為y=0.2703x-9.3506(R2=0.9997,n=5),因此,在測定原花青素濃度時,將待測樣品稀釋到一定的濃度,用此方法在相同條件下測定原花青素的出峰面積,通過出峰面積計算原花青素的含量。

圖1 原花青素標準曲線Fig.1 Procyanidins standard curve

圖2 微波功率對原花青素提取量的影響Fig.2 Effect of microwave power on the yield of procyanidins注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);圖3～圖7同。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 微波功率對原花青素提取量的影響 圖2反映的是微波功率對啤酒花殘渣中原花青素提取量的影響,從圖2中可以看出,微波功率在400～600 W之間時,隨著功率的增加,酒花殘渣中原花青素的提取量逐漸增大,在功率為600 W時,提取量最大14.22 mg/g。之后隨著功率的增大,原花青素提取量趨于平穩,當功率增大到800 W時,原花青素含量出現了下降的趨勢,這可能是由于微波功率增大,微波產生的熱效應增大,破壞了原花青素的穩定性。

2.2.2 微波時間對原花青素提取量的影響 由圖3可知,當微波時間在10～70 s時,隨著微波時間的延長從啤酒花殘渣中提取的原花青素含量顯著增大(P<0.05),在微波處理70 s時,提取液中原花青素含量最大14.66 mg/g,之后當時間延長到90 s時原花青素含量略有下降,但差異不顯著(P>0.05)。這是由于微波對啤酒花殘渣組織不斷的破壞,使的酒花殘渣中的原花青素被釋放出來,故提取液中原花青素的含量逐漸增加,當微波工作一定的時間后,原花青素的溶解量已經達到了最大,微波持續工作引起溶液局部溫度升高,破壞了原花青素的結構,含量下降[20]。

圖3 微波時間對原花青素提取量的影響Fig.3 Effect of microwave time on the yield of procyanidins

2.2.3 乙醇濃度對原花青素提取量的影響 不同乙醇濃度對原花青素提取量的影響如圖4所示,隨著乙醇濃度的增加,啤酒花殘渣中原花青素的提取量呈先升高后下降的趨勢,當乙醇濃度在60%時,提取液中原花青素的含量最高14.59 mg/g,之后繼續增大乙醇濃度,原花青素含量反而下降,這是由于原花青素含有酚羥基,具有一定的極性[21]。在提取過程中乙醇溶液作為提取劑,隨著濃度的不同乙醇溶液的極性不同,進而影響對原花青素的溶解性及選擇性。因此,本實驗選擇乙醇濃度為60%,在該濃度下原花青素的溶出量最大。

圖4 乙醇濃度對原花青素提取量的影響Fig.4 Effect of ethanol concentrationon the yield of procyanidins

2.2.4 料液比對原花青素提取量的影響 料液比對原花青素提取量的影響如圖5所示。隨著料液比的增加,原花青素的提取量逐漸增大,當料液比達到1∶15 g/mL后,持續加大料液比,原花青素提取量變化不再顯著(P>0.05)。這是由于提取劑用量是提取過程中一個很好的推動力,在提取過程中,適宜的濃度差,能夠起到很好的提取效果。一般而言,提取劑用量越大,能夠被提出來的物質越多,啤酒花殘渣中提取原花青素實際上是一個溶質被溶劑化的過程,當擴散達到平衡點之后,如果繼續增加溶劑的量,溶質的溶出量不會發生太大的變化[22]。同時,如果一味的增大溶劑的用量,對后續的過濾、濃縮和溶劑的回收會造成很大的困難,提取成本增大。由圖5結果顯示,當料液比達1∶15 g/mL以后,原花青素的提取量相差不大,但是料液比的增加會給后續處理帶來麻煩,且過高的料液比造成了溶劑的極大浪費,因而選擇料液比為1∶15 g/mL較為合適。

圖5 料液比對原花青素提取量的影響Fig.5 Effect of material/liquid ratioon the yield of procyanidins

2.2.5 浸提溫度對原花青素提取量的影響 當浸提溫度在25～55 ℃的范圍時,隨著浸提溫度的升高,啤酒花殘渣中原花青素被提出的量越大,當浸提溫度55 ℃時,原花青素提取量達到最大12.48 mg/g,之后隨溫度的升高,原花青素的提取量顯著下降(P<0.05)(圖6)。這是由于溫度的升高增大了溶劑分子的布朗運動,使得溶劑擴散速度增大,從而更多的原花青素被帶出來,溫度55 ℃時,原花青素的溶出達到動態平衡,提取量最大,繼續升高浸提溫度,高溫使得原花青素遭到破壞,溫度越高破壞越嚴重[23],該研究結果與鄭洪亮從紅皮云杉中提取原花青素的結果一致[24]。因此,在后續的提取過程中選取55 ℃為浸提溫度。

表4 Plackett-Burman試驗結果方差分析表Table 4 Analysis of variance of Plackett-Burman test

圖6 浸提溫度對原花青素提取量的影響Fig.6 Effect of extraction temperatureon the yield of procyanidins

2.2.6 浸提時間對原花青素提取量的影響 如圖7所示,在浸提時間0.5～1.0 h時,浸提時間對啤酒花殘渣中原花青素的提取影響顯著(P<0.05),當浸提時間超過1.5 h時原花青素含量變化不再顯著(P>0.05),這可能是由于浸提時間較短,部分與蛋白質和纖維素結合的原花青素類物質來不及溶出[25],但是浸提時間過長,原花青素類物質穩定性較差,容易發生氧化聚合等反應,同時,啤酒花殘渣中的原花青素絕大部分已經溶出。繼續延長時間只會增加提取成本,同時使得原花青素發生氧化反應而分解。故認為浸提時間為1.0 h較好。

圖7 浸提時間對原花青素提取量的影響Fig.7 Effect of extraction time on the yield of procyanidins

2.3 Plackett-Burman 試驗結果

通過Plackett-Burman試驗設計對影響啤酒花殘渣中提取原花青素的因素進行顯著性分析,Plackett-Burman試驗設計及結果見表3,試驗結果方差分析見表4。

表3 Plackett-Burman試驗設計及結果Table 3 Experimental design and resultsof Plackett-Burman test

由表4 Plackett-Burman試驗結果方差分析可知,試驗模型極顯著(P<0.01)。同時結合單因素實驗及Plackett-Burman試驗結果可知,微波功率(A)、微波時間(B)、乙醇濃度(C)和浸提溫度(E)四個因素對啤酒花殘渣中原花青素的提取影響顯著(P<0.05),所以選擇微波功率、微波時間、乙醇濃度和浸提溫度進行響應面的優化設計試驗。料液比(D)和浸提時間(F)兩個因素對原花青素提取量影響不顯著(P>0.05),所以在后續試驗中將其固定為1∶15 g/mL和1.0 h。

表5 Box-Behnken試驗設計及結果Table 5 Experimental design and results of Box-Behnken test

表6 Box-Behnken試驗結果方差分析表Table 6 Analysis of variance of Box-Behnken test

2.4 Box-Behnken試驗結果

2.4.1 原花青素得率試驗設計及結果 利用Design-Expert 8.0對表5中的數據進行方差分析和回歸分析,對試驗結果進行擬合。以微波功率(A)、微波時間(B)乙醇濃度(C)和浸提時間(D)為自變量,擬合得到回歸方程:

原花青素含量(mg/g)=14.38+0.25A+0.59B+0.28C+0.15D+0.36AB-0.065AC-0.070AD-0.66BC-0.23BD+0.085CD-0.50A2-1.13B2-0.70C2-1.21D2。

圖8 交互作用對原花青素含量影響的響應面圖Fig.8 Response surface of the effect of interaction terms on the yield of procyanidins

2.4.2 響應面交互作用分析 響應面3D曲面圖反映的是兩兩因素之間對響應值的影響作用,其中3D曲面圖越陡峭,說明兩因素之間交互作用越明顯。從圖8可以看出微波時間和乙醇濃度、微波功率和微波時間、微波時間和浸提溫度之間交互作用顯著(P<0.05),其余兩兩因素之間交互作用不顯著(P>0.05)。該結果與方差分析結果一致。

2.4.3 最優提取工藝參數及驗證 通過利用Design-Expert 8.0設計分析得到的超聲-微波協同提取原花青素最佳工藝為微波功率535.70 W、微波時間76.07 s、乙醇濃度60.43%、浸提溫度55.35 ℃,預測原花青素含量為14.53 mg/g?？紤]到實際操作,驗證試驗取超聲波功率50 W、超聲-微波處理溫度55 ℃、微波功率540 W、微波時間76 s、乙醇濃度60%、浸提溫度55 ℃、浸提時間1.0 h、料液比1∶15 g/mL的條件下進行。在此條件下進行3次平行試驗,得到的啤酒花殘渣中原花青素含量為14.68±0.33 mg/g,與預測值相差1.03%,說明模型有效。這一研究與李玉妹[26]研究的利用有機溶劑提取不同種類啤酒花中原花青素含量有所差異,這是由于啤酒花經過超臨界CO2提取酒花浸膏后部分原花青素也被帶走,導致了酒花殘渣中原花青素含量偏低,同時在原花青素的測定方法,本研究與李玉妹[26]的研究也有所不同。

2.5 啤酒花殘渣超聲波、微波及超聲-微波協同提取原花青素的比較

通過對超聲波輔助提取、微波輔助提取及超聲-微波協同提取的結果比較發現,超聲-微波協同提取原花青素含量顯著(P<0.05)高于單一輔助提取法提取的原花青素含量。同時還可以看出微波輔助提取效果優于超聲波輔助提取,且差異顯著(P<0.05),這可能是由于在該研究中所用的超聲波功率較低,使得超聲波沒有起到很好的輔助效果,原花青素沒有完全溶出,提取出的含量較低。從三種輔助提取方法的結果比較可以看出,超聲-微波協同提取能夠起到很好的提取效果,該輔助提取法具有一定的推廣應用價值。

表7 不同輔助提取方法提取原花青素的比較Table 7 Comparison of procyanidins extractedby different extraction methods

3 結論

通過單因素實驗及Plackett-Burman試驗研究發現,利用超聲-微波協同輔助提取原花青素時,當料液比和浸提時間達到一定的大小后,其對原花青素含量的影響差異不再顯著,但在萃取過程中原花青素的含量隨著微波功率、微波時間、乙醇濃度、浸提溫度的增大呈先增大后降低的趨勢。因此,在此基礎上利用Design-Expert 8.0中的Box-Behnken試驗設計進一步對超聲-微波協同提取原花青素的工藝進行研究,得到了超聲-微波協同儀輔助提取原花青素的最佳工藝:超聲波功率50 W、超聲-微波處理溫度55 ℃、微波功率540 W、微波時間76 s、乙醇濃度60%、浸提溫度55 ℃、浸提時間1.0 h、料液比1∶15 g/mL,在此條件下,原花青素的提取量可達到14.68 mg/g。且顯著高于單另一種超聲波提取或微波提取(P<0.05)。該研究可以為啤酒花殘渣中提取原花青素的研究提供一定的理論參考。