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超声波辅助提取野桂花蜜中多酚的工艺优化



全 文 :作者简介:王雨(1989—),男,湖南农业大学在读硕士研究生。
E-mail:w116y277@163.com
通讯作者:单杨
收稿日期:2015-01-25
第31卷第3期
2 0 1 5年5月
Vol.31,No.3
May.2 0 1 5
DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2015.03.044
超声波辅助提取野桂花蜜中多酚的工艺优化
Optimization of ultrasonic-assisted extraction of phenolic compounds
from wild osmanthus-scented honey
王 雨1
WANG Yu1
 
单 杨2
SHAN Yang2
 
李高阳3
LI Gao-yang3
(1.湖南农业大学食品科技学院,湖南 长沙 410128;2.湖南省农科院,湖南 长沙 410125;
3.湖南省农产品加工研究所,湖南 长沙 410125)
(1.Hunan Agriculture University College of Food Science and Technology,Changsha,Hunan410128,China;
2.Hunan Academy of Agricultural Sciences,Changsha,Hunan410125,China;
3.Study on the Processing of Agricultural Products,Changsha,Hunan410125,China)
摘要:为确定野桂花蜜中多酚化合物提取的最佳工艺参数,
以野桂花蜜为主要原料,采用响应面优化野桂花蜜中多酚化
合物的超声波辅助提取工艺。在单因素试验的基础上,以超
声波时间、超声波温度、料液比、溶剂浓度为自变量,以多酚
化合物得率为响应值,进行试验设计,研究自变量与响应值
之间的关系。结果表明:优化得出的最佳工艺条件为溶剂浓
度62%,料液比1︰10(m ︰V),超声波时间21min,超声
波温度54℃。该工艺条件下多酚得率为68.27mg/10g。
关键词:超声波辅助;野桂花蜜;多酚
Abstract:The experiment is designed to get the optimum technologi-
cal extraction conditions of phenolic compounds from wild osman-
thus-scented honey.Response surface methodology was employed to
optimize conditions for the ultrasonic-assisted extraction of phenolic
compounds from wild osmanthus-scented honey,as main substrates.
Based on the single factor experiments,the effect of solvent concen-
tration,solid-liquid ratio,ultrasonic time and ultrasonic temperrature
on phenolic rate were conducted as wel as their relationship by ex-
perimental design.The optimal conditions for extracting phenolic
from wild osmanthus-scented honey were determined as ethyl acetate
volume fraction 62%,liquid to solid ratio 10mL/g,ultrasonic time
of 20min and ulrasonic temperature of 54℃.Under these condi-
tions,the extraction efficiency of phenolic was 68.27mg/10g.
Keywords:ultrasonic-assisted;wild osmanthus honey;phenolic com-
pounds
野桂花蜜中的酚类化合物是一种天然的抗氧化剂[1]。
天然抗氧化剂具有无毒害的特点,可以有效地抑制人体内的
自由基[2-5]。目前对蜂蜜多酚的提取多采用传统的浸提法
或是直接粗略萃取后进行纯化,存在提取时间长、提取率低
的问题。
超声波辅助提取法由于操作简便,提取效率高等优点,
已广泛应用于天然产物中有效成分的提取[6-8]。超声波能
产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用,可以高效地提取天
然活性成分[9]。本研究拟以野桂花蜜为原料,采用超声波辅
助提取野桂花蜜中的多酚化合物,再用响应面优化提取工艺
参数,从而为获得更高得率的多酚化合物提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
野桂花蜜:产自洞庭湖畔,低温保存,湖南省明园蜂业有
限公司;
Folin-酚试剂:上海安谱科学仪器有限公司;
原儿茶酸标准品:美国Sigma公司;
乙酸乙酯、盐酸、碳酸钠:分析纯,上海试剂公司。
1.2 仪器与设备
电子天平:AUW220D型,日本岛津有限公司;
超声波清洗器:KQ-500DTV型,宁波新芝生物科技股份
有限公司;
紫外-可见分光光度计:UV-1700型,日本岛津有限公
司;
旋转蒸发仪:EV311型,上海垣钦自动化科技有限公司;
循环水真空泵:SHZ-III型,上海亚荣生化仪器厂。
1.3 方法
1.3.1 原儿茶酸标准曲线的制作 配制浓度为0.1mg/mL
的原儿茶酸标准溶液,分别吸取0,0.2,0.4,0.6,0.8,1
981
.0mL于10mL的容量瓶中,加入福林—酚试剂1mL,用玻
璃棒搅匀,然后加入1mol/L的碳酸钠溶液5mL,定容摇
匀,常温下避光静置1h,于765nm处测吸光度。以原儿茶
酸浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,进行线性回归分析,得到
的回归方程为y=150.71x+0.004 3(R2=0.999 8)。
1.3.2 野桂花蜜多酚化合物的超声波辅助提取 准确称量
10.0g野桂花蜜于50mL的锥形瓶中,将一定溶剂浓度的乙
酸乙酯溶液,按照不同料液比加入锥形瓶中,磁力搅拌1min
后,将锥形瓶置于超声波发生器中一定温度下提取一段时间
后,趁热分离合并上清液。然后真空浓缩至膏状物,用4mL
乙醇溶解,在765nm下测定吸光度。
1.3.3 多酚化合物得率的测定 多酚化合物得率按式(1)
计算:
Y =10×C×VM0
(1)
式中:
Y———多酚得率,mg/10g;
C———测得的多酚浓度,mg/mL;
V———乙醇溶液体积,mL;
M0———原料的质量,g。
1.3.4 单因素试验设计
(1)溶剂浓度对多酚得率的影响:固定料液比为1︰10
(m︰V),超声波时间为20min,超声波温度为50℃,考察
不同溶剂浓度(30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%)对
野桂花蜜多酚得率的影响。
(2)料液比对多酚得率的影响:固定溶剂浓度为60%,
超声波时间为20min,超声波温度为50℃,考察不同料液比
(1︰4,1︰6,1︰8,1︰10,1︰12,1︰14,m︰V)对野
桂花蜜多酚得率的影响。
(3)超声波时间对多酚得率的影响:固定溶剂浓度为
60%,料液比为1︰10(m︰V),超声波温度为50℃,考察
不同超声波时间(10,15,20,25,30min)内野桂花蜜多酚得
率的变化规律。
(4)超声波温度对多酚得率的影响:固定溶剂浓度为
60%,料液比为1︰10(m︰V),超声波时间为20min,考察
不同超声波温度(30,40,50,60,70℃)对野桂花蜜多酚得率
的影响。
1.3.5 响应面优化试验 在单因素试验结果的基础上,根
据Box-Behnken试验设计原理,以野桂花蜜多酚提取得率为
响应值,选取溶剂浓度、料液比、超声波时间、超声波温度4
个影响因素,设计四因素三水平的响应面优化试验。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
2.1.1 溶剂浓度对野桂花蜜多酚得率的影响 由图1可
知,溶剂浓度在60%以前,野桂花蜜多酚的得率随着溶剂浓
度的增高而增多。当溶剂浓度到达60%之后,野桂花蜜多酚
的 得率呈现缓慢的下降趋势。溶剂浓度到达90%时,野桂花
图1 溶剂浓度对多酚得率的影响
Figure 1 Effect of concentration of solvent on
yield of phenolic
蜜多酚的得率降低至56.80mg/10g。这是因为开始时随着
溶剂浓度的增高,野桂花蜜中多酚化合物与提取溶液的接触
机会越来越多。当浓度到达60%之后,水分占比减少,野桂
花蜜中的大分子糖类由于极性差异不能溶出,使得提取时有
结晶未溶的现象。这使得其中的多酚没能充分溶解出来,提
取量反而减少。所以,选择最佳的溶剂浓度为60%。
2.1.2 料液比对野桂花蜜多酚得率的影响 由图2可知,
随着料液比的减少,野桂花蜜多酚的得率逐渐升高,当料液
比达到1︰10(m︰V)时,野桂花蜜多酚的得率不再上升。
其原因是随着溶剂的增加,多酚化合物更易接触到提取溶
剂,多酚得率也就越大。当料液比达到1︰10(m ︰V)时,
多酚化合物已基本被提取出来,继续加入溶剂,起不到提高提
取率的作用,高用量的溶剂反而不适于提取,同时,出于节约
成本考虑,料液比选择1︰10(m︰V)为宜。
2.1.3 超声波时间对野桂花蜜多酚的影响 由图3可知,
在20min内,野桂花蜜多酚得率随超声波时间的增加而增
加,20min后,野桂花蜜多酚得率随超声波时间的增加反而
出现下降。0~20min的过程中,由于超声波的空化作用,其
提取速度得到提升,野桂花蜜多酚得率提升显著[10]。在20
min后,多酚化合物基本被提取出来,同时,由于过长的超
声波作用,使得多酚化合物中一些不稳定的成分被破环[11],
图2 料液比对多酚得率的影响
Figure 2 Effect of rate of solid to solution on
yield of phenolic
091
提取与活性   2015年第3期
图3 超声波时间对多酚得率的影响
Figure 3 Effect of ultrasonic time on yield of phenolic
所以出现了下降。故确定提取过程的最佳超声波时间为20
min。
2.1.4 超声波温度对野桂花蜜多酚的影响 由图4可知,
在温度低于50℃时,随着温度的升高,分子热运动加剧,使
得多酚化合物的得率迅速提升,在50℃继续往上升温时,发
现野桂花蜜多酚的得率随温度的上升有明显的下降。原因
可能是多酚化合物中的热不稳定结构在高温作用下被破
坏[12]。而且过高的温度会促进水分和乙酸乙酯的挥发,从
而影响多酚得率。故选择最佳提取温度为50℃。
图4 超声波温度对多酚得率的影响
Figure 4 Effect of ultrasonic temperature on
yield of phenolic
2.2 响应面法优化提取条件
2.2.1 响应面试验设计及结果 根据Box-Behnken中心组
合试验设计原理[13],结合单因素试验结果,设计四因素三水
平的响应面分析试验,设计方案见表1,响应面优化试验结果
见表2。
表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of respnse suirface analysis
编码
X1溶剂
浓度/%
X2料液比
(m︰V)
X3超声波
时间/min
X4超声波
温度/℃
-1  50  1∶8  15  40
0  60  1∶10  20  50
1  70  1∶12  25  60
表2 Box-Behnken设计方案及野桂花蜜
多酚得率的测定结果
Table 2 Box-Behnken matrix and respenses values
of phenolic compounds yield
序号 X1 X2 X3 X4
得率Y/
(10-1 mg·g-1)
1 -1 -1  0  0  40.04
2  1 -1  0  0  56.82
3 -1  1  0  0  44.72
4  1  1  0  0  49.69
5  0  0 -1 -1  41.92
6  0  0  1 -1  47.94
7  0  0 -1  1  51.13
8  0  0  1  1  63.06
9 -1  0  0 -1  39.13
10  1  0  0 -1  43.59
11 -1  0  0  1  48.12
12  1  0  0  1  55.63
13  0 -1 -1  0  57.07
14  0  1 -1  0  48.70
15  0 -1  1  0  51.07
16  0  1  1  0  56.44
17 -1  0 -1  0  42.76
18  1  0 -1  0  47.04
19 -1  0  1  0  38.84
20  1  0  1  0  58.64
21  0 -1  0 -1  51.56
22  0  1  0 -1  41.77
23  0 -1  0  1  58.43
24  0  1  0  1  57.47
25  0  0  0  0  66.73
26  0  0  0  0  65.99
27  0  0  0  0  68.79
28  0  0  0  0  65.96
29  0  0  0  0  67.54
  通过Design Expert V8.0.6软件对表2中的野桂花蜜
多酚得率进行响应面回归分析,得到回归方程:
Y=67.00+4.82 X1-1.35 X2+2.28 X3+5.66 X4-2
.95 X1X2+3.88 X1X3+0.76 X1X4+3.43 X2X3+2.21 X2X4
+1.48 X3X4-12.52 X12-6.43 X22-7.57 X32-8.18 X42
(2)
对回归方程进行方差分析(见表3),此回归模型显著(P
<0.000 1),而且上述回归方程的决定系数R2=0.969 5,
R2adj=0.939 1,说明96.95%的数据可以用此方程模型解释,
191
第31卷第3期 王 雨等:超声波辅助提取野桂花蜜中多酚的工艺优化  
表3 试验结果的方差分析
Table 3 Variance analysis for the experiment result
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
X1 278.40  1  278.40  53.10 <0.000 1 **
X2 21.87  1  21.87  4.17  0.060 4
X3 62.42  1  62.42  11.90  0.003 9 **
X4 384.54  1  384.54  73.35 <0.000 1 **
X1X2 34.86  1  34.86  6.65  0.021 8 *
X1X3 60.21  1  60.21  11.48  0.004 4 **
X1X4 2.32  1  2.32  0.44  0.516 2
X2X3 47.19  1  47.19  9.01  0.009 5 **
X2X4 19.49  1  19.49  3.71  0.074 3
X3X4 8.73  1  8.73  1.66  0.217 7
X12  1 017.19  1 1 017.19 194.04 <0.000 1 **
X22  267.98  1  267.98  51.12 <0.000 1 **
X32  372.09  1  372.09  70.98 <0.000 1 **
X42  434.17  1  434.17  82.82 <0.000 1 **
模型 2 336.58 14  166.90  31.84 <0.000 1 **
失拟值

67.72 10  6.77  4.78  0.072 6
纯误差 5.67  4  1.42
总和 2 409.97 28
 **.P<0.01,差异极显著;*.P<0.05,差异显著;R2=0
.969 5;R2adj=0.939 1。
模型可以真实地反应各个因子与响应值之间的关系。与此
同时,失拟项P值为0.072 6>0.05,失拟项不显著说明此回
归方程拟合度很好,试验误差小。因此可以用该回归方程分
析和预测试验结果。由表3可知,一次项X1、X3和X4均达到
极显著水平,X2不显著,而二次项的影响均为显著,说明各因
素对野桂花蜜多酚的影响并非简单的线性关系。
2.2.2 响应面分析 通过回归方程,固定其中一个因素在0
水平,可以得到另两个因素之间的交互作用的响应面图(见
图5)。从图5中可直观地看出响应面的优化区域和各个因
素对野桂花蜜多酚得率的影响程度。结合回归方程以及表3
的数据可知:超声波温度对多酚得率的影响最为显著,响应
值变化最大,同时曲线较陡。而料液比对多酚得率的影响最
小,响应值变化较小,同时曲面比较平滑。综合后可以得出
对野桂花蜜多酚得率的影响程度从大到小的顺序依次为超
声波温度>溶剂浓度>超声波时间>料液比。
2.2.3 最佳工艺条件的验证 通过Design Expert V8.0.6
软件对响应值(多酚的得率)进行优化分析,得到最佳提取条
件为X1(62.45)、X2(1∶9.94)、X3(21.22)、X4(53.75),即溶
剂浓度62.45%,料液比1︰9.94(m ︰V),超声波时间
21.22min,超声波温度53.75℃,野桂花蜜多酚得率的理论
值为68.952mg/10g。为方便实际操作,取溶剂浓度62%,
料液比1︰10(m ︰V),超声波时间21min,超声波温度
54℃,对提取野桂花蜜多酚工艺进行验证实验(n=3),得到
图5 各因素交互作用对野桂花蜜多酚得率影响的响应面图
Figure 5 Response surface plots for extraction yield of phenolic compounds from wild
osmanthus-scented honey in function of the factors
291
提取与活性   2015年第3期
野桂花蜜多酚的平均得率为68.27mg/10g,达到了理论值的
99%,说明采用响应面法优化提取工艺得到的条件参数可靠。
2.2.4 超声波辅助提取法与传统浸提法的比较 由表4可
知,传统浸提法得到的野桂花蜜多酚的平均得率仅为52
.48mg/10g。而超声波辅助提取法提取野桂花蜜多酚的得
率比传统浸提法得率高出23%,而且大大节省了提取时间。
表4 提取方法对野桂花蜜得率的影响
Table 4 The effects different extraction methods on the
yield of wild osmanthus-scented honey(n=3)
方法
溶剂浓
度/%
料液比
(m︰V)
提取时
间/min
提取温
度/℃
得率/
(10-1 mg·g-1)
超声波提取 62  1︰10  21  54  68.27
传统浸提法 62  1︰10  120  54  52.48
3 结论
通过Design Expert V8.0.6软件,以溶剂浓度、料液比、
超声波时间、超声波温度为自变量,野桂花蜜多酚的得率为
响应值,运用响应面分析法对试验结果进行分析,得到的回
归模型拟合度好,误差小,能够用回归模型对试验结果进行
分析,有一定的应用价值。优化验证后得到的野桂花蜜多酚
提取工艺条件为:溶剂浓度62%,料液比1︰10(m︰V),超
声波时间21min,超声波温度54℃。野桂花蜜多酚的得率
为68.27mg/10g。超声波辅助提取法比传统浸提法的多酚
得率高出23%。野桂花蜜中的多酚化合物的得率,可能会受
蜜源地环境影响,如气候和蜜源植物本身状况等,因此有待
进行深入研究。
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(上接第77页)
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流体分布与流阻的模拟分析与计算,提出了改进离子交换柱
内上封头分布器结构及增设一挡板结构的进料系统流体均
配优化方案,使系统内流体分布趋于均匀。结构改进后,系
统实现出口整体流量标准偏差STD由原来的108.332 1降
至14.326 9,能够较好地满足生产需求。
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