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卤地菊多糖超声波提取工艺技术及其卷烟保润性



全 文 :卤地菊多糖超声波提取工艺技术及其卷烟保润性
黄芳芳 1,蒋 健 1,李雪青 2,张 洋 2,杨 君 1,张安强 *2,孙培龙 2
1. 浙江中烟工业有限责任公司,杭州市转塘区科海路118号 310008
2. 浙江工业大学生物与环境工程学院,杭州市下城区潮王路18号 310014
摘要:采用正交实验优化了超声技术提取卤地菊多糖的工艺条件,并考察了卤地菊多糖对烟丝保润性能
及卷烟感官舒适度的影响。结果表明:①提取次数对提取率的影响最大,其次是超声波功率、料液比和
提取时间;②最佳提取工艺为:提取次数两次,每次提取时间 30 min,超声波功率 360 W,料液比 1∶20;③
多糖样品保湿率在 12 h 之后明显高于丙二醇,证明卤地菊多糖能减缓水分的散失;长时间低湿度条件
下,添加 5%卤地菊多糖烟丝含水率的降幅比添加 5%丙二醇的烟丝低 18.28%。卤地菊多糖能有效地提高
烟丝的保润性,减缓卷烟中水分的散失。
关键词:卤地菊多糖;超声波提取;正交实验;保润性
中图分类号:TS264.3 文献标识码:B 文章编号:1002-0861(2014)02-0044-05
基金项目:中国烟草总公司增香保润技术重大专项项目“浙江天然
植物的筛选制备及其在卷烟中的应用”(合同号:110200902024)。
作者简介:黄芳芳(1980—),女,硕士,工程师,主要从事烟草化学
与生物研究。E-mail:tinahff@163.com;*通讯作者:张安强 E-mail:
zhanganqiang@zjut.edu.cn
收稿日期:2013-07-12
责任编辑:茹呈杰 E-mail:rucj69@sina.com
电话:0371-67672513
Ultrasonic Extraction Technique for Polysaccharide from Wedelia prostrate and Moisture
Retentivity of Polysaccharide in Cigarettes
HUANG Fangfang1, JIANG Jian1, LI Xueqing2, ZHANG Yang2, YANG Jun1, ZHANG Anqiang*2, and SUN
Peilong2
1. China Tobacco Zhejiang Industrial Co., Ltd., Hangzhou 310008, China
2. College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,
China
Abstract: The technical parameters for extracting polysaccharide from Wedelia prostrate with ultrasonic
technique were optimized by orthogonal experiments, the effects of the extracted polysaccharide on the moisture
retentivity of cut tobacco and the sensory pleasurableness of cigarette were studied. The results indicated that:
1) The number of extraction repetition was the major factor influencing extraction yield, followed by ultrasonic
power, solid-liquid ratio and extraction time. 2) The optimal extraction conditions were: extraction twice, 30
minutes per extraction cycle, ultrasonic power 360 W, and solid-liquid ratio 1∶20. 3) The moisture retentivity of
polysaccharide sample was significantly higher than that of propylene glycol in 12 hours, which indicated that
the polysaccharide from Wedelia prostrate could reduce moisture dissipation. After storing at low humidity for a
long period, the reduction of moisture content in cut tobacco added with 5% polysaccharide was 18.28% less
than that added with 5% propylene glycol. The polysaccharide from Wedelia prostrate could effectively improve
the moisture retentivity of cut tobacco and reduce the moisture dissipation of cigarette.
Keywords: Wedelia prostrate; Polysaccharide; Ultrasonic extraction; Orthogonal experiment; Moisture retentivity
烟草科技 / Tobacco Science & Technology 2014 年第 2 期(总第 319 期)烟草化学 / Tobacco Chemistry
卤地菊(学名:Wedelia prostrata)为菊科蟛蜞菊属植
物,是一种常见于沿海地区的草本植物。也是典型的
中草药之一,通常全草入药,主要产地为舟山(普陀)、
瑞安(北麂岛)和平阳(南麂列岛)。植物中的多糖,由
于其细胞或组织外大多会有脂质包围,因此在提取前
需要先用甲醇-氯仿、石油醚、丙酮等除去脂溶性杂质,
再用乙醇除去小分子干扰成分等预处理。常用的植物
多糖的提取方法有水提-醇沉法、超声法、微波提取法、
44
酶解法等。水提-醇沉法是利用多糖溶于水而在乙醇
中溶解度低的特性提取植物多糖的方法,成本较低,但
提取时间较长,多糖易损失。超声技术是多糖高效提
取的辅助新方法,利用高频振荡产生的空化作用、热力
学作用及机械作用造成植物组织内部细胞壁和整个生
物体破裂,从而释放出多糖;具有操作简便快捷、节约
溶剂等优点[1]。植物多糖分子中含有多个羟基,具有
良好的保湿保润作用[2-4]。已有植物多糖及其衍生物作
为保润剂应用于烟草的研究报道[5-6],如,刘洋等[7]研究
了仙人掌多糖对烟叶表面润湿性、烟丝保润性以及卷
烟感官舒适度的影响,结果表明仙人掌多糖能够减缓
卷烟中水分散失的速度,具有较好的烟丝保湿性。未
见卤地菊多糖作为保润剂在卷烟中的应用报道。为
此,通过优化超声波提取工艺,提高了卤地菊多糖的提
取率,并研究了卤地菊多糖对卷烟的保润性能,为其在
卷烟中的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂和仪器
卤地菊(Wedelia prostrata),购买于福建莆田市,经浙
江省林科院洪利兴教授鉴定;烟丝(云南烤烟样品),浙
江中烟工业有限公司提供。
蒸馏水(实验室制备)、浓硫酸(AR,深圳西陇化
工);苯酚、乙醇、丙二醇(AR,安徽食特食品有限公司)。
FS-1200 型超声波细胞破碎器(上海生析超声仪器
有限公司);V-1800PC 型可见分光光度计(上海美谱达
仪器有限公司);SHB-Ⅲ-A 型循环水真空泵(杭州大卫科
教仪器有限公司);CR21GⅡ型高速冷冻离心机(日本日
立仪器有限公司);AL104 型电子天平(感量:0.0001 g,
上海梅特勒-托利多仪器有限公司);ALPHA2-4LD plus
型真空冷冻干燥机(德国 Christ 公司);HWS-150 型恒温
恒湿箱(上海森信仪器有限公司);DHG-9070A 型电热
恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 卤地菊多糖的提取[8]
为应用方便,将卤地菊全草放入 60 ℃干燥箱中烘
干 24 h,将烘干后样品截成约 1 cm 左右的小段。粉碎
后用 85%乙醇 90 ℃浸提 2 h,除去单糖、寡糖和脂肪等
小分子物质。蒸发除去固形物中的乙醇并于 40 ℃烘
干,称取一定量的上述样品于烧杯中,以蒸馏水为提取
剂,按照一定的料液比、时间和功率,放入超声波细胞
破碎器中提取。将所得提取液过滤、以 8000 r/min 的转
速高速离心 15 min,50 ℃真空浓缩后,用 85%的乙醇醇
沉。将醇沉液以 8000 r/min 的转速高速离心 10 min,取
下层醇沉物,经冷冻干燥后称量。配成水溶液测定其
多糖的含量。
1.2.2 超声提取正交实验设计[9-12]
影响卤地菊多糖提取率的主要因素为提取次数、时
间、超声功率和液料比。为了提高多糖提取率,依据各
因素的单因素实验分析结果选择对多糖提取工艺有影
响的主要因素设计 4 因素 3 水平的正交实验,提取液依
次经过滤、离心、浓缩、醇沉和溶解等步骤后得到卤地
菊粗多糖,计算提取率,以确定最佳条件。
1.2.3 卤地菊多糖对卷烟保润性能的影响
1.2.3.1 样品保湿率的测定[13-15]
称取 5 g 卤地菊多糖,精确至 0.1 g,用蒸馏水配制
成质量分数为 5%的水溶液;置于称量皿中,不加盖放
入含有 38% 浓硫酸的干燥器中,再放入温度为(22±
1)℃,湿度为(40±2)%的恒温恒湿箱中。定时测定样
品的质量,根据差值计算该样品的保湿率。同时,以等
量的蒸馏水和 5%丙二醇水溶液作对照。
保湿率 (%)=(M/M0)×100%
式中:M0——样品水溶液的初始质量;M——某时刻样
品水溶液的即时质量。
以各时间点为横坐标,样品保湿率为纵坐标,可得
样品的保湿率随时间的变化曲线。
1.2.3.2 烟丝保润性能的测定[6-7, 14-17]
称取 250 g 烟丝置于托盘中,放入温度为 (22±1) ℃、
湿度为 (60±2)%的恒温恒湿箱中平衡 48 h;将处理好的
烟丝密封保存。称取一定量的卤地菊粗多糖,用蒸馏
水配成水溶液,均匀喷洒到已经过平衡的烟丝样品上
(样品质量∶烟丝质量=1∶100),以等量的蒸馏水和同浓
度的丙二醇溶液做对照。将各组处理好的烟丝置于温度
为(22±1) ℃、湿度为(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡 36 h。
将平衡好的 3 组烟丝样品,每组均分成 4 份,置于称
量皿中。其中,每组取出两份样品直接放入 105 ℃的烘
箱中,加热至样品恒重,冷却后称量,根据前后质量的
变化,得出各加样烟丝的初始含水率,取平均值作为该
组样品的初始含水率 (w0)。
w0(%)=m0-mm0 ×100% (1)
式中:m0——烘干前烟丝样品的质量;m——烘干后烟丝
样品的质量。
每组取两份样品,准确称量后放入湿度为 40%、含
有 38%浓硫酸的干燥器中,浓硫酸干燥器置入温度为
(22±1) ℃,湿度为 (40±2)%的恒温恒湿箱中。定时称量
烟丝,直至恒重。烟丝含水量在前期变化较快,因而前
两天每 4 h 称量一次,之后每隔 24 h 称量一次。综合烟
丝的干质量、平衡后质量和即时质量,计算样品的即时
含水率 (w),最终以时间为横坐标、含水率为纵坐标,作
45
出烟丝含水率随时间的变化曲线。
w(%)= m2-m1(1-w0)m2 ×100% (2)
式中:w——烟丝的即时含水率,m2——某时间点样品的即
时质量,w0——样品的初始含水率,m1——样品的初始质量。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的绘制及多糖含量的测定(苯酚-硫酸法)[18]
2.1.1 标准曲线的绘制
苯酚-硫酸法是利用多糖在硫酸的作用下先水解成
单糖,并迅速脱水生成醛糖衍生物,然后与苯酚生成橙
黄色化合物,其吸光度的大小(OD 值)即表征多糖的含
量。精确称取 0.5000 g 无水葡萄糖置于 100 mL 容量瓶
中,加蒸馏水定容至 100 mL,摇匀;精确量取 1 mL 溶液
置于 50 mL 容量瓶中,以蒸馏水定容;分别量取 0.2, 0.4,
0.6, 0.8, 1.0 和 1.2 mL 样液置于具塞试管中,每个样品 3
个平行实验;每支试管补加蒸馏水至 2 mL,空白试管加
2 mL 蒸馏水;精确量取 1 mL 样品,加入 1 mL 蒸馏水、1
mL 6% 苯酚及 5 mL 浓硫酸,摇匀,室温放置 20 min,
30 ℃水浴 20 min,用分光光度计在 490 nm 处测量吸光
度。以葡萄糖含量为横坐标、吸光度值为纵坐标绘制
的标准曲线如图 1 所示。标准曲线的回归方程为:Y=
13.12X+0.0042,相关系数R2=0.9984,具有良好的线性关系。
图 1 多糖的标准曲线
2.1.2 多糖提取率计算
取卤地菊粗多糖样品加蒸馏水溶解,定容至 500
mL;再取 1 mL 稀释定容至 50 mL;精确量取 1 mL 样品,
加入 1 mL 蒸馏水、1 mL 6%苯酚及 5 mL 浓硫酸,摇匀,
室温放置 20 min,30 ℃水浴 20 min,用分光光度计在
490 nm 处测量吸光度。利用标准曲线可得粗多糖样品
中多糖的含量,通过计算可得多糖的提取率,并以多糖
提取率为指标,确定卤地菊多糖的最佳提取工艺。
多糖提取率(%)=[多糖含量(%)× 粗多糖样品总质量
(g)/原料质量(g)]×100%
2.2 超声提取单因素对卤地菊多糖提取率的影响
2.2.1 提取时间
精确称取 4 g 经过预处理的卤地菊全草样品,控制
提取次数为 1 次,超声波功率为 360 W,料液比为 1∶20,
考察提取时间对卤地菊多糖提取率的影响,提取时间
梯度分别为 10, 20, 30 和 40 min,结果见图 2。多糖提取
率随时间的延长而提高,但在提取时间超过 30 min 后
略有下降。这可能是提取时间在 20 min 之前,卤地菊
干细胞逐渐吸水,超声波的震动和空化作用不强,只有
少量细胞破碎,多糖提取率相对较低。20 min 后细胞吸
水完成,超声波产生强烈的震动和空化作用,细胞破
裂,加速多糖的溶出,从而有利于多糖的提取。30 min
后多糖得率略有下降的原因可能是长时间的超声振荡
使多糖大分子的糖苷键断裂,导致多糖降解,其得率下
降[19]。因此,选取提取时间为 30 min。
图 2 提取时间对卤地菊多糖提取率的影响
2.2.2 超声波功率
精确称取 4 g 经过预处理的卤地菊全草样品,控制
提取时间为 30 min,提取次数为 1 次,料液比为 1∶20,考
察超声波功率对提取率的影响,超声波功率梯度分别
为 240, 360, 480 和 600 W,结果见图 3。超声波功率较低
时,提取率随功率的增大而增大;当功率达到 360 W
时,提取率达到最大;而随超声波功率继续增大,卤地
菊多糖的提取率有所下降。这是因为超声辅助提取的
原理是利用超声波产生的“空化效应”和机械作用使细
胞壁破碎并使胞內的多糖溶出,在一定超声功率范围
内,提高超声功率有利于促进细胞壁的破裂和溶液的
传质作用,从而提高多糖提取率;当超过某一临界值
时,超声波产生的高强度剪切力引起部分多糖产物降
解,从而导致多糖提取率下降。超声波功率为 360 W 较
为合适。
图 3 超声波功率对卤地菊多糖提取率的影响
46
2.2.3 料液比
精确称取 4 g 经过预处理的卤地菊全草样品,控制
提取时间为 30 min,提取次数为 1 次,超声波功率为
360 W,考察料液比对提取率的影响,料液比梯度分别
为 1∶10, 1∶20, 1∶30 和 1∶40,结果见图 4。随着溶剂用量
的增大,卤地菊细胞充分吸水,有利于对超声波的吸收
和细胞的破碎,细胞内部多糖物质更容易向外扩散,多
糖得率增加。当料液比为 1∶30 时提取率达到最大;之
后随着溶剂用量的继续增大,提取率略微下降。这是
因为溶剂用量太大时单位体积受到的超声作用变小,
从而影响提取率。所以,料液比 1∶30 时较为适宜。
图 4 料液比对卤地菊多糖提取率的影响
2.2.4 提取次数
精确称取 4 g 经过预处理的卤地菊全草样品,控制
提取时间为 30 min,超声波功率为 360 W,料液比为 1:
20,考察超声波提取次数对提取率的影响,结果见图
5。由图 5 可知,卤地菊多糖的提取率随提取次数的增
加而增加,直到趋于平缓。提取次数上升到两次时,卤
地菊多糖即有较高的得率;提取次数再增多,卤地菊多
糖得率提高不明显。因此,提取次数为两次较为合适。
2.3 超声提取正交试验优化结果
采用 L9(34)正交法对卤地菊多糖提取工艺进行研
究(表 1),正交优化实验和方差分析结果分别见表 2 和
表 3。根据正交实验极差分析和方差分析结果可知,各
种因素对提取效果的影响顺序为:A>C>D>B。其中 A
的影响效果最为显著,但 k2 和 k3 相差不大,从节约成本
的方面考虑,提取次数为两次;B, C 和 D 的影响效果一
般,且都是 k2 最高。因此,卤地菊多糖超声波提取的最
佳条件为 A2B2C2D2。即提取次数为两次,每次提取时间
为 30 min,超声波功率为 360 W,料液比为 1∶20。
表 1 卤地菊多糖提取 L9(34)正交实验设计
表 2 卤地菊多糖超声波提取的正交实验结果
表 3 卤地菊多糖超声波提取正交实验方差分析结果
2.4 样品的保湿率
卤地菊多糖、丙二醇溶液在温度 22 ℃、湿度 40%条
件下保湿率随时间的变化曲线如图 6 所示。相对于蒸
馏水对照组,卤地菊多糖在各时段都能够明显减缓水
分散失的速度,显著提高保湿率,这可能是由于卤地菊
多糖分子中含有能和水分子形成氢键的羟基,因而具
水平
1
2
3
A:提取
次数
1
2
3
B:提取
时间 /min
20
30
40
C:超声波
功率 /W
240
360
480
D:料液比
1∶10
1∶20
1∶30
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
k1
k2
k3
R
A
1
1
1
2
2
2
3
3
3
9.978
21.398
21.913
11.935
B
1
2
3
1
2
3
1
2
3
17.311
18.256
17.722
0.945
C
1
2
3
2
3
1
3
1
2
16.833
18.533
17.923
1.700
D
1
2
3
3
1
2
2
3
1
16.881
18.168
17.240
1.359
OD值
0.328
0.493
0.406
0.936
0.893
0.879
0.929
0.926
0.918
多糖提取率 /%
7.71
11.65
10.57
22.19
21.17
20.83
22.03
21.95
21.76
因素
提取次数
提取时间 /min
超声波功率 /W
料液比
误差
偏差平方和
115.723
18.813
110.199
24.305
269.040
自由度
2
2
2
2
8
F比
1.721
0.280
1.638
0.361
F临界值
4.460
4.460
4.460
4.460
图 5 提取次数对卤地菊多糖提取率的影响 图 6 卤地菊多糖与丙二醇的保湿率曲线
47
有一定的保湿效果;与丙二醇对照组相比,12 h 之前卤
地菊多糖的保湿率略高于丙二醇,12 h 之后较明显高于
丙二醇。
卤地菊粗多糖由果糖和葡萄糖构成,主链由β-型果
糖(该重复单元的分子量为 2.4 kDa)以 2 6 位连接或
其他形式的键相连接[19]。卤地菊多糖分子中存在大量
羟基等基团,并相互交联成网状结构,从其结构上推
测,具有较好的持水性能。
2.5 卤地菊多糖对烟丝保润性能的影响
添加了不同物质的 3 组加样烟丝的初始含水率分
别为:卤地菊多糖样品 12.89%,丙二醇 12.94%,蒸馏水
12.84% 。样品烟丝含水率随时间的变化曲线见图 7。
由图 7 可知,前 24 h 内,卤地菊多糖与丙二醇样品的含
水率相当,但是均明显大于蒸馏水样品,表明前期卤地
菊多糖和丙二醇都能够比较显著地减少水分的散失,
起到保润的效果。随着时间的延长,3 组样品的含水率
都趋于稳定,添加卤地菊多糖的烟丝含水率为 9.28%,
添加丙二醇的为 8.67%,添加水的为 7.80%;添加卤地菊
多糖样品的烟丝含水率下降了 3.61%,添加丙二醇的烟
丝含水率下降了 4.27% ,前者含水率的降幅比后者低
18.28%左右。其原因可能是:①丙二醇是小分子物质,
与水的结合仅仅依靠氢键;而多糖为大分子物质,且其
分子中含有多种亲水基团,与水结合的氢键数量比丙
二醇要多,结合更加牢固。②从物理结构来看,多糖的
链状结构能有效地使其分子间结合,形成具有更强持
水能力的网状结构。因此,卤地菊多糖的保润效果优
于丙二醇。
3 结论
①通过正交实验确定的超声提取卤地菊多糖的最
佳工艺条件为:提取次数两次,每次提取时间为 30
min,超声波功率为 360 W,料液比 1∶20。②卤地菊多糖
样品保湿率在 12 h 之后明显高于丙二醇,说明其能减
缓失水速率;长时间低湿度条件下,添加 5%卤地菊多
糖的烟丝含水率的降幅比添加丙二醇的烟丝低 18.28%
左右,证明卤地菊多糖的保湿性能比丙二醇高,能有效
地减缓卷烟中水分的散失。因此卤地菊多糖具有开发
为新型卷烟保润剂的潜力。
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图 7 卤地菊多糖和丙二醇对烟丝含水率变化的影响
48