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Ultrasound-assisted subcritical water extraction of proanthocyanidins from defatted grape seed and its antioxidant activity

超声强化亚临界水提取脱脂葡萄籽中原花青素的工艺及其抗氧化研究



全 文 :·制剂·
超声强化亚临界水提取脱脂葡萄籽中原花青素的
工艺及其抗氧化研究
李超1,王卫东1,虞海燕1,李姣姣1,杨日福2
(1徐州工程学院 食品工程学院,江苏 徐州 221008;
2华南理工大学 理学院,广东 广州 510640)
[摘要] 目的:优化超声强化亚临界水提取脱脂葡萄籽中原花青素的最佳工艺参数,研究其抗氧化活性,并与传统方法
进行比较。方法:采用自行设计的2L超声强化亚临界水提取设备,研究影响超声强化亚临界水提取原花青素的几个因素,包
括提取温度、提取时间和提取压力,并通过响应曲面法优化出最佳工艺参数;通过其对DPPH自由基和亚硝酸钠清除作用研究
了抗氧化活性。结果:超声强化亚临界水提取原花青素的最佳工艺参数为提取温度145℃,提取时间18min和提取压力14
MPa,此时得率为405%;此条件下得到的原花青素对DPPH自由基和亚硝酸钠都有较好的清除作用;与传统索氏提取和热回
流提取相比,超声强化亚临界水提取具有提取时间短、得率高等优点。结论:采用超声强化亚临界水提取技术提取脱脂葡萄
籽中原花青素是可行的。
[关键词] 超声强化亚临界水提取;原花青素;响应曲面法
[收稿日期] 20090930
[基金项目] 国家自然科学基金项目(20776047);徐州工程学院培
育项目(XKY2008322)
[通信作者] 王卫东,讲师,博士,研究方向为功能性食品添加剂
及配料,Email:wwd123@163com
[作者简介] 李超,讲师,博士,研究方向为天然产物化学,Email:
chaoge002@163com
  原花青素是葡萄籽中主要的多酚类物质,是由
黄烷3醇和黄烷3,4二醇的配位缩合或聚合而成
的低聚或多聚物[12]。它具有抗氧化、抗衰老、抗肿
瘤,抗辐射,防止血小板凝结,增强心血管活性等多
种生物活性和药理作用[37]。常用的原花青素提取
方法有索氏提取和热回流提取等,这些方法都存在
提取时间长等缺点。水是一种对环境无害的萃取溶
剂,常温常压下水是极性很大的溶剂,随着温度的升
高,水的极性会降低,对中极性和非极性有机物的溶
解能力也会增加[8]。在适度的压力下,将水加热到
100℃以上临界温度374℃以下的高温,水体仍然
保持在液体状态,它的极性会随温度变化而改变,这
种水称为亚临界水[9](subcriticalwaterextraction,
SWE),也称之为高温水、超加热水、高压热水或热
液态水。亚临界水与常温常压下的水在性质上有较
大差别,控制温度和压力可以调节亚临界水的极性,
从而达到选择性提取目标成分,例如当温度为250
℃,压力10MPa时,水的极性与甲醇相当。作为一
种新型提取技术,具有提取时间短、效率高、环境友
好等优点,在国外作为一种绿色环保技术已应用于
环境样品中植物有效成分的提取、有机污染物的萃
取等领域[1013]。超声波具有空化效应、机械效应和
热效应,能够强化传质过程,因此本研究以酿酒和果
汁加工的下脚料葡萄籽为研究对象,尝试用超声强
化亚临界水提取这一新技术来提取葡萄籽(首先超
临界CO2萃取脱脂)中原花青素,旨在为原花青素的
提取提供一种绿色高效的新型技术。
1 材料
葡萄籽(石家庄金牛饲料有限公司),儿茶素对
照品 (中国药品生物制品检定所,批号 877
200001),香草醛(广东汕头市西陇化工厂),无水乙
醇和浓硫酸皆为分析纯,水为去离子水。
2L超声强化亚临界水提取设备(华南理工大
学理学院自制,见图1)。标准检验筛(浙江上虞华
美仪器纱筛厂);风选中药粉碎机(山东省青州市精
诚机械制造有限公司);FA2104N电子分析天平(上
海精密科学仪器有限公司);SENCOR201L旋转蒸
发器(上海申生科技有限公司);XMT152电热恒温
干燥箱(上海跃进医疗器械厂);SHJM1数显恒温
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搅拌电热套(山东省鄄城现代实验仪器厂);索氏提
取器(自行组装);数显式电热恒温水浴锅(上海跃
进医疗器械厂);HA1215001型超临界 CO2萃取装
置(南通市华安超临界萃取有限公司);CO2体积分
数>995%(徐州市鼓楼区中北气站)。
1.纯水装置;2.蓄水池;3.压力泵;4.预加热器;5.萃取器;6.超
声波换能器;7.恒温装置;8.冷却器;9.收集器;10.压力测定器;
11.温度测定器;12.冷却器进水口;13.冷却器出水口;14~20.
调节阀门;21.控制面板;22.超温超压报警安全系统;23.电源开
关;24.压力调节控制器;25.温度调节控制器。
图1 超声强化亚临界水提取设备流程图
2 方法
21 标准曲线的绘制
按文献[14]方法稍加修改:精密称取儿茶素10
mg,置于50mL量瓶中,加甲醇稀释至刻度,摇匀,
配成02g·L-1的对照品储备液。精密量取对照品
储备液 0,05,10,15,20,25mL,分别置于 10
mL量瓶中,加甲醇稀释至刻度,摇匀,配成 000,
001,002,003,004,005g·L-1的儿茶素甲醇
溶液,分别取05mL于10mL比色管中,再先后加
入3%香草醛甲醇溶液和30%H2SO4各25mL,30
℃反应15min后,于波长500nm处测定吸光度,另
取甲醇溶液作为空白对照。以儿茶素浓度为横坐
标,吸光度值为纵坐标,得回归方程 A=33771C-
00003,R2=09990。结果表明在 0~000455
g·L-1线性良好。
22 超声强化亚临界水提取
221 工艺流程
葡萄籽粉碎后过80目筛,超临界CO2脱脂后称
取50g置于2L萃取罐中,提取一定时间后收集提
取液,蒸发浓缩定容后测定。
222 工艺优化设计
2221单因素试验 分别以提取温度、提取时间
和提取压力为影响因素考察其对得率的影响。
2222  BoxBehnken试验设计 根据 BoxBe
hnken试验设计原理,在单因素试验的基础上,选取
提取温度、提取时间和提取压力3个影响因素,采用
3因素3水平的响应曲面分析方法,试验因素与水
平设计见表1。共15个试验点:其中12个为析因
点,3个为中心点。
表1 因素水平表
水平
x1
提取温度/℃
x2
提取时间/min
x3
提取压力/MPa
-1 135 14 9
0 145 17 12
1 155 20 15
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程
为:
式中,EY为

预测响应值,xi和 xj为自变量代码
值,β0为常数项,βi为线性系数,βij为交互项系数,βi
为二次项系数,ε为随机误差。按照 BoxBehnken
试验设计的统计学要求,对上述方程的各项回归系
数进行回归拟合。
223 抗氧化活性的测定
2231 对DPPH自由基清除率的测定 按文献
[15]方法稍加修改:取最佳工艺参数下脱脂葡萄籽
提取物稀释液(质量浓度分别为101,202,405,
810,1620,3240mg·L-1)1mL及 144×10-4
mol·L-1的 DPPH溶液4mL加入同一具塞试管中
(共6支)摇匀,用纯溶剂作参比,于517nm波长下
测定吸光度。根据下列公式计算每种提取液对 DP
PH自由基的清除率:清除率(%)=[1-(Ai-Aj)/
A0]×100。其中:A0为不加提取物稀释液只加 DP
PH溶液的吸光度;Ai为加提取物稀释液反应后 DP
PH溶液的吸光度;Ai为不加DPPH只加提取物稀释
液的溶液的吸光度。
2232 对亚硝酸钠清除率的测定 按文献[16]
方法稍加修改:取最佳工艺参数下脱脂葡萄籽提取
物稀释液(质量浓度分别为101,202,405,810,
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1620,3240mg·L-1)1mL及 50mg·L-1的
NaNO2溶液10mL加入同一具塞试管中(共6支)
摇匀,37℃恒温反应15min。加入04%的对氨基
苯磺酸10mL摇匀,静置,5min后再加入02%盐
酸萘乙二胺05mL,用蒸馏水稀释至刻度,摇匀,静
置15min后,在 538nm处测定吸光度。清除率
(%)=[(A0-Ai)/A0]×100。式中:A0为不加提取
物稀释液的反应物吸光度;Ai为加提取物稀释液的
反应液的吸光度。
23 其他提取方法
231 索氏提取
葡萄籽粉碎后过80目筛,超临界CO2脱脂后称
取5g葡萄籽粉末,用滤纸包好,放入索氏提取器
中,定量加入80%乙醇溶液100mL,电热套加热提
取5h,将提取液过滤,蒸发浓缩定容后测定。
232 乙醇回流提取
葡萄籽粉碎后过80目筛,超临界CO2脱脂后称
取5g葡萄籽粉末,放置于250mL圆底烧瓶中,加
100mL80%乙醇溶液,电热套加热提取2h后,将
提取液过滤,蒸发浓缩定容后测定。
233 得率(EY)的计算
EY=原花青素的质量葡萄籽的质量 ×100%
3 结果与分析
31 单因素试验
311 提取温度的影响
在超声强化亚临界水提取过程中,温度是影响
提取效果的重要因素之一。本试验在提取时间17
min和提取压力6MPa的条件下分别进行了固定温
度的提取试验,固定温度分别为115,125,135,145,
155,165℃,每个温度条件下萃取17min。试验结
果表明当温度低于145℃时,随着温度的升高原花
青素的得率逐渐升高,当温度为145℃时,原花青素
的得率达到了最大,此后随着温度的升高原花青素
的得率逐渐降低。这是由于温度的升高削弱了水分
子间的氢键作用力,导致氢氧键键角变大,水分子中
的正负电荷中心的间距变小,水分子的极性就随之
减弱,其性质越来越类似于有机溶剂,这样就可将原
料中的成分按极性由高到低依次萃取出来。原花青
素的成分多且复杂,既有极性较大的成分,也有极性
较小的成分,由于原花青素的成分大多极性较强,升
高温度可使水的极性减弱从而接近原花青素的极
性,有利于提取,所以出现了原花青素的得率随着温
度升高逐渐增加的现象;但当温度过高,其中热稳定
性差的成分就会发生热降解,反而降低了原花青素
的得率,所以当温度高于145℃时,不但原花青素的
得率明显降低,而且还伴随有一股烧焦的味道,提取
液的颜色也随之加深。这一试验结果与一些报
道[1718]相吻合。因此选择提取温度 145℃作为后
面的试验继续考察。
312 提取时间的影响
静态提取的条件下考察提取时间对原花青素提
取效果的影响,结果开始时原花青素的得率随着时
间的延长显著增加,当提取时间为17min时,原花
青素得率达到最大,而后随着提取时间的延长反而
开始降低。超声强化亚临界水提取固体物料中有效
成分的传质过程,是一个活性成分在溶剂作用下通
过分子扩散运动达到固液相平衡的过程,到达平衡
状态需要一定的时间,因此平衡前适当地延长提取
时间有利于更多成分的溶出,可提高提取得率,但当
达到平衡后,由于葡萄籽中的成分多为一些强极性
原花青素,时间过长会导致部分成分发生降解,致使
提取得率降低。理论上提取时间越长,萃取效率应
该越好,但实际并非如此,Lin等[19]在用亚临界水从
刺五加中提取丁香苷的研究中也发现了这一现象。
因此,实际操作中要根据所提取的目标物来选择最
佳提取时间。因此选择提取温度17min作为后面
的试验继续考察。
313 提取压力的影响
本试验在静态提取、提取温度145℃、提取时间
17min的条件下,考察提取压力对原花青素提取的
影响,结果提取压力对原花青素的得率的影响很小:
随着提取压力的升高,原花青素得率的增幅很小,这
是因为在超声强化亚临界水提取过程中,压力只是
用来让水处于液体状态的,它的变化对水的极性影
响很小,所以提取压力对提取效果影响不大。这一
试验结果与一些报道[2021]相吻合。此外,压力大对
设备的材质要求就高,势必会增加成本。因此试验
选择12MPa作为最优压力。
32 BoxBehnken试验
321 模型的建立及其显著性检验
利用 DesignexpertV700统计软件通过逐步
回归对表2试验数据进行回归拟合,得到原花青素
得率对以上3个因素的二次多项回归模型为:
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EY(%)=396+006x1+006x2-00025x3
-0017x1x2-0038x1x3+00075x2x3-023x

1-
015x22-0091x

3。
对该模型进行方差分析,结果见表3。
表2 BoxBehnken试验结果 %
No 得率 No 得率
1 365 9 385
2 372 10 382
3 381 11 384
4 382 12 402
5 374 13 402
6 375 14 404
7 387 15 409
8 391
表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析
变异来源 平方和 自由度 均方 F P
模型 023 9 0026 2332 00015
x1 2112×10-3 1 2112×10-3 193 02235
x2 0021 1 0021 1919 00072
x3 0029 1 0029 2630 00037
x1x2 00009 1 00009 082 04062
x2x3 225×10-4 1 225×10-4 0218 06693
x1x3 0011 1 0011 1007 00247
x21 012 1 012 11231 00001
x22 0051 1 0051 4655 00010
x23 9231×10-3 1 9231×10-3 843 00337
残差 5475×10-3 5 1095×10-3
失拟项 2875×10-3 3 9583×10-4 074 06195
误差项 00026 2 00013
总和 024 14
由该模型的方差分析表3可见:模型具有高度
的显著性(P<001),失拟项不显著以及 R2Adj=
09349和S/N(信噪比)为14157远大于4,可知
回归方程拟合度和可信度均很高,试验误差较小,故
可用此模型对超声强化亚临界水提取原花青素的工
艺结果进行分析和预测。
322 响应曲面分析与优化
根据回归方程,作响应曲面图,考察所拟合的响
应曲面的形状,分析提取温度,提取时间和提取压力
对得率的影响。其响应曲面见图2~4,3组图直观
地反映了各因素对响应值的影响。
比较3组图并结合表3中 P可知:模型的一次
项x2(P<001)和 x3(P<001)都极显著,x1不显
著;交互项 x2x3(P<005)显著,其他交互项不显
著;二次项x21(P<001)和x

2(P<001)都极显著,
  
图2 提取温度、提取时间及其相互
作用对得率影响的响应面图
图3 提取温度、提取压力及其相互
作用对得率影响的响应面图
图4 提取时间、提取压力及其相互
作用对得率影响的响应面图
x23(P<005)显著,表明各影响因素对原花青素得
率的影响不是简单的线性关系。
为进一步确定最佳提取工艺参数,对所得方程
进行逐步回归,删除不显著项,然后求一阶偏导,并
令其为0,可得最佳工艺参数为提取温度145℃,提
取时间18min和提取压力14MPa,此时原花青素得
率为408%。为检验BoxBehnken试验设计所得结
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果的可靠性,采用上述优化出的工艺参数提取3次,
实际测得的平均得率为 405%,与理论预测值相
比,其相对误差约为 009%。因此,基于 BoxBe
hnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠,具
有实用价值。
33 抗氧化活性
脱脂葡萄籽中原花青素对DPPH自由基清除率
和亚硝酸钠清除率随其浓度的增加而增加;当原花
青素质量浓度为324mg·L-1时,DPPH自由基清
除率和亚硝酸钠清除率达到最大值分别为954%
和810%,说明原花青素对 DPPH自由基和亚硝酸
钠都有较好的清除作用。
34 不同提取方法比较
超声强化亚临界水提取脱脂葡萄籽中原花青素
得率是索氏提取得率的981%,而比乙醇回流提取
得率高397%;而超声强化亚临界水提取时间仅仅
18min,而其他提取方法则需要2h以上,提取时间
大大缩短。由此可知,超声强化亚临界水提取是一
种非常有效的提取原花青素的方式。
4 结论
由单因素试验和BoxBehnken试验设计及其分
析结果获得的超声强化亚临界水提取原花青素的最
佳工艺参数为提取温度145℃,提取时间18min和
提取压力14MPa,此时原花青素得率为405%;此
原花青素对DPPH自由基和亚硝酸钠都有较好的清
除作用。
实验还讨论比较了超声强化亚临界水提取与其
他提取方法的效果差异,结果表明,超声强化亚临界
水提取原花青素时间短,得率高。
[参考文献]
[1] RicardodaslivaJM,DarmonN,FernandezY,etalOxygenfree
radicalscavengercapacityinaqueousmodelsofdiferentprocya
nidinsfromgrapeseeds[J]JAgricFoodChem,1991,39(9):
1549
[2] SaitoM,HosoyamaH,ArigaT,etalAntiulceractivityofgrape
seedextractandprocyanidins[J]JAgricFoodChem,1998,46
(4):1460
[3] TeissedrePL,FrankelEN,WaterhouseAL,etalInhibitionof
invitrohumanLDLoxidationbyphenolicantioxidantsfrom
grapesandwines[J]JSciFoodAgric,1996,70(1):55
[4] BagchiD,BagchiM,StohsSJ,etalOxygenfreeradicalscaven
gingabilitiesofvitaminsCandvitaminsE,andagrapeseedpro
anthocyanidinsextractinvitroresearch[J]ResCommunMol
PatholPharmacol,1997,95(2):179
[5] RigoA,VianeloF,ClementG,etalContributionofproanthocy
anidinstotheperoxyradicalscavengingcapacityofsomeItalian
redwines[J]JAgricFoodChem,2000,48(6):1996
[6] KongJM,ChiaLS,GohNK,etalAnalysisandbiologicalac
tivitiesofanthocyanins[J]Phytochemistry,2003,64(5):923
[7] YooMA,KimJS,ChungHK,etalTheantioxidantactivityof
variouscultivarsofgrapeskinextract[J]JFoodSciBiotechnol,
2007,16(6):884
[8] YangY,BelghaziM,LagadecA,etalElutionoforganicsolutes
fromdiferentpolaritysorbentsusingsubcriticalwater[J]J
ChromatogrA,1998,810(1/2):149
[9] LiB,YangY,GanYX,etalOnlinecouplingofsubcritical
waterextractionwithhighperformanceliquidchromatographyvia
solidphasetrapping[J]JChromatogrA,2000,873(2):175
[10] RichterP,SepúlvedaB,OlivaRScreeninganddeterminationof
pesticidesinsoilusingcontinuoussubcriticalwaterextractionand
gaschromatographymassspectrometry[J]JChromatogrA,
2003,994(1/2):169
[11] GarcíaMM,RivasGJC,IbáňezERecoveryofcatechinsand
proanthocyanidinsfromwinerybyproductsusingsubcriticalwater
extraction[J]AnalChimActa,2006,563(1/2):44
[12] MohammadHE,FereshtehG,SoosanRSubcriticalwaterextrac
tionofessentialoilsfromcorianderseeds(Coriandrumsativum
L)[J]JFoodEng,2007,80(2):735
[13] MustafaZO,FahretinG,AlistairCLSubcriticalwaterextrac
tionofessentialoilsfromThymbraspicata[J]FoodChem,
2003,82(3):381
[14] 霍文兰高梁米糠中原花青素的提取、纯化及其抗氧化性研
究 [J]食品科技,2008(10):145
[15] 张尊昕,杨伯伦,刘谦光,等野葛根异黄酮成分的超声萃取
及抗氧化作用 [J]食品科学,2002,23(5):31
[16] 赵二劳,王晓妮,张海容,等山楂清除亚硝酸盐及阻断亚硝
胺合成的研究 [J]食品与发酵工业,2006,32(10):503
[17] EikaniMH,GolmohammadF,RowshanzamirSSubcriticalwater
extractionofessentialoilsfromcorianderseeds(Coriandrumsati
vumL)[J]JFoodEng,2007,80(22):735
[18] HataS,WiboonsirikulJ,MaedaA,etalExtractionofdefated
ricebranbysubcriticalwatertreatment[J]BiochemEngJ,
2008,40(1):44
[19] LinCC,HsiehSJ,HsuSL,etalHotpressurizedwaterextrac
tionofsyringinfromAcanthopanaxsenticosusandinvitroactiva
tiononratbloodmacrophages[J]BiochemEngJ,2007,37
(2):117
[20] SotoAyalaR,LuquedeCastroMDContinuoussubcriticalwater
extractionasausefultoolforisolationofedibleessentialoils
[J].FoodChem,2001,75(1):109
[21] JiménezCarmonaaMM,UberabJL,LuquedeCastroaMD
Comparisonofcontinuoussubcriticalwaterextractionandhydro
distilationofmarjoramessentialoil[J]JChromatogrA,1999,
855(2):625
·179·
第35卷第8期
2010年4月
                             
Vol35,Issue 8
April,2010
Ultrasoundassistedsubcriticalwaterextractionofproanthocyanidins
fromdefatedgrapeseedanditsantioxidantactivity
LIChao1,WANGWeidong1,YUHaiyan1,LIJiaojiao1,YANGRifu2
(1ColegeofFoodEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221008,China;
2ColegeofScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
[Abstract] Objective:Tooptimizethetheultrasoundassistedsubcriticalwaterextraction(USWE)parametersofproanthocya
nidinsfromdefatedgrapeseed,studyantioxidantactivityofproanthocyanidinsandcomparetheefectsofUSWEandotherextraction
techniquesMethod:The2LequipmentofUSWEwasdesignedandusedtoextracttheproanthocyanidinsThefactorsincludingex
tractiontemperature,extractiontimeandextractionpressurewerestudiedThebestextractionconditionwasfoundthroughtheresponse
surfacedesignAntioxidantactivityofproanthocyanidinswasstudiedbyitsDPPHfreeradicalandNaNO2scavengingactionResult:
TheUSWEparameterswereextractiontemperature145℃,extractiontime18min,extractionpressure14MPaandtheextractionyield
(EY)was405% underthisextractioncondition.Theproanthocyanidinsextractedunderthisoptimizedextractionconditionhadbeter
scavengingactiononDPPHfreeradicalandNaNO2.Ascomparedwiththeconventionalsoxhlet′sextractionandheatrefluxextraction,
theUSWEcostlessextractiontime,andpossessedhigheficiencyandsoonConclusion:TheextractiontechnologyofUSWEishigh
lyfeasibletoextractproanthocyanidinsfromdefatedgrapeseed
[Keywords] ultrasoundassistedsubcriticalwaterextraction;proanthocyanidins;responsesurfacemethodology
doi:10.4268/cjcmm20100806
[责任编辑 周驰]
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第35卷第8期
2010年4月
                             
Vol35,Issue 8
April,2010