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405%;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] 20090930
[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,Email:wwd123@163com
[作者简介] 李超,讲师,博士,研究方向为天然产物化学,Email:
chaoge002@163com
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[12]。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[37]。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[1013]。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);XMT152电热恒温
干燥箱(上海跃进医疗器械厂);SHJM1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);HA1215001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>995%(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
21 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02g·L-1的对照品储备液。精密量取对照品
储备液 0,05,10,15,20,25mL,分别置于 10
mL量瓶中,加甲醇稀释至刻度,摇匀,配成 000,
001,002,003,004,005g·L-1的儿茶素甲醇
溶液,分别取05mL于10mL比色管中,再先后加
入3%香草醛甲醇溶液和30%H2SO4各25mL,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=33771C-
00003,R2=09990。结果表明在 0~000455
g·L-1线性良好。
22 超声强化亚临界水提取
221 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。
222 工艺优化设计
2221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。
2222 BoxBehnken试验设计 根据 BoxBe
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 BoxBehnken
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。
223 抗氧化活性的测定
2231 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101,202,405,
810,1620,3240mg·L-1)1mL及 144×10-4
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。
2232 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101,202,405,810,
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1620,3240mg·L-1)1mL及 50mg·L-1的
NaNO2溶液10mL加入同一具塞试管中(共6支)
摇匀,37℃恒温反应15min。加入04%的对氨基
苯磺酸10mL摇匀,静置,5min后再加入02%盐
酸萘乙二胺05mL,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。
23 其他提取方法
231 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。
232 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。
233 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
31 单因素试验
311 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[1718]相吻合。因此选择提取温度 145℃作为后
面的试验继续考察。
312 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。
313 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[2021]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。
32 BoxBehnken试验
321 模型的建立及其显著性检验
利用 DesignexpertV700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(%)=396+006x1+006x2-00025x3
-0017x1x2-0038x1x3+00075x2x3-023x
2
1-
015x22-0091x
2
3。
对该模型进行方差分析,结果见表3。
表2 BoxBehnken试验结果 %
No 得率 No 得率
1 365 9 385
2 372 10 382
3 381 11 384
4 382 12 402
5 374 13 402
6 375 14 404
7 387 15 409
8 391
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 023 9 0026 2332 00015
x1 2112×10-3 1 2112×10-3 193 02235
x2 0021 1 0021 1919 00072
x3 0029 1 0029 2630 00037
x1x2 00009 1 00009 082 04062
x2x3 225×10-4 1 225×10-4 0218 06693
x1x3 0011 1 0011 1007 00247
x21 012 1 012 11231 00001
x22 0051 1 0051 4655 00010
x23 9231×10-3 1 9231×10-3 843 00337
残差 5475×10-3 5 1095×10-3
失拟项 2875×10-3 3 9583×10-4 074 06195
误差项 00026 2 00013
总和 024 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<001),失拟项不显著以及 R2Adj=
09349和S/N(信噪比)为14157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。
322 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<001)和 x3(P<001)都极显著,x1不显
著;交互项 x2x3(P<005)显著,其他交互项不显
著;二次项x21(P<001)和x
2
2(P<001)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<005)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408%。为检验BoxBehnken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 405%,与理论预测值相
比,其相对误差约为 009%。因此,基于 BoxBe
hnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠,具
有实用价值。
33 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324mg·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954%
和810%,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。
34 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981%,而比乙醇回流提取
得率高397%;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BoxBehnken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405%;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。
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Ultrasoundassistedsubcriticalwaterextractionofproanthocyanidins
fromdefatedgrapeseedanditsantioxidantactivity
LIChao1,WANGWeidong1,YUHaiyan1,LIJiaojiao1,YANGRifu2
(1ColegeofFoodEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221008,China;
2ColegeofScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
[Abstract] Objective:Tooptimizethetheultrasoundassistedsubcriticalwaterextraction(USWE)parametersofproanthocya
nidinsfromdefatedgrapeseed,studyantioxidantactivityofproanthocyanidinsandcomparetheefectsofUSWEandotherextraction
techniquesMethod:The2LequipmentofUSWEwasdesignedandusedtoextracttheproanthocyanidinsThefactorsincludingex
tractiontemperature,extractiontimeandextractionpressurewerestudiedThebestextractionconditionwasfoundthroughtheresponse
surfacedesignAntioxidantactivityofproanthocyanidinswasstudiedbyitsDPPHfreeradicalandNaNO2scavengingactionResult:
TheUSWEparameterswereextractiontemperature145℃,extractiontime18min,extractionpressure14MPaandtheextractionyield
(EY)was405% underthisextractioncondition.Theproanthocyanidinsextractedunderthisoptimizedextractionconditionhadbeter
scavengingactiononDPPHfreeradicalandNaNO2.Ascomparedwiththeconventionalsoxhlet′sextractionandheatrefluxextraction,
theUSWEcostlessextractiontime,andpossessedhigheficiencyandsoonConclusion:TheextractiontechnologyofUSWEishigh
lyfeasibletoextractproanthocyanidinsfromdefatedgrapeseed
[Keywords] ultrasoundassistedsubcriticalwaterextraction;proanthocyanidins;responsesurfacemethodology
doi:10.4268/cjcmm20100806
[责任编辑 周驰]
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