全 文 :收稿日期:2010-06-10。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31060210);江西省科技支撑计划基金资助项目(2009BNA09000)。
作者简介:胡明明(1986-),男,硕士生。*通信作者:张国文(1966-),男,教授,博士,博士生导师。E-mail:gwzhang@ncu.
edu.cn。
文章编号:1006-0464(2011)03-0241-06
响应面法优化超声提取花生壳多酚
胡明明,张国文*,何 力
(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,江西 南昌 330047)
摘 要:采用响应面法对超声辅助提取花生壳多酚的工艺条件进行优化。在单因素试验的基础上选取乙醇体积分
数、液固比、超声功率和提取温度四因素,利用Box-Benhnken试验和响应面分析法,研究了各自变量交互作用及其
对花生壳多酚提取率的影响,模拟得到二次多项式回归方程的预测模型。结果表明,超声辅助提取花生壳多酚的
最佳工艺条件为:乙醇体积分数68%、液固比(mL/g)431、超声功率120W,提取温度78℃,多酚类物质的实测
得率(1.67%)与响应曲面拟合所得方程的预测值(1.69%)符合良好。
关键词:花生壳;多酚;响应面;超声提取
中图分类号:TS207.3 文献标志码:A
花生(Arachis hypogaea L.)属豆科一年生草
本科植物,是我国重要经济作物,花生壳是其荚果外
壳[1]。我国是世界花生生产大国,目前我国花生年
总产量达1 450万t以上,占世界总产量的42%,年
副产花生壳约450万t。而这些花生壳除了少部分
被用作饲料和燃料,大部分被白白扔掉,造成了资源
的极大浪费[2]。花生壳中除含有大量的碳水化合物
及粗纤维外,还含有少量的多酚类和黄酮类物质。
多酚类物质具有抗氧化作用,研究发现,花生壳中多
酚类物质超过0.167% 时,就可显示出抗氧化活
性[3-5]。若能把花生壳中的多酚类物质提取出来,
即可作为天然的油脂抗氧化剂和有保健功能的食品
添加剂使用,因此,花生壳的开发利用具有良好的市
场前景。
超声辅助法作为一种新兴的提取方法,它是利
用超声波的机械破碎和空化作用,加速浸提物从原
料向溶剂的扩散速率,此方法具有简单、省时、高效
和节能等优点[6-9]。近年来,超声辅助技术已广泛
应用于植物有效成分的提取,然而应用于花生壳多
酚的提取还鲜有报道。本研究采用超声波辅助提
取,并通过响应面分析的方法对花生壳多酚提取的
工艺参数进行优化,以确定最佳提取工艺,为花生壳
中多酚类物质的开发利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
花生壳粉,市售吉林红皮花生,手工剥壳,在50
℃恒温烘干后粉碎过40目筛。
没食子酸(遵义市第二化工厂);其他化学试剂
均为分析纯试剂。
RE-52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;
UV-2450紫外分光光度计 日本岛津公司;SHZ-
D(Ⅲ)循环水式真空泵 巩义市英峡予华仪器厂;
KQ5200DB数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有
限公司。
1.2 方法
1.2.1 多酚类物质的提取 精密称取一定质量的
花生壳粉末,按一定比例加入一定浓度的乙醇溶液,
再在一定温度下超声辅助提取一定时间,然后将提
取液抽滤后定容待测。
1.2.2 总多酚含量的测定 Folin-Ciocalteu法见
文献[10]。
1.2.2.1 配制试剂 Folin-Ciocalteu试剂[10]和
10%的饱和碳酸钠溶液。
1.2.2.2 标准曲线的绘制精确称取0.050g没食
子酸标准品,用蒸馏水溶解并定容于100mL容量
瓶中,得到浓度为500μg/mL的对照品标准溶液。
准确移取该溶液0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0mL于10
mL比色管中,定容摇匀,配成一系列不同浓度的标准
溶液。然后从各溶液中吸取1mL加入25mL容量
瓶内,先加10mL蒸馏水,摇匀,再加1.5mL Folin-
Ciocalteu试剂,充分摇匀,在0.5~8min内加入6mL
第35卷第3期
2011年6月
南昌大学学报(理科版)
Journal of Nanchang University(Natural Science)
Vol.35No.3
Jun.2011
10%Na2CO3 溶液,混匀,加水定容,再混匀,在30℃
下避光放置反应2h,以0样为空白,在760nm处测
定吸光度,吸光度(Y)与没食子酸浓度(X)的标准回
归方程Y=0.004 X+0.036 7,R2=0.999 1。
1.2.2.3 提取液中总多酚类含量的测定 移取待
测提取液1mL于25mL容量瓶中,用1.2.2.2的
方法测定其在760nm的吸光度,然后按照公式(1)
计算花生壳中多酚类化合物的得率。
多酚得率/%=
(A-0.036 7)×100×10-6
0.004×1 ×100
(1)
式中:100为多酚化合物稀释倍数;1为样品取样质
量;10-6为μg与g之间的换算单位。
1.2.3 单因素实验 本实验主要研究不同乙醇体
积分数、液固比、超声功率、提取温度、超声时间和提
取次数对花生壳多酚得率的影响。
1.2.4 响应面实验设计 根据Box-Benhnken试
验设计原理[11],结合单因素试验结果,选取乙醇体
积分数、液固比、超声功率和提取温度等4个对花生
壳多酚得率影响显著的因素,采用四因素三水平的
响应面分析方法求取优化的工艺参数,试验因素与
水平设计见表1。
表1 试验因素水平及编码
水平
因素
乙醇体积
分数/%
X1
液固比/
mL·g-1
X2
超声
功率/W
X3
提取
温度/℃
X4
-1 60 30 100 60
0 70 40 120 70
+1 80 50 140 80
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果与分析
2.1.1 乙醇体积分数对花生壳多酚得率的影响
固定超声功率100W,液固比301,超声时间20
min,提取温度60℃,提取次数1次,考察不同乙醇
体积分数对多酚得率的影响,结果见图1。随着乙
醇体积分数的增加,多酚得率也随之增大,当乙醇体
积分数达到70%时,其得率最大,之后随着乙醇体
积分数的增加多酚得率反而降低。这可能是因为随
着乙醇体积分数的增加,多酚类物质在乙醇溶液中
的溶解度增加,当乙醇体积分数达到70%以后,溶
液极性增强,导致多酚类物质的溶解度下降,故将乙
醇体积分数确定在70%左右。
2.1.2 液固比对花生壳多酚得率的影响 固定超
乙醇体积分数/%
图1 乙醇体积分数对花生壳多酚提取的影响
声功率100 W,乙醇体积分数70%,超声时间20
min,提取温度60℃,提取次数1次,考察不同液固
比对多酚得率的影响,结果见图2。随液固比的增
加,多酚得率也增加,当液固比为401时,多酚得
率最高,再增加液固比时多酚得率反而降低,这可能
是溶剂过少,溶液易达到饱和,有效成分难以提取完
全,而溶剂过多,不仅增加成本,也会增加杂质的含
量,故选择液固比为401左右为宜。
液固比/(mL·g-1)
图2 液固比对花生壳多酚提取的影响
2.1.3 超声功率对花生壳多酚得率的影响 固定
乙醇体积分数70%,液固比401,超声时间20
min,提取温度60℃,提取次数1次,考察不同超声
功率对多酚得率的影响,结果见图3。随超声功率
的增加,多酚得率也增加,当超声波功率达到120W
P/W
图3 超声功率对花生壳多酚提取的影响
·242· 南昌大学学报(理科版) 2011年
时,其得率最高,此后继续提高超声波功率,多酚得
率反而逐渐下降。这是由于随着功率的增加,超声
波对细胞壁的破碎作用增强,胞内多酚溶出速率增
加,提取率逐渐提高;但功率大于120W 后,由于此
时花生壳中多酚类物质在乙醇溶液中的浓度已经达
到了饱和,过大的超声波强度破坏了多酚类物质结
构,从而导致多酚得率反而降低,因此超声功率以
120W左右为宜。
2.1.4 提取温度对花生壳多酚得率的影响 固定
超声功率120W,乙醇体积分数70%,液固比40
1,超声时间20min,提取次数1次,考察不同提取
温度对多酚得率的影响,结果见图4。随着提取温
度提高,花生壳多酚得率明显增加。这是由于提取
温度的提高会增加溶剂分子和溶质分子的运动,促
进扩散作用,从而有利于提高提取率,但由于实验仪
器条件的限制,超声温度只能达到80℃,因此选择
60~80℃为宜。
θ/℃
图4 提取温度对花生壳多酚提取的影响
2.1.5 超声时间对花生壳多酚得率的影响 固定
超声功率120W,乙醇体积分数70%,液固比40
1,提取温度80℃,提取次数1次,考察不同超声时
间对多酚得率的影响,结果见图5。随着超声时间
的延长,提取率先是逐渐上升,到了50min到达最
高,之后反而有所下降。这可能是由于超声波具有
t/min
图5 超声时间对花生壳多酚提取的影响
较强的剪切作用,长时间的作用会破坏多酚的分子
结构,使得多酚得率出现了下降趋势。因此选择超
声时间在50min左右。
2.1.6 提取次数对花生壳多酚得率的影响 固定
超声功率120W,乙醇体积分数70%,液固比40
1,超声时间50min,提取温度80℃,考察不同提取
次数对多酚得率的影响,结果见图6。在第一次超
声提取中,花生壳中大部分多酚基本浸出,之后随着
提取次数的增加,多酚得率并没有明显提高。在工
业生产中,为降低耗能和节约成本,故实验中选择1
次提取。
提取次数
图6 提取次数对花生多酚提取的影响
2.2 响应面优化试验结果
采用SAS v8.1软件对试验数据进行回归分
析,Box-Behnken的四因素三水平实验的取值见表
2,共27个实验点。前面24个是析因点,自变量取
值在X1、X2、X3、X4 所构成的三维顶点;后面3个
为零点 ,为区域的中心点,用以估计试验误差[12]。
每次所得花生壳总多酚得率见表2。
表2 响应面分析试验设计与试验结果
实验号
各因素编码值
X1 X2 X3 X4
总多酚得率/
%
1 -1 -1 0 0 1.56
2 -1 1 0 0 1.60
3 1 -1 0 0 1.55
4 1 1 0 0 1.53
5 0 0 -1 -1 1.47
6 0 0 -1 1 1.64
7 0 0 1 -1 1.50
8 0 0 1 1 1.62
9 -1 0 0 -1 1.51
10 -1 0 0 1 1.65
11 1 0 0 -1 1.51
12 1 0 0 1 1.63
13 0 -1 -1 0 1.53
14 0 -1 1 0 1.55
·342·第3期 胡明明等:响应面法优化超声提取花生壳多酚
续表2 响应面分析试验设计与试验结果
实验号
各因素编码值
X1 X2 X3 X4
总多酚得率/
%
15 0 1 -1 0 1.59
16 0 1 1 0 1.54
17 -1 0 -1 0 1.56
18 -1 0 1 0 1.52
19 1 0 -1 0 1.46
20 1 0 1 0 1.53
21 0 -1 0 -1 1.51
22 0 -1 0 1 1.57
23 0 1 0 -1 1.50
24 0 1 0 1 1.63
25 0 0 0 0 1.66
26 0 0 0 0 1.67
27 0 0 0 0 1.65
2.2.1 模型的建立 利用SAS软件对表2中的试
验数据进行多元回归拟合,得到乙醇体积分数
(X1)、液固比(X2)、超声功率(X3)和提取温度(X4)
与多酚化合物得率(Y)之间的二次多项回归方程:
Y=1.66-0.015 833 X1+0.01 X2+
0.000 833 X3+0.061 667 X4-
0.056 25 X21-0.015 X1X2+
0.027 5 X1X3-0.005 X1X4-
0.05 X22-0.017 5 X2X3+
0.017 5 X2X4-0.068 75 X32-
0.012 5 X3X4-0.04 X24
2.2.2 方差分析 采用SAS Rsreg程序对表2中
花生壳多酚得率数据进行多元回归分析[13],分析结
果见表3和表4。
模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考
察。由表3、4可见,模型的显著水平P为0.000 1,
远小于0.01,说明所选用的二次多项模型具有高度的
显著性,该试验方法是可靠的。该模型的决定系数
R2 为93.23%,说明此模型与实际试验拟合较好,试
验失拟项不显著,因此可用该回归方程代替试验真实
点对实验结果进行分析。回归方程各项的方差分析
结果还表明方程中的一次项、二次项的影响都是显著
的,其中一次项为极显著的(p<0.000 1),因此各个
具体试验因子与响应值都不是简单的线性关系。
表3 回归方程方差分析
方差来源 平方和 自由度 F值 P值Prob>F
一次项 0.049 850 4 21.17 <0.000 1
二次项 0.026 840 4 11.40 0.000 7
交互项 0.007 100 6 2.01 0.149 5
总回归 0.083 790 14 10.17 0.000 2
失拟项 0.006 425 10 12.85 0.214 0
表4 回归方程偏回归系数的估计值
编译来源 平方和 均方 自由度 F值 大于|t|的概率 显著性
模型 Model 0.091 242 0.006 517 14 11.804 85 0.000 1 **
X1 乙醇浓度 0.003 008 0.003 008 1 5.449 057 0.037 773 *
X2 液固比 0.001 2 0.001 2 1 2.173 585 0.166 144
X3 超声功率 8.333E-6 8.333E-6 1 0.015 094 0.904 252
X4 提取温度 0.045 633 0.045 633 1 82.656 6 0.000 1 **
X21 0.016 875 0.016 875 1 30.566 04 0.000 13 **
X1X2 0.000 9 0.000 9 1 1.630 189 0.225 831
X1X3 0.003 025 0.003 025 1 5.479 245 0.0373 33 *
X1X4 0.000 1 0.000 1 1 0.181 132 0.677 935
X22 0.013 333 0.013 333 1 24.150 94 0.000 357 **
X2X3 0.001 225 0.001 225 1 2.218 868 0.162 14
X2X4 0.001 225 0.001 225 1 2.218 868 0.162 14
X23 0.025 208 0.025 208 1 45.660 38 0.000 1 **
X3X4 0.000 625 0.000 625 1 1.132 075 0.308 275
X24 0.008 533 0.008 533 1 15.456 6 0.001 993 **
决定系数(R2)93.23% 变异系数(C.V.)1.50
注:“*”表示在0.05水平显著;“**”表示在0.01水平显著
2.2.3 响应面分析 图7~12直观地反映了各因
素对响应值的影响。比较6组图可知,提取温度
(X4)对超声辅助提取花生壳多酚的影响最为显著,
表现为曲面较陡峭;由表4可以看出四种因素影响
次序为:X4(提取温度)> X1(乙醇体积分数)> X2
(液固比)>X3(超声功率)。
·442· 南昌大学学报(理科版) 2011年
2.2.4 确定最优条件及验证实验 利用SAS软件
分析得到的 X1、X2、X3、X4 的代码值分别为:
-0.236 754、0.284 413、-0.144 373、0.807 597,
换算后得到多酚类物质提取的最优条件为:乙醇体
积分数67.63%、液固比42.841、超声功率117.
11W、提取温度78.08℃,此时模型预测总多酚得
率为1.69%。
在上述优化条件下,考虑实际操作的局限性,将
工艺参数修正为乙醇体积分数68%、液固比431、
超声功率120W、提取温度78℃。在此修正条件下
进行了5次平行验证实验,花生壳总多酚得率平均
值为 1.67%,RSD 为 0.9%,与 理 论 预 测 值
(1.69%)相比误差仅为0.02%。因此,利用响应面
法优化得到的提取条件参数准确可靠,具有使用价
值。
3 结论
本研究用响应面法优化花生壳多酚的超声提取
工艺。实验结果表明,超声辅助提取花生壳多酚的
最佳工艺条件为:乙醇体积分数68%、液固比43
1、超声功率120W、提取温度78℃,模型预测总多
酚得率为1.69%。对实验结果进行验证,在最佳实
验条件下进行5次平行实验,平均得率为1.67%,
·542·第3期 胡明明等:响应面法优化超声提取花生壳多酚
与理论预测值(1.69%)相比误差仅为0.02%。该
研究结果为工业化开发花生壳资源中的多酚类物质
提供了一定的理论基础和参考。
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Optimization of ultrasonic extraction of polyphennols from
peanut shel by response surface methodology
HU Ming-ming,ZHANG Guo-wen,HE Li
(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)
Abstract:Response surface methodology(RSM)was selected to optimize for the ultrasonic-assisted extrac-
tion process of polyphennols from peanut shel.Based on the experiment of a single factor,the mathematical
regression model was established about the dependent variable’s(extraction yield of polyphennols)and in-
dependent variables(ethanol concentration,ratio of liquid to solid,ultrasonic power,and extraction temper-
ature)through Box-Benhnken design and RSM.The results showed optimum extraction parameters were
could be:ethanol concentration of 68%(v/v),the ratio of liquid to solid of 43:1(mL/g),ultrasonic power
of 120W,extraction temperature of 78℃.Under these conditions,the practical yield of polyphennols was
1.67%,which was consistent with the predicted yield of polyphennols of 1.69%.
Key words:peanut shel;polyphennols;response surface methodology;ultrasonic extraction
·642· 南昌大学学报(理科版) 2011年