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响应面法优化栀子花果胶多糖的提取工艺

发布时间:2021-11-25 17:22所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:本文采用柠檬酸法优化了栀子花果胶多糖提取工艺。单因素实验研究了提取温度、提取时间、料液比、pH对栀子花果胶多糖得率的影响,在单因素实验基础上,采用响应面法优化了栀子花果胶多糖的提取工艺条件,同时测定半乳糖醛酸、蛋白质和酯化度的含量。结果表明:栀

  摘要:本文采用柠檬酸法优化了栀子花果胶多糖提取工艺。单因素实验研究了提取温度、提取时间、料液比、pH对栀子花果胶多糖得率的影响,在单因素实验基础上,采用响应面法优化了栀子花果胶多糖的提取工艺条件,同时测定半乳糖醛酸、蛋白质和酯化度的含量。结果表明:栀子花果胶多糖最佳提取工艺条件为:提取温度95℃、提取时间2.5h、料液比1∶34(g/mL),提取得率为(32.31±0.71)%,与模型预测值32.43%的相对误差为0.37%。栀子花果胶多糖的半乳糖醛酸含量为(45.36±0.89)%、蛋白质含量为(1.84±0.01)%、酯化度(42.73±1.65)%。本实验为提高栀子花的综合开发利用提供了理论支持。

  关键词:栀子花;果胶;柠檬酸;响应面

食品工艺

  果胶是一种存在于高等植物初级细胞壁和细胞间区域的结构性杂多糖[1],常用于功能型食品中添加,被用作凝胶剂、增稠剂、乳化剂、稳定剂等[2],在食品工业领域得到了广泛的应用。此外,果胶因具有抗肿瘤、降血糖、调节肠道菌群等生物功能[3],常在医药行业作为原料。目前国内商用果胶主要以柑橘和苹果为原料,随着果胶需求量及应用范围不断扩大,开发果胶新原料、新产品成为近年来的研究热点。

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  栀子(GardeniajasminoidesEllis)属茜草科灌木,因其花香浓郁、四季常绿,是庭院绿化的常用植物。栀子的成熟果实是我国的传统中药,还可以用于提取栀子黄等食品色素[4],是原国家卫生部颁布的第1批药食两用资源品种,在我国江西、福建、浙江、重庆等南方各省市均有大规模种植。目前栀子花主要用于精油、纯露、化妆品香精等[5],此外栀子花营养物质丰富[6-7],含有18种氨基酸、矿物质、维生素等,在我们很多地区有加工食用栀子花的习惯[8]。

  然而国内外对栀子花果胶多糖方面研究较少,且栀子花在食用前会进行挑选、剩下的作为食物废弃物丢弃,这些废弃物也具有经济效益。前期课题组研究发现栀子花中果胶多糖,具有凝胶特性,且可以延缓脂质体中丁香酚的释放[9],但未进行优化。因此,本实验将栀子花落花作为果胶开发的原材料不仅提高了栀子花废弃物的综合利用,还充分发挥了药食两用的优势。响应面是一种常用的工艺优化,可以连续对实验各个水平进行分析,使结果更加合理、可靠[10],本实验利用响应面法设计实验方案,以栀子花为原材料,用柠檬酸法提取栀子花果胶多糖,以果胶得率为实验指标,在单因素实验的基础上,优化并验证栀子花果胶多糖提取工艺条件。

  1材料与方法

  1.1材料与试剂

  栀子花落花来源于浙江农林大学校园;牛血清蛋白、半乳糖醛酸、考马斯亮蓝染色液:上海源叶生物科技有限公司;无水乙醇、一水合柠檬酸、溴化钾(均为分析纯):国药集团化学试剂有限公司。

  1.2仪器与设备HWS-2电热恒温水浴锅:上海一恒科学仪器有限公司;DGG-9123AD电热恒温鼓风干燥箱:上海森信实验仪器有限公司;iS10傅立叶变换红外光谱仪:赛默飞世尔科技(中国)有限公司;BSA224S电子天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;PHSJ-3F型雷磁酸度计:上海精密科学仪器有限公司;UV-5500紫外可见分光光度计:上海元析仪器有限公司。

  1.3实验方法

  1.3.1栀子花果胶多糖的提取根据陈琦[10]等方法略作修改:栀子花用95%酒精煮沸5min灭酶,室外晒干,粉碎,过80目筛备用。粉末与80%乙醇1∶10混合,脱色、脱脂。电动搅拌器搅拌24h后抽滤。残渣以无水乙醇浸泡24h后再次抽滤,室温下干燥后装入密封袋,4℃冰箱保存备用。取栀子花粉1.00g于锥形瓶中,按相应的料液比添加对应pH的柠檬酸试剂,混合均匀。将其置于水浴锅中在对应温度下提取一定时间,完成后冷却至室温,离心(8000r/min)10min,取其上清液后抽滤。重复一次,合并两次滤液按体积比1∶3加入无水乙醇,4℃醇沉12h。离心取粗果胶,无水乙醇洗涤2次后抽滤,60℃烘箱干燥滤渣后称重,计算栀子花果胶多糖提取率。

  1.3.2单因素实验取栀子花果胶多糖1.00g、提取温度(80℃、85℃、90℃、95℃、100℃)、pH(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5)、提取时间(1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h)、料液比(1∶10g/mL、1∶20g/mL、1∶30g/mL、1∶40g/mL、1∶50g/mL)对果胶产率的影响,所有实验重复3次。

  1.3.3响应面优化实验设计依据单因素试验结果,采用Box-Behnken响应面试验设计方案以果胶得率为响应值,确定栀子花果胶多糖的最佳提取工艺。

  1.3.4栀子花果胶多糖理化特性测定方法的确定半乳糖醛酸含量测定:采用紫外分光光度计法[12];蛋白质含量测定:采用考马斯亮蓝法,参照Bradford建立的方法稍作改动[13];酯化度的测定:用傅立叶变换红外光谱法,参照B.E.Morales-Contreras等人[14]的方法:根据1743cm-1处和1632cm-1处附近的两个吸收峰峰面积比值可判定酯化度。DE为栀子花果胶多糖的酯化度,%;Abs1743cm-1为1743cm-1处吸收峰的峰面积,mAu·s;Abs1632cm-1为1632cm-1处吸收峰的峰面积,mAu·s。

  1.3.5数据处理实验数据用origin2018软件作图,采用Design-Expert8.0.6.1软件进行分析。

  2结果与分析

  2.1单因素试验

  2.1.1提取温度对栀子花果胶多糖提取率的影响

  在80℃~95℃范围内,栀子花果胶多糖提取率随提取温度上升而升高,且在85℃~95℃增加较快,当提取温度达到95℃时,提取率最高为(29.13±0.65)%。温度升高,分子运动速率上升,分子扩散系数增大,且高温能破坏细胞壁,使得果胶分子更容易溶出[15]。当提取温度继续升高时,栀子花果胶多糖提取率有较大幅度地降低趋势。这可能是由于提取温度继续升高可能会破坏果胶分子的结构[15]。在100℃时溶剂蒸发加剧,使大部分的多糖分子结构受到破坏、分解,导致果胶得率下降,根据试验结果,选择提取温度95℃为提取栀子花果胶多糖的最优水平。

  2.1.2pH对栀子花果胶多糖提取率的影响

  pH在1.5~3.5范围内,栀子花果胶多糖提取率随pH增大而降低,pH与栀子花果胶多糖提取率负相关。当pH为1.5时,提取率最高为(36.58±0.13)%。但由试验发现,pH减小会使所得果胶色泽加深,品质变差。色泽加深可能是由于栀子花中的环烯醚萜苷在酸性条件下水解,生成的苷元很不稳定,易发生聚合反应[16-17]。综合考虑各方面因素,选择pH2.0为提取栀子花果胶多糖的最优水平。当pH为2.0时,栀子花果胶多糖提取率为(29.15±0.44)%。pH对提取率、色泽、品质等方面均有较大影响,当pH为2.0时,在满足果胶色泽品质的情况下同时栀子花果胶多糖提取率最高,因此确定pH=2.0为响应面优化试验的提取条件,不选择pH为响应面优化试验的响应变量。

  2.1.3提取时间对栀子花果胶多糖提取率的影响

  提取时间在1.0h~2.5h范围内,栀子花果胶多糖提取率随提取时间延长而升高,当提取时间为2.5h时,栀子花果胶多糖提取率最高,达到(32.93±0.61)%,当提取时间超过2.5h后栀子花果胶多糖提取率反而小幅度降低。在果胶提取过程中,延长提取时间可提高提取率,但过长的提取时间可能引起果胶分子结构改变从而降低提取率[18]。因此,根据试验结果选择提取时间2.5h为提取栀子花果胶多糖的最优提取时间。

  2.2响应面实验结果及分析

  2.2.1响应面实验设计结果

  结合单因素结果,在确定pH为2的条件下,采用3因素3水平的响应面试验设计,以提取温度(A)、提取时间(B)、料液比(C)为自变量,以栀子花果胶多糖提取率(Y)为响应值进行实验优化。

  2.3栀子花果胶多糖特性分析

  柠檬酸法提取栀子花果胶多糖的理化指标结果,傅里叶红外谱图。栀子花果胶多糖的半乳糖醛酸的含量在45.36%与茶叶[20]、金诺橘果胶相似[21],蛋白质的含量在1.84%略高于紫薯果胶(蛋白质含量1.02%)[22]。红外光谱图中3423.17cm-1处宽而强的峰是由分子内和分子氢键引起的O-H伸缩振动。2925.61cm-1处的吸收峰为C-H键的伸缩振动[23],1743.41cm-1处较大的吸收峰为果胶类多糖的甲氧基特征吸收峰,1631.55cm-1和1442.55cm-1处的吸收峰分别是羧基的不对称和对称性伸缩振动[24]。果胶的酯化度可以用1743.41cm-1和1631.55cm-1的总峰面积的比值来确定,经计算栀子花果胶多糖的酯化度为42.73%小于50%,属于低甲氧基果胶。

  3结论与讨论

  近年来,人们的环保意识大大提升,利用食物废弃物不仅可以减少环境的污染,而且可以实现废弃物的循环利用,创造更多的经济价值。栀子花富含丰富的果胶资源,一直以来未被人们发现,合理的开发果胶新资源,是栀子花资源综合利用的途径之一。

  本实验在单因素实验结果的基础上,结合响应面优化法,实验得出柠檬酸提取栀子花果胶多糖的最佳提取工艺为:柠檬酸调节pH2,温度95℃,时间2.5h,料液比1∶34g/mL,在此调节下栀子花果胶多糖的得率为32.31%与理论偏差小于5%。实验模型预测结果较好。所得的果胶半乳糖醛酸含量为45.36%,蛋白质含量1.84%,酯化度42.73%属于低甲氧果胶。栀子花果胶多糖得率高,但后期需要纯化来提高半乳糖醛酸的含量,从栀子花落花中提取果胶,不仅为果胶生产扩大了原料来源,还充分利用了植物资源。本实验为栀子花果胶的综合开发利用提供一定的理论依据。

  参考文献:

  [1]ChenJ,LiangRH,LiuW,etal.Pectic-oligosaccharidespreparedbydynamichigh-pressuremicrofluidizationandtheirinvitrofermentationproperties[J].CarbohydratePolymers,2013,91(1):175-182.

  [2]许馨予,毛小雨,杨鹄隽,等.天然植物果胶的提取及其在食品工业中的应用现状[J].中国食品添加剂,2020,31(8):115-122.

  [3]黄睿,沈淑妤,陈虹霖,等.柑橘类黄酮的生物学活性及提高生物利用度技术研究进展[J].食品科学,2019,40(1):319-326.

  [4]江苏新医学院.中药大辞典[M].上海:上海科学技术出版社,1977.

  [5]吴镇坤,张亚楠,王雅英,等.栀子综合开发与利用研究进展[J].亚太传统医药,2017,13(24):64-66.

  [6]李开泉,曾晓敏,陶华蕾.栀子花中维生素和微量元素的分析测定[J].江西中医药,2012,43(5):64-66.

  [7]李开泉,陶华蕾.栀子花氨基酸成分的分析测定[J].氨基酸和生物资源,2011,33(4):45-46,57.

  作者:章智,郑娱洁,季书勤,倪勤学,张有做,许光治

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