張 齊,張圣煜,王俊穎
(安徽科技學院食品工程學院,安徽 鳳陽 233100)
藍莓的果肉及果殼在食品研發的過程中具有很高的營養價值[1],其蛋白質、脂肪、碳水化合物、維C含量豐富,除此之外,類黃酮、花青素、多酚類也包含其中。隨著藍莓果汁和果醬產品的發展與衍生,在其生產過程中產生了許多藍莓果渣[2-5]。關于此類工藝對藍莓果渣利用率不高,但是藍莓果渣中可用物質非常多,如果能提高果渣利用率,不僅可以節約資源,也可以避免環境污染,是學術界和產業界應該盡快解決的問題[6-8]。
黃酮類化合物有2種存在方式,其一是游離的苷元,其二是與糖等結合的苷[9-11]。類黃酮具有很好的醫學功效,是一種抗氧化劑,有改善血液循環、降低膽固醇、減少心肌氧耗氧量、明顯緩解心攪拌痛、預防心肌梗塞和心律失常的效果[12-14]。作為健康食品的一種功能因子被列舉出來。因此,為了藍莓副產物得到充分利用,提高綜合使用價值,此試驗以藍莓果渣作為原料,采用超聲波輔助的提取方法研究藍莓果渣中的類黃酮物質,同時也為藍莓工業化生產黃酮類化合物提供一定的試驗數據[15]。
當今社會,人們對食品質量的要求越來越高,尤其是對延緩衰老、美容保健等功能食品的需求加大[16-17]。藍莓果渣中含有的總黃酮具有延緩細胞衰老、抗癌的功能,是一種天然的抗氧化劑[18]。因此,藍莓果渣產品的開發及功能活性的研究,具有很高的社會效益和經濟效益。
藍莓果渣(制作藍莓果汁飲料及果酒所剩的殘渣);無水乙醇、蘆丁標準品。
紫外可見光分光光度計,上海光譜儀制造有限公司產品;超聲波輔助清洗器,昆山超聲波設備有限公司產品;電子天平,上海浦春計量儀器有限公司產品;離心機,上海天美科學儀器有限公司產品;萬能粉碎機,上海隆拓儀器設備有限公司產品。
1.3.1 工藝流程
藍莓果渣黃酮提取過程如下:
藍莓果渣→洗凈烘干→粉碎→超聲波輔助提?。ㄒ掖冀幔x心過濾→紫外分光光度計檢測。
1.3.2 測定指標與方法
測定指標:藍莓果渣總黃酮提取率。
測定方法:具體步驟如下:
(1)稱取干燥的藍莓果渣粉末3.0 g,使用體積分數65%的乙醇溶液浸提藍莓果渣粉末,超聲波輔助提取。
(2)設置離心機參數,以轉速5 000 r/min離心15 min,放入提取液,離心后保留上清液。
(3)設置分光光度計參數,波長為510 nm,將空白對照組與樣品置于其中,測定其吸光度A。
1.3.3 標準曲線的繪制
標準曲線繪制圖過程如下:
(1)稱取10 mg蘆丁標準品溶解于體積分數75%的乙醇溶液,定容于50 mL容量瓶中。
(2)將樣品均分為6份,稱量6組蘆丁標準品,體積分別為0.5,1.0,2.0,4.0,8.0,10.0 mL,分別置于25 mL容量瓶,加入5%的亞硝酸鈉溶液1.00 mL,搖勻靜置6 min;再加入10%硝酸鋁溶液1.00 mL,搖勻靜置6 min;最后加入4%的氫氧化鈉溶液10 mL,用體積分數75%的乙醇定容,搖勻,放置15 min[19]。
(3)和空白組對照一起置于波長510 nm處測定吸光度。
根據試驗數據,作出標準的蘆丁回歸曲線及方程,藍莓果渣中總黃酮提取率(Y)的計算公式為:
式中:Y總——藍莓果渣總黃酮的提取率,%;
V總——提取液的總體積,mL;
m——稱取的藍莓果渣粉的質量,mg;
C——樣品提取液中藍莓果渣總黃酮的質量濃度,mg/mL。
2.1.1 乙醇體積分數對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
取5份藍莓果渣粉,每份3.0 g。根據工藝流程,在料液比為1∶20,超聲溫度為70℃,超聲時間2 h固定的條件下。改變乙醇體積分數,設置5個水平分別為45%,55%,65%,75%,85%,分組進行試驗,測定不同的乙醇體積分數對工藝的影響,得出最佳乙醇體積分數。
乙醇體積分數因素與水平設計見表1。
表1 乙醇體積分數因素與水平設計/%
2.1.2 料液比對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
取5份藍莓果渣粉,每份3.0 g。根據工藝流程,在乙醇體積分數為65%,超聲溫度為70℃,超聲時間2 h固定的條件下。改變提取料液比,設置5個水平分別為1∶10,1∶15,1∶20,1∶25,1∶30,分組進行試驗,測定不同比例的料液比對工藝的影響,得出最佳的料液比。
料液比因素與水平設計見表2。
表2 料液比因素與水平設計/g∶mL
2.1.3 超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
取5份藍莓果渣粉,每份3.0 g。根據工藝流程,在料液比1∶20,乙醇體積分數65%,超聲溫度70℃固定的條件下。改變超聲時間,設置5個水平分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 h,分組進行試驗。測定不同的超聲時間對工藝的影響,得出最佳超聲時間。
超聲時間因素與水平設計見表3。
表3 超聲時間因素與水平設計t/h
2.1.4 超聲溫度對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
取5份藍莓果渣粉,每份3.0 g。根據工藝流程,在料液比1∶20,乙醇體積分數為65%,超聲時間為2 h固定的條件下。改變超聲溫度,設置5個水平為55,60,65,70,75℃,分組進行試驗。測定不同的超聲溫度對工藝的影響,得出最佳超聲溫度。
超聲溫度因素與水平設計見表4。
表4 超聲溫度因素與水平設計 θ/℃
采用Design Expert 12.0軟件對試驗數據進行分析處理。以3個影響因素作為試驗參數,設計出方案和變量水平。
響應面水平見表5。
表5 響應面水平
蘆丁標準曲線見圖1。
圖1 蘆丁標準曲線
由圖1可知,得到回歸方程的公式為:
3.2.1 乙醇體積分數對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
乙醇體積分數對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響見圖2。
圖2 乙醇體積分數對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響
由圖2可知,在乙醇體積分數為45%~65%時,隨著乙醇體積分數的增加,藍莓果渣中的總黃酮也在增加,乙醇體積分數為65%時達到最高,提取率為1.62%。除此之外,倘若繼續增加乙醇體積分數,藍莓果渣中所有黃酮的提取率下降,提取率變化不再顯著。原因是總黃酮難以溶于水,乙醇體積分數低的情況下,水分含量高,總黃酮的溶出量低。因此,由單因素試驗而選取乙醇體積分數為65%。
3.2.2 料液比對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
料液比對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響見圖3。
圖3 料液比對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響
由圖3可知,最佳料液比為1∶20,此時藍莓果渣中總黃酮提取率最高。從1∶10增加到1∶20時,藍莓果渣中總黃酮提取率都有上升趨勢,1∶20時最多達到最大值1.63%。當料液比從1∶20增加到1∶30時,此時可以看到出現拐點,提取率開始下降。通過分析試驗得出結論,主要原因是溶劑量在不斷增加,隨著總黃酮的浸出量不斷增加,藍莓果渣里的總黃酮的含量有限,所以最后有部分溶于酒精的雜質析出影響了總黃酮的析出。因此在單因素試驗的基礎上選取料液比為1∶20。
3.2.3 超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響見圖4。
圖4 超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響
由圖4可知,最佳超聲時間為2 h,此時藍莓果渣中總黃酮提取率最高,從0.5 h增加到2 h時,藍莓果渣中總黃酮提取率都有上升趨勢,2 h最多達到最大值1.59%。當時間從2 h增加到2.5 h時,此時可以看到出現拐點,提取率開始下降。經分析可能是因為超聲時間的越來越長,原料和溶液的接觸時間就越來越多,所以藍莓果渣中所有黃酮的浸出就越多。因此,由單因素試驗的結果可以得出超聲時間為2 h為最佳條件。
3.2.4 超聲溫度對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響
超聲溫度對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響見圖5。
由圖5可知,超聲溫度為55~70℃時,提取率隨溫度上升而增加,在溫度為70℃時總黃酮的提取率在峰值。在溫度范圍為70~75℃時,隨著溫度的下降,果渣總黃酮提取率也在下降。在70℃以上提取率降低,這是因為在高溫度下所有的黃酮類物質都容易氧化,以至于總黃酮的結構被破壞,提取率會下降。因此,通過單因素試驗將超聲溫度設定為70℃。
圖5 超聲溫度對藍莓果渣中總黃酮提取率的影響
3.3.1 響應面試驗結果
通過單因素的試驗結果制定響應面試驗水平數據。
響應面水平選取見表6,響應面試驗結果見表7,超聲提取藍莓渣中總黃酮提取率二次多項式模型方差分析見表8,超聲波提取藍莓果渣中總黃酮得率回歸方程系數顯著性檢驗見表9。
表6 響應面水平選取
表7 響應面試驗結果
表8 超聲提取藍莓渣中總黃酮提取率二次多項式模型方差分析
表9 超聲波提取藍莓果渣中總黃酮得率回歸方程系數顯著性檢驗
根據Design Expert 12.0軟件二次回歸分析的結果,得到回歸方程為:
根據上述方程式的方差分析表可知,試驗所選用模型p<0.000 1較為明顯,失擬項在p=0.258 4>0.05不顯著,R2=0.993 0,R2Adj=0.984 0,由以上分析可得,預測值和試驗值之間具有較高的相關性[20]。
3.3.2 響應面試驗結果分析
乙醇體積分數和液料比2個因素分析圖見圖6。
乙醇體積分數和液料比對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響。由圖6可知,在時間控制2 h不變時,改變乙醇體積分數和料液比,提取率呈現出先上升后下降。等高線圖中乙醇體積分數為65%,料液比為1∶20時,藍莓果渣中總黃酮達到最高的提取率。
圖6 乙醇體積分數和液料比2個因素分析圖
乙醇體積分數和超聲時間2個因素分析圖見圖7。
乙醇體積分數和超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響。由圖7可知,控制料液比1∶20條件不變時,超聲時間和乙醇體積分數的共同作用影響著總黃酮的提取率。固定超聲時間,隨著乙醇體積分數的增加,總黃酮提取率先是上升后是下降,轉折體積分數出現在65%。固定乙醇體積分數,增加超聲時間,總黃酮提取率趨勢與上述相同,先上升后下降,轉折時間為2 h。根據等高線圖可以看出,乙醇體積分數為65%,超聲時間為2 h時,藍莓果渣中總黃酮提取率達到最高點。
圖7 乙醇體積分數和超聲時間2個因素分析圖
料液比和超聲時間2個因素分析圖見圖8。
料液比和超聲時間對藍莓果渣中總黃酮提取效果的影響。由圖8可知,控制乙醇體積分數65%不變時,超聲提取時間和料液比的共同作用影響著總黃酮提取率。固定提取時間,增加料液比,總黃酮的提取率呈現先上升后下降的趨勢。再通過改變時間而不改變料液比,提取率先上升后下降。等高線圖中可以看出料液比為1∶20,超聲時間為2 h時,藍莓果渣中總黃酮提取率達到最高點。
圖8 料液比和超聲時間2個因素分析圖
3.3.3 最佳工藝條件及驗證試驗
由響應面圖分析可知,最佳的參數為乙醇體積分數64.774%,料液比1∶20.475,超聲時間2.080 h,通過擬合方程預測得到總黃酮提取率為1.825%。優化試驗數據制定驗證試驗條件為乙醇體積分數64.7%,料液比1∶20.5,超聲時間2.1 h,得出藍莓果渣中總黃酮提取率為1.81%,在該最優提取工藝條件下進行3次驗證性試驗,與模型預期值基本一致,說明響應面優化試驗可行。
優化工藝驗證試驗結果見表10。
表10 優化工藝驗證試驗結果/%
研究藍莓果渣總黃酮的提取工藝,通過單因素試驗和響應面優化試驗的結果得知該模型擬合性良好。經過響應面工藝優化確定出在乙醇體積分數為64.7%,料液比為1∶20.5,超聲時間2.1 h,超聲溫度70℃條件下。此時藍莓果渣中總黃酮的實際提取率達到最高為1.81%。研究優化了藍莓果渣中總黃酮提取率的工藝,得到的結果為日后果渣提取工藝提供了一定的試驗基礎。