响应面试验优化葡萄籽油提取工艺及其抗氧化性

胡翠珍 1,李 胜 1,马绍英 1,*,苏利荣 1,曹宝臣 1,周文政 2,3,刘 琦 1

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃顺意生物科技有限公司,甘肃 张掖 743000;3.张掖汇通生物科技有限 公司,甘肃 张掖 743000)

摘 要:目的:优化葡萄籽油的提取工艺,对葡萄籽油的抗氧化性进行研究。方法:通过响应面分析法,对葡萄籽油的提取工艺进行优化;比较不同物质的抗氧化性,以对超氧阴离子自由基、羟自由基、亚硝基的清除率和还原能力的大小为检测指标。结果:萄萄籽油最佳提取条件为提取温度58.136 ℃、提取时间1.703 h、料液比1∶5.627。优化后提取的萄萄籽油对超氧阴离子自由基的清除能力高于同等质量浓度的沙棘黄酮;对羟自由基的清除能力高于抗坏血酸;对亚硝基的清除能力显著高于抗坏血酸和沙棘黄酮;还原能力比较中,高于沙棘黄酮和抗坏血酸。结论:该工艺条件可行,葡萄籽油具有良好的抗氧化性。

关键词:葡萄籽;葡萄籽油;响应面法;抗氧化性

葡萄约占世界水果总量的23.6%,可用做酿酒、鲜食、加工果汁和其他葡萄制品。我国葡萄资源丰富,每年用于酿酒鲜食和加工的葡萄达80万 t [1]。生产中产生的葡萄废弃物约占葡萄鲜果总量的20%~30% [2],其中葡萄籽占整个葡萄粒质量的5%左右 [3]。葡萄籽中含有多种营养成分,其中6%~22%为葡萄籽油 [4],3.9%为原花青素,白藜芦醇含量为0.5%~3.5%。另外还含有单宁、葡萄籽蛋白质、VE和各种矿物质等 [5],具有较高的开发利用价值。

目前关于葡萄籽油的提取方法主要有冷榨法 [6]、超声波辅助提取法 [7-8]、超临界CO 2萃取法 [9]、有机溶剂提取法、水酶法 [10-11]。本实验拟利用石油醚作为提取剂,并利用响应面法优化提取工艺,以期为葡萄籽油的生产提供技术参考和理论依据。

自由基能引起多种器官功能异常或组织病变 [12],如癌症和衰老的发病机理与脂质过氧化有关 [13]。天然抗氧化剂可以清除体内产生过剩的自由基 [14],从而延缓衰老、预防癌症。常见的天然抗氧化剂有原花青素、白藜芦醇、黄酮、VE等 [15]。葡萄籽油含有大量的不饱和脂肪酸,其含量占脂肪酸的92% [16],主要成分亚油酸含量较一般食用油,甚至较药用核桃油和红花油含量都高 [4,17]。葡萄籽油含有较高的VE,较低的胆固醇,具有抗氧化性 [18-19],可作为优质的食用油。葡萄籽油具有多种生物学功效,如降低 血脂、软化血管、预防血管硬化、降低血压、降低血液黏度和防止血栓形成等。本研究拟比较原花青素、白藜芦醇、沙棘黄酮、抗坏血酸与葡萄籽油的抗氧化性,以期为其开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葡萄籽(当年收获)、原花青素(由葡萄籽皮渣中提取,纯度为65%) 甘肃顺意公司;石油醚(分析纯)、抗坏血酸(分析纯) 天津光复精细化工研究所;活性白土(CAS号:8515-07-1) 青岛玉洲化工有限公司;白藜芦醇(纯度10%) 西安天本生物工程有限公司;沙棘黄酮(纯度48%) 实验室从沙棘中提取。

1.2 仪器与设备

DT10 00电子天平 上海精密科学仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 江苏荣华仪器制造有限公司;旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;循环式水浴真空泵郑州长城科工贸有限公司;SP-756P紫外-可见分光光度计 上海光谱公司。

1.3 方法

1.3.1 葡萄籽油的提取

有机溶剂浸提法:准确称取烘干至恒质量、质量为100 g、粉碎至60目的葡萄籽粉于锥形瓶中,加入适量的石油醚,密封,在恒温水浴锅中浸提。倒出提取液,以10∶8(mL/g)液料比加入活性白土,搅拌均匀,抽滤除去杂质,用旋转蒸发仪回收溶剂除去残留溶剂,直至两次质量差不超过0.002 g为止,得葡萄籽油,冷却,称量。葡萄籽油提取率按式(1)进行计算:

1.3.2 单因素试验

表1 单因素试验设计
Table1 Single-factor design

工艺条件因素提取温度提取时间料液比提取次数提取温度/℃40、45、50、55、60、65555555提取时间/h20.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.022料液比(g/mL)1∶41∶4 1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9 1∶4提取次数1111、2、3、4

按照1.3.1节所述方法提取葡萄籽油,研究不同提取温度、料液比、提取时间及提取次数对葡萄籽油提取率的影响,每次试验重复3 次,试验过程中,各因素水平设计见表1。

1.3.3 响应面试验

在单因素试验结果的基础上,根据中心组合试验设计原理,以提取温度、提取时间、料液比3 个因素为自变量,设计响应面试验。分别用A、B、C表示,响应面分析因素与水平见表2。

表2 响应面分析因素与水平
Table2 Independent variables and their levels used in central composite dessiiggnn

水平因素A提取温度/℃B提取时间/hC料液比(g/mL)-1501.51∶5 0 5521∶6 1 602.51∶7

1.3.4 超氧阴离子自由基清除率的测定

依据程德竹等 [20]不同物质对邻苯三酚自氧化生成超氧阴离子自由基清除的方法改进。取0.05 mol/L pH值为9的Tris-HCl缓冲液4.5 mL,置于25 ℃水浴中预热20 min,分别加入1 mL试样和0.4 mL 25 mmol/L的邻苯三酚溶液,混匀后于25 ℃水浴中反应5 min,加入2 mol/L HCl溶液2.0 mL 终止反应,以Tris-HCl缓冲液作参比,在320 nm波长处测定吸光度A 1,以等体积的蒸馏水代替样品和邻苯三酚溶液,测吸光度A 0,计算清除率。清除率计算如式(2)所示:

1.3.5 羟自由基清除率的测定

采用颜军等 [21]的方法改进。将7.5 nmol/L硫酸亚铁溶液、7.5 nmol/L过氧化氢溶液、7.5 nmol/L 70%的水杨酸-甲醇溶液、一定质量浓度的试样按顺序加入到试管中,振荡静置10 min,以蒸馏水为参比,于510 nm波长处测吸光度,代入式(3)计算清除率。

式中:A 0为2 mL硫酸亚铁+2 mL水杨酸乙醇溶液+5 mL蒸馏水+2 mL过氧化氢吸光度;A i为2 mL硫酸亚铁+2 mL水杨酸乙醇溶液+5 mL样品液+2 mL过氧化氢吸光度;A j为2 mL硫酸亚铁+2 mL蒸馏水+5 mL样品液+2 mL过氧化氢吸光度。

1.3.6 亚硝基清除率的测定

根据沈彬等 [22]的方法改进。准确量取2 mL 5 mg/L NaNO 2溶液6 份,置于20 mL具塞试管中,分别加入不同质量浓度的样品液,在37 ℃恒温水浴中反应10 min,立即加入0.4%对氨基苯磺酸2 mL,摇匀静置4 min,加入2.0%盐酸萘乙二胺溶液1 mL,摇匀,静置15 min,以等体积的蒸馏水代替NaNO 2溶液调零,于540 nm波长处测吸光度,按式(4)计算样品液对亚硝基的清除率:

式中:A 0为未添加样品的吸光度;A i为样品的吸光度;A j为样品本底的吸光度。

1.3.7 还原能力的测定

采用黄仁术等 [23]的方法改进,测定还原能力。取不同质量浓度的样品溶液1.25 mL,加入0.2 mol/L、pH 6.6的磷酸盐缓冲液1.25 mL和0.1%的铁氰化钾溶液1.25 mL,50 ℃水浴20 min后迅速冷却,加入10%三氯乙酸溶液1.25 mL,3 000 r/min离心10 min,取上清液2.5 mL,加蒸馏水2 mL及0.1%三氯化铁溶液0.5 mL,混匀,放置10 min,于700 nm波长处测吸光度。吸光度越大,说明还原能力越强 [24]

1.4 数据统计分析

数据以 ±s表示,SPSS 19.0软件进行数据统计分析并采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05),用GraphPad Prism 6.0.1软件处理数据和绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对有机溶剂提取葡萄籽油的影响

图1 不同料液比条件下葡萄籽油提取率
Fig.1 Effect of solid/liquid ratio on grape seed oil yield

由图1可以看出,料液比在1∶6之前时,随着溶剂用量的增加,葡萄籽粉与石油醚接触面积增加,葡萄籽油提取率增加(可达14.63%),但当料液比达到1∶7时,葡萄籽油的提取率随着溶剂用量的增大并未增加,因此考虑能耗因素,料液比为1∶6时较适宜。

2.1.2 提取时间对有机溶剂提取葡萄籽油的影响

由图2可知,葡萄籽油的提取率随着提取时间的延长而增加,2 h达到最大值为11.44%,随后,葡萄籽油的提取率开始下降,可能是随着时间的延长,油脂挥发,提取率下降,所以选择2 h的提取时间为宜。

图2 不同提取时间条件下葡萄籽油提取率
Fig.2 Effect of extraction time on grape seed oil yield

图3 不同提取温度条件下葡萄籽油提取率
Fig.3 Effect of extraction temperature on grape seed oil yield

2.1.3 提取温度对有机溶剂提取葡萄籽油的影响由图3可知,随着提取温度的升高,葡萄籽油的提取率也随之增大,55 ℃时达到最大值11.44%,而当温度过高,提取率略有下降,温度影响提取率的主要原因是石油醚的沸腾和流动性,随着温度的升高提取黏度减少,扩散系数增加,石油醚与葡萄籽接触充分,提取率不断上升,但当温度过高时,达到石油醚沸点,石油醚挥发,溶剂量减少,葡萄籽油的提取率反而下降,因此当浸提温度为55 ℃时较为适宜。

2.1.4 提取次数对有机溶剂提取葡萄籽油的影响

图4 不同提取次数条件下葡萄籽油提取率
Fig.4 Effect of extraction number on grape seed oil yield

由图4可知,随着提取次数的增加,葡萄籽油的提取率也随之增加,葡萄籽油的最大提取率为11.73%。但由于随着提取次数的增加,葡萄籽油的提取率并没有显著增加,因此考虑能耗因素,选择1次为最佳提取次数。

2.2 响应面优化葡萄籽油的提取工艺

2.2.1 响应面试验设计与结果

以葡萄籽油提取率为响应值设计了三因素三水平共20 个试验点的响应面分析试验,20 个试验点包括17 个分析因点和3 个零点,以随机次序进行,重复3 次获得响应值,用Design-Expert 9.0.3对表3中的试验数据进行回归分析,拟合二次多项式方程,方程可靠性由R 2表示,其统计学上的显著性由F值检验,影响因素线性效应、平方效应及其交互效应的显著性由模型系数的P值检验。

表3 响应面设计与试验结果
Table3 Central composite design with experimental values of grape seed oil yield

标准序运行序A提取温度时间C料液比葡萄籽油提取率/% 1 6-1-1-111.72 2 5 1-1-114.49 314-11-19.94 4 4 11-112.43 520-1-1112.33 6171-1112.55 7 8-11113.24 81211113.10 913-1.681 790011.61 1011.681 790012.95 11100-1.681 79013.29 121901.681 79012.19 13300-1.681 7911.85 1418001.681 7912.95 151600013.71 16200013.92 17900014.78 181500014.61 19700014.49 201100013.98 B提取

2.2.2 葡萄籽油提取率预测模型方程的建立及显著性分析

用Design-Expert 9.0.3软件对表3中的试验结果进行分析后得到二阶响应表面模型方程:Y=14.24+0.56A-0.31B+0.33C-0.079AB-0.65AC+0.66BC-0.67A 2-0.51B 2-0.63C 2。对回归方程进行方差分析,结果见表4。

表4 回归方程显著性检验
Table4 Analysis of variance of regression equation and signifi cant test

注:*. P<0.05,差异显著;**. P<0.01,差异极显著。

方差来源平方和自由度均方和F值P值显著性模型27.2793.0324.70<0.000 1** A提取温度4.2214.2234.430.000 2** B提取时间1.3111.3110.660.008 5** C料液比0.3710.3712.040.006 0** AB0.0510.050.410.537 4 AC3.3313.3327.140.000 4** BC3.5113.5128.580.000 3** A 26.5316.5353.24<0.000 1** B 23.7413.7430.450.000 3** C 25.7015.7046.50<0.000 1**残差1.23100.12失拟项0.2850.0560.300.894 8纯误差0.9450.19总值28.5019 R 2=0.957 0 R 2 Adj=0.918 2

从表4可以看出,模型显著性检验P<0.05,表明该模型具有统计学意义。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度,即二者差异的程度。失拟项P值为0.894 8>0.05,表明失拟不显著,该模型能够较好地描述各因素与响应值之间的真实关系;模型的校正决定系数 j为0.918 2,说明该模型能解释约91.82%响应值的变化;决定系数R 2=0.957 0,说明该模型拟和程度良好,试验误差小。可以利用该回归方程确定葡萄籽油的最佳提取工艺条件。通过该方程,各因素之间存在着一定的交互作用,其中A、B、C、AC、BC、A 2、B 2、C 2均呈极显著影响,AB呈不显著。

从单因素水平观察,可以得出其影响顺序为:提取温度>料液比>提取时间。在有交互作用存在条件下,对葡萄籽油提取率的影响顺序为:BC>AC>AB。

2.2.3 各因素的交互作用的响应面

图5 各因素交互作用对葡萄籽油提取率的影响
Fig.5 Interactive effects of various factors on grape seed oil yield

根据图5中响应面及图中的等值线的形状分析提取温度、提取时间、料液比3 个因素对葡萄籽油提取率的影响。响应面图像曲线走势越陡,其影响越显著;走势越平滑,其影响越小。由图5可以看出,响应面存在极值,即响应面有最高点。进一步通过Design-Expert 9.0.3软件分析计算可知,当提取温度58.136 ℃、提取时间1.703 h、料液比1∶5.627时,回归模型预测理论葡萄籽油提取率可达14.45%。对分析结果进行验证实验,在提取温度58 ℃、提取时间1.7 h、料液比1∶6时,葡萄籽油的提取率为14.03%,验证值略低于预测值,其相对误差为3.009%,二者非常接近,因此该工艺稳定可行,适用于葡萄籽油的提取。

2.3 葡萄籽油的抗氧化性

2.3.1 对超氧阴离子自由基的清除作用

图6 不同物质对超氧阴离子自由基清除作用的比较
Fig.6 Superoxide anion radical scavenging capacities of grape seed oil and other natural antioxidants

柱形上不同小写字母表示同一质量浓度不同物质之间差异显著(P<0.05),下同。

由图6可以看出,葡萄籽油在6 mg/mL时,对超氧阴离子自由基的清除率显著高于同等质量浓度的白藜芦醇、抗坏血酸和沙棘黄酮。随着质量浓度的变化,只显著高于沙棘黄酮,且与同等质量浓度的原花青素、白藜芦醇和抗坏血酸相比并无显著性差异。由此可见,葡萄籽油与其他常见的抗氧化剂一样对超氧阴离子自由基具有较强的清除作用。

2.3.2 对羟自由基的清除作用

图7 不同物质对羟自由基清除作用的比较
Fig.7 Hydroxyl radical scavenging capacities of grape seed oil and other natural antioxidants

由图7可知,葡萄籽油对羟自由基的清除率显著高于沙棘黄酮。在低质量浓度时,略高于白藜芦醇。当质量浓度达到84 μg/mL时,显著高于原花青素、白藜芦醇和抗坏血酸。随着质量浓度的增高,对羟基自由的清除率显著低于同等质量浓度的原花青素。

2.3.3 对亚硝基的清除作用

图8 不同物质对亚硝基清除作用的比较
Fig.8 Nitroso radical scavenging capacities of grape seed oil and other natural antioxidants

由图8可以看出,在低质量浓度(2 mg/mL)条件下,葡萄籽油对亚硝基的清除率最低。但随着质量浓度的增加,与同等质量浓度的原花青素对亚硝基的清除率无显著差异,并显著高于同等质量浓度条件下的抗坏血酸和沙棘黄酮,但显著低于白藜芦醇对亚硝基的清除率。

2.3.4 还原能力

图9 不同物质还原能力的比较
Fig.9 Reducing power of grape seed oil and other natural antioxidants

由图9可知,在低质量浓度(小于56 μg/mL)时,葡萄籽油的还原能力略高于白藜芦醇;但当质量浓度增加,葡萄籽油的还原能力显著低于同等质量浓度的原花青素和白藜芦醇。随着质量浓度的变化,葡萄籽油的还原能力均显著高于同等质量浓度的沙棘黄酮和抗坏血酸。

3 讨论与结论

葡萄籽油含有大量的不饱和脂肪酸和VE,较低的胆固醇,可作为优质的食用油,但其提取技术一直是制约其大规模生产的问题之一。冷榨法出油率低,在柴佳等 [6]的研究中,出油率仅为12.3%;超声波辅助提取噪音大;CO 2超临界萃取法对设备要求严格;水酶提取法提取所使用酶价格高,提取工艺复杂,不利于大规模生产;有机溶剂提取法能耗低,溶剂可循环利用,利于大规模生产。

本研究通过考察提取温度、提取次数、提取时间及料液比4 组单因素水平对葡萄籽油提取率的影响,最终筛选出3 组主要因素进行响应面试验设计,优化了提取条件,建立了影响葡萄籽油提取率的二次多项数学模型。经检验该模型具有显著的统计学意义,可用于生产预测。

试验结果表明提取温度、提取时间、料液比各因素及其二项式对葡萄籽油提取率均有显著影响。综合考虑各方面的因素,葡萄籽油提取优化条件为提取温度58.136 ℃、提取时间1.703 h、料液比1∶5.627,葡萄籽油提取率理论达到最大值为14.45%。经验证得14.03%,其相对误差为3.009%,表明该提取工艺参数在葡萄籽油的提取中是可行的。

活性氧自由基对机体有一定的毒害作用,如进攻多不饱和脂肪酸可引起脂质过氧化,导致生物膜结构和功能的改变;引发蛋白质氧化变性、核酸损伤和酶失活 [25],并能激活程序性细胞死亡。因此生物体内活性氧的生成与清除的平衡对生命过程的正常进行是十分重要的。近年来,油脂的抗氧化作用受到广泛的重视,研究表明许多油脂具有清除自由基的作用。

比较不同物质之间的抗氧化能力,葡萄籽油对超氧阴离子自由基的清除能力高于同等质量浓度的沙棘黄酮;对羟自由基的清除能力高于抗坏血酸;对亚硝基的清除能力比较,显著高于抗坏血酸和沙棘黄酮;还原能力比较中,高于沙棘黄酮和抗坏血酸。因此,葡萄籽具有良好的抗氧化能力,研究为其开发利用提供了理论依据。

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Optimization of Extraction Process for Grape Seed Oil by Response Surface Methodology and Evaluation of Its Antioxidant Properties

HU Cuizhen 1, LI Sheng 1, MA Shaoying 1,*, SU Lirong 1, CAO Baochen 1, ZHOU Wenzheng 2,3, LIU Qi 1
(1. College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Shunyi Bio-Technology Co. Ltd., Zhangye 743000, China; 3. Zhangye Huitong Bio-Technology Co. Ltd., Zhangye 743000, China)

Abstract:Objective: To optimize the extraction of grape seed oil and investigate its antioxidant properties. Methods: Response surface methodology was applied to optimize the extraction process. Antioxidant properties of grape seed oil were evaluated using superoxide anion, hydroxyl and nitroso radical scavenging and reducing power assays. Results: The optimum conditions for extracting grape seed oil were determined as extraction for 1.703 h at 58.136 ℃ with a solid/liquid ratio of 1:5.627. The grape seed oil obtained possessed superoxide anion radical scavenging capacity higher than that of seabuckthorn fl avones at the same concentration and hydroxyl radical scavenging capacity comparable to that of ascorbic acid without signifi cant difference, and its nitroso radical scavenging capacity and reducing power were signifi cantly higher than those of ascorbic acid and seabuckthorn fl avones. Conclusion: The optimized extraction conditions are feasible, and grape seed oil possesses good antioxidant potential.

Key words:grape seed; grape seed oil; response surface methodology; antioxidant activity

中图分类号:TS224.2

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2015)20-0056-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201520010

收稿日期:2015-04-28

基金项目:甘肃省科技支撑计划项目(1304FKCA065);甘肃省高校基本科研经费项目

作者简介:胡翠珍(1989—),女,硕士研究生,研究方向为天然产物的提取与开发。E-mail:zhonglarkspur@163.com

*通信作者:马绍英(1975—),女,实验师,硕士,研究方向为天然产物。E-mail:mashy@gsau.edu.cn