微波-超声波辅助提取小麦麸皮中酚基木聚糖的研究

智能文字提取功能测试中

河南工业大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Technology (Natural Seience Edition)第35卷第6期2014年12月Vol.35，No.6Dee.2014 河南工业大学学报(自然科学版)第35卷26 文章编号：1673-2383(2014)06-0025-05 网络出版网址：http：//www.enki.net/kcms/delail/41.1378.N.20141229.0930.006.html 网络出版时间：2014-12-299：30：30 微波-超声波辅助提取小麦麸皮中酚基木聚糖的研究 范 玲，马 森，王晓曦*，王三瑞，陈 成 (河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州，450001) 摘要：以小麦麸皮为原料，研究微波功率、微波时间、超声波功率、超声波时间对小麦麸皮中水溶性酚基木聚糖(SPX)提取率的影响，同时分析了小麦麸皮水溶性酚基木聚糖的基本成分和抗氧化性.利用响应面法优化小麦麸皮水溶性酚基木聚糖的微波-超声波辅助提取工艺.通过响应面分析获得最佳工艺条件为：微波功率595 W，微波时间6 min，超声波功率 300 W，超声波时间30min， 小麦麸皮中水溶性酚基木聚糖提取率为28.33%.对提取的小麦麸皮水溶性酚基木聚糖的抗氧化性研究表明：水溶性酚基木聚糖对羟自由基有清除作用，对铁离子有还原能力. 关键词：小麦麸皮；水溶性酚基木聚糖；响应面法；抗氧化性 中图分类号：TS201.2 文献标志码：B 0 引言 酚基木聚糖主要存在植物的细胞壁中，是半纤维素的主要组成成分.酚基木聚糖是由(1→4)-B-D-吡喃木糖为骨架，其侧链取代基主要为α-L-阿拉伯呋喃糖、αx-D-葡萄醛酸、阿魏酸衍生物、4-甲基醚衍生物和乙酰基.酚基木聚糖具有增强机体的免疫能力、预防慢性疾病等功能12-3]，由于其独特的生物活性和生理功能，近年来，酚基木聚糖在生物、医学、食品等领域应用广泛.木聚糖的水解产物——低聚木糖，作为功能性产品在食品工业方面也具有较好的发展前景.此外，酚基木聚糖中的酚酸是天然的抗氧化剂，可通过自由基清除体系来防止油脂和蛋白的氧化，从而发挥体外抗炎症效果和抗癌效果I4-5) 小麦麸皮是小麦加工过程中主要副产物之一，含46%的酚基木聚糖161，是生产酚基木聚糖的较好来源.小麦麸皮中酚基木聚糖的提取通常采用碱提法和酶解法，但这两种方法的提取时间都 ( 收稿日期：2014-06-04 ) ( 基金项目：国家自然科学基金项目(31271815，31301594)：现代农业 产业技术体系建设专项 (CARS-14)；“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD34B01)；河南工业大学高层次人才基金(2012BS031) ) ( 作者简介：范玲(1989-)，女，河南周口人，硕士研究生，研究方向为谷物化学与品质. ) ( *通信作者 ) 较长.微波-超声波提取技术主要是将微波与超声波分阶段联合和协同提取植物成分的一种方法，具有环保、速度快、效率高和方便等特点17-81作者的微波-超声波法主要利用微波的高温快速降解小麦麸皮，超声波波破坏小麦麸皮的细胞壁，以微波和超声波的协同作用快速、高效地提取酚基木聚糖.本试验在对小麦麸皮进行微波和超声波后，再用碱法提取酚基木聚糖，并用响应面法对提取工艺优化，同时对在相同条件下的碱法和超声波-碱法以及在最佳条件下的微波-超声波辅助碱法所提的水溶性酚基木聚糖的基本成分和抗氧化性进行比较和分析. 材料与方法 1.1 材料 小麦麸皮(水分14.4%，灰灰6.66%，脂类4.4%，蛋白质15.30%，淀粉10.13%，总糖49.11%)：中鹤面粉分；DPPH：TCI；没食子酸：Solarbio； TPTZ、福林酚： Sigma；乙酸钠、FeCl·6H，0、FeSO·7H0、碳酸钠、氢氧化钠：天津市科密欧化学试剂有限公司；甲醇、盐酸：洛阳吴华化学试剂有限公司；乙酸、无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司. 1.2 仪器与设备 SHZ-D (IID 循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限限任公司； JXFM110 锤式旋风磨：杭州其伟光电科技有限公司；101A-3E电热鼓风干燥箱：上 海实验仪器厂有限公司；P70D20TL-D4微波炉：广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；LCD超声波波细胞粉碎机：宁波新芝生物科技股份有限公司；电热恒温振荡水槽：上海精宏实验设备有限公司；实验室PH计：梅特勒-托利多仪器(上海)有限公亏；LXJ-11B低速大容量多管离心机：上海安亭科学仪器厂；LGJ-10C 冷冻干燥机：北京四环科学仪器厂有限公司；752N紫外可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司. 1.3 试验方法 1.3.1 小麦麸皮预处理 小麦麸皮经过冷水反复冲洗后真空过滤，在50℃下烘24 h，通过锤式旋风磨粉碎过60目筛. 1.3.2 微波-超声波辅助法 取一定量的小麦麸皮粉末，加入蒸馏水，放入微波炉中处理到给定的时间后，用2%的 NaOH 溶液(1：15)溶解，采用不同的超声波功率和超声波时间超声波处理后，将物质放入55℃的恒温水浴锅中浸提90 min， 取出，悬浊液以4 500 r/min 离心15 min，得上清液，用4 mol/L HCl 将其 pH调到7，离心后取上清液，加2倍体积的无水乙醇在4℃下沉淀12h后，离心得沉淀，冷冻干燥，称质量. 提取率(%)-提取物质量x100.麸皮质量 1.3.3 响应面优化试验 根据 Box-Behnken 中心组合试验设计，以微波功率、微波时间、超声波功率和超声波时间为自变量，以水溶性酚基木聚糖得率为响应值，设计4因素3水平的响应面分析试验，确定微波-超声波辅助提取水溶性酚基木聚糖的最佳工艺.试验结果水平见表1. 表1 响应面试验因素和水平 水平 A微波功率 B微波时间 C超声波功率D超声波时间 /W /min /W /min -1 490 2 150 15 0 595 6 300 30 700 10 450 45 1.4 抗氧化性质的测定方法 1.4.1 DPPH·自由基清除能力的测定 将2.5 mL 样品溶液与1.5 mL 0.08 mg/mLDPPH·甲醇溶液混合，在室温下避光反应1h后，在 517 mmn处测定吸光度，以蒸馏水作空白对照，没食子酸作100%活性对照.抗氧化能力用EC50表示.清除自由基能力(RSA)为： 式中：A。是 DPPH·溶液的初始吸光度；A是DPPH·溶液与样品溶液反应1h后的吸光度；A，是样品溶液与水溶液的吸光度；A是DPPH·溶液与没食子酸反应1h后的吸光度 1.4.2 还原能力的测定 采用 Fe 离子还原法(FRAP)测定样品的抗氧化能力.将0.5 mL样品溶液与 4.5 mL FRAP 试剂(300 mmol/L NaAc-HAc 缓冲液，10 mmol/L TPTZ，20 mmol/L FeCls·6H，O 以 10：1：1的体积比配制)混合，加热到37℃，4 min 后，在 595 nm 处测定样品的吸光度.以蒸馏水作空白对照，以 FeSO·7H，0作标准曲线. FRAP值以1g样品所含 Fe+(umol/L)表示. 1.5 水溶性酚基木聚糖(SPX)基本成分的测定 1.5.1 总酚含量的测定 在室温下，将1mL样品溶液与2 mL的福林酚试剂混合，再向其中加入6 mL 20%的碳酸钠和1 mL的去离子水，反应2h后，在765 nm 处测定吸光度，对没食子酸作标准曲线， TP值表示没食子酸含量， mg/g. 1.5.2 蛋白质含量的测定 采用凯式定氮法进行测量.取0.1g水溶性酚基木聚糖粉末，向其中加入催化剂及硫酸进行消化，然后进行蛋白质的测定. 2 结果和讨论 2.1 响应面试验结果与分析 2.1.1 响应面试验结果 响应面试验设计及结果见表2. 2.1.2 响应面试验分析 利用 Design-Expert 对表2数据进行二次多元回归方程拟扎，得到微波功率(A)、微波时间(B)、超声波功率(C)及超声波时间(D)对水溶性酚基木聚糖提取率(Y)二次多元回归方程为： Y=28.34+0.47A+0.18B+0.082C+0.23D+5.000E-003AB-0.61AC-0.24AD-0.41BC+0.018BD-0.075CD-0.48A2-0.61B*-0.70C²-0.23D. 回归模型方差分析的结果见表3. 表3结果显示，回归方程 P<0.001，表示模型极显著，而失拟项 P>0.05 不显著，模型决定系数R=0.914 5，修正系数R’=0.814 8，说明该模型数据与试验数据拟合较好，且试验误差主要来源于试验操作，而不是模型本身.因此，该响应面能较好地反映试验结果，适合用于小麦麸皮中水溶性酚基木聚糖的提取.各因素对水溶性酚基木聚糖提取率影响大小的顺序为A>D>B>C. 表2 响应面试验设计及结果 试验号 A/W B /mmin C/W D/min Y/% 1 -1 -1 0 26.51 2 1 -1 0 27.61 3 -1 1 0 26.89 4 1 1 0 28.01 5 0 -1 -1 27.01 6 0 0 1 -1 27.54 7 0 0 -1 1 27.42 8 0 1 1 27.65 9 -1 0 0 -1 26.47 10 1 0 0 -1 27.73 11 -1 0 0 1 27.72 12 1 0 0 1 28.04 13 0 -1 -1 0 26.14 ]4 0 -1 0 27.35 15 0 -1 1 0 27.23 16 1 1 26.85 17 -1 -1 0 26.31 18 1 0 -1 0 28.45 19 -1 0 1 0 27.35 20 1 0 1 0 27.04 21 0 -1 0 -1 27.35 22 0 1 0 -1 27.56 23 0 -1 0 1 27.67 24 0 1 1 27.95 25 0 0 0 0 28.71 26 0 0 0 28.07 27 0 0 0 28.23 由表3可知，A一、二次项系数极显著；B和D一次项系数显著，，二次项系数极显著；C一次项系数不显著， 二次项系数极显著.且交互项AC极显著， BC显著，说明各因素对 SPX 的影响不是简单的线性结构. 2.1.3 交互作用分析 微波功率与超声波功率交互作用对小麦麸皮SPX 提取率影响的响应面和等高线如图1所示.微波时间与超声波功率交互作用对小麦麸皮 SPX提取率影响的响应面和等高线如图2所示. 由图1和图2可知，在选定的范围内存在极值，即响应面的最高值，也是等高线最小椭圆的中心，且微波功率与超声波功率的交互作用极显著；微波时间与超声波功率交互作用显著.对模型进行进一步的分析得出试验预测的最佳条件：微波功率660.07 W， 微波时间 6.99 min， 超声波功率255.89 W，超声波时间 33.66 min，SPX 得率28.52%.为使实际操作更方便，将最佳工艺条件修 表3 回归模型方差分析 方差来源平方和自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 9.83 14 0.7 9.17 0.0002 ** A 2.64 1 2.64 34.5 <0.0001 *习 B 0.37 1 0.37 4.8 0.0489 C 0.08 1 0.08 1.05 0.3267 D 0.65 1 0.65 8.47 0.0131 AB 1.00E-04 1 1.00E-04 1.31E-03 0.9718 AC 1.5 1 1.5 19.6 0.0008 ** AD 0.22 1 0.22 2.89 0.1151 BC 0.63 1 0.63 8.26 0.0140 BD 1.23E-03 1 1.23E-03 0.016 0.9014 CD 0.022 1 0.022 0.29 0.5977 1.22 1 1.22 15.99 0.0018 *： B 1.95 1 1.95 25.53 0.0003 C 2.64 1 2.64 34.42· <0.0001 D 0.29 1 0.29 3.74 0.077 1 ** 失拟项 0.7 10 0.07 0.63 0.748 9 纯误差 0.22 2 0.11 总变异 10.75 26 残差 0.92 12 0.077 注：**表示 P<0.01，极显著；*表示P<0.05，显著； P>0.05，不显著. 正为微波功率595W，微波时间6 min，超声波功率300 W， 超声波时间 30 min，SPX 得率 28.33%.与预测值相比，其相对误差为0.67%，说明响应面优化得到的提取条件参数准确可信，且具有一定的使用价值. SPX 抗氧化性及基本组分分析 选出碱提法、微波-超声波辅助法和超声波-碱提法3种提取方法所得 SPX 进行基本组分和抗氧化性的测定， SPX的基本组分及抗氧化性见表4. 由表4可知，3种方法所得蛋白质含量逐渐下降，碱提法所得蛋白质含量最大，其次为微波-超声波法，超声波-碱提法所得蛋白质的含量最小.3种方法所得的 SPX 均有一定的抗氧化性，其中，碱提法所得的 SPX 抗氧化能力较强.从总酚含量和EC50 值可以看出， SPX的抗氧化能力随总酚含量的减小而减小，其中EC50 值越小抗氧化能力越强.DPPH·自由基是合成的且以氮为中心的稳定自由基，酚类物质和木聚糖分子具有清除 DPPH·自由基的功能，总酚含量增加，其羟自由基清除率增大，抗氧化性增强.但 FRAP 测定的抗氧化性与DPPH·测定的抗氧化性不一致，主要由于铁还原抗氧化能力法属于单电子反应， Fe+被还原成 Fe+.Fe²+可以与 TPTZ 试剂反应生成蓝色络合物.该方法反映的并不是清除样品中某一种自由基的能 图1 微波功率与超声波功率交互作用对小麦麸皮 SPX 提取率影响的响应面和等高线 图2 微波时间与超声波功率交互作用对小麦麸皮 SPX 提取率影响的响应面和等高线 表4 SPX的基本组分和抗氧化性 组分 抗氧化性 样品 蛋白质 总酚 EC50值 FRAP 值 /% /(mgg) /(mg'mL) /(pmolL) A 15.90±0.01 15.26±0.08 0，88 56.80±0.31 B 13.81±0.01 ，1 14.21±0.16 0.90 62.05±0.31 C 13.29±0.02° 13.48±0.28 1.02 92.96±0.93° 注：A在碱液浓度2%，碱提时间 2.5h，碱提温度 55℃条件下所得 SPX； B 在微波功率595 W，微波时间6 min，超声波功率 300 W，超声波时间30 min，碱液浓度2%，碱提时间2.5h，碱提温度55℃条件下所得 SPX；C在超声波功率 300 W，超声波时间 30 min，碱液浓度2%，碱提时间2.5h，碱提温度55℃条件下所得 SPX. 力，而是样品的总还原能力I0. FRAP 值不只与总酚有关，还与所提SPX 中所含的其他组分有关. 3 结论 通过Box-Behnken 中心组合设计，优化出小麦麸皮酚基木聚糖提取的最佳工艺：微波功率595W、微波时间6 min、超声波功率300 W、超声波时间30 min，在此条件下，小麦麸皮中水溶性酚基木聚糖提取率为28.33%.通过对碱提法、散波-超声波辅助法和超声波-碱法所得水溶性酚基木聚糖的抗氧化性和基本成分分析表明：：1小麦麸皮中水溶性酚基木聚糖均具有一定的抗氧化性，且对羟 自由基有清除作用，对铁离子有辽原能力.其中微波-超声波辅助法所得水溶性酚基木聚糖中蛋白质含量为 13.81%，总酚含量为 14.21 mglg. ( 参考文献： ) ( [1] Bauer J L， Harbaum-Piayda B，Stockmann H， et a l. A ntioxidant a c tivities o f corn f i ber a n dwheat bran and derived extracts[J]. LWT-Food Sci Technol ，2013，50：132-138. ) ( 2 刘敬科，赵巍，刘莹莹，等.小麦糠膳食纤维制备工艺及通便特性的研究[J].食品科技， 2014(2)：177-181. ) ( [31 戚勃，李来好.膳食纤维的功能特性及在食品工业中的应用现状[J].现代食品科技， 2006，22(3)：272-279. ) ( 4 Iqbal S，Bhanger M I，Anwar F. A n tioxidant properties and c omponents of bran ex t racts from selected wheat varieties comme-rcially av a ilable in Pakistan[J]. LWT-Food Science and Techno- logy，2007， 40(2)：361-367. ) ( [5] Hromádková Z，KoSt dlovd Z ， Ebringerova A. C - omparison o f c onventional and u ltrasound-assisted extraction of phenolics-rich h eleroxy- l ans f rom w heat bran [J] . Ultrasonics S onoche-mistry，2008，15(6)：1062-1068. ) ( 6] Sun X Y ， Liu Z Y ， Qu Y B ， et al. The eff e cts of wheat bran composition on t he production of biomass-hydrolyzing enzymes by Penicillium d e- cumbens [J] . App l B iochem B iotech，2008， 146：119- 1 28， ) ( [7] 赵文竹，于志鹏，于一丁，等.均匀设计微波法提取玉米须中β-谷甾醇[J].食品研究与开 发，2010(9)：306-309. ) ( |81 徐艳阳，吴海成，任辉，等.超声波法联合微波 ) ( 辅助提取玉米须甾醇的工艺优化[J].现代食 品科技，2013(3)：543-548. ) ( 191 何永艳，冯佰利，邓涛，等.荞麦提取物抗氧化活性研究[J].西北农业学报，2007，16(6)： 76-79，84. ) ( [ 10]郭长江，杨继军，李云峰，等. FRAP 法测定水果不同部分抗氧化活性[J].中国公共卫生， 2003，19(7)：841-843. ) STUDY ON MICROWAVE-ULTRASONIC-ASSISTED EXTRACTION OFPHENOLIC XYLANS FROM WHEAT BRAN FAN Ling，MA Sen， WANG Xiao-Xil，WANG Ruil，CHEN Cheng' (School of Food Science and Technology，Henan University of Technology， Zhengzhou 450001，China) Abstract： Selecting wheat bran as starting material， we studied the effects of microwave power， microwave time，ultrasonic power and ultrasonic time on the extraction rate of water-soluble phenolic xylans in wheat bran， andanalyzed the basic compositions and the antioxidant activity of the water-solulle phenolic xylans. Throughresponse surface methodology，we obtained the optimum extraction parameters： microwave power 5955W，microwave time 6 minutes， ultrasonic power 300 W，and ultrasonic time 30 minutes； and the extraction rate ofwater-soluble phenolic xylans was 28.33% under the optimum conditions. We also studied the antioxidantactivity of the water-soluble phenolic xylans in wheat bran； and the resulis showed that the water-solublephenolic xylans had effecis in seavenging hydroxyl free radicals and reducing iron ions. Key words： wheat bran； water-soluble phenolic xylans； response surface methodology； antioxidant activity 超声波细胞破碎直接与样品接触，提取效率高，提取过程中不需要加入额外化学试机，减少后期分离提取过程，同时也减少实验过程中的安全问题，相比传统的化学试机提取，实验过程简单，安全，高效！