正交优化微波辅助提取马铃薯皮渣多酚工艺及抑菌研究

屈文秀，刁小琴，关海宁，汪春玲，沈中乃，王 宇，李 楠

（绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江绥化152061）

正交优化微波辅助提取马铃薯皮渣多酚工艺及抑菌研究

屈文秀，刁小琴，关海宁，汪春玲，沈中乃，王 宇，李 楠

（绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江绥化152061）

为了探讨微波法提取马铃薯皮渣中多酚的最佳工艺条件及其体外抑菌效果，试验通过正交设计和二次多项式逐步回归分析，以优化出最佳提取工艺，并利用纸片琼脂扩散法对其抑菌效果进行测定。结果表明，微波辅助提取马铃薯皮渣多酚的最佳工艺条件为：浸提剂乙醇浓度为55%、料液比为1∶25（g/mL）、微波功率50 W、微波时间40 s，多酚提取量为3.02 mg/g；抑菌效果分析显示，从马铃薯皮渣中提取得到的多酚均能够抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌，抑菌的最低质量浓度均为10 mg/mL，在这3种菌中，大肠杆菌对其最为敏感。

马铃薯皮渣；微波提取；多酚；抑菌

多酚是存在于大多数植物中的一类多元酚类化合物，近些年的研究表明，多酚具有抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、抗菌、抗衰老、降血脂等多种功能[1-4]。我国生产的马铃薯70%～80%用于鲜食或深加工，每年产生近百万吨的马铃薯皮渣[5]，而目前除少数将马铃薯皮渣应用于制沼气和饲料外，大多数作为废弃物被丢弃掉[6]。有研究报道，马铃薯块茎中的酚类物质占其干质量的0.1%～0.3%，然而，表皮和邻近组织中酚类物质就占到50%[7]。以马铃薯皮渣为原料提取多酚，不仅可以减轻环境污染，还能够创造一定的经济效益。

本试验通过正交设计优化微波辅助提取多酚的工艺，并通过体外试验研究马铃薯皮渣多酚的抗菌性，旨在为更大程度地利用马铃薯皮渣以及开发纯天然抑菌剂提供理论技术参考。

1 材料和方法

1.1 材料

供试黄麻子马铃薯，从绥化市中心市场购买。将其清洗干净后削皮，将皮晾干，粉碎过0.25 mm筛，备用。

1.2 试剂与仪器设备

焦性没食子酸、无水乙醇、福林酚试剂、无水碳酸钠等均为分析纯；金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌为微生物实验室自制。

TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京谱析通用仪器有限公司）；RE-52A旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；EG720KG4-NA美的微波炉（美的微波电器制造有限公司）；HPX-9082MBE数显电热培养箱（上海博讯实业有限公司）；手提式高压蒸汽灭菌锅（上海博讯实业有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯皮渣多酚制备工艺 马铃薯皮干品→粉碎→过0.25 mm筛→微波处理→抽滤→减压浓缩→低温离心→上层清液→定容→多酚含量待测→乙酸乙酯萃取→减压浓缩→真空冷冻干燥→粗多酚。

1.3.2 正交试验 在前期单因素试验的基础上，采用L9（34）正交表进行正交试验，考察乙醇浓度（A）、料液比（B）、微波功率（C）、提取时间（D）4个因素3个水平对马铃薯皮渣多酚提取量的影响。试验因素与水平如表1所示。

表1 试验因素与水平

1.4 测定项目及方法

1.4.1 多酚含量的测定 以没食子酸作为标准品，采用福林酚比色法测定多酚含量[8-9]。

1.4.2 多酚抑菌效果测定 以金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌为试验菌种，采用纸片琼脂平板扩散法对马铃薯皮渣多酚的抑菌效果进行研究[10-11]。

1.5 数据处理

每个试验重复3次，采用DPS统计软件对正交设计试验结果进行二次多项式逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

表2 正交试验结果

以马铃薯皮渣中的多酚提取量为考察值，选取乙醇浓度、料液比、微波功率及微波时间进行4因素3水平的正交试验，其结果列于表2。

采用数据处理软件DPS对正交试验结果进行分析，分别得到乙醇浓度、料液比、微波功率及微波时间与多酚提取量的关系，其如图1～4所示。

2.2 乙醇浓度与多酚提取量的关系

从图1可以看出，乙醇浓度在45%～55%时，与多酚提取量呈正相关性，即乙醇浓度越高，多酚提取量越大，可能是因为浓度在这个范围内，乙醇具有的极性与多酚的极性相近，能够起到较强的浸提剂的作用[12-14]，因此，多酚物质在乙醇中溶解的数量也越多。

2.3 物料比与多酚提取量的关系

从图2可以看出，料液比在1∶15～1∶25（g/mL）时，随着提取液体积的增加，多酚提取量呈显著上升趋势；当料液比为1∶23（g/mL）时，多酚提取量出现了极大值，之后呈现出缓慢变化的趋势，原因可能是因为多酚已基本浸出[15]。

2.4 微波功率与多酚提取量的关系

由图3可知，微波功率在50～70 W时，多酚提取量呈下降趋势；随后多酚提取量又继续上升。软件模拟的结果为功率越大，多酚提取量越高，结合实际操作，当微波功率较高时，由于瞬间加热，温度过高会破坏多酚物质的结构，进而使其变性[16-18]。

2.5 微波时间与多酚提取量的关系

由图4可知，微波时间在20～40 s时，微波时间与多酚提取量呈明显的正相关性，可能是因为微波时间不断增高会使温度逐步上升，对植物组织软化也更加充分，分子间的运动明显加速，扩散也随之增加[19-20]，多酚物质浸出量也随之增加，因此，微波时间越长，多酚的提取量也越多。

由DPS软件拟合得到的回归方程（1）如下。

Y＝-1.079 139 018＋0.146 382 691 94X4－0.002 637 402 621 8X22＋0.000 293 010 635 16X32＋0.005 007 365 875X1X2－0.002 247 291 667 6X1X4－0.0016547216312X2X3－0.000 310 49351181X3X4。

由方程（1）得出，F＝242.171 3，相关系数 r＝0.999 70，显著水平 P＝0.049 4，回归方程（P＜0.05）具有显著意义，说明回归方程能够很好地拟合从马铃薯皮渣中提取多酚的工艺。通过该方程计算得到最优参数为：Y＝3.112 02，X1＝55.000 00，X2＝23.300 00，X3＝50.000 00，X4＝40.000 00，即乙醇浓度为 55%、料液比为 1∶23.3（g/mL），微波功率为50 W，微波时间为40 s；在此工艺参数下，马铃薯皮渣多酚的提取量为3.11 mg/g。

为检验预测结果的可靠性，并且考虑到实际操作的方便性，将提取工艺参数修正为乙醇浓度55%，料液比 1∶25（g/mL），微波功率 50 W，微波时间40 s，试验重复3次，得到多酚的实际提取量为3.02 mg/g，其接近于最优理论值。

2.6 抑菌圈直径的测定

马铃薯皮渣多酚对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑制效果列于表3。

表3 马铃薯皮渣多酚对3种细菌的抑制效果 mm

从表3可以看出，马铃薯皮渣多酚对这3种菌均具有一定的抑制能力，尤其是对大肠杆菌的抑制能力显著优于其他2种菌种（P＜0.05），也就是对革兰氏阴性菌的抑制效果优于革兰氏阳性菌。

2.7 最低抑菌浓度测定

马铃薯皮渣多酚对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的最低抑制浓度列于表4。

表4 最低抑菌浓度的测定 mm

从表4可以看出，不同浓度的马铃薯皮渣多酚对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有一定的抑制效果，且最低抑菌浓度均为10 mg/mL。在相同浓度下，大肠杆菌抑菌圈的直径最大，枯草芽孢杆菌的直径最小。

3 结论

本试验以马铃薯皮渣为原料，通过正交试验设计及二次多项式回归分析，确定了微波辅助提取马铃薯皮渣多酚的最佳工艺条件为：浸提剂乙醇浓度为55%，料液比为1∶25（g/mL），微波功率为50 W，微波时间为40 s，3次平行试验得到的实际提取量为3.02 mg/g。通过抑菌试验结果表明，马铃薯皮渣多酚对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌均表现出一定的抑制能力，且最低抑菌质量浓度均为10 mg/mL，浓度相同时，马铃薯皮渣多酚对大肠杆菌的抑菌效果更为明显。

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Study on Optimization of Microwave-assisted Extraction of Polyphenols from Potato Peels by Orthogonal Design and Their Antimicrobial Activity

QU Wenxiu，DIAO Xiaoqin，GUAN Haining，WANGChunling，SHENZhongnai，WANGYu，LI Nan
（College of Food and Pharmaceutical Engineering，Suihua University，Suihua 152061，China）

To research the method of extracting polyphenols from potato peels and their antimicrobial activity,the optimum extraction technology was determined through orthogonal design and two degree polynomial regression analysis,as well as,the bacteriostasis tests were conducted by paper-disc agar-diffusion method.The results showed the ethanol concentration was 55%,the ratio of material to liquid was 1∶25 （g/mL）,microwave power was 50 W,microwave time was 40 s,under this condition，polyphenols extraction rate was up to 3.02 mg/g.Bacteriostasis experiments showed that the polyphenols from potato peels had antibacterial activity against Staphylococcus aureus,Escherichia coli and Bacillus subtulis and the minimal inhibitory concentration was 10 mg/mL.Among the 3 bacteria,it had the most significant inhibition effect for Escherichia coli.

potatopeels;microwave-assisted extraction;polyphenols;antibacterial

TQ28

A

1002-2481（2017）10-1698-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.30

2017-05-16

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（201510236004）

屈文秀（1994-），女，黑龙江大庆人，在读本科，研究方向：农畜产品加工及保藏。刁小琴为通信作者。