桂桑优12种子油提取的响应面工艺优化及其抗氧化分析

2019-09-10 07:22吴婧婧梁贵秋陆春霞董桂清周晓玲肖潇
南方农业学报 2019年1期
关键词:抗氧化性提取工艺

吴婧婧 梁贵秋 陆春霞 董桂清 周晓玲 肖潇

摘要:【目的】优化桂桑优12种子油提取工艺条件,并分析其抗氧化活性,为广西主推桑树品种桂桑优12种子油提取和高值化利用提供技术支持。【方法】以桂桑优12种子为试验材料,种子油提取率为评价指标,从5个溶剂组合中筛选出提取桂桑优12种子油的最佳溶剂;并在单因素试验的基础上,将3个显著因素的最佳条件设为响应中心值,利用响应面法对种子油提取工艺进行优化,依据回归分析确定其最适提取条件;同时测定种子油对DPPH和羟基自由基的清除率。【结果】体积百分比为40%正己烷+60%石油醚的组合是提取桂桑优12种子油的适宜溶剂;各因素对桂桑优12种子油提取率的影响排序为提取温度>提取时间>提取溶剂体积;桂桑优12种子油的最佳提取工艺条件为:提取温度83 ℃、提取溶剂体积50 mL、提取时间4.0 h,在此条件下,得到桂桑优12种子油提取率为35.04%,与预测值(35.07%)接近;桂桑优12种子油对DPPH和羟基自由基均有较强的清除能力,其半数有效质量浓度(IC50)分别为2.111和0.196 mg/mL。【结论】响应面试验模型能较好优化桂桑优12种子油的提取工艺,优化后的工艺具有操作便捷、高效可行的优势,提取的种子油具有较强抗氧化能力。

关键词: 桂桑优12;种子油;提取工艺;提取率;抗氧化性;响应面分析

中图分类号: S888.3                           文献标志码: A 文章编号:2095-1191(2019)01-0144-07

0 引言

【研究意义】桂桑优12是广西优良的杂交桑树品种,其特点为叶片较大而厚,主要表现为产量高、叶质优、易采摘、耐剪伐、易繁育(种子繁育)、适应广,可在广西各地规模种植,受到广大蚕农的欢迎;作为广西主推桑品種,其种植面积于2012年已达7.24万ha,占广西桑园面积的43.05%(聂良文等,2013)。桂桑优12的附属产品桑果在广西已被开发利用成为桑果酒和桑椹汁,而在榨取果汁时留下的桑种子开发利用价值尚未挖掘出来,造成资源浪费。桑种子约占果实的2.8%,在生产中常用渣汁分离设备将果汁与果渣分离,桑果经渣汁分离后所得的桑种子与果渣混合在一起,可在孔径1~2 mm的网筛中清洗实现与果渣分离,收集过程简单、易操作。桂桑优12的种子含油率高达35.0%以上,高于一般的桑种子含油率(32.3%~33.4%)(吴娱明等,2006;吕志强等,2011)。桑种子油富含不饱和脂肪酸,含量约占88%,其中亚油酸占79%以上,同时富含维生素E、β-胡萝卜素、硒等多种维生素和微量元素(杨小兰等,1998),具有降血脂、抗动脉粥样硬化等作用,对延缓机体衰老十分有益(杨小兰,2011)。因此,研究桂桑优12种子油的提取工艺及其抗氧化活性,不仅能将广西丰富的桑树资源更广泛应用于食品领域,满足广大消费者的需求,还可提高桑树资源综合利用率和加工产品附加值。【前人研究进展】目前关于桑种子油的研究已有一些报道。杨小兰等(1998)分析了桑椹籽和籽油的化学成分;张志伟等(2007)利用超临界CO2流体萃取桑椹籽油,并采用气相色谱法对桑椹籽油进行组分分析;徐建国等(2009)通过正交试验优化桑椹籽油提取工艺,并对其脂肪酸组成进行分析;胡青平(2010)利用超声波辅助提取桑椹籽油。针对桂桑优12桑树资源进行的研究也有一些报道,徐周徐和屈达才(2014)测定了桂桑优12和沙2×伦109的DNJ含量,发现桂桑优12的DNJ含量高于沙2×伦109;陆春霞等(2018)利用桂桑优12的果实制成桑果酒,并与其他两种桑果酒进行理化指标和成分比较,发现桂桑优12酿制的桑果酒的抗氧化物质白藜芦醇和花青素成分较高。关于桑种子的抗氧化性研究较少,目前仅孟祥凯等(2015)采用不同极性的溶剂提取桑种子,发现桑种子的提取物具有较强的抗氧化能力。【本研究切入点】目前,关于桂桑优12种子的研究鲜见报道,涉及其种子油的抗氧化性研究也未见报道。【拟解决的关键问题】以桂桑优12种子为原料,通过单因素试验和响应面设计,筛选出最佳提取溶剂,考察提取溶剂体积、提取温度和提取时间对种子油提取率的影响,确定桂桑优12种子油提取的最佳工艺,并研究其抗氧化活性,为广西主推桑树品种桂桑优12的种子油提取和高值化利用提供技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试材料为桂桑优12种子,由广西蚕业技术推广总站提供。石油醚、正己烷和双氧水购自西陇化工股份有限公司,邻二氮菲和七水合硫酸亚铁购自国药集团化学试剂有限公司。主要设备仪器:SZF-06C脂肪提取器(浙江托普云农科技股份有限公司),752型紫外—可见分光光度计(上海光学仪器厂)。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 种子油提取 有机溶液脂肪提取法:准确称取烘干至恒重且过80目筛的桑种子粉末4.000 g置于滤纸筒中,将滤纸筒放入抽提瓶内,并加入适量的有机溶剂,于一定温度和时间下回流提取种子油。

种子油提取率(%)=种子油质量/桑种子粉末

质量×100

1. 2. 2 提取溶剂组合筛选 将种子油提取中最常用的两种试剂正己烷和石油醚按照不同体积百分比进行组合(组合1:100%正己烷,组合2:60%正己烷+40%石油醚,组合3:50%正己烷+50%石油醚,组合4:40%正己烷+60%石油醚,组合5:100%石油醚),混合至50 mL,作为提取溶剂分别进行种子油提取试验,筛选出最适合桂桑优12种子油提取的溶剂组合。

1. 2. 3 单因素试验 按照1.2.1的方法提取桂桑优12种子油,研究不同提取溶剂浸泡时间(0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 h)、提取溶剂体积(30、40、50、60和70 mL)、提取温度(60、70、80、90和100 ℃)和提取时间(1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 h)对种子油提取率的影响,进行3次重复试验。

1. 2. 4 响应面试验设计 根据单因素试验的结果,以提取溶剂体积、提取温度和提取时间为响应面自变量,以种子油提取率为响应值,通过Design Expert 7.0设计3因素3水平共计17个试验点的响应面试验,以随机次序进行,重复3次获得响应值,优化种子油提取工艺。响应面因素水平见表1。

1. 2. 5 种子油抗氧化性测定

1. 2. 5. 1 DPPH自由基清除率测定 参考Ali等(2015)的方法,将桂桑优12种子油分别用无水乙醇配成质量浓度为2、4、6、8、10和12 mg/mL的溶液,并配置60 μmol/L DPPH溶液。取2 mL样品溶液分别置于10 mL具塞试管里,加入等体积DPPH溶液,混匀后于25 ℃下避光反应20 min;样品溶液取出后以无水乙醇调零,在517 nm波长下测定吸光值A1;取2 mL无水乙醇加入2 mL 60 μmol/L DPPH溶液中,测定吸光值A0;取2 mL样品溶液加入2 mL无水乙醇中,测定吸光值A2。每个试验测定结果重复3次,取平均值,根据公式计算DPPH自由基清除率,以维生素C(VC)作参照。

DPPH自由基清除率(%)=[A0-(A1-A2)A0]×100

1. 2. 5. 2 羟基自由基清除能力测定 参考董迪迪等(2014)的方法进行测定。建立反应体系所需的溶液和试剂:0.75 mmol/L邻二氮菲溶液、0.75 mmol/L硫酸亚铁溶液、0.01% H2O2、磷酸盐缓冲液(pH 7.4)及不同质量浓度(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 mg/mL)的桂桑优12种子油乙醇溶液。不同分组的溶液加入反应体系的体积见表2。

将反应体系在37 ℃水浴下反应1.0 h,取出后迅速在536 nm处测定吸光值,每个试验结果重复3次,取平均值,根据公式计算羟基自由基清除率,以VC作参照。

羟基自由基清除率(%)=[A2-A1A0]×100

1. 3 统计分析

采用SPSS 20.0进行差异显著性分析和回归拟合曲线确定半数有效质量浓度(IC50),并用Design Expert 7.0对试验数据进行响应面分析。

2 结果与分析

2. 1 最佳提取溶剂组合的筛选结果

由图1可知,除组合3与组合5的种子油提取率间差异不显著(P>0.05,下同)外,其余组合的提取率间均存在显著差异(P<0.05,下同),以组合4(40%正己烷+60%石油醚)的种子油提取率最高(32.45%),组合5(100%石油醚)的种子油提取率次之(32.31%),而组合1(100%正己烷)的种子油提取率最低,为31.59%。因此,确定40%正己烷+60%石油醚的组合为桂桑优12种子油提取工艺最适合的提取溶剂。

2. 2 单因素试验结果

2. 2. 1 提取溶剂浸泡时间对桂桑优12种子油提取率的影响 为了使桑种子粉末与提取溶剂充分接触,提取前先将桑种子粉末放入滤纸筒,用提取溶剂浸泡一定时间,在提取温度90 ℃、提取体积50 mL、提取时间5.0 h的条件下进行提取试验,考察提取前不同浸泡时间对桂桑优12种子油提取率的影响。由图2可知,在不同浸泡时间处理下,桂桑优12种子油的提取率在32.36%~32.44%,其中浸泡时间2.0 h的种子油提取率最高。根据差异性分析可知,不同浸泡时间处理下所得种子油提取率间无显著差异,表明桑种子在提取前采用提取溶剂浸泡处理的时间对种子油提取率无显著影响。

2. 2. 2 提取溶剂体积对桂桑优12种子油提取率的影响 在提取溶剂浸泡时间2.0 h、提取温度90 ℃,提取时间5.0 h的条件下,考察不同提取溶剂体积对桂桑优12种子油提取率的影响。由图3可知,提取溶剂体积在30~50 mL范围内,桂桑优12种子油提取率呈上升趋势,当提取溶剂体积为50 mL时提取率达最大值(32.45%)。根据差异性分析可知,提取溶剂体积在50~70 mL范围内的提取率差异不显著,但显著高于溶剂体积为30和40 mL的提取率。由于提取溶剂体积达60 mL时,提取率并未随溶剂体积的增大而增加,且从节约材料的角度考虑,故选择50 mL作为种子油提取的最适提取溶剂体积。

2. 2. 3 提取温度对桂桑优12种子油提取率的影响 在提取溶剂浸泡时间2.0 h、提取溶剂体积50 mL、提取时间5.0 h的条件下,考察不同提取温度对桂桑优12种子油提取率的影响。由图4可知,提取温度在60~90 ℃范围内,种子油提取率呈上升趋势,当提取温度为90 ℃时提取率达最大值(30.99%),之后提取率出现下降趋势,各提取温度下的提取率间存在显著差异。提取温度升高影响提取率的原因在于提取溶剂的流动性和沸腾性,当提取温度过高并达到石油醚和正己烷的沸点时,溶剂挥发使得溶剂体积减少,导致种子油提取率随之下降。因此,选择90 ℃作为种子油提取的最适提取温度。

2. 2. 4 提取时间对桂桑优12种子油提取率的影响 在提取溶剂浸泡时间2.0 h、提取溶剂体积50 mL、提取温度90 ℃的条件下,考察不同提取时间对桂桑优12种子油提取率的影响。由图5可知,提取时间在1.0~4.0 h范围内,桂桑优12种子油提取率呈上升趋势,当提取时间为4.0 h时提取率达最大值(30.83%),显著高于除5.0 h外的其他提取时间,提取时间达5.0 h时提取率出现下降趋势。若提取时间不足,油脂提取不完全;若提取时间过长,又可能出现油脂挥发,导致提取率下降,因此选择4.0 h的提取时间较适宜。

2. 3 响应面优化提取工艺的结果

2. 3. 1 响应面试验结果 利用Design Expert 7.0对响应面试验结果(表3)进行方差分析,根据试验结果得到桂桑优12种子油提取率(Y)对提取温度(A)、提取溶剂体积(B)和提取时间(C)3個因素的二次多项回归方程:Y=34.42-1.88A-0.66B+0.76C-1.23AB+0.22AC-0.11BC-1.42A2-1.86B2-3.36C2。

对模型进行回归分析,结果(表4)表明,该模型显著性检验P=0.0002<0.01,二次方程拟合极显著,该模型具备统计学意义。失拟项P=0.0561>0.05,差异不显著,表明该模型能较好地描述各因素与响应值间的真实关系;决定系数R2=0.9695,表明该模型拟和程度良好,可通过该回归方程确定桂桑优12种子油提取的最佳工艺。通过比较F的大小可知,各因素对桂桑优12种子油提取率的影响顺序为A>C>B,各因素交互作用对种子油提取率的影响顺序为AB>AC>BC。根据P的大小可知,各因素中B、C和AB对种子油提取率的影响显著,A、A2、B2和C2对种子油提取率的影响极显著(P<0.01)。

2. 3. 2 响应面交互作用分析 采用Design Expert 7.0对表3数据绘制响应面图(图6),可真实反映出各因素间的交互作用,曲面图的陡峭程度显示出各因素对桂桑优12种子油提取率的影响程度,响应面坡度越陡,说明该因素影响较大。从图6可看出,AB交互作用响应面的坡度较陡峭,说明提取温度与提取溶剂体积的交互作用对桂桑优12种子油提取率的影响显著;AC和BC响应面的坡度均较平缓,说明提取温度与提取时间、提取溶剂体积与提取时间的交互作用对桂桑优12种子油提取率的影响不显著。提取温度响应面的陡峭程度大于提取时间和提取溶剂体积,说明提取温度对种子油提取率的影响大于提取时间和提取溶剂体积;提取时间响应面的陡峭程度大于提取溶剂体积,说明提取时间对种子油提取率的影响大于提取溶剂体积。这与表5的方差分析结果一致。

2. 3. 3 试验结果的验证 利用Design Expert 7.0进行数据分析,可得到桂桑优12种子油提取率的最优工艺条件:提取温度83.26 ℃、提取溶剂体积50.43 mL、提取时间4.09 h,在此工艺条件下的桂桑优12种子油提取率为35.07%。为了确保实际操作的可行性,将工艺参数优化为提取温度83 ℃、提取溶剂体积50 mL、提取时间4.0 h,经3次重复试验,得到桂桑优12种子油提取率35.04%,与预测值接近,说明该工艺稳定可行,建立的模型适用于预测实际值。

2. 4 桂桑优12种子油的抗氧化性分析结果

2. 4. 1 桂桑优12种子油对DPPH自由基的清除效果 由图7可知,在试验浓度范围内,桂桑优12种子油对DPPH自由基具有良好的清除效果,其清除能力随桂桑优12种子油的浓度增大而增强。以VC为对照进行DPPH自由基清除能力比较,桂桑优12种子油的清除率最大值为92.71%,稍低于VC的DPPH自由基清除率。桂桑优12种子油的IC50为2.111 mg/mL。

2. 4. 2 桂桑优12种子油对羟基自由基的清除效果 由图8可知,桂桑优12种子油对羟基自由基具有良好的清除效果,其清除能力与质量浓度呈正相关。在0.2~0.7 mg/mL质量浓度范围内,桂桑优12种子油对羟基自由基的清除能力强于VC,但随着质量浓度增大,VC对羟基自由基的清除能力逐渐强于桂桑优12种子油。桂桑优12种子油的羟基自由基清除率最大值为88.53%,通过拟合曲线计算出桂桑优12种子油的IC50为0.196 mg/mL。

3 讨论

目前,对种子油的提取溶剂多采用单一石油醚或正己烷,如徐建国等(2009)采用石油醚作为提取溶剂,通过正交试验优化桑椹籽油的提取工艺,该优化工艺条件下获得的桑椹籽油提取率为28.62%;吕志强等(2011)用正己烷对桑籽油进行提取,并采用正交试验进行工艺优化,该优化工艺条件下获得的桑椹籽油提取率为32.33%。本研究采用石油醚和正己烷通过不同体积比例混合提取桂桑优12种子油,发现40%正己烷+60%石油醚的混合溶剂作为桂桑优12种子油的提取溶剂,所得到的种子油提取率最高,从而确定该比例的混合溶剂为最佳提取溶剂。根据筛选出的提取溶剂,又在单因素试验的基础上,以提取溶剂体积、提取温度和提取时间为响应面的影响因素,以种子油提取率为响应值,设计了3因素3水平的响应面试验优化工艺,得到最佳提取条件为提取温度83 ℃、提取溶剂体积50 mL、提取时间4.0 h,在此条件下得到桂桑优12种子油提取率为35.04%,高于单一采用石油醚和正己烷作为提取溶剂的提取工艺(徐建国等,2009;吕志强等,2011)。本研究所获得的桂桑优12种子油提取率略低于胡青平(2010)获得的桑椹籽油提取率(35.62%),主要是由于其采取了超声波辅助方式,下一步可考虑将本研究的优化提取工艺条件与辅助方法相结合进行桂桑优12种子油的提取研究。

桑树种子的提取物具有较强的抗氧化活性,孟祥凯等(2015)采用不同极性的溶剂提取桑籽,发现以乙酸乙酯提取的桑籽提取物清除DPPH自由基能力最强,其半最大效应浓度(EC50)为0.0540 mg/mL,清除率在90.00%以上。桑种子油的抗氧化性研究目前尚未见报道,而对于葡萄籽油的抗氧化性研究较多。王媛等(2012)研究发现葡萄籽油的浓度大于25 mg/mL时,其对DPPH清除率最大,为80.70%;胡翠珍等(2015)研究葡萄籽油对羟基自由基的清除率,发现当浓度为140 μg/mL时,葡萄籽油对羟基自由基的清除率最高,达80.00%。本研究对桂桑优12种子油的抗氧化活性进行分析,结果表明,桂桑优12种子油对DPPH和羟基自由基均具有较强的清除能力;随着桂桑优12种子油质量浓度的不断增大,其抗氧化能力逐渐增强;桂桑优12种子油对DPPH和羟基自由基的IC50分别为2.111和0.196 mg/mL。相比之下,桂桑优12种子油清除DPPH能力较葡萄籽油更强,可为桂桑优12种子油的开发利用和广西桑树资源多元化发展提供参考依据。

4 结论

結合单因素试验和响应面试验设计,可较好地优化桂桑优12种子油提取工艺,优化后的工艺具有操作便捷、高效可行的优势,所提取的种子油具有较强抗氧化能力。

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(责任编辑 罗 丽)

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