响应面优化紫果西番莲维生素C的超声辅助提取工艺

贺银菊,2,杨再波,2,彭莘媚,2,杨 艳,彭召旭

(1.黔南民族师范学院化学化工学院,贵州都匀 558000; 2.贵州省高校民族药用植物资源开发工程研究中心,贵州都匀 558000)

西番莲(Passion fruit)又称巴西果、鸡蛋果、热情果,是西番莲科多年木质藤本植物果实的通称,气味芳香浓郁,有“果汁之王”的美誉[1]。目前西番莲主要有黄果、紫果、紫红色果三个品种,其果实均由果皮和果肉两部分组成,果肉呈黄色、味酸,含有丰富的蛋白质、还原糖、矿物质元素、A族/B族维生素、胡萝卜素、有机酸、人体所需要的氨基酸及维生素C,丰富有机酸的存在使维生素C不易受到损失。因此西番莲果是维生素C的良好来源,被誉为水果中的维生素C之王[2-4]。

维生素C是维持机体正常的生命活动所必须的一种物质,可促进胶原蛋白合成,组织修补,叶酸的代谢,参与机体的解毒、胆固醇代谢、预防多种疾病;同时还具有抗氧化、抗肿瘤、抗自由基等功效[5-9]。维生素C有较强的还原性,在空气中易被氧化,弱酸提取可以增强提取液中维生素C的稳定性,常用醋酸、草酸、盐酸、偏磷酸、混酸等[10-13]提取果蔬中的维生素C,酸浓度对维生素C的提取量有一定的影响[14]。常见的维生素C的测定方法主要有滴定法、电化学法、光谱法和色谱法等[15],主要提取方法有水提法、酸提取法、醇提取法、超声辅助提取法微波提取法等[16-19],其中超声辅助法可缩短提取时间、提高提取率。

目前对紫果西番莲果肉维生素C提取工艺的报道较少,本文以紫果西番莲为研究对象,考察不同酸提取剂对其果肉中维生素C提取量的影响;在最佳酸提取剂的条件下,用超声辅助技术考察液料比、超声温度、超声时间和超声功率对维生素C提取的影响,结合单因素试验结果设计响应面优化试验确定紫果西番莲果肉维生素C的最佳工艺,为进一步开发紫果西番莲的价值提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫果西番莲 2018年11月采于贵州省平塘县塘边镇新街村,成熟后采摘,去皮取其果肉备用;维生素C标准品 中国食品药品检定研究院;草酸、盐酸 均为分析纯。

DZ-2A型真空干燥箱、SHZ-D循环水真空泵 郑州英峪予华仪器有限公司;BS1105电子天平 北京赛多利斯天平有限公司;FA2204电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;KQ-500DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;TU-1901型双光束紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 紫果西番莲维生素C提取工艺 取成熟的紫果西番莲可食果肉部分5.00 g,按照一定的液料比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 mL/g)加入2%草酸提取剂,在一定的提取温度(20、30、40、50、60 ℃)和提取功率(200、250、300、350、400 W)下提取一定的时间(5、10、15、20、25 min),然后过滤定容,在最佳吸收波长处测定样品的吸光度值,得出紫果西番莲果肉中维生素C的含量。

1.2.2 提取溶剂的选择 在液料比为4∶1 mL/g、超声温度为40 ℃、超声时间15 min及超声功率300 W下研究1%草酸、1%盐酸、2%草酸、1%草酸+1%盐酸(体积比1∶1)和2%盐酸等对紫果西番莲果肉维生素C提取量的影响,通过测定比较5种酸提取剂提取液中的维生素C含量得出最佳的提取溶剂,在最佳酸提取剂的条件下采用单因素试验和响应面优化实验优化维生素C提取工艺。

1.2.3 单因素实验 紫果西番莲提取的基本条件为:液料比4∶1 mL/g,超声温度40 ℃,超声时间15 min,超声功率300 W,改变其中一个条件,分别考察液料比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 mL/g)、超声温度(20、30、40、50、60 ℃)、超声时间(5、10、15、20、25 min)和超声功率(200、250、300、350、400 W)对紫果西番莲提取液维生素C含量的影响。

1.2.4 响应面试验 根据单因素试验结果,运用Box-Benhnken中心组合原理,设计响应面优化试验,其因素及水平见表1。根据响应面优化设计试验结果进行验证性试验,计算紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Levels and factors of response surface methodology

1.2.5 维生素C含量的测定

1.2.5.1 标准曲线的绘制 准确称取0.2500 g维生素C标准品于烧杯中,用2%草酸的溶解转入250 mL容量瓶中,定容,混匀,即得1 mg/mL维生素C标准溶液备用。移液器分别准确吸取1 mg/mL维生素C标准溶液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于5个洁净干燥的10 mL容量瓶中,用蒸馏水定容,配制成浓度为20、40、60、80、100 μg/mL的维生素C的标准溶液。以蒸馏水为参比,在最佳吸收波长270 nm处测定吸光度值,以维生素C浓度为横坐标,吸光度为纵坐标绘制标准曲线。

1.2.5.2 样品维生素C含量的测定 称取5.00 g紫果西番莲果肉,以1.2.2中的最佳酸2%草酸作提取剂。按照单因素和响应面优化条件提取紫果西番莲的维生素C,提取完成后蒸馏水定容至50 mL,以蒸馏水为参比,在270 nm处测定吸光度值,计算维生素C含量。

1.3 数据处理

标准曲线、酸提取剂影响及单因素试验数据处理采用Origin 8.0软件作图,响应面优化分析及方差分析采用Design-Expert V 8.0.6软件,P<0.05表明差异显著。

2 结果与分析

2.1 维生素C的标准曲线

根据1.2.5.1标准样品的吸光度值和浓度,绘制标准曲线,结果如图1,由图1可知，维生素C标准样品在20～100 μg/mL范围内吸光度与浓度呈良好的线性关系,回归方程y=0.00909x+0.05219,R2=0.99967。

图1 维生素C的标准曲线Fig.1 Standard curve of vitamin C

2.2 不同酸提取溶剂对提取液中维生素C含量的影响

不同酸对紫果西番莲果肉维生素C提取量的影响,结果见图2,由图2可知,提取溶剂为2%草酸溶液时,维生素C提取量最高,这是因为不同酸提取溶剂对维生素C有一定的影响[14],且紫果西番莲果肉中含有一定的有机酸[2],当提取溶剂为2%草酸时维生素C提取量最高,因此单因素和响应面优化均选择2%草酸溶液作提取溶剂。

图2 不同提取溶剂对紫果西番莲 提取液维生素C含量的影响Fig.2 Effects of different kinds of extraction solvent on content of vitamin C in the purple passion fruit extract

2.3 单因素实验

2.3.1 液料比对提取液中维生素C含量的影响 液料比对提取液中维生素C含量的影响见图3,由图3可见,液料比对紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量影响较大,当液料比为4∶1 mL/g时紫果西番莲果肉中提取液中维生素C含量最高,在2∶1～4∶1 mL/g时随着液料比的增大,提取液中维生素C含量升高;在4∶1～6∶1 mL/g时随着液料比的增大,提取液中维生素C含量降低。这是因为随着液料比的增加有利于维生素C的浸出,维生素C含量升高;而液料比过高时影响浸提体系的果肉介质的传热等,提取液中维生素C含量降低。因此选择液料比3∶1、4∶1、5∶1 mL/g作为响应面设计的3个水平。

图3 液料比对紫果西番莲提取液中维生素C含量的影响Fig.3 Effect of material to solvent ratio on vitamin C content in the purple passion fruit extract

2.3.2 超声温度对提取液中维生素C含量的影响 超声温度对提取液中维生素C含量的影响见图4,由图4可见，超声温度对紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量影响较大,当超声温度为40 ℃时紫果西番莲果肉中提取液中维生素C含量最高,在20～40 ℃时随着超声温度的升高,提取液中维生素C含量升高;在40～60 ℃时随着超声温度的升高,提取液中维生素C含量降低。这是因为随着超声温度的升高加快分子的运动速率有利于维生素C的浸出,维生素C含量升高;而超声温度过高时使维生素C分解甚至氧化,维生素C的提取量降低[20]。因此选择提取温度35、40、45 ℃作为响应面设计的3个水平。

图4 超声温度对紫果西番莲 提取液中维生素C含量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on vitamin C content in the purple passion fruit extract

2.3.3 超声时间对提取液中维生素C含量的影响 超声时间对提取液中维生素C含量的影响见图5,由图5可见,超声时间对紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量影响较大,当超声时间为20 min时紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量最高,在5～20 min时随着超声时间的增加,提取液中维生素C含量升高;在20～25 min随着超声时间的增加,提取液中维生素C含量降低。这是因为随着超声时间的增加维生素C的提取量积累,维生素C的提取量升高;而超声时间过长时使维生素C氧化分解,维生素C的提取量降低[20]。因此选择提取时间15、20、25 min作为响应面设计的3个水平。

图5 超声时间对紫果西番莲 提取液中维生素C含量的影响Fig.5 Effect of ultrasonic time on vitamin C content in the purple passionfruit extract

2.3.4 超声功率对提取液中维生素C含量的影响 超声功率对提取液中维生素C含量的影响见图6,由图6可见,超声功率对紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量影响较大,当超声功率为300 W时紫果西番莲果肉中维生素C提取量最高,在200～300 W时随着超声功率的增加,提取液中维生素C含量升高;在300～400 W时随着超声功率的增大,提取液中维生素C含量降低。这是因为随着超声功率的增加超声波破坏细胞壁的速率增加,维生素C的提取量升高;而超声功率过高时破坏了果肉分子的结构,维生素C的提取量降低。因此最佳超声功率为300 W,选择250、300、350 W作为响应面设计的3个水平。

图6 超声功率对紫果西番莲 提取液中维生素C含量的影响Fig.6 Effect of ultrasonic power on vitamin C content in the purple passionfruit extract

2.4 响应面优化试验

2.4.1 响应面试验结果 根据Box-Benhnken的中心组合设计原理,设计了4因素3水平的29组试验优化紫果西番莲果肉中维生素C的提取工艺,维生素C提取优化试验数据见表2,根据表2的数据用软件Design-Expert 8.0.6进行拟合、分析,得维生素C含量Y的回归方程:

Y(mg·g-1)=0.52-0.0029A+0.047B-0.0066C+0.014D-0.0078AB+0.0043AC-0.0062AD+0.0088BC-0.018BD-0.0071CD-0.013A2-0.040 B2-0.0048C2-0.034D2。

表2 响应面设计试验设计及结果Table 2 Arrangement and results of response surface methodology

表3 模型的方差分析Table 3 Variance analysis of model

注:**表示差异极显著(P<0.01),*表示差异显著(P<0.05)。

2.4.2 响应面分析 两两因素的交互作用响应面见图7,由图7可知,因素间相互作用对紫果西番莲果肉中提取液中维生素C含量的影响,即响应面对各因素的敏感程度反映了在另外两个因素固定的条件下,两两因素对提取液中维生素C含量影响。响应面坡面越陡峭表明响应面受实验因素变化就越大,响应面坡面越平缓表明响应面受实验因素变化就越小。由图7可见,两两因素交互响应面坡面陡峭顺序为:BD>BC>AB>CD>AD>AC,即超声温度和超声功率的交互作用响应面最陡峭,说明超声温度和超声功率的交互作用对维生素C提取量影响最大,而液料比和超声时间的交互作用响应面最平缓,说明液料比和超声时间的交互作用对维生素C提取量影响最小。

图7 各因素两两交互作用对紫果西番莲提取液中维生素C含量的响应面Fig.7 Response surface of the effect interaction between two factors of vitamin C from the purple passionfruit

2.4.3 响应面试验优化及验证试验 通过Design-Expert 8.0.6软件,对回归模型进行预测得到紫果西番莲果肉维生素C含量提取最佳工艺为:液料比3.62∶1 mL/g、超声温度42.66 ℃、超声时间17.59 min和超声功率 307.24 W,维生素C理论含量为0.5337 mg/g。根据预测条件和实际操作设计维生素C提取条件分别为:液料比4∶1 mL·g-1、超声温度43 ℃、超声时间18 min和超声功率310 W,进行3次平行试验取实验的平均值,得紫果西番莲果肉中提取液中维生素C含量为0.5316 mg/g,预测结果和实测结果相近,说明拟合良好、参数可靠。

3 结论

本文首先研究了不同浓度的酸提取剂对紫果西番莲果肉提取液中维生素C含量的影响,得出2%的草酸作提取剂时,提取液中维生素C含量最高,分析原因主要是紫果西番莲果肉中本身就存在大量的有机酸。响应面优化结果表明:二次模型极显著,准确性较高;回归方程和各因素交互作用响应面表明各因素对紫果西番莲果肉中维生素C提取量的影响顺序为B>D>C>A,即超声温度影响最大,超声功率次之,再次是超声时间的影响,液料比的影响最小。根据回归模型进行预测和验证性实验,建立了维生素C提取的最佳工艺:液料比4∶1 mL·g-1、超声温度43 ℃、超声时间18 min和超声功率310 W,紫果西番莲果肉中的维生素C含量为0.5316 mg/g。可见紫果西番莲果肉中含有丰富的维生素C,不愧为水果中的维生素C之王。