（食品科学专业论文）超声辅助提取柑橘皮中黄酮、酚酸及其抗氧化能力的研究.pdf

摘要 柑橘是世界上第一大宗水果，是中国第二大栽培水果，中国柑橘产量居世界第二。近年来， 我国柑橘生产及加工业发展迅速，柑橘副产物资源丰富且用途广泛。但由于研究的缺乏和技术的 落后大部分未得到综合利用，造成资源浪费及环境污染。以前的研究发现柑橘皮中富含多种有益 于人类健康和药理功能的天然活性物质。因此，柑橘副产物用于提取天然活性物质是综合利用的 途径之一。 最近，超声波技术已经广泛的应用于提取各种天然活性物质，与传统的提取方法比较，具有 低温、快速、高效、环保等提取优势。本文以柑橘皮为研究材料，利用低频高能超声波( 1 0 w - f r e q u e n c y h i g h - p o w e r u l t r a s o u n d ) 研究了超声辅助提取对柑橘皮中黄酮、酚酸类物质以及抗氧化能力的影响， 分析了超声处理后提取物中总酚与抗氧化能力的相关性，探讨了超声辅助同时提取多组分酚酸类 物质其提取效果与化学结构的关系，考察了局部声场中超声参数的特性。通过本文的研究，旨在 获取超声辅助提取活性物质的内在和外在信息，为开发超声辅助提取天然活性物质的工业化专用 设备提供可靠的参数，以期构建相应的超声设备模型。 主要研究结果和结论如下： 1 考察了超声参数( 提取溶剂、超声时间、提取温度、超声频率、超声能量) 对橙皮苷含 量的影响。结果表明：提取溶剂、提取温度和超声频率是最重要的超声参数，但超声能量的变化 对橙皮苷含量表现出较小的影响。随着超声时间和提取温度的增加橙皮苷的含量亦增加，延长超 声时间并不造成橙皮苷的降解。并比较了超声辅助提取和浸泡提取对桠柑皮中橙皮苷提取效率的 影响，认为超声处理方法较浸泡提取方法具有低温、快速、高效提取的优势。此外，均匀声场处 理物料其提取物含量较非均匀声场有显著提高。最后利用单因素实验确定了提取橙皮苷的最佳超 声条件：提取溶剂为甲醇、超声频率为6 0 k h z 、提取温度为4 0 0 c 、超声时间为6 0 m i n 。 2 对比分析了2 0 、6 0 、1 0 0 k h z 三种超声频率下超声参数( 超声时间、提取温度、超声能量) 对温州蜜柑皮中黄酮和酚酸类物质及其抗氧化能力的影响。结果表明：在相同的超声条件下三种 超声频率对酚酸含量的影响趋势相似，表现为在低温下随超声时间的延长酚酸含量显著增加，而 在较高的温度( 4 0 0 c ) 下，随着超声处理时间的增加酚酸含量大幅度下降，其中0 0 k h z 的超声波 较2 0 k h z 和l o o k h z 对提取橙皮苷含量的影响最大，分析发现单个酚酸含量的下降程度与其芳香 环上取代基的类别和数目有关，羟基取代基数目越多、甲氧基取代基的数目越少越容易被降解； 但是，三种超声频率对单个酚酸含量的影响存在一定的差异，具体表现为超声处理造成肉桂酸型 酚酸含量的降低程度高于苯甲酸型酚酸。此外，黄酮糖苷在所研究的超声条件下总体呈现增加趋 势。 确定了超声辅助提取温州蜜柑皮中酚酸的最佳超声条件为：超声频率6 0 k h z ，超声时间 4 0 m i n 、超声能量8 w 、提取温度3 0 。c ；黄酮糖苷的最佳超声条件为：超声频率6 0 k h z ，超声时 间6 0 m i n 、提取温度4 0 0 c 、超声能量8 w 。最后测定了超声处理后提取物中总酚和抗氧化能力的 相关性。结果表明在2 0 、6 0 、1 0 0 k h z 三种频率下，1 5 。c 处理后，相关系数芹依次为0 8 2 8 8 、 0 8 3 5 4 、0 8 4 3 5 ；在3 0 0 c ，譬依次为0 7 7 0 6 、0 8 7 3 5 、0 8 8 9 5 ：在4 0 。c ，膏依次为0 8 6 2 6 、0 9 2 4 8 、 0 8 8 9 5 ；在3 2 、8 、3 0 、5 6 w 的超声能量水平下，屠依次为0 9 1 4 3 、0 9 9 5 8 、0 7 9 7 1 ，表明温州 蜜柑皮提取物中总酚主要起抗氧化能力。 3 研究了超声辅助提取对珀溪蜜柚皮中黄酮、酚酸含量及抗氧化能力的影响。结果表明： 超声频率、超声时间、提取温度的变化显著影响提取物的提取效率，而超声能量对提取物含量有 较小的影响，其中超声频率和提取温度对珀溪蜜柚皮中提取物的影响与温州蜜柑皮呈现出相似的 趋势，即6 0 k h z 具有最高的提取效率、较高的温度易造成酚酸含量的显著下降。并确定了超声辅 助提取珀溪蜜柚皮中提取物的最佳超声条件：酚酸为超声时间3 0 m i n 、超声温度3 0 0 c 、超声功率 3 0 w ；柚皮苷为超声时间3 0 m i n 、超声温度4 0 0 c 、超声功率8 w 。 最后分析了珀溪蜜柚皮中总酚与抗氧化能力的相关性，发现二者呈现良好的线性关系。在 3 0 0 c 处理后，2 0 、6 0 、1 0 0 k h z 的相关系数帮依次为0 7 8 1 4 、0 7 6 4 8 、0 8 8 3 2 ：在4 0 0 c ，舻依次 为0 7 6 8 6 、0 8 8 4 7 、0 8 8 7 4 ；在3 2 、8 、3 0 、5 6 w 超声能量水平下，萨依次为o 8 7 5 2 、0 8 8 2 9 、 0 9 3 9 7 ，表明珀溪蜜柚皮提取物中总酚主要起抗氧化能力。 比较超声辅助提取对温州蜜柑皮和瑁溪蜜柚皮中提取物的影响，其黄酮的主要成分完全不 同，前者为芸香柚皮苷和橙皮苷，后者为柚皮苷；同样，七种酚酸的含量也各不相同，前者阿魏 酸的含量最高，后者为芥子酸，说明植物材料直接影响其提取物的含量。同样，在相同的超声条 件下，提取两种柑橘皮中相同的七种酚酸组分，提取效率亦不同，这说明植物材料的质地特性很 可能也会影响超声波的传质作用，最终影响提取效率。此外，超声处理两种柑橘皮其提取物中总 酚与抗氧化能力均表现出良好的线性关系，强调超声波技术应用于提取橘皮中活性物质、增强其 提取物抗氧化能力具有一定的潜力，可以作为开发柑橘皮综合利用的有效途径。 4 基于本文前面的研究，发现超声能量的变化对柑橘皮中提取物的含量几乎没有影响。以 前的研究报道了超声能量随超声波传播距离的增加而衰减，超声能量的这一特性是否影响提取效 率。本文以槿柑皮为研究材料，利用响应面的方法分析了局部声场中超声参数( 超声能量、超声 时间、提取温度) 对桠柑皮中橙皮苷、总酚、抗氧化能力的影响。结果表明：当处理物料与超声 换能器的距离较远( 1 3 4 c m ) 则超声能量的变化对桠柑皮中提取物的影响没有显著性差异；反之， 距离近( 2 c m ) 则显著性差异，并且通过多次回归模型分析发现超声参数的所有交互项具有较高 的显著性，表明很可能由于超声能量强度的增大，与其他提取因子互作而产生更加复杂的变化。 通过响应面的方法评价了超声变量对响应值的影响，建立数学回归模型。在高超声辐射面得 到橙皮苷、总酚含量和抗氧化能力的舻分别为0 9 8 8 9 、0 9 8 5 4 、0 9 9 2 9 ：在低超射辐射面舻分别 为0 9 5 7 8 、0 9 6 0 1 、0 9 7 1 3 ，表明预测值能很好的反映测定值。通过响应面的方法优化得到最佳 的超声条件为：超声能量4 2 - - 4 5 w ，超声时间2 3 - - - , 2 5 m i n , 提取温度3 1 - 3 4 0 c 。此外，在超声换 能器附近，超声处理后具有更高的提取效率，这对设计专用型超声波设备和开发大规模工业化超 声设备具有一定的参考价值。 5 利用电镜观察了超声波对三种柑橘皮结构的影响。对于新鲜的柑橘皮，发现细胞组织结 构排列的很整齐，并且细胞壁的结构比较厚，而不同品种柑橘皮的细胞组织结构仍然存在一定的 差异。但超声处理后柑橘皮的细胞结构变得松散，而且细胞壁明显被不同程度的破坏，表明超声 辅助提取是通过破碎细胞组织结构使得细胞内含物快速释放，进而提高提取物含量。 关键词：超声辅助提取，柑橘皮，黄酮，酚酸，抗氧化能力，相关性 i i i a b s t r a c t c i t r u sf r u i th o l d st h eh i g h e s tp r o d u c t i o ni nf r u i tk i n g d o ma n di st h es e c o n dl a r g e s tg r o w i n gf r u i ti n c h i n a , w h e r ec i t r u sp r o d u c t i o ni su pt ot h es e c o n di nw o r l d i nr e c e n ty e a r s ，c i t r u sp r o c e s s i n gh a sb e e n d e v e l o p i n gi nah i g hs p e e d , w h i c hc o r r e s p o n d i n g l yp r o d u c e sl a r g eq u a n t i t i e so f b y - p r o d u c t sw i mw i d e l y u s e h o w e v e r , m o s to fc i t r u sb y - p r o d u c t si nc o n v e n t i o n a lf o o dp r o c e s s i n go w i n gt ol a c ko fk n o w l e d g e a n dl a go ft e c h n o l o g yw e r ew a s t e d , r e s u l t i n gi nac e 臂t a i ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r e v i o u s i n v e s t i g a t i o n sh a v ef o u n dt h a tc i t r u sp e e l sa 托r i c hi nn u m e r o u sb i o l o g i c a l l ya c t i v ec o m p o u n d sw i t h m e d i c i n a le f f e c t s ，w h i c hw e r ea s s o c i a t e d 谢t l lh e a l t h yp r o p e r t i e s t h e r e f o r e ，e x t r a c t i o na n di s o l a t i o no f n a t u r a l l yb i o a c t i v ec o m p o n e n t sf r o mc i t r u sb y - p r o d u c t sw e r er e g a r d e da so n eo fa v a i l a b l ea p p r o a c h e s i nr e c e n t l y , u l t r a s o u n d - a s s i s t e de x t r a c t i o nc o a e ) h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne x t r a c t i o no fa v a r i e t y o fb i o l o g i c a l l ya c t i v ec o m p o u n d sf r o mp l a n t s ，t h ea d v a n t a g e so fw h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e e x t r a c t i o nt i m e s ，d e c r e a s ee x t r a c t i o n t e m p e r a t u r e ，i n c r e a s ee x t r a c t i o ny i e l d sa n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nc o m p a r e dt oc l a s s i c a l l ye x t r a c t i o nm e t h o d s i nt h i sr e s e a r c h ，l o w - f r e q u e n c yh i g h - p o w e r u l t r a s o u n dw e r ea p p l i e dt oe x t r a c tf l a v a n o i da n dp h e n o l i ca c i d sf r o mc i t r u sp e e l s ，t h ee f f e c t so f u a eo n t h ey i e l d so fe x t r a c t sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o t a lp h e n o l i cc o n t e n t s ( t p c ) a n da n t i o x i d a n ta c t i v i t y ( a a - r ) w e r ee v a l u a t e d ，t h es i m u l t a n e o u se x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fm u l f - p h e n o l i cc o m p o u n d sf r o mc i t r u s p e e l sb yu a ew a se s i t m a t e d ，a n di tw a sa n a l y z e db yt h e i rc h e m i c a ls t r u c t u r e s ，t h ep r o p e r t i e so f u l t r a s o n i cp a r a m e t e r si nl o c a lu l t r a s o u n df i e l dw e r ed i s c u s s e d t h eo b j e c t i o ni st oo b t a i nt h ei n n e ra n d o u t e ri n f o r m a t i o no fu l t r a s o u n d - a s s i s t e de x t r a c t i o no fb i o a c t i v ec o m p o u n d sf r o mp l a n t s ，t op r o v i d e a v a i l a b l ep a r a m e t e r sf o rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i a lu l t r a s o u n de q u i p m e n t , a n dt oe s t a b l i s hp o s s i b l em o d e l i ni n d u s t r i a lp o mo f v i e w t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw e r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cp a r a m e t e r si n c l u d i n gs o l v e n t ，u l t r a s o n i ct i m e ，t e m p e r a t u r e ，u l t r a s o n i c f r e q u e n c y , a n du l t r a s o n i cp o w e ro nt h ey i e l d so fh e s p e r i d i nf r o mp e n g g a n ( c t r u sr e t i c u l a t a ) p e e lw a s e s t i m a t e d t h er e s u l t e ds h o w e dt h a ts o l v e n t , t e m p e r a t u r ea n du l t r a s o n i cf r e q u e n c yw e r et h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，b u tu l t r a s o n i cp o w e rh a sal i t t l ee f f e c to nt h ey i e l d so fh e s p e r i d i n w i t hi n c r e a s e o fu l t r a s o n i ct i m ea n dt e m p e r a t u r e ，t h ey i e l d so fh e s p e r i d i na l s oi n c r e a s e d m o r e o v e r , e x t e n d e d e x t r a c t i o nt i m ed i dn o tr e s u l t e di nt h ed e g r a d a t i o no fh c p e r i d i n u a eg a v eh i g h e re x t r a c t i o ne f f i c i e n c i e s a tl o w e r t e m p e r a t u r ef o rs h o r t e rt i m ew h e nc o m p a r e dt os o x h l e tm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h es a m p l e s o fa b s o r p t i o n - u n i f o r m e di r r a d i a t i o np o w e rc o n t r i b u t et oh i g h e ry i e l d so fe x t r a c t i o n t h em o s to p t i m u m u l t r a s o n i cc o n d i t i o n so fe x t r a c t i o nh e s p e r i d i nf r o mp e n g g a np e e l sw e r ed e t e r m i n e d 弱：m e t h a n 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i e n c yw a so b t a i n e du s i n gu l t r a s o u n dw i t l l6 0k h z , a n dp h e n o l i ca c i d sw e l es u s c e p t i b l et o b ed e g r a d e da th i g h e rt e m p e r a t u r e t h eo p t i m a lu l t r a s o n i cc o n d i t i o n so fe x t r a c t sf r o mg p p ，e d e t e r m i n e da s ：f o rp h e n l i ca c i d s ，e x t r a c t i o nt i m eo f3 0r a i n ，t e m p e r a t u r eo f3 0o c ，u l t r a s o n i cp o w e ro f 3 0w ；a n df o rn a r i n g l n ：e x t r a c t i o nt i m eo f3 0m i i l t e m p e r a t u r eo f4 0 。c ，u l t r a s o n i cp o w e ro f8w v a tl a s t ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n 四ca n da t ro fe x t r a c t sf r o mg p pa f t e ru a ea l ea n a l y z e d a l i n e a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt p ca n da r tw a so b s e r v e d f o re x a m p l e ，o fc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tf o r 2 0 ，6 0 ，10 0k h zi s0 7 81 4 ，0 7 6 4 8 ，0 8 8 3 2a t3 0o c ；0 7 6 8 6 ，0 8 8 4 7 ，0 8 8 7 4a t4 0o c ，a n d0 8 7 5 2 ， 0 8 8 2 9 ，0 9 3 9 7a tu l t r a s o n i cp o w e r so f3 2 ，8 ，3 0 ，5 6w r e s p e c t i v e l yt h i sm e a n tt h a tt p cw a st h e m a j o rf a c t o ra c c o u n t i n gf o ra t r o ft h eg p pe x t r a c t s c o m p a r i s o no ft h ee f f e c to fu a eo nt h ee x t r a c t sf r o mb o t hs m p a n dg p p , t h em a i nc o m p o u n d si n f l a v a n o i d si nt w oc i t r u ss p e c i e sp e e lw e r ee n t i r e l yd i f f e r e n t ，t h ef o r m e rm a i n l yc o n t a i n e dn a r i r u t i na n d h e s p c r i d i nb yh p l c ，n a r i n g i nf o rt h el a t t e r ；, l i l 【e 、衍s e ，t h ey i e l d so ft h ec i t e ds e v e np h e n o l i ca c i d sa l s o d i f f e r e n te a c ho t h e r , f e r u l i ca c i d sw a st h em a i np h e n o l i cc o m p o u n d sf o rt h ef o r m e r , s i n a p i cf o rt h el a t t e r , i n d i c a t i n gt h a tt h en a t u r eo fp l a n tm a t e r i a l sh a v et h em o s ts i g n i f i c a n t l ye f f e c to nt h ey i e l d so fe x t r a c t s t h ee x w a c t i o ne f f i c i e n c yo ft h es a m ep h e n o l i cc o m p o u n d si nt h et w oc i t r u ss p e c i e sp e e l su n d e rs a m c u l t r a s o n i cc o n d i t i o n sa l s ow a sd i f f e r e n t , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h en a t u r eo fp l a n tm a t e r i a lp r o b a b l y a f f e c t e dt h ep r o p a g a t i o no fu l t r a s o n i cw a v ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c y i na d d i t i o n , a f k n u a e ，i tw a so b s e r v e dt h a tt h e r ew e r et h ew e l ll i n e a rc o r r e l a t i o n sb e t w e e nt p ca n da t to fe x t r a c t s f r o mt h et w oc i t r u ss p e c i e sp e e l s t h er e s u l t se m p h a s i z e dt h ea p p l i c a t i o no fu a ei nt h ee f f i c i e n t e x t r a c t i o no f b i o l o g i c a l l ya c t i v ec o m p o u n d sa n dt h ee n h a n c e m e n to f a t to f e x t r a c t sf r o mc i t r u sp e e l si s c o n s i d e r a b l yp o t e n t i a l ，w h i c hm i g h tb eb e n e f i c i a lt oe f f e c t i v e l yu s ec i t r u sb y - p r o d u c t s 4 b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，i tw a sg e n e r a l l yc o n c l u d e dt h a tu l t r a s o n i cp o w e rh a saw e a ke f f e c t o nt h ey i e l d so fe x t r a c t sf r o mc i t r u sp e e l s t h ee a r l i e rw o r k sr e p o r t e dt h a tu l t r a s o n i cp o w e ra t t e n u a t e d 谢也i n c r e a s eo fd i s t a n c eo fu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o ns u r f a c e ，w h e t h e rt h ep r o p e r t yo fu l t r a s o n i cp o w e r p r o d u c e da ne 妇f e c t o ne x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo rn o t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt h a tc o n f i r mt h i s a s s u m p t i o nb ye x p e r i m e n t a ld a t a i nt h ep a p e r , c o m b i n a t i o nw i t hp r e v i o u si n v e s t i g a t i o n t h ee f f e c to f u l t r a s o n i cp a r a m e t e r sa tl o c a lu l t r a s o u n d 缸l do nt h ey i e l d so f h e s p e r i d i na n dt p c ，a t ro f e x t r a c t sf r o m p e n g g a np e e lw a sa n a l y z e db yr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu l t r a s o n i c p o w e r h a sal i t t l ee f f e c to nt h ey i e l d so fp e n g g a np e e lw h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e ns a m p l e sa n du l t r a s o n i c g e n e r a t o ri s1 3 4c m ；i nc o n t r a r yt o ，u l t r a s o n i cp o w e rh a sas i g n i f i c a n t l ye 妇陪c tw h e nt h ed i s t a n c ei s2 c m , a n db ya n a l y s e so ft h eq u a d r a t i cm u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l sa tt h i su l t r a s o n i ci r r a d i a t i o ns u r f a c e ，i t w a so b s e r v e dt h a tt h ee f f e c to ft h e i n t e r a c t i v et e r m so nr e s p o n s e sw a ss i g n i f i c a n t ，w h i c hp o s s i b l y i n d i c a t e dh i g h l yu l t r a s o n i cp o w e ri nc o m b i n a t i o nw i n lo t h e re x t r a c t i o nv a r i a b l e sr e s u l t e di nm o l e c o m p l i c a t eu l t r a s o n i cb e h a v i o r r s mw a su s e dt oe v a l u a t et h ee f f e c t so fi n d e p e n d e n tv a r i a b l e s ( u l t r a s o n i ct i m e ，p o w e ra n d t e m p e r a t u r e ) o nr e s p o n s e s ，a n dm a t h e m a t i c a lr e g r e s s i o nm o d e l sw e e s t a b l i s h e d a n a l y s i so fv a r i a n c e ( a n o v a ) s h o w e d t h a tt h eq u a d r a t i c m u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l sa d e q u a t e l yr e p r e s e n t e d t h e v i e x p e r i m e n t a lv a l u e sb yt h ec o e f f i c i e n t so fd e t e r m i n a t i o n ( r 2 ) ，w h i c hw e o b s e r v e dt ob e0 9 8 8 9 、 0 9 8 5 4 、0 9 9 2 9f o r h e s p e r i d i n ，t p ca n d a t ra th i l g hi r r a d i a t i o ns t l r f a c e ，a n d0 9 5 7 8 ，0 9 6 0 1 ，0 9 7 1 3f o r h e s p e r i d i n , t p ca n da t ta tl o wi r r a d i a t i o n 嗣l f f a c e ，r e s