微波法提取石榴籽中多酚工艺条件已处理.docx

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微波法提取石榴籽中多酚工艺条件已处理

微波法提取石榴籽中多酚工艺条件

微波法提取石榴籽中多酚工艺条件

摘要:

本文以石榴籽为原料,乙醇为溶剂,采用微波加热法,通过控制溶剂浓度,料液比,微波加热功率研究不同合成工艺条件对石榴籽多酚产率的影响。

实验结果表明:

在提取溶剂乙醇浓度为40%,料液比为1:

20,功率为400W时石榴籽多酚的产率是3.14%。

关键词:

植物多酚;微波法;提取

1引言

1.1概述

植物多酚在植物中的含量较多,仅次于纤维素、木质素和半纤维素,主要存在于植物果实的皮、肉、籽中,在一些植物的枝干和根茎中也大量存在[1]。

植物多酚并非传统所认为的仅限于水解单宁,植物中含有的单宁和与单宁有生源关系的化合物统称为植物多酚。

按照单宁类划分,可分为水解单宁和缩合单宁。

按照结构特征划分,又可分为聚?

酸酯类与聚黄烷醇类多酚。

同时,植物多酚又可以细分为:

简单酚酸、黄酮类、水解单宁、原花青素。

简单多酚主要有:

儿茶酚、间苯二酚、对苯二酚、咖啡酸、阿魏酸、绿原酸。

他们的结构如下所示:

儿茶酚间苯二酚对苯二酸咖啡酸

阿魏酸绿原酸

类黄酮[16]主要有:

黄酮类、黄烷醇类、二氢黄酮类、异黄酮类、花色素类、查尔酮类、黄酮醇类。

代表物有以下几种:

木犀草素槲皮素儿茶素

橙皮苷根皮苷

染料木素天竺葵色素

水解单宁主要有:

没食子酸和鞣花酸。

主要结构如下:

没食子酸鞣花酸

水解单宁

原花青素结构如下:

n2~4时为OPC低聚原花青素;n≥5时为PPC高聚原花青素其中OPC是抗氧化剂,能够大量清除人体内的自由基[3]。

1.2植物多酚的提取方法

植物多酚的存在形式主要是三种:

游离态、结合态与酯化态。

游离态的植物多酚主要是以原花青素和类黄酮类,酚酸类大多是结合酚和酯化酚。

在植物多酚的含量上,不同植物有所差异,同一生物的在不停的生长部位和不同的生长条件下植物多酚的总量也有明显的不同。

因此,对于不同的植物,植物多酚的提取方法也不同,主要的提取方法有:

索氏提取法、溶剂提取法、高压流体萃取法、超临界萃取法、超声波提取法。

1.3植物多酚的应用

随着人们对生活水平要求越来越高,植物多酚的研究越来越受到关注,其中作为保健品和化妆品添加剂是应用最为广泛的方面。

另外,其独特的抗氧化性能使植物多酚在食品、海产品加工、各色糕点、乳酸菌饮品中发挥了重要的作用。

以上主要是我们日常生活中经常见到的几个方面。

今后的主要发展方向主要有:

精细化工、化学修饰、合成及生物控制。

在精细化工方面,主要是将不同特征、不同分子量的植物多酚进行分类,然后将其应用到不同的领域;在化学修饰领域,由于植物多酚含有较多的酚羟基,显示出较强的亲水性,这种亲水性在充分发挥其生理活性方面具有弊端,通过化学修饰来使其具有一定比例的疏水性。

主要的化学修饰有:

酰基化、醚化、酯化、偶氮化等衍生化反应;合成及生物控制方面,主要是利用生物合成方法和化学合成方法来得到具有特殊结构的植物多酚。

例如,通过控制植物体内的植物多酚的结构官能团来调节营养成分,从而使得害虫对植物具有阻食性。

1.3.1植物多酚在医药方面的应用

植物多酚具有抗病毒、抑菌、抗肿瘤[4]、抗癌变、抗病毒、抗心血管疾病、抗氧化、缓解骨质疏松[5]等药学机理。

抑菌作用主要表现在它可以在维持身体正常机能的前提下,抑制某些微生物的生长,从而达到清热解毒的功效。

例如:

睡莲根茎中含有的水解单宁可以用来治疗咽喉炎和眼部感染的部分疾病。

经纯化良好的柿子单宁能够控制白喉菌、葡萄球菌、破伤风杆菌的繁衍和生长,达到抑菌的功效。

植物多酚在抗艾滋病方面的新应用引发了人们的关注。

植物多酚可以抑制艾滋病病毒RNA的反转录酶的活性,这样就可以有效地阻止了病毒在细胞中的复制,因此病毒无法表达从而病情得到很好地控制。

同时,还可以阻止病毒在细胞上的粘附,防止更多细胞感染病毒。

植物多酚中含有的氧自由基具有很强的活性氧清除能力[2],因此具有很强的抗氧化功能。

人体摄入植物多酚就可大量清除体内的自由基,保持肌肤的活性和毛细血管壁的弹性。

植物多酚以其独特的官能团特征,可以与金属离子发生螯合反应,这样就降低了金属离子对体内其他氧化反应的催化功效。

植物多酚还可以有选择地调节和控制某些酶的合成,比如许多植物多酚通常可以抑制氧自由基产生过程中的相关酶的活性。

与此同时,它又可激活一些抗氧化酶的活性来促进抗氧化酶的生成,可以减少或清除自由基,减低氧化胁迫[15]。

植物多酚与有机酸的氢键缔合形成大量稳定的氢供体,这样就能够提高抗氧化性能。

另外,植物多酚与各种维生素的相互作用,不仅可以保持维生素的水平,而且可以延长抗氧化作用时间。

植物多酚的抗肿瘤、抗癌功效也越来越受到关注。

植物多酚对于肿瘤和病毒的抑制是分阶段的,并非一步可以完成的。

比如:

若是多酚可以抑制病原体前体活化过程中的有关酶的活性,则直接可以杀死致癌物。

虽然许多多酚并没有杀死突变物中癌细胞的能力,但是它们大多是具有降低癌症发生的可能性或者可以抑制癌细胞的扩散。

多酚体内实验表明,咖啡酸和阿魏酸可以和氮发生结合,阻止亚硝胺的生成,抑制由7,12-二甲基苯丙蒽引发的鼠皮肤癌的发生。

植物多酚在抗心脑血管疾病方面的应用尤其广泛。

具体的预防原理是:

植物多酚可以抑制血小板凝集,改善血液的流变性,降低血脂浓度,诱导血管舒张,抗血栓,抑制胶原酶活性,降低动脉粥样硬化、高血压发病的风险性。

植物多酚也可以预防糖尿病的发生,主要是通过抑制酶的活性来调节餐后血糖水平。

植物多酚还可以调节免疫系统,抑制高致性过敏反应,具有抗过敏活性。

1.3.2植物多酚在功能食品方面的应用

富含植物多酚的食物很多,如金银花中所含的绿原酸具有抗菌、利胆的功效,苦丁茶里所含的微量阿克苷具有抗氧化、保肝、抗肝炎的功能,紫雏菊里所含的绿原酸就有抑制艾滋病病毒整合酶活性的作用,桑葚中含有的葡萄糖、单宁、苹果酸有补肝益肾[11]、养血生津的功效,石榴的皮、果肉、籽中的大量多酚可以用作保健品的原料,菠菜中的对香豆酸是良好的抗氧化剂。

由此可知,植物多酚可以用作食用色素高粱色素、番茄红素、叶黄素、抗氧化剂[13]茶多酚、葡萄多酚、苹果多酚、防腐剂茶多酚、葡萄多酚、苹果多酚、营养强化剂番茄红素、石榴多酚、苹果多酚。

植物多酚可以作制取某些色素的前体,植物多酚较容易被氧化,在植物多酚氧化酶的作用下,可以生成褐色或者是红褐色的醌类物质,是食用色素的优良选择。

植物多酚的辅色功能有利也有弊。

例如对于红茶、葡萄酒等颜色较深的饮品,多酚的氧化反应使其的色泽会变的更加漂亮。

另外,多酚对于一些天然花色素来说是很好的辅色原料。

但是在一些蛋白质或者金属离子存在的情况下多酚就很容易变成褐色,影响食品的色泽甚至是口感。

植物多酚也可用作食品添加剂[6],大多数的食品中都需添加防腐剂、提味剂、增色剂,因此植物多酚不失是一种既绿色又环保的食品添加剂。

植物多酚可以通过清除自由基来抗氧化,其中茶多酚和没食子酸在工业中已得到大量应用。

植物多酚大多具有苦涩味,较苦涩的一般是分子量较小的多酚。

因此,植物多酚将会从视觉和味觉两个方面影响食品的品质。

1.3.3植物多酚在日用化妆品方面的应用

随着生活水平的提高,美容保健是大多数人生活中的一部分,姣好的容颜是每一个爱美人士的理想追求,尤其对于现代女性群体来说,更是不容忽视的方面。

植物多酚在化妆品方面[12]的贡献是不容小觑的。

植物多酚以其独特的生理活性和天然活性,备受消费者的喜爱。

植物多酚特殊的理化性能使其具有抗氧化、抗皱[14]、防辐射、增白及保湿的美容功效。

植物多酚具有很好的收敛性和附着力,能够使粗大的毛孔收缩,皮肤紧致,皱纹减少,由内而外得改善肤质,使肌肤靓丽有光泽。

另外,植物多酚在紫外光区可以发生吸收,可以用作抗老化和防晒化妆品的有效成分。

由于酚类物质可以抑制过氧化氢酶的活性,因此可以与维生素结合来制备美白剂。

植物多酚也可与糖类物质结合用来制备染发剂、保湿剂、除臭剂等。

1.4影响植物多酚的提取因素

1.4.1温度

植物多酚对温度较敏感,温度对于其提取产量的影响也较为明显。

提取温度升高能够降低溶剂的黏度,使多酚在溶剂中扩散的速度加快,但过高的温度可能导致多酚的部分分解,所以并非温度越高产量越大,因此在实验时也应尽量避免在高温下进行以防多酚分解。

1.4.2溶剂

植物多酚中含有羟基,根据相似相溶原理,植物多酚的溶剂选取大多是水、低碳醇、乙酸乙酯、丙酮等。

依照以往的文献资料来看,丙酮-水体系[8-10]对于植物多酚的提取效果最好,但是丙酮具有毒性,且提取的成本较高,且在反应过程中易燃、易爆,因此,多采用水和醇提取。

1.4.3pH值

当pH值较低时,植物多酚以分子状态存在的较多;当pH值较高,植物多酚大多是以负离子存在。

因此,在提取多酚时要实时调节提取液的pH值。

2实验部分

2.1实验试剂及仪器

试剂:

无水乙醇天津市大茂化学试剂厂、蒸馏水实验室制、亚硫酸铁上海精细化工厂、磷酸二氢钠湖州菱湖化学有限公司、磷酸氢二钾鸿瑞化工原料有限公司、酒石酸钾钠三星化工原料有限公司、没食子酸五峰赤诚生物科技有限公司均为分析纯。

仪器:

UV-2450紫外可见分光光度计日本岛津生产、AL204型电子天平梅特勒-托利多仪器上海有限公司、粉碎机、微波炉、恒温水浴锅、烘箱上海鹏顺科学仪器有限公司、常规玻璃仪器。

2.2反应原理

原料经处理后用粉碎机磨成粉状,在无水乙醇作溶剂及微波加热和恒温水浴条件下得到浸提液。

石榴籽多酚的提取物主要是黄酮类化合物、缩水单宁与水解单宁。

大多数的黄酮类、单宁类化合物都含有较多的羰基和羟基,显示弱酸性,因此只有在碱性溶剂中他们的溶解度才会更大。

2.3实验步骤

2.3.1实验原料的制备

将剥好的石榴籽用压汁机压榨后,取其籽,用蒸馏水将其表面的果肉冲洗干净后,分放在烧杯中,烧杯中不要放得过多,以盖过烧杯底为基准。

把烧杯都放入烘箱内,设置温度为40oC,烘干12h后取出,冷却后放入粉碎机粉碎。

将粉末放入试剂瓶后,密封避光保存。

2.3.2溶液的配制

（1）酒石酸亚铁溶液的配制

用电子天平称取5g酒石酸钾钠粉末和1g硫酸亚铁粉末,将两者混合后加入容量瓶中,定容至1000mL,置于阴凉环境下。

（2）缓冲溶液的配制

准确称量60.2g磷酸二氢钠和5.0g磷酸氢钠,混合后加蒸馏水溶解,在容量瓶中定容至1000mL,置于阴暗环境下。

（3）标准溶液和乙醇溶液的配制

精确称量25mg没食子酸粉末,溶解后将其定容在500mL容量瓶内,置于阴暗环境下。

用量筒量取一定量的无水乙醇液体,分别配制20%、40%、50%、60%、80%的乙醇溶液于若干个烧瓶中,置于阴暗环境下,将瓶塞盖严以防挥发。

2.3.3最佳提取条件的研究1最佳溶剂浓度的确定

准确称取2g石榴籽粉末六份置于烧杯中,在相同环境下,按照液料比1:

25分别加入20%、30%、35%、40%、50%、60%的乙醇溶剂于六个烧杯中。

在阴暗处密封半小时后放入微波炉中加热功率为300W）,加热之后放入超声波中振荡45分钟,再在水浴锅中加热一个小时,水浴温度保持40oC。

将浸提液进行减压抽滤,并将抽滤所得溶液进行浓缩,用移液管准确量取5mL浓缩液于25mL的容量瓶中,再加入4mL的蒸馏水和5mL的酒石酸亚铁溶液,最后用磷酸盐溶液稀释至刻度处,同时以没食子酸溶液代替浓缩液作空白试样,同时要加入上述同样的样品,在紫外可见分光光度计中测量其在540nm处的吸光度值,并记录。

2最佳料液比的确定

准确称取2g石榴籽粉末七份,在与上述相同条件下,按照料液比是1:

5、1:

10、1:

15、1:

20、1:

25、1:

30、1:

35的比例加入已确定的最佳浓度的乙醇溶剂的浓度于七个烧杯中,在阴暗处密封半小时后放入微波炉中加热300W加热后放入超声波中振荡45分钟,再在水浴锅中加热一小时,保持水温在40oC。

将浸提液进行减压抽滤,并将所得抽滤溶液进行浓缩,将抽滤所得溶液进行浓缩,用移液管准确量取5mL浓缩液于25mL的容量瓶中,再加入4mL的蒸馏水和5mL的酒石酸亚铁溶液,最后用磷酸盐溶液稀释至刻度处,同时以没食子酸溶液代替浓缩液作空白试样,同时要加入上述同样的样品,放入紫外分光光度计中测其在540nm处的吸光度值,并作记录。

3最佳加热功率的确定

在在同样的环境下,称取石榴籽粉末七份于烧杯中,按照上述最佳液料比加入最佳浓度的乙醇溶液,在阴暗处密封半小时,放入微波中加热,调节功率分别是350W、400W、450W、500W、550W、600W、650W,加热半小时,放入超声波中振荡45分钟,并水浴加热一小时,保持水温在40oC。

将浸提液进行减压抽滤,并将所得抽滤溶液进行浓缩,将抽滤所得溶液进行浓缩,用移液管准确量取5mL浓缩液于25mL的容量瓶中,再加入4mL的蒸馏水和5mL的酒石酸亚铁溶液,最后用磷酸盐溶液稀释至刻度处,同时以没食子酸溶液代替浓缩液作空白试样,同时要加入上述同样的样品,放在紫外分光光度计下测量,记录在波长为540nm处的吸光度值。

3实验结果与讨论

3.1乙醇浓度对多酚产率的影响

由于大多数植物多酚都含有较强的酚羟基官能团,根据相似相溶原理,在乙醇溶剂中所溶出的植物多酚的产量较多,所以植物多酚就可以与金属离子反应,使金属离子显色,从而可得植物多酚的产量。

吸光度和产量之间的换算公式如下所示:

mA×3.914×100×L1/1000×M×L2

m-为多酚产量,A-吸光度值,L1-待测样品的体积,L2-标准试样的体积,M-石榴籽粉末的质量。

表3-1不同溶剂浓度下的多酚产率表

乙醇浓度%203035405060

吸光度值0.2510.2810.2870.3010.2790.272

多酚产量g0.04910.05490.05620.05890.05460.0532

产率%2.462.752.812.952.732.66

图3-1不同乙醇浓度下多酚产率图

由图3-1和表3-1可见:

从曲线的总体走势可以看出,当乙醇溶剂的浓度从20%增加至40%时,植物多酚的产率一直随乙醇溶剂浓度的增加而增大,但是在浓度为20%~30%的区间内,植物多酚产率增加的趋势较陡,在30%~35%的区间内增加的趋势缓和。

但是,当乙醇浓度继续增加到大于40%之后,植物多酚的产率并未增加,反而骤降。

当乙醇浓度为40%时所获得的多酚的产率最大。

在20%~30%的乙醇浓度增加的过程中,随着乙醇百分含量的增加,植物多酚的提取量越来越多。

这是因为植物多酚在植物体内并非是独立状态下存在的,它会与其他的糖类、蛋白质类等以氢键或者是疏水键的方式结合在一起,而有机溶剂具有使这些键断裂的功能,当所用的乙醇浓度越大时,能被溶出的植物多酚就越多。

因此在一定范围内,随着乙醇浓度的增加,能够被提取出的植物多酚就越来越多。

但当乙醇的浓度在40%~60%之间增加时,植物多酚的产率与有机溶剂用量并未呈现出同增的势态,而是随着有机溶剂的增加植物多酚的产率有所下降。

其中的原因主要有两个:

其一,主要原因是植物多酚是一类物质的总称,其中的各类化合物并非都是溶于有机溶剂。

大部分是溶于有机溶剂的,但也有一部分是溶于水,还有的既可以溶于水,也可以溶于有机溶剂,这也是为什么要探究乙醇的最佳溶解浓度的原因,当有机溶剂的含量增加时,一些具有水溶性的多酚不能被溶出。

其二,一开始被乙醇溶剂溶出的各种物质都混合在一起,乙醇可以与除植物多酚以外的其他物质反应,或者是可以催化其他物质之间的反应,这样就会使乙醇的利用率降低。

因此,乙醇的最佳提取浓度是40%。

另外,对于植物多酚来说,乙醇并非唯一的可溶溶剂,丙酮-水体系的溶解效果也较好,还有乙酸乙酯和其他的低碳醇都可以溶解。

但是对于丙酮-水体系,因为丙酮具有毒,太容易挥发,且反应后的副产物较多,大多时候不被采用。

对于其他的低碳醇和乙酸乙酯,其市场价格大多比乙醇高,对于大规模的工业生产来说,并不适合。

工业上用的无水乙醇的制备来源较为广泛,在制取植物多酚的工业化生产过程中可以大量使用,这样就降低了工业成本。

3.2料液比对多酚产率的影响

表3-2不同料液比下的产率及吸光度表

料液比1:

51:

101:

151:

201:

251:

301:

35

吸光度0.2610.2730.2890.3210.3170.3080.299

产量g0.05110.05340.05660.06280.06200.06030.585

产率%2.562.672.833.143.103.012.93

由以上的图表可以知道:

在1:

20左右时从石榴籽中的提取植物多酚的产率最大。

由曲线可知在1:

5-1:

15的范围内植物多酚的产率增加的较慢,当料液比由1:

15增至1:

20的区间内植物多酚的产率骤增,当料液比增加到1:

25左右时,植物多酚的产率反而下降。

图3-2不同料液比下的多酚产率图

良好溶剂的选择是提取植物多酚很关键的一步,而且溶剂用量的选择也是非常关键的一步,一定浓度的溶剂,要以怎样的比例加入反应原料,当这些问题扩大到工业生产领域时,就是一个很重要的经济预算和利率计算问题,因此不能小觑。

当料液比在1:

10到1:

20之间的范围内,从石榴籽中提取出的植物多酚的产率明显增加,这是由于随着有机溶剂比例的增加,植物多酚更容易与有机溶剂进行反应,当料液比变小即溶剂的体积增大时能够被提取出的植物多酚的量也就越多。

从图中可以看出在1:

15至1:

25之间植物多酚的产率变化不大,说明所加入的溶剂的量足以使石榴籽中的植物多酚溶出了,所以再多加入乙醇也对植物多酚的提取无济于事,在此次实验中多余的乙醇与提取的多酚并没有太多的副反应发生,但在有些实验中,多余的溶剂有时可以与提取出的物质发生一系列的副反应,不仅浪费资源,而且会使产物中混杂其他物质,致使产物不纯净,所以要确定提取液和溶剂的最佳比例。

因此最佳的料液比就是1:

20。

我们选择最佳的料液比不仅是为了节约资源,在大多数的有机化学类反应之中,副反应的发生给我们的提取和分离带来了很多麻烦,更多的是有可能因为副产物的存在影响了产品的质量和性能的发挥。

为了避免上述情况的发生,选择一个合适的料液比就是一个必要的步骤。

3.3不同加热功率对植物多酚产率的影响

表3-3不同加热功率条件下的多酚产率

加热功W350400450500550600650

吸光度值0.2320.2240.2630.2410.2230.2020.189

多酚产量g0.04500.04380.05150.04720.04360.03950.0369

产率%2.252.192.572.362.181.981.85

图3-3不同加热功率下的多酚产率

由以上图和表可知:

当加热功率为450W左右时植物多酚的产率最大。

当在不同的功率下加热时,显然反应物所处的温度是不一样的,对于一个反应的发生,温度是很重要的因素。

采用微波法控制不同的加热功率间接地控制了反应物在溶剂中反应的温度和加热条件。

因此,随着加热功率的增大,温度也随之升高,温度的升高会使提取液分子的运动加速和振动频率加快,这样就会使植物多酚和溶剂的接触几率增加,从而植物多酚的溶出就会变得越来越容易,所以就会出现如图所示的现象,随温度的增加植物多酚的产量一直增加。

但当加热功率过高时,温度随着功率猛升,高温加速了多酚类物质的氧化和水解反应,有机类物质在温度过高的情况下会加速分解,甚至会碳化,这样就造成了植物多酚的产率下降。

同时,所用的有机溶剂为乙醇,在常温下挥发即较快,在高温的情况下挥发速率更加快速,由上述可知溶剂浓度的变化也会导致植物多酚产率的增减,因此当有机溶剂提取液加热功率为450W时提取的效果最佳。

这样也避免了使用较高功率加热所带来的安全隐患。

微波加热的原理与普通加热法有很大的区别,其传递能量的方式不同,微波加热法传递能量的方式是辐射,热量是由内而外的扩散,可以提升加热速率,也减少了热量在传递过程中的损失,同时缩短了反应时间,在工业化生产中也就能较好的提高反应效率。

3.4显色原理

本实验中采用的是酒石酸法[2]来测定的植物多酚的含量,即植物多酚可以与金属离子发生显色反应。

关于显色的原理机制可以从两个方面来理解:

首先,一般的有机显色剂中都含有生色团和助色团,普通的生色团如羰基、亚硝基、硝基、氧化偶氮基,它们都可以与苯环或其他结构产生共轭,从而降低分子的激发能,化合物的吸收光波就会向长波方向移动,化合物就会显色或者是颜色变深;同样的,一些具有孤对电子的基团可以与生色团的不饱和键进行作用,然后就会发生以上降低分子激发能的效果,从而使吸收光波的波长向长波方向移动,显色就会发生。

其次,植物多酚中具有较多的酚羟基和芳环结构,使其的显色反应在一般条件下就会较易发生。

在这个实验的测试方法中正是由于Fe3+或者是Fe2+在助色团OH-的作用下会发生上述中的吸收光波波长变长的现象,由此就会发生显色反应,其根本原因就是所形成的络合物使得能级差变小,电子跃迁所吸收的光波变长,能量降低,这样就会显示红色的互补色蓝紫色,就是实验中所得到的蓝紫色络合物。

原料浸提液中的提取物多酚可以与金属离子反应,生成络合物,显示出紫褐色,颜色的深浅程度就表示多酚含量的多少,即颜色的深浅与多酚含量成正比。

因为在植物多酚中含有没食子酸,且没食子酸与各种多酚在紫外可见分光光度计的紫外吸收光谱几乎是重合的,所以要选择没食子酸作为标准溶液。

将所得提取液中加入酒石酸亚铁和缓冲溶剂,在540nm处测得吸光度,经吸光度值再计算总酚的含量。

4结论

本实验采用微波法提取石榴籽中植物多酚的最佳工艺条件:

乙醇浓度40%,料液比为1:

20,加热功率为450W,产率最高为3.14%。

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