蒸汽爆破对葡萄皮渣酚类物质含量及抗氧化活性的影响_崔文玉.pdf
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1、研究报告2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)157DOI:10 13995/j cnki 11 1802/ts 030008引用格式:崔文玉,丰程凤,夏智慧,等 蒸汽爆破对葡萄皮渣酚类物质含量及抗氧化活性的影响 J 食品与发酵工业,2023,49(5):157 163 CUI Wenyu,FENG Chengfeng,XIA Zhihui,et al Effect of steam explosion on phenolics and antioxidant ac-tivities in grape pomace J Food and Fermentation Industries
2、,2023,49(5):157 163蒸汽爆破对葡萄皮渣酚类物质含量及抗氧化活性的影响崔文玉,丰程凤,夏智慧,罗凯云,程安玮*(湖南农业大学 食品科学技术学院,湖南 长沙,410128)摘要为了提高葡萄皮渣的综合利用率,采用蒸汽爆破技术(压力 0 4、0 8、1 2 MPa,时间 1、3 min)进行预处理,研究其对葡萄皮渣提取物中多酚、黄酮、原花青素和花色苷的提取率及抗氧化活性的影响。结果表明,葡萄皮渣中结合态提取物的含量明显高于游离态的含量,总多酚的含量明显高于总黄酮的含量。蒸汽爆破增加了葡萄皮渣中游离酚与游离黄酮的提取率,分别在 1 2 MPa-1 min 和 1 2 MPa-3 min
3、 条件下得到最大提取率,是未处理组的 2 03、2 90 倍。而随着蒸汽爆破强度的增加,结合酚、结合黄酮、原花青素和花色苷的提取率呈明显的下降趋势。蒸汽爆破处理后葡萄皮渣游离态提取物的抗氧化活性明显上升,但结合态提取物的抗氧化活性明显下降,提取物中多酚和黄酮的含量与抗氧化活性之间存在明显的相关性。适当的蒸汽爆破能提高葡萄皮渣中酚类物质释放并提高其抗氧化活性。关键词葡萄皮渣;蒸汽爆破;酚类物质;抗氧化活性第一作者:博士研究生(程安玮教授为通信作者,E-mail:anweich hunau edu cn)基金项目:湖南省教育厅专项(19A236)收稿日期:2021-11-08,改回日期:2021-
4、12-27葡萄作为世界上产量较大的水果作物之一,约有80%用于葡萄酒或者果汁生产,酿酒厂和葡萄汁行业约年产 250 万 t 葡萄皮渣1。葡萄皮渣中含有丰富的酚类、黄酮、单宁等对人体健康有益的成分2,作为天然生物活性化合物,在清除体内自由基、治疗炎症和调节糖代谢等方面发挥一定的功效3。酚类物质在植物中主要以游离态和结合态存在,游离态可通过甲醇、乙醇等溶剂直接萃取出来,结合态需要通过化学或酶处理方法从细胞壁上分离出来4。热加工有助于植物原料释放生物活性物质的同时还可促进原料抗氧化能力的提升5。蒸汽爆破(steam explosion,SE)作为新兴的预处理技术,主要是利用高温高压的蒸汽作用于原料,
5、并通过瞬间释压过程实现原料组分的分离和结构的变化。LIU 等6 以麦麸为原料经 215 蒸汽爆破处理 120 s 后,其总酚得率相较于未处理样品提高了 39 倍。利用蒸汽爆破处理芡实籽,在0 6 MPa-60 s 的条件下其总酚含量提高了 5 3 倍,而在 1 5 MPa-120 s 的条件下其总酚含量却低于未处理组7。此外,研究发现小麦麸皮在2 5 MPa-30 s 的条件下进行爆破,游离酚酸中香草酸的含量较未处理的增加了近 50%,香豆酸和阿魏酸含量均达到最大,分别为对照组的 36 倍和 11 倍8。橡木材在 160 220 提取5 15 min,总酚含量与蒸汽爆破处理时间呈现正相关关系,
6、但在 240、15 min 的条件下提取的总酚含量降低9。LI 等10 的研究也证实蒸汽爆破处理有助于苦荞麸皮酚类物质的溶出及体外细胞抗氧化活性的提高。这些研究表明蒸汽爆破可大幅提升原料中多酚的提取率以及抗氧化活性。葡萄皮渣作为酿酒加工废弃物目前利用率较低,但其中含有丰富的多酚、黄酮、原花青素、花色苷等成分,蒸汽爆破处理对其中不同结合态的多酚、黄酮、花色苷、原花青素以及相应的抗氧化活性产生的影响等,目前未见相关的报道。因此本试验选用酿酒后剩余葡萄皮渣为原料,采用不同条件的蒸汽爆破处理,研究其对游离酚(free polyphenols,FP)和游离黄酮(free flavones,FF)、结合酚
7、(bound polyphenols,BP)、结合黄酮(bound flavones,BF)、原花青素、花色苷的提取率及提取物的抗氧化活性的影响,并对抗氧化成分含量与其抗氧化活性之间的相关性进行分析,以期为葡萄皮渣的高值化利用提供参考,并拓展蒸汽爆破技术在食品预处理及加工行业的利用范围。1材料与方法1 1主要材料与试剂本试验采用从葡萄酿酒厂回收的赤霞珠葡萄皮食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES1582023 Vol.49 No.5(Total 473)渣(产地甘肃)。福林酚试剂、没食子酸(纯度99%)、芦丁(纯度98%)、原花青素(纯度95%),上海源叶试
8、剂公司;水溶性维生素 E(Trolox)、DPPH、ABTS、2,4,6-三吡啶基-1,3,5-三嗪 2,4,6-tri(2-pyri-dyl)-s-triazine,TPTZ,麦克林生化科技有限公司;无水乙醇、甲醇、Na2CO3、AlCl3等均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。1 2主要仪器设备QBS-80 爆破试验台,鹤壁正道生物能源有限公司;FW177 高速万能粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司;UV5200 紫外可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;A423CN 电子分析天平,奥豪斯仪器(上海)有限公司;KQ-800DE 数控超声清洗机,昆山市超声仪器有限公司;E-52AA 旋转蒸发器
9、,上海亚荣生化仪器厂。1 3试验方法1 3 1原料的蒸汽爆破预处理蒸汽爆破设备由高压容器、蒸汽发生器、物料罐、接收器和速开球阀组成。将葡萄皮渣用水浸泡 3 h,沥干水分后装入密封袋密封 8 h,待设备预热后将其投入物料罐中,并通入高温饱和蒸汽,设定压力 0.4、0.8、1 2 MPa,维压时间 1、3 min,在距离爆破终点还有 3 s 时,打开气动阀门瞬间泄压完成后,在物料接收器处收集处理后的样品,并在60 下干燥至恒重,然后粉碎过 60 目筛。设定的处理分别表示为 SE1(0.4MPa-1min),SE2(0.4MPa-3min),SE3(0.8 MPa-1 min),SE4(0.8MPa
10、-3min),SE5(1.2 MPa-1 min),SE6(1.2 MPa-3 min),以未经过蒸汽爆破处理的样品作为对照(CK)。1 3 2微观结构观察为直观分析蒸汽爆破对葡萄皮渣结构的影响,利用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)对原料进行分析,使用导电胶将干燥的葡萄皮渣样品粉碎固定于样品台上,在 5 0 kV 电压下,使用离子溅射技术对样品表面进行喷金处理并放入电镜载物腔体内抽至真空,然后进行观察和拍照。1 3 3葡萄皮渣中多酚和黄酮的提取FP 和 FF 的提取:参照姜黎等11 的方法略微改进,利用超声波辅助提取葡萄皮渣,料液比为 1 20
11、(g mL)、乙醇 50%(体积分数,下同)、560 W 超声波处理 1 h,然后 5 000 r/min 离心 10 min,取上清液用于 FP、FF、花青素测定,将剩余的残渣用于 BP、BF 和原花青素的提取。BP 和 BF 的提取:采用碱水解法12。将上一步剩余的残 渣 干 燥 后,加 入 5 mL NaOH 溶 液(含10 mmol/L EDTA 和质量分数为1%维生素C)进行水解,室温置于摇床上振荡 2 h。然后用 6 mol/L HCl 溶液调整 pH 值至(20 0 2)。在水解液中加入相同体积的 V(乙醇)V(乙酸乙酯)=11的混合液进行萃取,共萃取5 次,合并上层萃取液,浓缩
12、至干,然后加入一定量的50%乙醇溶解后用于测定 BP 和 BF 含量。1 3 4葡萄皮渣中 FP 和 BP 含量的测定采用 Folin-phenol 法进行测定13。取 2 mL 蒸馏水加入 200 L 福林-酚试剂混匀,加入 100 L 葡萄皮渣提取液,吹打均匀后加入 20%(质量分数)Na2CO3溶液 900 L,混匀后在暗处放置 2 h,并在765 nm 处测定吸光值 A。以没食子酸为标样,在10 500 mg/L 内制 定 标 准 曲 线(y=0.003 1x+0.017 5,2=0 996 5),计算提取液中多酚的含量。1 3 5葡萄皮渣 FF 和 BF 含量的测定参 考 WU14
13、的 方 法 并 稍 加 改 进。分 别 取1 5 mL 葡萄皮渣提取液与 1 5 mL 的 2%AlCl3-甲醇溶液(含 5%乙酸)混合均匀,静置 15 min 后,于430 nm 处测定吸光度值,以芦丁为标样在 10 500 mg/L 内制定标准曲线(y=0 004 8x+0 013 8,2=0 999),计算提取液中类黄酮的含量。1 3 6葡萄皮渣花色苷含量的测定采用 pH 示差法进行测定15,取0 9 mL 提取液,分别加入2 1 mL 的 pH 值1 0 的 HCl-KCl 溶液和 pH值 4 5 的 HCl-乙酸钠溶液混合,然后分别测定混合物在 510 和 700 nm 处的吸光度值
14、 A,花色苷浓度和吸光度差值分别按公式(1)和公式(2)计算。花色苷浓度/(mgmL1)=A Mw DF/(1)A=(A510 nm A700 nm)pH1 (A510 nm A700 nm)pH4 5(2)式中:A,吸光度差值;Mw,矢车菊花青素-3-葡萄糖苷分子质量,449 2;DF,稀释倍数;,矢车菊花青素-3-葡萄糖苷的消光系数,26 900。1 3 7葡萄皮渣提取物中原花青素的提取与测定采用正丁醇-盐酸比色法测定16,提取葡萄皮渣游离态物质,剩余残渣干燥后加入 40 mL 的 V(盐酸)V(丁醇)=5 95 的溶液,在100 水浴1 h,冷却后 5 000 r/min 离心 15 m
15、in,分离沉淀和上清液,在555 nm 处测定上清液的吸光度值,以原花青素(95%)为标样在 10 500 mg/L 制定标准曲线(y=0 034 3x+0 066 1,2=0 991 3),计算原花青素的含量。研究报告2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)1591 3 8葡萄皮渣提取物抗氧化活性的测定ABTS 自由基清除能力的测定:参照文献 17 的方法略加改进,取 0 1 mL 不同蒸汽爆破处理的葡萄皮提取液,加入 3 mL ABTS 反应液,混匀后于室温下静置反应6 min,在波长734 nm 下测定样品的吸光值。以溶于甲醇的 Trolox 溶液为标样在 20 250 mg/L
16、 制定标准曲线(y=0 475 2x 0 813 3,2=0 999 3),结果用水溶性维生素 E 的抗氧化能力(trolox equiva-lent andoxidant capacity,TEAC)表示。铁离子还原能力(ferric ion reducing antioxidantpower,FAP)测定:参照文献 18 的方法略微改进,取 4 9 mL 的 FAP 试剂与 0 1 mL 提取液混匀后,37 水浴保温 15 min,于 593 nm 处测定吸光值。以溶于甲醇的 Trolox 溶液为标样在 20 250 mg/L 制定标准曲线(y=0 003 1x+0 008 2,2=0 9
17、99 4),结果用 TEAC 表示。DPPH 自由基清除能力的测定:参照文献 19 的方法,提取液 0 1 mL 加入到 1 5 mL DPPH 甲醇溶液(200 mol/L)中。室温避光反应 60 min,在 517 nm处测定吸光度。以溶于甲醇的 Trolox 溶液为标样在20 250 mg/L 制定标准曲线(y=0 317 3x 2 052 5,2=0 997 3),结果用 TEAC 表示。1 4数据分析使用 SPSS 26 0 对实验数据进行单因素方差分析,数据以均值 标准差表示,P 0.01 表示样品之间具有极显著差异,P 0 05 表示样品之间具有显著性差异;使用 Origin 2
18、010 进行作图。2结果与分析2 1蒸汽爆破处理对葡萄皮渣微观结构特性的影响不同条件处理葡萄皮渣粉碎后,用扫描电镜观察其微观结构的变化,图 1 分别列出 500 和 1 000 放大倍数的微观图。未经 SE 处理的葡萄皮渣 SEM 图(图1-a、图 1-a1)表面结构相对完整且致密,随着压力的不断增大和维压时间的延长,葡萄皮渣的结构破裂程度愈发严重,其结构变得疏松多孔,当爆破压力增至1 2 MPa 时,皮渣表面结构变得粗糙且疏松,形成大量的碎片物质(图 1-f、图 1-f1、图 1-g 及图 1-g1)。a g-1 000 ;a1 g1-500 图 1葡萄皮渣扫描电镜图Fig 1Scannin
19、g electron microscopy of grape pomace2 2蒸汽爆破对葡萄皮渣中多酚和黄酮含量的影响如表 1 所示,蒸汽爆破压力和时间对原料中多酚和黄酮的提取率有明显的影响。蒸汽爆破处理后,游离态提取物的含量明显增加,而结合态提取物的含量明显下降。随着汽爆强度的增加,FP 和 FF 总体上呈现出先上升后降低的趋势,在 SE5(1 2 MPa-1 min)时FP 含量达最大为 26 76 mg/g,是未爆破葡萄皮渣含量的 2 41 倍。而对 FF 的含量在 SE4(0 8 MPa-3 min)、SE5(1 2 MPa-1 min)、SE6(1 2 MPa-3 min)这3 个
20、条件下没有明显的差异。对 BP 和 BF 含量,随着汽爆强度的增加,提取率呈现逐渐降低的趋势,这是由于在高温高压下部分结合态转化成游离态。总体来看,葡萄皮渣中 BP 的含量远远高于 FP 的含量。在低处理强度下,葡萄皮渣中 BF 的含量高于 FF 含量,而随着汽爆强度的增加,FF 的含量又高于 BF 的含量。将游离态和结合态的部分相加分别得到总多酚(total content of phenolics,TCP)和总黄酮(totalcontent of flavonoids,TCF),TCP 的提取率明显高于食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES1602023
21、 Vol.49 No.5(Total 473)TCF。TCP 的含量随着汽爆强度增加呈下降趋势,在SE1(0 4 MPa-1 min)时含量最高;当汽爆强度增加到SE3(0 8 MPa-1 min)后,TCF 的含量基本呈稳定状态。表 1蒸汽爆破对葡萄皮渣中多酚和黄酮含量的影响单位:mg/g DWTable 1Effects of SE on content of polyphenols and flavone in grape pomace处理方式游离态结合态总含量FPFFBPBFTCPTCFCK1148 050e1009 026e7301 089a1845 090a8449 080ab28
22、54 101aSE114 16 035d1308 112d7383 062a1515 004b8799 066a2823 111aSE214 99 010d1655 334c6999 392b1433 119b8497 399b3088 356aSE32137 091c1974 088b5932 056c1432 076b8069 065c3406 163bSE423 62 035b2663 069a4818 154d1056 036c7181 182d3719 070bSE52672 052a2733 064a4975 048d851 056d7647 036e3584 088bSE623
23、38 021b2923 067a3850 104e574 052e6188 107f3497 117b注:同列不同小写字母表示具有显著性差异,P 0052 3蒸汽爆破对葡萄皮渣提取物花色苷和原花青素含量的影响分别采用 pH 示差法和正丁醇-盐酸比色法测定了葡萄皮渣提取物中总花色苷和总原花青素的含量。由图 2 可知,总体而言,葡萄皮渣中总花色苷的含量明显高于总原花毒素的含量。经过蒸汽爆破处理后,葡萄皮渣原花青素和总花色苷含量明显下降,随着压力的增强及处理时间的增加两者含量的下降趋势更加明显,未处理组中总花色苷和总原花青素含量最高分别为(84.10 3.45)mg/g、(41.76 1.37)mg
24、/g,是 SE6组的 26 和 5 倍。2 4蒸汽爆破对葡萄皮渣提取物抗氧化活性的影响通过测定DPPH自由基清除能力、FAP还原力、图 2蒸汽爆破对葡萄皮渣中花色苷和原花青素的影响Fig 2Effects of SE on anthocyanins and procyanidinsof grape pomace注:不同小写字母表示组间具有显著性差异(P 005),下同ABTS 阳离子自由基清除能力来研究蒸汽爆破对葡萄皮渣提取物抗氧化活性的影响,结果如图 3 所示。a 游离态提取物 ABTS 阳离子自由基清除能力;b 游离态提取物 FAP 还原力;c 游离态提取物 DPPH 自由基清除能力;d
25、结合态提取物 ABTS 阳离子自由基清除能力;e 结合态提取物 FAP 还原力;f 结合态提取物 DPPH 自由基清除能力图 3蒸汽爆破对葡萄皮渣提取物抗氧化活性的影响Fig 3Effect of SE to antioxidant activity of extracts from grape pomace研究报告2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)161经过爆破后葡萄皮渣游离态提取物的抗氧化能力均高于未爆破组,且不同处理组提取物的抗氧化活性的变化与提取物多酚含量变化趋势基本一致,随着爆破压力和时间的不断增大,葡萄皮渣游离态提取物的抗氧化能力整体呈现先上升后下降的趋势,在 SE5
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