中心組合設(shè)計(jì)提取橘皮色素研究

李建鳳 ，廖立敏，王 碧＊

（1.內(nèi)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，四川 內(nèi)江 641112；2.四川省高等學(xué)?！肮悘U棄物資源化”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 內(nèi)江 641112）

我國(guó)是柑橘主要產(chǎn)地之一，柑橘資源豐富，優(yōu)良品種繁多，產(chǎn)量居世界第三［1－3］.柑橘類水果不僅果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，果皮中亦含有豐富的香精油［4－5］、果膠［6－8］、黃酮［9］、多糖［10］、橙皮苷［11］、色素［12］等有效成分.四川內(nèi)江地區(qū)現(xiàn)有柑橘、檸檬等種植面積8 700hm2，其附近的安岳現(xiàn)有柑橘、檸檬等種植面積15 300hm2，總產(chǎn)值近18億元.內(nèi)江現(xiàn)有飲料制造企業(yè)近50 家，內(nèi)江及安岳年加工柑橘類鮮果100余萬(wàn)t.而柑橘類果皮渣是柑橘類水果加工業(yè)的主要副產(chǎn)物，約占整個(gè)果重的25%～40%，因此內(nèi)江及安岳每年產(chǎn)生約25～40余萬(wàn)t的柑橘類果皮渣廢棄物.傳統(tǒng)的處理方法是將其直接進(jìn)行丟棄、填埋或小部分加工成飼料，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度分析，都是不科學(xué)、不合理的解決途徑.所以柑橘果皮的綜合利用對(duì)提高柑橘加工廠的經(jīng)濟(jì)效益和減少污染、保護(hù)環(huán)境都是十分有利的.橘皮色素可以用于食品加工，以改善感官性質(zhì).橘皮色素相比人工合成色素，安全性更高.目前，色素的常用提取方法有蛋白凝固色素提?。?3］、超聲波提?。?4］、微波提?。?5］等.超聲波提取具有操作時(shí)間短、溶劑使用量小、受熱均勻、目標(biāo)組分得率高等優(yōu)點(diǎn)［16］，本文采用超聲波輔助提取橘皮色素，采用中心組合設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)，確定其最佳提取工藝，以期為橘皮資源的綜合利用提供科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

儀器：DFT－100 100g手提式高速粉碎機(jī)：溫嶺市林大機(jī)械有限公司；CP2202S 電子分析天枰：賽特利斯（北京）有限公司；80－2 離心沉淀器：江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；KQ－400KDB 高功率數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV－mini－1240 紫外可見(jiàn)分光廣度計(jì)：島津；DHG－9070A 電爐恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海申賢恒溫設(shè)備廠.

試劑與原料：95%乙醇，成都金山化學(xué)試劑有限公司；去離子水，優(yōu)普超純水機(jī)；柑橘，產(chǎn)自四川內(nèi)江.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

橘皮色素的提取：新鮮柑橘取皮洗凈于60℃下烘干至恒重，粉碎，過(guò)篩，取粒徑為60～40目的橘皮粉為實(shí)驗(yàn)原料.準(zhǔn)確稱取1g橘皮粉于三角瓶中，加入一定量和一定濃度（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇溶液，在一定溫度下超聲波（320 W）處理一定的時(shí)間，過(guò)濾即得橘皮色素提取液.

橘皮色素相對(duì)含量的測(cè)定：將上述橘皮色素提取液定容于25 mL，準(zhǔn)確移取0.5 mL 定容于10mL，在330nm 波長(zhǎng)下測(cè)吸光度，以吸光度大小表示提取液中色素相對(duì)含量的高低.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：本文主要考察提取溫度、乙醇濃度、提取時(shí)間和液固比對(duì)提取效果的影響，應(yīng)用Design Expert 7.0軟件中的Central Composite程序設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)，因素及水平如表1.

表1 因素及水平Tab.1 Factors and levels of experiments

2 結(jié)果與討論

中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 中心組合設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Tab.2 CCD design and response values

用標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式回歸方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到如下二次多項(xiàng)式模型：

其中，y是吸光度，β0，βi，βii，βij是 系數(shù)，xi，xj是 自變量（提取溫度：A、乙醇濃度：B、提取時(shí)間：C 和液料比：D）.該方程即為描述因變量y與自變量x的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)此方程進(jìn)行分析，可以預(yù)測(cè)在不同提取條件下的相對(duì)提取率.可望為最佳提取條件的確定提供理論參考.對(duì)所建立的響應(yīng)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知，試驗(yàn)選用的模型高度顯著（P＜0.000 1），說(shuō)明該模型擬合程度良好，可以用此模型來(lái)分析以乙醇為溶劑采用超聲波對(duì)柑橘皮渣色素的提取.

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Analysis of variance for regression model

表3可以看出橘皮色素提取率實(shí)際是受到各個(gè)因素及其交叉影響的，其中交互項(xiàng)AC 和BD對(duì)提取影響高度顯著，一次項(xiàng)提取時(shí)間（C）和液固比（D）對(duì)提取的影響相對(duì)更為顯著.時(shí)間長(zhǎng)，有利于色素溶出，但是時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則殘?jiān)苊浂绊懞罄m(xù)的過(guò)濾操作，另外時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致部分色素重新被殘?jiān)?液料比太小，則色素在細(xì)胞內(nèi)外濃度差小，不利于色素溶出.液料比太大，可能會(huì)影響超聲波的吸收效率，并且從節(jié)約溶劑和減少資源浪費(fèi)上考慮，液料比也不能太大.提取溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加快，有利于有效成分的擴(kuò)散溶出，但是溫度太高會(huì)導(dǎo)致提取溶劑損失，另外溫度太高可能會(huì)引起色素被破壞.一定濃度的乙醇有利于色素的溶出，但是濃度太大溶劑易揮發(fā)損失，同時(shí)乙醇濃度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致其它脂溶性物質(zhì)的溶出.

模型的各變量的系數(shù)估計(jì)值見(jiàn)表4，另外對(duì)各變量的膨脹因子VIF 進(jìn)行了計(jì)算，從表4 中可以發(fā)現(xiàn)，各變量的膨脹因子VIF值均為1，說(shuō)明各變量間不存在共線性，模型是有效的.

表4 各因素系數(shù)估計(jì)Tab.4 Coefficient estimation of factors

上述模型對(duì)表1中各條件下提取液色素吸光度值進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果列于表1.計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)圖見(jiàn)圖1.從圖1可以看出，大部分樣本點(diǎn)都落在45°的對(duì)角線附近，說(shuō)明模型對(duì)于大部分樣本的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，同時(shí)也說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，模型可以用于分析柑橘皮色素的提取.個(gè)別樣本點(diǎn)離對(duì)角線稍遠(yuǎn)，可能是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確.不論是何種原因?qū)е碌拇笳`差，大誤差的樣本點(diǎn)畢竟不多，模型擬合結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是值得肯定的.

圖1 預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)圖Fig.1 Calculated vs.experimental value

通過(guò)對(duì)提取液吸光度的回歸模型進(jìn)行二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)解逆矩陣以及相關(guān)數(shù)學(xué)分析，得到橘皮粉末在溫度為40℃、乙醇濃度為70%、超聲時(shí)間為20min、超聲料液比10∶l的工藝條件下色素提取率可取得最大值，此時(shí)色素提取液吸光度的理論預(yù)測(cè)值為1.645.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)中心組合實(shí)驗(yàn)獲得的橘皮色素提取的最優(yōu)工藝條件，恰好為表2中實(shí)驗(yàn)號(hào)為26的實(shí)驗(yàn)，26號(hào)實(shí)驗(yàn)得到的橘皮提取液吸光度值為1.682，這比理論預(yù)測(cè)值1.645 還略高，最佳工藝基本得到驗(yàn)證.

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用Design Expert軟件中的Central Composite程序設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)，分析得出超聲波（功率：320 W）提取橘皮色素的最佳工藝條件：溫度為40℃、乙醇濃度（V／V）為70%、超聲時(shí)間為20 min、超聲料液比10∶l.與傳統(tǒng)的色素提取方法相比，采用超聲波提取色素，能夠使色素的提取時(shí)間大大的縮短，同時(shí)能耗降低，工藝操作簡(jiǎn)單易控制.而且該方法還有成本低、投資少、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn).本文對(duì)于從天然產(chǎn)物中提取色素的研究具有一定參考價(jià)值.

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