超聲波-微波協(xié)同輔助提取橘皮色素的研究

劉兆芳，張彧，徐楊，田琳，孔繁東，*

（1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧大連 116034；2.遼寧進(jìn)出口商品檢驗(yàn)檢疫局食品檢驗(yàn)中心，遼寧大連 116001）

柑橘是世界第一大水果，世界有135個(gè)國(guó)家生產(chǎn)柑橘，年產(chǎn)量占水果總產(chǎn)量的22%左右[1]。柑橘果皮占整果重的20%，中國(guó)每年產(chǎn)出柑橘皮約達(dá)300萬(wàn)t[2]。柑橘皮作為一種可再利用的生物資源，在中國(guó)除少數(shù)被作為藥物使用外，大部分未得到充分利用而被廢棄，造成很大的浪費(fèi)，同時(shí)給環(huán)境造成了巨大的負(fù)擔(dān)。

柑橘皮中主要的功能性成分包括香精油、橘皮色素、果膠、膳食纖維、黃酮類(lèi)化合物以及類(lèi)檸檬苦素等[3-4]。成熟的柑橘皮主要賦色物質(zhì)是類(lèi)胡蘿卜素，另外還有含量較少的黃酮類(lèi)色素及花色苷[5]。橘皮色素不僅是天然的著色劑，而且還是食品的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑。可作為提高食品、飲料營(yíng)養(yǎng)與保健作用的添加劑[6]。橘皮色素的提取大多為單獨(dú)的有機(jī)溶劑萃取或單一的運(yùn)用微波或單一運(yùn)用超聲波輔助提取。本文旨在研究微波和超聲波協(xié)同輔助提取橘皮色素的工藝。為廢棄橘皮的綜合利用提供有價(jià)值的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

柑橘皮：源于本科學(xué)生食品工藝實(shí)驗(yàn)——橘子罐頭加工產(chǎn)生的橘皮廢棄物，用清水洗凈，晾干后，用粉碎機(jī)將其粉碎備用。

無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、苯甲酸鈉、鹽酸、氯化鈉、氯化鐵、醋酸鉛、無(wú)水亞硫酸鈉等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器

NJL07-5試驗(yàn)用超聲-微波反應(yīng)器：南京杰全微波設(shè)備有限公司；DFT-200手提式高速中藥粉碎機(jī)：溫嶺市林大機(jī)械有限公司；UV755B紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；SC-3610低速離心機(jī)：科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司。

1.3 方法

1.3.1 橘皮色素的提取

準(zhǔn)確稱(chēng)取橘皮粉5.00 g置于燒杯中，再取一定量的乙醇，使兩者混合。設(shè)定超聲功率和超聲時(shí)間，進(jìn)行超聲波輔助浸提。超聲波輔助浸提后，設(shè)定微波時(shí)間和微波功率，進(jìn)行微波輔助浸提。浸提液于4 000 r/min條件下進(jìn)行離心，時(shí)間為12 min。離心后取上層清液，稀釋到適宜濃度后，在330 nm[7]處測(cè)量其吸光度值。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

選擇料液比、超聲時(shí)間、超聲功率、微波時(shí)間、微波功率為考察因素。以其中一個(gè)為變量，固定其他因素，考察不同因素對(duì)橘皮色素得率的影響。

1.3.3 正交試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以超聲時(shí)間、超聲功率、微波時(shí)間、微波功率，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，以?xún)?yōu)化橘皮色素的最佳提取條件。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table1 The levels of orthogonal test

2 結(jié)果與討論

2.1 選擇最佳料液比

料液比對(duì)色素提取的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 料液比對(duì)色素提取的影響Fig.1 Effect of material ratio and solvent on extraction of pigment

采用不同的原料量、乙醇之比提取色素，開(kāi)始時(shí)隨乙醇用量的增加，柑橘皮色素濃度明顯增大，從圖1可知，在料液比為1∶9（g/mL）之前，提取所得的橘皮色素濃度明顯呈直線性增加，在料液比為1∶11（g/mL）時(shí)，雖然濃度也有所增加，但增加幅度明顯減小。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮到原料和乙醇的利用率，選擇1∶9（g/mL）的料液比較為合適。

2.2 選擇最佳超聲時(shí)間

采用不同的超聲時(shí)間提取橘皮色素，見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，隨著超聲時(shí)間的增大開(kāi)始時(shí)提取所得的色素吸光度曲線明顯呈上升趨勢(shì)，當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)，色素吸光度曲線達(dá)到最高點(diǎn)，再增加超聲時(shí)間曲線不再上升，反而吸光度曲線有下降趨勢(shì)。因此，最佳超聲時(shí)間應(yīng)選為20 min。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)色素提取的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction of pigment

2.3 選擇最佳超聲功率

超聲功率對(duì)色素提取的影響，見(jiàn)圖3。

圖3 超聲功率對(duì)色素提取的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on extraction of pigment

由圖3可見(jiàn)，隨著超聲功率的增加，所得色素吸光度也隨之增長(zhǎng)，當(dāng)超聲功率達(dá)到300 W時(shí)，色素吸光度曲線到達(dá)最高點(diǎn)。超聲功率大于300 W后，再繼續(xù)增加功率，所得色素吸光度曲線明顯下降。因此，300 W為最佳提取功率。

2.4 選擇最佳微波時(shí)間

微波時(shí)間對(duì)色素提取的影響，見(jiàn)圖4。

圖4 微波時(shí)間對(duì)色素提取的影響Fig.4 Effect of microwave time on extraction of pigment

由圖4可見(jiàn)，隨著微波時(shí)間的增長(zhǎng)，所得色素吸光度也隨之增長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)間為3 min時(shí)，色素吸光度曲線達(dá)到最高峰，繼續(xù)延長(zhǎng)微波時(shí)間曲線呈明顯的下降趨勢(shì)，所得色素濃度下降。產(chǎn)生下降趨勢(shì)的原因?yàn)?，微波時(shí)間延長(zhǎng)，溫度升高，浸提液乙醇的回流和高溫都會(huì)對(duì)色素的提取造成影響。而且高溫所帶來(lái)的影響比延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)提取的影響要大得多。因此，最佳微波時(shí)間應(yīng)選為3 min。

2.5 選擇最佳微波功率

微波功率對(duì)色素提取的影響，見(jiàn)圖5。

圖5 微波功率對(duì)色素提取的影響Fig.5 Effect of microwave power on extraction of pigment

由圖5可見(jiàn)，隨著微波功率的增長(zhǎng)，所得色素吸光度也隨之增長(zhǎng)，當(dāng)功率為200 W時(shí)，色素吸光度曲線達(dá)到最高峰，繼續(xù)延長(zhǎng)微波時(shí)間曲線呈明顯的下降趨勢(shì)，所得色素濃度下降。產(chǎn)生下降趨勢(shì)的原因?yàn)椋⒉üβ试黾?，溫度升高速度加快，迅速達(dá)到高溫，高溫所帶來(lái)的影響比微波功率增大對(duì)提取的影響要大得多。因此，最佳微波時(shí)間應(yīng)選為200 W。

2.6 正交試驗(yàn)確定最佳工藝

正交試驗(yàn)結(jié)果表，見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)影響因素中，以微波時(shí)間對(duì)色素的提取效果影響最大，各因素對(duì)提取效果的影響大小順序?yàn)槲⒉〞r(shí)間＞超聲功率＞微波功率＞超聲時(shí)間。最優(yōu)提取工藝條件為：A3B2C3D3即超聲時(shí)間為25 min，超聲功率為300 W，微波時(shí)間為5 min，微波功率為250 W。在此條件下，20 g干橘皮粉可以制得色素5.317 g，即產(chǎn)率為26.6%。

3 結(jié)論

通過(guò)超聲波－微波協(xié)同輔助提取橘皮色素，優(yōu)化工藝條件，最佳條件是：橘皮和乙醇的料液比為1∶9（g/mL），超聲時(shí)間為 25 min，超聲功率為 300 W，微波時(shí)間為5 min，微波功率為250 W。為橘皮色素的研究開(kāi)發(fā)提供了理論參考。色素的組成成分及結(jié)構(gòu)、功能特性等還有待進(jìn)一步研究。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 The results of orthogonal test

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