隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化法研究核桃青皮中蒽醌類色素的提取工藝

丁蕓，劉玉梅(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046)

核桃青皮又名青龍衣，為胡桃科植物核桃楸(Jugland mandshurica Maxim)和核桃(Juglans regial)的未成熟果皮，主要分布在東北的南部、華北、西北、華中及華東地區(qū)［1］。我國每年核桃采收季節(jié)均有大量的核桃青皮產(chǎn)生，除少量藥用或作為燃料使用外基本被廢棄，若能對(duì)其加以利用，不僅可使核桃青皮變廢為寶，還能減少環(huán)境污染［2］。已有研究表明，核桃青皮中主要有效成分是醌類、多酚類、多糖、二芳基庚烷類［3］，此外還含有甾體、萜類、脂肪酸、多種礦物質(zhì)元素、維生素等成分［4］。蒽醌類化合物廣泛存在于多種植物中，自古以來就是一類重要的天然染料，也是核桃青皮中的主要色素成分［5－6］。

隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化程序(randomcentroid optimization，RCO)是一種全局性的優(yōu)化程序，是由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)食品科學(xué)系教授Dr.Nkai于1981年設(shè)計(jì)的［7］。該方法與常用的正交設(shè)計(jì)法(orthogonal experimental design，OED)和響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)相比，能以最少的試驗(yàn)次數(shù)，得到良好的試驗(yàn)結(jié)果，尤其適用于影響因素較多的情況［8－9］。該程序每次循環(huán)包括3個(gè)步驟:隨機(jī)搜索(random search)、質(zhì)心選擇(centroid search)，及映射優(yōu)化(mapping optimization)。筆者采用隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化法研究核桃青皮中蒽醌類色素提取工藝，考察了提取溫度、提取時(shí)間、超聲時(shí)間、料液比、粉碎粒度和乙醇濃度6個(gè)影響因素，旨在為核桃青皮進(jìn)一步利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料 原料:新疆當(dāng)?shù)睾颂仪嗥ぃ娓珊髠溆?。主要試?1，8-二羥基蒽醌標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)96% ～98%)，Sigma-Aldrich公司;乙醇、甲醇、醋酸鎂，均為分析純。主要儀器:電子天平，德國賽多利斯，型號(hào):BS210S，精度0.1 mg，稱重范圍0～210 g;超聲波清洗器，型號(hào)KQ5200B，昆山市超聲儀器有限公司;離心機(jī)，型號(hào)Anke.TGL-16G，上海安亭科學(xué)儀器廠;UV-5300PC型紫外/可見分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。精確稱取1，8-二羥基蒽醌標(biāo)準(zhǔn)品10 mg，加入幾滴乙醚，振蕩使其溶解，用甲醇定容至50 ml，取5 ml稀釋至25 ml容量瓶，配成0.04 mg/ml蒽醌標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別移取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 ml標(biāo)液置于 10 ml容量瓶中，加0.5%醋酸鎂－甲醇溶液至刻度，以0.5%醋酸鎂－甲醇溶液為空白對(duì)照，在200～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，確定最大吸收波長(zhǎng)。以蒽醌質(zhì)量濃度c(mg/ml)為橫坐標(biāo)，吸光度值A(chǔ)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 待測(cè)液的制備。稱取適量粉碎后的核桃青皮，選擇提取溫度、提取時(shí)間、超聲時(shí)間、料液比、粉碎粒度和乙醇濃度6個(gè)影響因素，按表1中給出的各因素的上下限范圍，輸入隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化程序進(jìn)行隨機(jī)設(shè)計(jì)，分別在給出的對(duì)應(yīng)參數(shù)條件下進(jìn)行提取。提取完成后，抽濾，將提取液定容至50 ml，測(cè)定各自的含量，試驗(yàn)結(jié)果以提取液中蒽醌含量來評(píng)價(jià)。

1.2.3 蒽醌含量的測(cè)定。吸取1 ml待測(cè)樣品液測(cè)吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線得出待測(cè)樣品液中的蒽醌濃度，再按以下公式計(jì)算出提取液中蒽醌的含量。

X=cVN/m

式中，X為含量(mg/g)，c為質(zhì)量濃度(mg/ml)，V為總體積(ml)，N為稀釋倍數(shù)，m為稱取核桃青皮的質(zhì)量。

表1 待優(yōu)化因子的上下限范圍

1.3 數(shù)據(jù)處理 每組試驗(yàn)的測(cè)定次數(shù)均為3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel來處理，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(means±standard deviation)來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大吸收波長(zhǎng)的選擇及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備 由圖1a可知，標(biāo)準(zhǔn)溶液在波長(zhǎng)510 nm處有一特定吸收峰，因此選擇510 nm波長(zhǎng)作為測(cè)定波長(zhǎng)。以樣品的吸光值為縱坐標(biāo)、蒽醌濃度為橫坐標(biāo)，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1b，標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為 A=45.592 9c+0.020 9，R2=0.999 6，表明濃度在 4 ～24 μg/ml范圍內(nèi)，有良好的線性關(guān)系。

2.2 隨機(jī)質(zhì)心條件的設(shè)計(jì) 表2為依據(jù)RCO程序設(shè)計(jì)出 的隨機(jī)試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行第1輪循環(huán)的試驗(yàn)條件及測(cè)定結(jié)果。

表2 第1輪隨機(jī)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)第1輪的試驗(yàn)結(jié)果采用RCO軟件進(jìn)行優(yōu)化條件映射，圖2中箭頭所指為每個(gè)因素的最佳映射條件值，由圖2可以看出，蒽醌類色素第1輪的較好條件為:萃取溫度為76℃，萃取時(shí)間為87 min，超聲時(shí)間為15 min，料液比為0.08 g/ml，粉碎粒度為20目，乙醇濃度為53%。

由圖2可以看出，箭頭所指方向并不是很明確，映射結(jié)果較分散，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，又在第1輪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在RCO程序中輸入第2輪試驗(yàn)中各個(gè)因子的上下限范圍，所得第2輪的試驗(yàn)的因子水平及結(jié)果見表3和圖3。圖3顯示，蒽醌類色素第2輪的優(yōu)化條件為:萃取溫度50℃，萃取時(shí)間103 min，超聲時(shí)間23 min，料液比 0.09 g/ml，粉碎粒度80目，乙醇濃度為51%。

表3 第2輪隨機(jī)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表4 第3輪隨機(jī)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過上述2輪試驗(yàn)優(yōu)化后，各試驗(yàn)因素的參數(shù)上下線范圍已明顯減小，且第2輪試驗(yàn)所得提取液的蒽醌含量也已有了明顯的提高，但各因素的最佳試驗(yàn)點(diǎn)尚不明確，因此，又通過第3輪進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖4。表4數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過此輪優(yōu)化，影響蒽醌類色素提取率的各因素最優(yōu)提取工藝條件已基本明確:分別為萃取溫度為64℃，萃取時(shí)間為114 min，超聲時(shí)間為24 min，料液比為0.09 g/ml，粉碎粒度為20目，乙醇濃度為60%，此最優(yōu)組合即為表4中的第30號(hào)試驗(yàn)。從圖4中也能非常直觀地看到優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)，蒽醌類的提取率可達(dá)(4.84 ±0.14)mg/g。

3 結(jié)論

研究通過3輪的隨機(jī)質(zhì)心映射優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)影響核桃青皮中蒽醌類色素提取率的6個(gè)主要因素進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，最佳提取條件為提取溫度64℃，提取時(shí)間114 min，超聲時(shí)間24 min，料液比0.09 g/ml，粉碎粒度20目，乙醇濃度60%，在此工藝條件下，蒽醌的提取率可達(dá)(4.84±0.14)mg/g。該方法與響應(yīng)面法和正交設(shè)計(jì)相比，在影響因素較多時(shí)可以在更少的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)得到最佳的試驗(yàn)方案。

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