響應(yīng)面分析溪蜜柚果皮中柚皮苷的醇提取工藝

許方馳,潘思軼

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/環(huán)境食品學(xué)教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

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許方馳,潘思軼*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/環(huán)境食品學(xué)教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

為了有效利用廢棄物柚子果皮,提高柚皮中柚皮苷的提取效率,利用響應(yīng)面分析法對醇溶液提取工藝條件優(yōu)化。最適合工藝條件:液料比25∶1(mL/g)、乙醇濃度77%、提取時間57 min、提取溫度60 ℃,在此工藝條件下進行實驗,柚皮苷得率為5.83%,與理論預(yù)測值僅相差0.24%,驗證了數(shù)學(xué)模型的有效性。

柚皮,柚皮苷,提取,響應(yīng)面分析

柚皮苷是一種二氫黃酮類物質(zhì),主要存在于柚及其變種的果皮及果實中。研究表明,柚皮苷具有抗腫瘤[1]、抗菌[2]、抗氧化[3]、降血脂、降血膽固醇、保護胃黏膜、解痙、鎮(zhèn)痛、改善微循環(huán)、降低毛細(xì)血管脆性、改善軟骨組織細(xì)胞功能、降低骨關(guān)節(jié)病變、促進一些藥物在人體內(nèi)的吸收和代謝等活性[4-5]。在醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。

研究表明,柚皮中黃酮類化合物主要為柚皮苷、新橙皮苷等二氫黃酮類,其中柚皮苷占80%以上,柚皮苷分布于柚皮中不同部分,隨果實成熟度增加而降低[6]。

近年來,我國柚產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,琯溪蜜柚占其中非常大的比重,但是國內(nèi)對柚皮深加工的柚類品類仍以胡柚居多。為了契合快速發(fā)展的琯溪蜜柚產(chǎn)業(yè),對琯溪蜜柚果皮的深加工研究日益重要。醇法提取柚皮苷不但對環(huán)境污染更小,方便工業(yè)化生產(chǎn),而且不會破壞柚皮中其它營養(yǎng)物質(zhì),更利于進一步加工和綜合利用。黃小茉等通過乙醇法提取柚皮中柚皮苷,同時對濾液采用酒石酸法提取果膠,達到了同時提取柚皮苷和果膠的目的[7-8]。因而本文選擇醇法提取柚皮苷的工藝進行響應(yīng)面分析,以期為工業(yè)生產(chǎn)中琯溪蜜柚廢棄柚皮的利用提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

原料:福建琯溪蜜柚,試劑:無水乙醇(國藥試劑)、一縮二乙二醇(國藥試劑)、氫氧化鈉(國藥試劑)、柚皮苷標(biāo)準(zhǔn)品(Aladdin)。

UV-2550型紫外分光光度計日本島津公司;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋國華電器有限公司;分析天平梅特勒-托利多儀器上海有限公司;DHG-06-200B型鼓風(fēng)干燥箱武漢市海聲達儀器設(shè)備有限公司。

1.2實驗方法

原料預(yù)處理:將鮮柚子剝皮,去除黃色外果皮,取白色海綿狀中果皮切碎并于60 ℃烘干、粉碎過20目制成柚皮粉,保存?zhèn)溆谩?/p>

標(biāo)準(zhǔn)曲線建立:分別取濃度為0.16 mg/mL柚皮苷標(biāo)準(zhǔn)品溶液0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 mL于10 mL比色管中,分別加入90%一縮二乙二醇5 mL和4 mol/L NaOH溶液0.1 mL,加蒸餾水至刻度,搖勻,在40 ℃水浴10 min,冷卻后于420 nm處測定其吸光度[9]。

1.3單因素影響柚皮苷得率實驗

稱取柚皮粉5 g于圓底燒瓶中攪拌水浴加熱,在乙醇濃度75%、提取時間60 min、提取溫度60 ℃條件下,分別作不同液料比的單因素實驗。

稱取柚皮粉5 g于圓底燒瓶中攪拌水浴加熱,在液料比25∶1(mL/g)、提取時間60 min、提取溫度60 ℃條件下,分別作不同乙醇濃度的單因素實驗。

稱取柚皮粉5 g于圓底燒瓶中攪拌水浴加熱,在液料比25∶1(mL/g)、乙醇濃度75%、提取溫度60 ℃條件下,分別作不同提取時間的單因素實驗。

稱取柚皮粉5 g于圓底燒瓶中攪拌水浴加熱,在液料比25∶1(mL/g)、乙醇濃度75%、提取時間60 min條件下,分別作不同提取溫度的單因素實驗。

1.4響應(yīng)面設(shè)計

參考單因素實驗結(jié)果,選取(A)液料比、(B)乙醇濃度、(C)提取時間、(D)提取溫度四因素為自變量,以柚皮苷得率為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計原理進行4因素3水平實驗設(shè)計。利用Design Expert 8.0.5b軟件進行數(shù)據(jù)擬合。建立模型并進行最佳工藝驗證,響應(yīng)面分析因素水平設(shè)計如表1所示:

表1　響應(yīng)面分析因素水平表

1.5數(shù)據(jù)處理

運用Origin 8.5和Design Expert 8.0.5b軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線

按照實驗結(jié)果,以吸光度為橫坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)溶液溶度為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程:C=3.4036A+0.0029,R2=0.9991。

2.2單因素實驗

通過作不同液料比、不同乙醇濃度、不同提取時間和不同提取溫度對柚皮苷得率影響的單因素實驗,按得到結(jié)果作圖。

由圖1可知,隨著液料比增大,柚皮苷的得率先上升后下降。當(dāng)液料比太小時,柚皮苷未能全部轉(zhuǎn)移到液相中,提取不完全,得率較低。隨著料液比的增大,柚皮苷得率逐漸增加。在達到液料比為25∶1時,柚皮苷的得率達到最大,繼續(xù)增大料液比,柚皮苷得率逐漸下降。料液比過大時,溶劑消耗量增加,會造成過濾過程中的實驗誤差,增加溶劑成分,因而最佳的料液比為25∶1(mL/g)。

圖1　液料比對柚皮苷得率的影響Fig.1　Effects of the ratio of solutionto material on the extraction rate

由圖2可知,隨著乙醇濃度增大,柚皮苷的得率先上升后快速下降。當(dāng)乙醇的濃度太小,則原料提取不完全,不能將所有的柚皮苷轉(zhuǎn)移到浸提液中,當(dāng)乙醇濃度太大,則產(chǎn)生很大的滲透壓,影響柚皮苷的提取速度,同時高濃度的乙醇也可能對液相中的柚皮苷起反應(yīng),造成誤差,影響柚皮苷得率,因而最佳的乙醇濃度為75%。

圖2　乙醇濃度對柚皮苷得率的影響Fig.2　Effects of the ethanol concentration on the extraction rate

由圖3可知,隨著提取時間增大,柚皮苷的得率先上升后緩慢下降。當(dāng)提取時間太短,柚皮中的柚皮苷未能完全溶解出來,提取不完全,提取時間過長,就容易造成柚皮中的其他物質(zhì)在熱提取的過程中被提取,影響對柚皮苷含量測定,同時長時間熱提取有可能造成乙醇與柚皮苷的反應(yīng),降低柚皮苷得率,因而最佳的提取時間為60 min。

圖3　提取時間對柚皮苷得率的影響Fig.3　Effects of time on the extraction rate

由圖4可知,隨著提取溫度增大,柚皮苷的得率先快速上升后快速下降。當(dāng)提取溫度高到一定值時,柚皮苷的提取除了有溶劑效應(yīng)外,還有熱效應(yīng)的影響,隨著溫度的繼續(xù)升高,熱效應(yīng)更加顯著,當(dāng)提取溫度過高時,高溫條件下易使乙醇溶液揮發(fā),柚皮中各物質(zhì)降解,影響柚皮苷的提取效果,因而最佳的提取溫度為60 ℃。

圖4　提取溫度對柚皮苷得率的影響Fig.4　Effects of temperature on the extraction rate

2.3響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果

2.3.1響應(yīng)面實驗結(jié)果及方差分析響應(yīng)面設(shè)計方案和實驗結(jié)果如表2所示。

表2　響應(yīng)曲面實驗以及響應(yīng)值

通過Design Expert 8.0.5b軟件對表2數(shù)據(jù)進行擬合得到回歸方程為:

Y=5.80-0.013A+0.15B-0.067C-0.016D-0.067AB-0.093AC-0.055AD-0.064BC-0.010BD-0.048CD-0.20A2-0.20B2-0.16C2-0.24D2。式中Y為柚皮苷得率,A為液料比,B為乙醇濃度,C為提取時間,D為提取溫度。

模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)來考察。由表3可知,模型的F值為16.15,p值小于0.0001,表明該回歸模型達到極顯著水平。模型的失擬項F值為2.24,p=0.2269>0.05,表明模型的失擬度不顯著,即該模型的預(yù)測值與實驗值有較好的吻合度。該模型的R2值0.9417,表明超過94.17%的實驗數(shù)據(jù)可應(yīng)用模型來擬合。模型中PredR2值0.7012相對于AdjR2值0.8834是合理的,同時Adeqp值為12.013>4是一個合理的指標(biāo)。綜上表明該模型可對柚皮中柚皮苷的得率進行預(yù)測和分析。

模型中B、C、A2、B2、C2、D2對響應(yīng)值柚皮苷得率的影響極顯著(p<0.01),AC對響應(yīng)值柚皮苷得率的影響顯著(p<0.05),而A、D、AB、AD、BC、BD、CD對響應(yīng)值柚皮苷得率的影響不顯著(p>0.05)。在所選因素的水平范圍內(nèi),根據(jù)F值和p值可以判斷個各工藝條件對柚皮苷得率的影響強弱,其中F值越大,說明影響作用越強(或p值越小,作用影響越強),各因素按影響大小排列依次為:乙醇濃度>提取時間>提取溫度>液料比,即B>C>D>A。

表3　響應(yīng)曲面方差分析表

圖5　各兩因素交互作用對綜合指標(biāo)影響的響應(yīng)面 Fig.5　Responsesurfaceplotsshowingtheinteractionof4differentparametersontheyield

兩者的交互中提取時間C影響大于提取溫度D，而AC的響應(yīng)面圖中，等高線偏橢圓形，說明二者交互作用顯著。綜上所述液料比A和提取時間C交互作用最為顯著,提取時間C相對于提取溫度D影響較大,各交互作用中液料比A影響最小,各因素按影響大小排列依次為:乙醇濃度B>提取時間C>提取溫度D>液料比A,符合響應(yīng)面方差分析表中結(jié)果。

2.3.3實驗驗證及最佳工藝條件確定利用Design Expert 8.0.5b軟件對實驗參數(shù)進一步優(yōu)化,可以得出最優(yōu)條件為液料比24.81∶1(mL/g),乙醇濃度77.17%,提取時間57.13 min,提取溫度59.91 ℃,在此工藝條件下,柚皮苷得率為5.84%。為了方便實驗操作,將優(yōu)化條件修正為:液料比25∶1(mL/g),乙醇濃度77%,提取時間57 min,提取溫度60 ℃,在此條件下進行3次重復(fù)驗證實驗,柚皮苷的得率平均值為5.83%,相對誤差0.24%,差異不顯著。說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化工藝提取參數(shù)較為準(zhǔn)確,具有一定的實用價值。

3　結(jié)論

在單因素的實驗基礎(chǔ)上,應(yīng)用響應(yīng)面分析對乙醇法提取柚皮苷工藝條件進行優(yōu)化,最佳的工藝參數(shù)為:液料比25∶1(mL/g);乙醇濃度77%,提取時間57 min,提取溫度60 ℃,柚皮苷的得率可以達到5.83%,與理論預(yù)測值僅相差0.24%,驗證了數(shù)學(xué)模型的有效性,該模型能較好地對柚皮苷的得率進行預(yù)測和分析,可以為柚皮苷的乙醇提取工藝提供一定的理論依據(jù)。

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2.3.2得率的響應(yīng)面分析為了更為直觀地表現(xiàn)兩因素對于柚皮苷得率的影響,將方程中的任意兩個因素固定在零水平,利用Design Expert 8.0.5b軟件進行計算得到響應(yīng)面圖,分別考察各實驗因素對柚皮苷的得率的交互作用。從圖5中可知,乙醇濃度B對柚皮苷的得率影響最為顯著,在BA、BC、BD對比響應(yīng)面圖中表現(xiàn)為曲線陡峭,隨著液料比A、提取時間C、提取溫度D的增大或減小響應(yīng)值變化較大;料液比A相對于乙醇濃度B、提取時間C和提取溫度D反應(yīng)最為遲緩,在AB、AC、AD對比響應(yīng)面圖中表現(xiàn)為曲線平緩,隨著乙醇濃度B、提取時間C、提取時間C的增大或減小響應(yīng)值變化較小;在CD對比響應(yīng)面圖中,等高線偏圓形,說明提取時間C和提取溫度D的交互作用不顯著,響應(yīng)值坡度相對平緩,響應(yīng)值隨著提取時間的變化率大于提取溫度的變化率,說明

Optimization of extraction techniques of naringin from pomelo peel by response surface methodology

XU Fang-chi,PAN Si-yi*

(College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Environment Correlative Dietology,Ministry of Education,Wuhan 430070,China)

In order to make effective use of waste pomelo peel and improve the efficiency of extraction of naringin,response surface analysis method was used to optimize the extraction process of alcohol solution. The most suitable process conditions were liquid/solid ratio of 25∶1(mL/g),ethanol concentration of 77%(v/v),extraction time of 57 min,extraction temperature of 60 ℃. Under this condition,the extraction rate of naringin was 5.83%. The validity of the mathematical model was verified with the theoretical prediction value of 0.24%.

grapefruit peel;naringin;extraction;response surface methodology

2015-12-02

許方馳(1991-)，男，碩士，研究方向：柑橘貯藏及加工，E-mail:xufangchi1991@163.com。

潘思軼(1965-)，男，博士，教授，研究方向：食品科學(xué)，E-mail:pansiyi@mail.hzau.edu.cn。

TS255.1

B

1002-0306(2016)11-0238-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.040