響應面優(yōu)化化橘紅柚皮苷 超聲輔助提取工藝

彭 穎,韋偉璇,邱松山,周如金,*

(1.廣東石油化工學院化學工程學院,廣東茂名 525000;2.華中農業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

廣東省名貴特產化橘紅(Exocarpiumcitrigrandis)是未成熟的蕓香科植物化州柚,臨床對風寒咳嗽,痰多氣逆,食積暖氣和嘔惡痞悶等癥有治療效果[1],黃酮類成分是化橘紅的主要有效成分之一[2],其中柚皮苷占總黃酮含量的80%以上[3]。柚皮苷是重要的醫(yī)藥原料,具有抗氧化、降血脂、抗動脈動粥樣硬化等廣泛的生物活性,也是甜味劑、抗氧化劑、保健品和色素等工業(yè)原料[4-8]。柚皮苷的提取工藝主要為有機溶劑提取法、熱水提取法、堿性稀醇或堿性水提取法、系統(tǒng)溶劑提取法、超聲波提取法和微波提取法、超濾法等[9]。目前為止尚未有利用響應面優(yōu)化化橘紅柚皮苷提取工藝的研究報道。因此,本文通過單因素實驗對化橘紅中柚皮苷的超聲波輔助乙醇浸提工藝進行了研究,同時基于響應面法優(yōu)化提取工藝,從而為化橘紅柚皮苷的開發(fā)利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

正毛化橘紅(5月10日采摘鳳尾種) 產于廣東茂名化州市;柚皮苷標準品 德國Dr. Ehrenstorfer GmbH公司;無水乙醇、二甘醇、氫氧化鈉 均為分析純。

XFB-200高速中藥粉碎機 吉首市中誠制藥機械廠;UV-3100PC紫外可見分光光度計 廣州市德科生物科技有限公司;PS-30AD數控超聲波清洗器 深圳市潔康洗凈電器有限公司;RE-52AA旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;SHB-IV雙A循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;Niconlet6700傅里葉紅外光譜儀 美國熱電公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 取化橘紅隔水蒸軟,切片,粉碎,過40目篩備用。

1.2.2 柚皮苷標準曲線的繪制 稱取合格的柚皮苷標準品20.0 mg,70%的乙醇溶解并定容至100 mL,配得0.200 mg/mL的柚皮苷標準溶液,移液管分別移取0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20 mL于10 mL比色管中,依次加入90%(v/v)二甘醇溶液5 mL和4 mol/L的NaOH溶液0.1 mL,蒸餾水至刻度搖勻,40 ℃水浴保溫10 min,冷卻后于420 nm處測其吸光度。以吸光度(y)與柚皮苷濃度(x)進行線性回歸,得到回歸方程[10]。

1.2.3 柚皮苷的提取 稱取1.00 g化橘紅粉末,以一定體積分數的乙醇溶液作為溶劑,在一定溫度下于180 W的超聲功率下,按一定料液比超聲50 min[11]后,將提取液抽濾,抽濾后的醇溶液部分直接按照方法1.2.2進行比色測定,根據柚皮苷標準曲線的線性方程得到化橘紅提取液中柚皮苷的含量并由以下公式計算化橘紅中柚皮苷的得率。

柚皮苷得率(%)=C×A×V/W×100

式中,C:提取液柚皮苷的質量濃度,mg·mL-1;A:稀釋倍數;V:提取液體積,mL;W:化橘紅粉末質量,mg。

1.2.4 單因素實驗設計 在超聲功率180 W,超聲時間50 min的條件下,以液料比30、40、50、60、70 mL·g-1、乙醇體積分數20%、30%、50%、70%、提取溫度50、60、70、80 ℃分別進行單因素實驗,得到最佳提取條件。

1.2.5 利用Design-Expert V8.0.6.1進行實驗優(yōu)化 根據單因素實驗得到的優(yōu)化提取條件,以1,0,-1代表考察因素的高,中,低水平,以柚皮苷得率為響應值(Y,%),設計基于Box-Behnken方法的3因素3水平響應面分析實驗。

表1 響應面實驗的因素及水平Table 1 Level and code of independent variable used for response surface analysis

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 柚皮苷標準曲線

基于Excel軟件的最小二乘法線性回歸作圖如圖1所示,柚皮苷濃度(x)與吸光度(y)之間線性曲線的回歸方程式:y=72.625x+0.0132,(R2=0.9998),說明吸光度與柚皮苷濃度有良好的相關性。

圖1 柚皮苷標準曲線Fig.1 The standard curve of naringin

2.2 柚皮苷提取單因素分析

2.2.1 提取溫度對柚皮苷提取的影響 由圖2看出,液料比為30 mL·g-1,乙醇體積分數為50%的條件下,當溫度為50～60 ℃時,柚皮苷得率隨溫度升高而逐漸增大,這主要是由于溫度的升高使柚皮苷在乙醇溶液中的溶解性增強,而當溫度超過60 ℃時得率反而下降,因此反應溫度宜采用60 ℃。

圖2 提取溫度對柚皮苷得率的影響Fig.2 Effect of the ultrasonic temperature on extraction rate of naringin

圖3 液料比對柚皮苷得率的影響Fig.3 Effect of liquid to solid ratio on extraction rate of naringin

2.2.2 液料比對柚皮苷提取的影響 如圖3所示,提取溫度為60 ℃,乙醇體積分數為50%的條件下,由于化橘紅粉末與提取液接觸面的濃度增大,乙醇用量的增加有助于柚皮苷的浸出,因此,液料比越大,即溶劑用量越大,得率越大,但當溶劑用量達到一定值后,柚皮苷己基本 提取完全,此時繼續(xù)增加溶劑量,不僅會造成單位提取液中柚皮苷濃度的降低,而且浪費溶劑和能源,也給后續(xù)的濃縮工作帶來困難,因此選擇液料比為60 mL·g-1。

2.2.3 乙醇體積分數對柚皮苷提取的影響 由圖4可以看出,提取溫度為60 ℃,液料比為60 mL·g-1的條件下,隨著乙醇濃度的增大,柚皮苷的得率由于在乙醇溶液中溶解度的變化而先增大后降低,當乙醇溶液濃度達到50%時,柚皮苷的得率最高,隨著乙醇濃度的升高,柚皮苷的溶解度會增大,然而溶液的極性增強,一些醇溶性雜質的溶出量也會增加,它們與柚皮苷競爭與乙醇-水分子結合,最后導致柚皮苷溶出減少,得率下降。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回歸方程各項的方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

圖4 乙醇體積分數對柚皮苷得率的影響Fig.4 Effect of ethanol concentration on extraction rate of naringin

2.3 響應面優(yōu)化結果分析

基于表1響應面實驗設計進行的響應面實驗結果如表2所示。Design-Expert V8.0.6.1軟件進行響應面分析后得到以化橘紅中柚皮苷得率為響應值的回歸方程:Y=-46.27375+0.93195X1+0.52858X2+0.44562X3-0.002425X1X2-0.001425X1X3-0.0002X2X3-0.006185X12-0.00311X22-0.00346X32

Design-Expert V8.0.6.1軟件對表1的響應面數據進行回歸方差分析如表2所示。由表2可知:提取溫度(p<0.05)對柚皮苷的提取影響顯著。據方差分析結果,上述回歸方程描述與響應面值之間的關系時模型的p<0.05,差異顯著;失擬項檢驗p值為0.0746,差異不顯著;決定系數R2=88.67%,表明該模型充分擬合實驗數據[12-13],該方程是化橘紅柚皮苷得率與提取工藝各參數的合適數學模型,所以,可以利用此回歸方程確定化橘紅中柚皮苷的最佳提取工藝。從p值可知,三個因素對柚皮苷得率的影響強弱依次為X1提取溫度>X3乙醇體積分數>X2液料比,各因素對柚皮苷的得率不是簡單的線性關系[14]。一次項X1和二次項X22、X32其對響應值的影響為顯著,二次項X12的影響為極顯著。

響應面圖形是響應值受各實驗因子X1、X2、X3相互作用影響而變化構成的三維空間的曲面圖,從響應面圖上可直觀地看出各參數之間的相互作用。根據回歸方程得出不同因子間的響應面圖見圖5。

圖5 兩因素交互作用對柚皮苷得率的響應面圖Fig.5 Response surface plots showing the interaction of 2 different parameters on the yield注:固定水平:超聲波功率180 W;提取時間50 min。

由圖5可以直觀地看出各因素交互作用對化橘紅柚皮苷得率的影響,若曲線越陡峭,表明響應值對于操作條件的改變越敏感,此因素的交互作用對提取柚皮苷的影響越大;反之曲面坡度越平緩,操作條件的改變對響應值的影響也就越小[15]。從圖5可知提取溫度的影響最大,乙醇體積分數次之,表3回歸分析結果也與此相吻合,提取溫度對應的p值小于0.05,達到了顯著水平。

通過對響應面回歸方程的分析確定最佳超聲輔助提取化橘紅中柚皮苷的工藝參數為提取溫度為57.54 ℃、液料比為60.92 mL·g-1、乙醇體積分數為50.78%,考慮到實際操作條件的局限性,對最佳工藝條件進行如下修正:提取溫度57.5 ℃、液料比為60.9 mL·g-1、乙醇體積分數為50.8%。此條件下由公式算出的柚皮苷得率的理論值為7.95%。根據所得的分析數據進行三組重復驗證實驗,得到柚皮苷的平均得率為7.87%,測定結果穩(wěn)定,與理論預測值偏差不大,證明該結果合理可靠。

3 結論

在單因素實驗的基礎上,對化橘紅中柚皮苷超聲波輔助提取的工藝條件進行Box-Behnken響應面優(yōu)化,得到最佳工藝參數為:超聲波180 W,超聲時間50 min,液料比為60.9 mL·g-1,提取溫度57.5 ℃,乙醇體積分數50.8%,化橘紅柚皮苷的得率為7.87%,實驗結果可為該技術的工業(yè)應用提供參考和依據。

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