超聲波輔助復合溶劑提取柑橘皮油工藝條件優(yōu)化

黃誠 尹紅

摘要 采用超聲波輔助復合溶劑提取柑橘皮油，通過單因素及二次回歸正交旋轉組合設計試驗探究復合溶劑配比、料液比、超聲波處理溫度、超聲波處理時間對提油率的影響，確定了超聲波輔助復合溶劑提取柑橘皮油的最佳工藝參數(shù)。結果表明，對提油率的影響依次為料液比>復合溶劑配比>超聲波處理時間>超聲波處理溫度，最優(yōu)工藝參數(shù)為復合溶劑配比2∶3、料液比1∶10、超聲波處理溫度40 ℃、超聲波處理時間50 min，該條件下出油率達3.52%。

關鍵詞 柑橘皮油；超聲波輔助；復合溶劑；工藝條件；優(yōu)化試驗

中圖分類號 TS209 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）12-0262-03

柑橘屬蕓香科柑橘亞科植物。據(jù)統(tǒng)計，目前我國柑橘栽培面積已居世界之首，占世界總栽培面積的18%，年產量達1 014萬t，占世界總產的11.79%，僅次于巴西、美國位列第三。而柑橘生產加工有30%～50%的皮渣副產物，皮渣中除了水分、纖維素、木質素外，還含有果膠、色素、膳食纖維和類黃酮等生物活性物質。長期以來，我國柑橘加工業(yè)加工產生的大量皮渣被作為廢棄物處理，不僅資源得不到充分利用，對環(huán)境也造成了污染[1-5]。

本研究采用超聲波輔助復合溶劑浸提柑橘皮中精油，通過單因素及二次回歸正交旋轉組合設計，從復合溶劑配比、料液比、超聲溫度、超聲時間4個因素方面研究了橘皮精油最佳提取工藝條件，以出油率為評價指標，為柑橘皮副產品加工利用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與設備

KQ-250E型醫(yī)用超聲波清洗器；GZX-9146MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海博訊實業(yè)有限公司）；高速萬能粉碎機；RE-52A旋轉蒸發(fā)器（上海亞榮有限公司）；HH-Z數(shù)顯恒溫水浴鍋（富華有限公司）；FA2003電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）。

1.2 試驗材料

柑橘皮（吉首市售）；環(huán)己烷、丙酮、無水乙醚均為分析純（國藥集團化學有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 柑橘皮油提取工藝流程。干柑橘皮→挑選、清洗→干燥→粉碎、過篩→加定量復合溶劑→超聲波輔助提取→旋轉蒸發(fā)、溶劑回收→干燥→柑橘皮油。

1.3.2 橘皮預處理。將成熟的柑橘皮挑選、洗凈后，放置于設定溫度為50 ℃左右的電熱恒溫干燥箱中烘干至恒重，用高速萬能粉碎機粉碎后用60目過目篩過篩，將過篩后的柑橘皮粉末收集在燒杯中備用。

1.3.3 柑橘皮油提取率的計算。公式如下：

1.4 提取工藝優(yōu)化

1.4.1 工藝單因素試驗。

（1）復合溶劑配比單因素試驗。稱取柑橘皮粉末10.0 g，確定超聲功率為220 W，設定料液比為1∶10，超聲時間為50 min，超聲處理溫度為55 ℃，在上述條件下進行提取試驗。復合溶劑按丙酮∶環(huán)己烷配比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1，考察復合溶劑（丙酮∶環(huán)己烷）對油脂提取率的影響。

（2）料液比單因素試驗。稱取柑橘皮粉末10.0 g，設定超聲功率為220 W，復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）為7∶3，超聲波提取溫度為50 ℃，超聲波提取時間為50 min，料液比分別為1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10，在上述條件下進行提取，考察料液比對油脂提取率的影響。

（3）超聲時間單因素試驗。取樣品10.0 g，設定超聲功率為220 W，料液比為1∶10，復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）為4∶6，超聲波提取溫度為50 ℃，超聲時間依次為10、20、30、40、50、60、70 min，在上述條件下進行提取，考察不同超聲時間對油脂提取率的影響。

（4）超聲溫度單因素試驗。稱取樣品10.0 g，設定超聲功率為220 W，料液比為1∶10，復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）為4∶6，設定超聲時間為50 min，提取溫度分別為25、30、35、40、45、50、55、60 ℃，在上述條件下進行提取，考察不同超聲溫度對油脂提取率的影響。

1.4.2 正交試驗。因素包括復合溶劑配比、料液比、超聲波處理溫度及處理時間，評價指標為柑橘皮油提取率，采用L9（34）進行正交優(yōu)化試驗。

1.4.3 二次正交旋轉組合設計優(yōu)化試驗。以單因素試驗結果為依據(jù)，確定編碼水平范圍，運用二次正交旋轉組合設計，采用DPS7.05進行數(shù)據(jù)分析，得出超聲波輔助提取柑橘皮油的優(yōu)化工藝條件[6-9]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 復合溶劑配比對柑橘皮油提取率的影響。按上述單因素試驗條件試驗，探究復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）對油脂提取率的影響，結果見圖1。由圖1可以看出，復合溶劑（丙酮∶環(huán)己烷）配比不同，柑橘皮油的提取率不同。隨著丙酮比例增加，柑橘皮油提取率呈平緩上升趨勢，在丙酮與環(huán)己烷配比為7∶3時，柑橘皮油提取率最高。故本工藝選擇復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）為7∶3。

2.1.2 料液比對柑橘皮油提取率的影響。按上述單因素試驗條件試驗，探究料液比對油脂提取率的影響，結果見圖2。由圖2可以看出，隨著料液比增加，柑橘皮油提取率呈上升趨勢，料液比大于1∶5時，呈平緩上升趨勢，料液比越高，在濃縮過程消耗的能量越多，故本工藝從節(jié)能考慮，選擇料液比為1∶5。

2.1.3 超聲時間對柑橘皮油提取率的影響。按上述單因素試驗條件試驗，探究超聲時間對油脂提取率的影響，結果見圖3。由圖3可以看出，柑橘皮油提取率隨著時間延長而提升，達到60 min時柑橘皮油提取率最高。故本工藝選擇提取時間為60 min。

2.1.4 超聲溫度對柑橘皮油提取率的影響。按上述單因素試驗條件試驗，探究溫度對油脂提取率的影響，結果見圖4。由圖4可以看出，柑橘皮油提取率隨溫度上升有顯著波動，超聲處理溫度在40～55 ℃范圍內較好。故本工藝選擇提取溫度為40～55 ℃。

2.2 優(yōu)化試驗

2.2.1 正交試驗設計。為進一步優(yōu)化工藝，在超聲波功率恒定情況下，選取復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）（4∶6、7∶3、9∶1）、料液比（1∶5、1∶8、1∶10）、超聲處理時間（40、60、70 min）、超聲處理溫度（40、45、55 ℃）4個因素，進行4因素3水平L9（34）的正交優(yōu)化試驗，以得油率為評價指標，優(yōu)選出超聲波輔助復合溶劑浸提柑橘皮油的最佳條件（表1、2）?？梢钥闯觯绊懜涕倨び偷奶崛∫蛩卮涡驗榱弦罕?gt;復合溶劑配比>超聲處理時間>超聲波溫度。

2.2.2 二次正交旋轉組合設計優(yōu)化試驗設計方案及試驗結果。根據(jù)正交試驗結果，選擇復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）、料液比及超聲處理時間3因素3水平進行二次回歸正交旋轉組合設計優(yōu)化試驗，因素水平見表3。

由DPS（7.50專業(yè)版）統(tǒng)計分析軟件的試驗設計功能可知，3因子二次回歸正交旋轉組合設計包括23個試驗方案，具體試驗方案及試驗結果如表4所示。

2.2.3 模型建立及顯著性分析。采用DPS7.50軟件分析試驗結果，建立柑橘皮得油率與復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）、料液比、超聲處理時間各因素之間的數(shù)學回歸模型如下：

Y=2.906 51-0.334 2X1+0.444 13X2+0.081 51X3-0.211 51X12 -0.195 60X22-0.229 18X32-0.191 25X1X2-0.128 75X1X3+0.071 25X2X3，試驗結果方差分析見表5。

由方差分析可知，回歸方程失擬性檢驗F1=0.000 67R0.01（9，13）=4.19，差異極顯著，說明模型預測值與實際值非常吻合，模型成立。經回歸系數(shù)顯著性檢驗，在α=0.10顯著水平下剔除不顯著項，簡化回歸方程如下：

Y=2.906 51-0.334 20X1+0.444 13X2-0.211 51X12-0.195 60X22-0.229 18X32-0.191 25X1X2

2.2.4 各因素影響程度分析。F值反映各因素對試驗指標的影響大小，F(xiàn)值越大，表明因素對試驗指標的影響越大。從表5方差分析結果可知，各因素影響大小順序為料液比>復合溶劑配比>超聲處理時間。

2.2.5 最優(yōu)提取工藝參數(shù)及驗證性試驗。采用頻率分析法探究最優(yōu)提取工藝參數(shù)，結果見表6。由表6可以看出，在95%置信區(qū)間內提取工藝優(yōu)化條件：X1水平95%的分布區(qū)間為-1.213～-0.779，X2水平95%的分布區(qū)間為0.779～1.213，X3水平95%的分布區(qū)間為-0.357～0.357。利用編碼公式 Xi=（Xi-X0）/Δj將上述編碼值轉換為實際參數(shù)，復合溶劑配比為11∶14～9∶16，料液比為1∶9～10，超聲時間為45～55 min。結合優(yōu)化條件平均值和實際操作需要，得出超聲波提取柑橘皮油優(yōu)化工藝條件為復合溶劑配比2∶3、料液比1∶10、超聲時間50 min。按照此優(yōu)化工藝條件開展 3組驗證性試驗，得到柑橘皮油出油率平均值為3.52%，與理論值3.60%接近。

3 結論

通過正交試驗方差結果分析得知各因素對柑橘皮油提取率影響的大小順序為：料液比>復合溶劑配比>超聲波處理時間>超聲波處理溫度。

超聲波輔助提取柑橘皮油的優(yōu)化數(shù)學回歸模型為Y=2.906 51-0.334 20X1+0.444 13X2-0.211 51X12-0.195 60X22 -0.229 18X32-0.191 25X1X2。采用此模型在本試驗范圍內能較準確地預測柑橘皮油出油率。

超聲波輔助提取柑橘皮油最佳工藝條件為超聲波功率為220 W、復合溶劑配比（丙酮∶環(huán)己烷）為2∶3、料液比為1∶10、超聲波提取時間為50 min、超聲波處理溫度為40 ℃。通過數(shù)學回歸模型預測的提取率為3.60%，在該工藝條件下實際提取率為3.52%，出油率達97.78%。

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