胡柚皮中類黃酮素提取及殘?jiān)C合利用工藝研究

曾惠明 徐天有 石玲麗 呂亮 李建光

摘要 采用單因素法對(duì)比乙醇浸提、微波提取、超聲波提取以及組合工藝提取類黃酮素的效果，優(yōu)化其工藝參數(shù)。然后，再將提取殘?jiān)謩e進(jìn)行堿化、醇化預(yù)處理，進(jìn)行檸檬酸和季銨鹽接枝改性，以Cu2+和F-作為模型離子，進(jìn)行靜態(tài)吸附和動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)果表明，三元組合工藝類黃酮素提取率在同等其他條件下比二元法提高了13.9%。優(yōu)化后的提取條件如下： 70%（V/ V）乙醇溶液（浸提比1∶10）浸泡下，依次于40 kHz 200 W超聲振蕩9 min、400 W微波加熱8 min、80 ℃加熱回流3 h，可獲得3.17? mg/g提取率。25 ℃檸檬酸殘?jiān)男晕絼?duì)Cu2+的吸附等溫線符合Langmuir模型G=G0c/（A+c）， G0=0.99 mg/g，A=5.95? mg/g。季銨鹽殘?jiān)男晕絼?duì)F-的吸附等溫線符合Freundlich模型G=acb，a=0.006 6，b=3.55。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，陽(yáng)離子的吸附飽和時(shí)間為10 min，陰離子的吸附飽和時(shí)間為5 min。這表明從胡柚皮中提取類黃酮素后，其殘?jiān)?jīng)化學(xué)改性后成為離子吸附劑在技術(shù)上具有可行性。

關(guān)鍵詞 胡柚皮;類黃酮素提取;接枝改性;離子吸附性能

中圖分類號(hào) X712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）14-0185-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.055

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract The single factor experiment was used to compare the effects of extracting flavonoid by ethanol extraction，microwave extraction，ultrasonic extraction and combination extraction process，and the process parameters were optimized.The extraction residue was alkalized and pretreated by isopropanol，and the citric acid and quaternary ammonium were chosen as grafting and modifying reagent，and Cu2+ and F- were used as model ions to carry out static adsorption and kinetic experiments.The results showed that the extraction rate of flavonoid by the ternary combination extraction process was 13.9% higher than that by the binary method in the same other conditions.The optimized extraction conditions were as follows：70% （V/V） ethanol solution （leaching ratio of 1∶10），soaked in 40 kHz，200 W ultrasonic vibration for 9 min，400 W microwave heating for 8 min，and heating reflux at 80 °C for 3 h， the extraction rate of flavonoids was 3.17. mg/g.The adsorption isotherm of the adsorbent modified by citric acid to 25 °C Cu2+ solution accorded with the Langmuir model G=G0c/（A+c）， G0=0.99 mg/g，A=5.95 mg/g.The adsorption isotherm of adsorbent modified by quaternary ammonium to F- accorded with Freundlich model G=acb，a=0.006 6，b=3.55. Adsorption kinetics studies showed that the adsorption saturation time of the cation was 10 min and that of the anion was 5 min. These showed that the residue after extracting flavonoids from Huyou pummeio peel was chemically modified to become an ion sorbent，which was technically feasible.

Key words Huyou pummeio peel; Flavonoid extraction; Graft modification; Ion adsorption property

作者簡(jiǎn)介 曾惠明（1981—），男，浙江遂昌人，副教授，博士，從事環(huán)保新材料及工業(yè)廢水處理研究。 *通信作者，副教授，碩士，從事工業(yè)廢水處理研究。

收稿日期 2019-01-02

浙江省衢州常山地區(qū)柑橘、胡柚種植面積巨大，占鄉(xiāng)村居民收入的比例較高。在食用或罐頭、飲料加工過(guò)程中，外皮往往作為廢棄物被處理，造成固體廢棄物大量增加，甚至導(dǎo)致環(huán)境污染。柑橘或胡柚皮中含有豐富的類黃酮素和纖維素，若實(shí)現(xiàn)資源化利用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

目前，橘皮中類黃酮素的提取工藝包括熱回流法[1]、微波輔助法[2-5]、超聲波輔助法[6-8]等，試驗(yàn)效果良好，并獲得各種優(yōu)化工藝參數(shù)。同時(shí)，植物細(xì)胞壁含有豐富的纖維素，天然高分子纖維素具有巨大的比表面積和羥基，易生化降解，其作為吸附劑具有天然優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)對(duì)天然纖維素改性的應(yīng)用研究也較多[9-12]，發(fā)現(xiàn)將其改性后對(duì)水中的荷電顆粒或離子具有靜電吸附力，因而成為絮凝劑或吸附劑等具有特殊功能的水處理材料。

由于提取和改性2個(gè)工藝步驟較多，操作繁瑣，使天然纖維素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值受到一定影響。筆者利用多種提取方法組合提取胡柚皮中的類黃酮素，優(yōu)化工藝參數(shù)，再將洗凈后的殘?jiān)鼔A化和醇化，進(jìn)一步改性反應(yīng)。有機(jī)結(jié)合提取和改性工藝，獲得一種對(duì)離子具有吸附性能的胡柚皮纖維素吸附劑。

1 材料與方法

1.1 材料及其預(yù)處理 將新鮮的胡柚皮曬干，用壓碎機(jī)壓成粉末，過(guò)100目篩，得到胡柚皮粉，備用。

1.2 試劑與設(shè)備 試劑有異丙醇（AR）、98%乙醇（AR）、檸檬酸（AR）、3-氯-2羥丙基三甲基氯化銨（AR）、2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（AR）、亞硝酸鈉（AR）、硝酸鋁（AR）等;主要設(shè)備有超聲清洗機(jī)（PS-60A）、微波爐[美的PJ17F-F（Q）]、 pH酸度計(jì)（PHS-3C）等。

1.3 試驗(yàn)方法 以胡柚皮粉為原料，分別利用乙醇加熱浸提法、微波浸提法和超聲浸提法提取類黃酮素。通過(guò)單因素試驗(yàn)，以提取率為控制指標(biāo)，分別優(yōu)化乙醇浸提法中的浸提液濃度、浸提時(shí)間等工藝參數(shù)，再以優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行微波浸提輔助法和超聲浸提輔助法組合工藝提取試驗(yàn)，優(yōu)化微波時(shí)間、超聲時(shí)間等參數(shù)。然后，以優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行超聲-浸提、微波-浸提、微波-超聲和超聲-微波-浸提三元組合工藝進(jìn)行提取試驗(yàn)，考察組合工藝的協(xié)同效應(yīng)。

最后，以提取后的胡柚皮渣纖維素為原料，進(jìn)行堿化、醇化預(yù)處理。在2份預(yù)處理胡柚皮渣中分別加入檸檬酸和2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨進(jìn)行接枝改性反應(yīng)，清洗后分別進(jìn)行對(duì)重金屬Cu2+和陰離子F-的恒溫靜態(tài)吸附性能，并考察其吸附動(dòng)力學(xué)行為。

1.4 檢測(cè)方法

①黃酮素含量的測(cè)定采用分光光度法[13-14]，根據(jù)蘆丁曲線計(jì)算類黃酮素的含量;②溶液中銅離子的測(cè)定參照DLT 502.14—2006《火力發(fā)電廠水汽分析方法》;③氟離子的測(cè)定參照WS/T 88—2012，利用氟離子電極進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡柚皮中類黃酮素提取工藝

2.1.1 乙醇加熱回流浸提。在體積濃度（V/V）為60%～95%范圍內(nèi)配制5種乙醇溶液，設(shè)定浸提比為10∶1（即每個(gè)樣品包含1 g胡柚皮粉和10 g乙醇溶液），在溫度為80 ℃恒溫水浴鍋中采用冷凝管回流裝置浸提4 h，測(cè)定平衡溶液中的類黃酮素的含量，結(jié)果如圖1所示。以優(yōu)選85%（V/V）的乙醇浸提，保持其他條件不變，探討浸提時(shí)間與提取率的關(guān)系，結(jié)果如圖1B所示。

從圖1A可以看出，類黃酮素的提取率先隨乙醇濃度的升高而上升，當(dāng)乙醇濃度大于70%以后變化趨于平緩，當(dāng)乙醇濃度高于85%后類黃酮素的提取率有所下降，當(dāng)乙醇溶液濃度為85%時(shí)其提取率最高（2.73 mg/g）。這說(shuō)明極性較小的乙醇比水更容易溶解胡柚皮中的類黃酮素，從而將其分離出來(lái)。當(dāng)乙醇濃度超過(guò)一定限度后，乙醇溶液的沸點(diǎn)降低，不利于類黃酮素的溶解和提取。從圖1B可以看出，當(dāng)浸提時(shí)間為3 h，類黃酮素提取率最高（3.08 mg/g），此后趨于平穩(wěn)，表明該條件下溶解已經(jīng)達(dá)到平衡。

2.1.2 超聲輔助浸提和微波輔助浸提。分別取30份1 g過(guò)100目篩后的胡柚皮粉末及10 g 80%的乙醇溶液置于30個(gè)碘量瓶，分成2組，初始為常溫，分別用40 kHz，200 W超聲振蕩和400 W微波加熱，作用時(shí)間分別為2、4、6、8和10 min，3個(gè)重復(fù)。離心分離出上清液，測(cè)定類黃酮素濃度，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，超聲輔助浸提對(duì)黃酮素提取的作用并不明顯，在85%乙醇濃度條件下，當(dāng)超聲時(shí)間為9 min時(shí)，類黃酮素的提取率為2.61 mg/g。與加熱回流浸提相比，類黃酮素的提取率降低15.2%，說(shuō)明超聲波空化作用對(duì)胡柚皮中類黃酮素的釋放具有一定的輔助作用，但作用有限。微波輔助浸提效果與超聲波輔助浸提類似。在85%乙醇濃度條件下，當(dāng)超聲時(shí)間為8 min時(shí)，類黃酮素的提取率為2.64 mg/g，但仍比加熱回流低14.3%。這說(shuō)明微波雖然兼具加熱和振蕩作用，但作用時(shí)間較短，對(duì)堅(jiān)固細(xì)胞壁內(nèi)細(xì)胞液釋放的輔助作用較為有限。微波和超聲波輔助因?yàn)樽饔脮r(shí)間短，節(jié)能，操作簡(jiǎn)單，亦能起到一定促進(jìn)浸提作用，因此具有實(shí)際應(yīng)用潛力。

2.1.3 工藝組合對(duì)比。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行了4個(gè)組合工藝對(duì)比，提取液均為85%（V/V）乙醇，浸提比為10∶1，試驗(yàn)條件如下：A為400 W微波作用8 min后加熱回流浸提3 h;B為超聲9 min后進(jìn)行80 ℃加熱回流3 h;C為超聲作用9 min后400 W微波作用8 min; D為超聲9 min、微波8 min和加熱浸提3 h三元組合。

從圖3可以看出，二元組合工藝提取效率較低，與單一工藝差異很小，而三元組合工藝類黃酮素提取率可提高約15.7%。超聲對(duì)加熱回流幾乎沒(méi)有明顯的輔助作用，對(duì)微波浸提的作用也很微弱。微波具有一定的輔助作用。這說(shuō)明分子熱運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)有利于胡柚皮細(xì)胞質(zhì)中類黃酮素的釋放，若再輔以機(jī)械振蕩，可以獲得較好的效果[15]。

2.2 提取殘?jiān)w維素接枝改性

2.2.1 改性殘?jiān)w維素的吸附性能。胡柚皮殘?jiān)w維素改性步驟如下：先取10 g提取類黃酮素后的胡柚皮殘?jiān)ǜ芍兀?，?0%異丙醇洗3次，再用純水洗至無(wú)色，加入0.1 mol/L的NaOH溶液100 mL，攪拌1 h，純水洗至中性。預(yù)處理后的樣品均分為2份，在1份樣品中加入100 mL 濃度為0.6 mol/L的檸檬酸溶液， 80 ℃下攪拌2 h，抽濾，水洗至接近中性，并在50 ℃干燥箱中烘干12 h，獲得檸檬酸接枝改性的陽(yáng)離子吸附劑。將另一份預(yù)處理后的殘?jiān)w維素置于裝有冷凝裝置的三口燒瓶中，加入100 mL異丙醇，混合均勻，溫度升至45 ℃，攪拌下滴加醚化試劑——2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨，反應(yīng)3 h，用濃鹽酸滴定至中性，抽濾后獲得產(chǎn)物，將產(chǎn)物用80%（V/V）的異丙醇洗滌3遍，80 ℃下烘干至恒重，獲得陰離子吸附劑。

將0.7 g陰離子型改性纖維素吸附劑分成5份，進(jìn)行銅離子的靜態(tài)吸附（吸附時(shí)間3 h）。吸附溶液為pH為5.5～6.0，濃度為2、4、6、8、10 mmol/L硫酸銅溶液，保持25 ℃恒溫，離心取上清液，檢測(cè)剩余Cu2+濃度。采用相同方法測(cè)定陽(yáng)離子型改性纖維素對(duì)氟離子的吸附能力。吸附等溫線如圖4所示。

從圖4可以看出，改性工藝在胡柚皮殘?jiān)w維素表面分別成功接枝上檸檬酸活性基團(tuán)和季銨鹽活性基團(tuán)，改性制備的陽(yáng)離子吸附劑對(duì)Cu2+的吸附容量隨著銅離子的濃度增加而增加，當(dāng)Cu2+濃度在9 mmol/L以上時(shí)，吸附容量變化平緩。通過(guò)非線性擬合得到該吸附類型符合Langmuir吸附模型，模型公式G=G0c/（A+c），G0=0.99 mg/g，A=5.95 mg/g，偏差R2=0.98。這說(shuō)明陽(yáng)離子在檸檬酸改性纖維素表面單層吸附，具有一個(gè)吸附容量最大值（0.99? mg/g）。季銨鹽改性纖維素對(duì)F-的吸附容量隨著NaF溶液濃度的升高而升高。對(duì)變化趨勢(shì)的非線性擬合得到該吸附類型屬于Freundlich等溫吸附模型，模型公式G=acb，a=0.000 66，b=3.55，偏差R2=0.99，說(shuō)明F-在改性纖維素表面多層吸附，植物纖維素表面除了改性后電荷吸附點(diǎn)外，還存在物理吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致溶液濃度升高時(shí)吸附容量快速提升。

2.2.2 改性纖維素的吸附動(dòng)力學(xué)性能。為研究2種改性胡柚皮殘?jiān)w維素的吸附動(dòng)力學(xué)，以10 mmol/L的NaF和CuSO4溶液分別作為陰離子和陽(yáng)離子吸附劑的平衡溶液，固定其他條件，吸附容量隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，在濃度10 mmol/L 的CuSO4溶液中，5 min后吸附劑的吸附容量減少50%，10 min后已經(jīng)完成全部吸附過(guò)程，吸附容量為0.6 mg/g。這說(shuō)明吸附行為較為快速，Cu2+擴(kuò)散進(jìn)入纖維素表面的阻力較小，吸附活性位點(diǎn)位于纖維素表面，F(xiàn)-在陰離子吸附劑表面的吸附速率更快，5 min后基本在吸附平衡，此后吸附容量維持不變，在0.47 mg/g左右。

3 結(jié)論

（1）單一的乙醇加熱回流浸提，最優(yōu)工藝參數(shù)如下：乙醇濃度為85%，浸提比為10∶1，浸提時(shí)間為4 h，此時(shí)提取量最大，為2.73 mg/g;超聲輔助浸提時(shí)，超聲作用時(shí)間為9 min，乙醇濃度為85%，提取效率為2.61? mg/g;微波輔助浸提時(shí)，功率為400 W，微波作用時(shí)間為8 min，乙醇濃度為85%，提取效率為2.64? mg/g;經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱回流浸提效果最佳，微波和超聲輔助雖然浸提率較低，但作用時(shí)間短，能耗較低。三元組合工藝具有較大優(yōu)勢(shì)，提取率為3.17 mg/g，可將提取率提高15.7%。

（2）纖維素改性中，陰離子改性和陽(yáng)離子改性對(duì)銅離子和氟離子均具有吸附作用，吸附行為分別符合Langmuir吸附模型和Freundlich等溫吸附模型。吸附動(dòng)力學(xué)表明，2種吸附劑在5～10 min即可完成吸附過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 高愿軍，王晶晶，周婧琦，等.秋葵中總黃酮提取工藝探討[J].食品科技，2016，41（3）：213-217.

[2] 袁茹楠，胡浩斌，韓舜禹，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲-微波提取甘草渣總黃酮工藝[J].中成藥，2017，39（3）：504-508.

[3] 曾碧濤，王天霞，楊鴻均.微波輔助提取一支箭總黃酮的工藝研究[J].中國(guó)釀造，2016，35（2）：123-126.

[4] YEDHU KRISHNAN R，RAJAN K S.Microwave assisted extraction of flavonoids from Terminalia bellerica：Study of kinetics and thermodynamics[J].Separation & purification technology，2016，157：169-178.

[5] PINELA J，PRIETO M A，CARVALHO M A，et al.Microwaveassisted extraction of phenolic acids and flavonoids and production of antioxidant ingredients from tomato：A nutraceuticaloriented optimization study[J].Separation & purification technology，2016，164：114-124.

[6] 張冬冬，徐迪，洪偉.超聲提取柑橘皮中總黃酮的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2017（5）：1-3.

[7] 王金柱，劉春霞，劉鳳云.響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助酶法提取橘皮黃酮的研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā)，2016，37（4）：56-59.

[8] YEDHU KRISHNAN R，CHANDRAN M N，VADIVEL V，et al.Insights on the influence of microwave irradiation on the extraction of flavonoids from Terminalia chebula[J].Separation & purification technology，2016，170：224-233.

[9] 王福濤.蔗渣纖維素疏水改性及纖維素基水凝膠的制備及應(yīng)用[D].南寧：廣西大學(xué)，2017.

[10] 萬(wàn)和軍，馬明波，唐志榮，等.羧基化改性靜電紡天然棕色棉纖維素膜的金屬銅離子吸附性能[J].紡織學(xué)報(bào)，2016，37（4）：1-6.

[11] KANG H L，LIU R G，HUANG Y.Graft modification of cellulose：Methods，properties and applications[J].Polymer，2015，70：A1-A16.

[12] BELGACEM M N，SALONBROCHIER M C，KROUIT M，et al.Recent advances in surface chemical modification of cellulose fibres[J].Journal of adhesion science & technology，2011，25（6/7）：661-684.

[13] 秦秀鳳.柑橘皮中黃酮類化合物提取和純化方法研究[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[14] 張開(kāi)暢，王濤，陳藝群，等.不同顏色茄子果實(shí)的若干營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析[J].亞熱帶農(nóng)業(yè)研究，2016，12（1）：45-49.

[15] 李志銳，樂(lè)粉鵬，王娟，等.超聲微波協(xié)同萃取柚皮總黃酮及其抗氧化性研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā)，2018，39（5）：60-63.