響應(yīng)面法優(yōu)化核桃青皮多酚提取工藝

王新宇 王雪 李慧 畢瑩 范玉林 陳愷 王靜

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.030

引文格式：王新宇，王雪，李慧，等.響應(yīng)面法優(yōu)化核桃青皮多酚提取工藝[J].中國調(diào)味品，2024，49（5）：177-182.

WANG X Y， WANG X， LI H， et al.Optimization of extraction process of polyphenols from walnut green peel by response surface method[J].China Condiment，2024，49（5）：177-182.

摘要：選取新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣核桃青皮作為試驗原料，使用有機溶劑乙醇作為多酚提取劑。將料液比、乙醇濃度、提取溫度和提取時間作為試驗變量，探究其對多酚提取率的影響，同時在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面法改進多酚的提取工藝條件。通過模擬方程發(fā)現(xiàn)核桃青皮在料液比1∶41.41、提取溫度54.28 ℃、乙醇濃度30.98%的條件下所提取的多酚提取率較高。為使結(jié)果更有說服力，在此條件下進行多次驗證試驗，最終得到多酚提取率為5.16 mg/g，所得結(jié)果與理論計算結(jié)果接近，獲得的數(shù)學(xué)模型能夠用于預(yù)測核桃青皮多酚的提取工藝。

關(guān)鍵詞：核桃青皮；溶劑提取；多酚；響應(yīng)面法

中圖分類號：TS201.2????? 文獻標(biāo)志碼：A????? 文章編號：1000-9973（2024）05-0177-06

Optimization of Extraction Process of Polyphenols from Walnut Green

Peel by Response Surface Method

WANG Xin-yu， WANG Xue， LI Hui， BI Ying，? FAN Yu-lin， CHEN Kai， WANG Jing*

（College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Walnut green peel from Wushi county， Aksu prefecture of Xinjiang is selected as the raw material and the organic solvent ethanol is used as the polyphenol extractant. The solid-liquid ratio， ethanol concentration， extraction temperature and extraction time are taken as the test variables， and the effects of them on the extraction yield of polyphenols are investigated.Based on the test results， response surface method is used to improve the extraction process conditions of polyphenols. Through the simulation equation， it is found that the extraction yield of polyphenols extracted from walnut green peel is higher under the conditions of solid-liquid ratio of 1∶41.41， extraction temperature of 54.28 ℃ and ethanol concentration of 30.98%. In order to make the results more persuasive， several verification tests are carried out under these conditions， finally， the extraction yield of polyphenols is 5.16 mg/g. The result is close to the theoretical calculation result， and the obtained mathematical model can be used to predict the extraction process of polyphenols from walnut green peel.

Key words： walnut green peel; solvent extraction; polyphenols; response surface method

收稿日期：2023-10-09

基金項目：2022年中央財政林草科技推廣示范項目（新[2022]TG11號）；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)2022年度大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目計劃（XJCY202233）；2023年新疆維吾爾自治區(qū)研究生創(chuàng)新項目（XJ2023G149）

作者簡介：王新宇（1998—），男，碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

*通信作者：王靜（1978—），女，副教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

核桃（Juglans regia L.），又名胡桃、羌桃，屬胡桃科核桃屬植物，在我國種植面積廣闊，是我國重要的經(jīng)濟作物之一。新疆是我國核桃的重要產(chǎn)區(qū)之一。目前，新疆地區(qū)的核桃種植面積約41.5萬公頃，年產(chǎn)量約100萬噸[1]。核桃青皮是核桃加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，約占果重的50%[2]，其中富含綠原酸、香草酸、槲皮素、沒食子酸、核桃酮[3-4]等多酚類物質(zhì)，這些多酚類物質(zhì)直接或間接參與許多代謝反應(yīng)[5-6]。然而，因其深加工能力有限，大部分核桃青皮被丟棄或焚燒在田間，造成了大量的資源浪費和嚴重的環(huán)境污染?，F(xiàn)有研究如石榴皮多酚應(yīng)用于冷藏雞肉的保鮮、茶多酚應(yīng)用于醬油的生產(chǎn)、薜荔果多酚的抗氧化能力等都展現(xiàn)出植物多酚的巨大發(fā)展前景[7-9]，因此，如何充分挖掘核桃青皮的潛力、實現(xiàn)其高附加值的綜合利用是促進核桃產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益提高的有效手段。

植物多酚提取中常用的方法有溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、生物酶解法等[10-11]。張兆英等[12]采用超聲輔助提取法研究金絲小棗的最佳提取工藝，研究結(jié)果表明，超聲參數(shù)對多酚提取率的影響小于乙醇濃度和料液比。劉煥云等[13]采用微波-超聲波協(xié)同技術(shù)對石榴皮多酚的提取工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)料液比對石榴皮多酚提取率的影響最大，微波功率、超聲波功率、乙醇濃度的影響次之。清源等[14]發(fā)現(xiàn)采用酶法提取油橄欖葉中的多酚可有效提高多酚提取率。雖然使用新型的提取分離方法得到的多酚提取率較高，但料液比和提取劑濃度仍是對植物多酚提取率影響較大的因素，且受到提取工藝條件和提取成本的影響，許多提取方法還處于實驗室階段。雖然溶劑提取法在多酚提取效率和溶劑需求量上有一定缺陷，但是對設(shè)備條件等的要求簡單，方便操作，易于工業(yè)化應(yīng)用。

本試驗采用有機溶劑提取法，以新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣新溫417核桃青皮為試驗原料，對其含有的多酚物質(zhì)進行提取，通過比較各因素（核桃青皮粉末與乙醇的比例、提取溫度、提取時間、乙醇濃度）對核桃青皮提取過程中多酚提取率的影響，確定各因素之間的相互關(guān)系，并以單因素試驗結(jié)果設(shè)計響應(yīng)面試驗，對核桃青皮多酚提取過程中各因素的變化規(guī)律進行綜合分析，最終確定較優(yōu)的提取參數(shù)，并對其進行驗證，為新疆核桃青皮資源的進一步開發(fā)利用提供理論參考。

1? 材料與方法

1.1? 材料與試劑

本試驗所用新溫417核桃青皮，購自新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣。核桃青皮經(jīng)清洗表皮、除去表面灰塵和污物后，在常溫環(huán)境下自然晾曬干制，磨粉過40目篩，在密封狀態(tài)下于0 ℃冰箱中避光冷藏，備用。試驗所用試劑見表1。

1.2? 儀器與設(shè)備

核桃青皮多酚提取過程中所用設(shè)備見表2。

1.3? 試驗方法

試驗采用福林酚法[15]，以沒食子酸濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。當(dāng)沒食子酸濃度在10～50 μg/mL范圍內(nèi)時與吸光度呈良好線性關(guān)系，得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.050 6x+0.018 2（R2=0.995 5）。

核桃青皮多酚提取率（A）計算公式如下：

A（mg/g）=C×V×dm。

式中：C為樣品測試液濃度（μg/mL）；V為樣品測試液體積（mL）；d為稀釋倍數(shù)；m為核桃青皮粉末質(zhì)量（g）。

1.4? 單因素試驗

1.4.1? 提取劑濃度

在固定料液比為1∶40、提取溫度為60 ℃、提取時間為80 min的條件下，使用電子天平稱取晾曬干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL錐形瓶中，一共稱取5組。分別在稱量好核桃青皮粉末的錐形瓶中加入配好的乙醇-水溶液進行提取，其濃度分別為20%、30%、40%、50%、60%，測定并計算核桃青皮多酚提取率。

1.4.2? 料液比

在固定提取溫度為60 ℃、提取時間為80 min、提取劑濃度為30%的條件下，使用電子天平稱取晾曬干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL錐形瓶中，一共稱取5組。分別在稱量好核桃青皮粉末的錐形瓶中加入配好的乙醇-水溶液進行提取，其料液比分別為1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，測定并計算核桃青皮多酚提取率。

1.4.3? 提取溫度

在固定料液比為1∶50、提取時間為80 min、提取劑濃度為30%的條件下，使用電子天平稱取晾曬干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL錐形瓶中，一共稱取5組。分別將稱量好核桃青皮粉末的錐形瓶置于試驗所設(shè)定溫度的恒溫水浴鍋中，其提取溫度分別為40，50，60，70，80 ℃，測定并計算核桃青皮多酚提取率。

1.4.4? 提取時間

在固定料液比為1∶50、提取劑濃度為30%、提取溫度為50 ℃的條件下，使用電子天平稱取晾曬干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL錐形瓶中，一共稱取5組。分別將稱量好核桃青皮粉末的錐形瓶置于試驗所設(shè)定溫度的恒溫水浴鍋中，其提取時間分別為60，70，80，90，100 min，測定并計算核桃青皮多酚提取率。

1.5? 響應(yīng)面試驗

通過對上述所做單個變量試驗結(jié)果的計算與分析，選取對核桃青皮多酚提取率影響較大的3個因素，即核桃青皮粉末與乙醇的比例、提取溫度、乙醇濃度，設(shè)置三因素三水平響應(yīng)面試驗，見表3。通過響應(yīng)面試驗得到較優(yōu)的核桃青皮多酚提取工藝。

1.6? 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)處理，Origin 2022軟件進行繪圖，SPSS 26軟件進行顯著性分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 提取劑濃度對多酚提取率的影響

由圖2可知，核桃青皮多酚提取率隨著乙醇濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)乙醇濃度為30%時，核桃青皮多酚提取率最高，達到3.94 mg/g，顯著高于其他濃度組。這可能是由于多酚類物質(zhì)中包含酚羥基、羧基等，它們是極性有機物。乙醇的加入使提取物具有與多酚相似的極性[16]，從而提高了多酚的提取率。隨著乙醇濃度的繼續(xù)增加，萃取劑的極性大于多酚物質(zhì)的極性，抑制了多酚的溶解度，降低了核桃青皮多酚的提取率。綜合考慮，選擇乙醇濃度為20%、30%、40%設(shè)計響應(yīng)面試驗。

2.2? 料液比對多酚提取率的影響

由圖3可知，隨著核桃青皮粉末與乙醇的比例的增大，多酚提取率先呈上升趨勢，當(dāng)料液比為1∶40時，核桃青皮多酚提取率最高，但料液比大于1∶40后，隨著料液比的增大，核桃青皮多酚提取率下降。原因可能是當(dāng)料液比較小時，溶質(zhì)未能完全擴散到提取劑中，易導(dǎo)致黏性物質(zhì)產(chǎn)生，使得提取劑與青皮粉末接觸不充分，同時粉末中存在部分雜質(zhì)，消耗了部分提取劑，因此多酚提取率較低。隨著提取劑濃度的增加，核桃青皮粉末與提取劑充分接觸，且足量的溶液浸泡使植物組織的破裂速度加快[17]，增加了多酚的提取量。綜合考慮，選擇料液比為1∶30、1∶40、1∶50設(shè)計響應(yīng)面試驗。

2.3? 提取溫度對多酚提取率的影響

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，多酚提取率先升高，當(dāng)提取溫度為50 ℃時，核桃青皮多酚提取率最大，當(dāng)提取溫度超過50 ℃后，核桃青皮多酚提取率先緩慢下降后急劇下降，原因可能是溫度可以加快有機溶劑的擴散速率，使得多酚溶于乙醇溶劑的速度加快，故核桃青皮多酚提取率升高，但由于多酚具有受熱不穩(wěn)定的特性，隨著提取溫度的繼續(xù)升高，多酚類物質(zhì)被氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被破壞，故多酚提取率降低。綜合考慮，選擇提取溫度為40，50，60 ℃設(shè)計響應(yīng)面實驗。

2.4? 提取時間對多酚提取率的影響

由圖5可知，隨著提取時間的延長，核桃青皮多酚提取率先緩慢上升后陡然上升，當(dāng)提取時間為90 min時，核桃青皮多酚提取率達到峰值。提取時間的增加使得提取劑能更好地擴散并與核桃青皮多酚接觸，使得多酚提取率升高。但達到峰值后，隨著提取時間的延長，多酚逐漸被氧化，多酚提取率下降。

2.5? 響應(yīng)面試驗

2.5.1? 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

對表4中數(shù)據(jù)進行擬合，得到核桃青皮多酚提取率（Y）對核桃青皮粉末與乙醇的比例（A）、提取溫度（B）、乙醇濃度（C）的二次多項式回歸方程：Y=+5.04+0.19A+0.31B+0.096C－0.15AB－0.13AC－2.500E－003BC－0.40A2－0.33B2－0.39C2。

由表5可知，本試驗?zāi)Ｐ偷腜＜0.000 1，說明核桃青皮多酚提取的模型回歸結(jié)果尤為突出，A（核桃青皮粉末與乙醇的比例）、B（提取溫度）、C（乙醇濃度）、AB、AC、A2、B2、C2對多酚提取率的影響極顯著（P＜0.01），BC對多酚提取率的影響不顯著（P>0.05）。失擬項不顯著（P＞0.05），說明此模型的擬合度良好[17]。對核桃青皮多酚提取率的影響主次因素可以通過F值得到，即提取溫度（B）的影響最顯著，其次是核桃青皮粉末與乙醇的比例（A），乙醇濃度（C）的影響相對較小。校正絕對系數(shù)RAdj2=0.968 3，表示該擬合模型在核桃青皮多酚提取試驗中具有一定的通用性，因此可利用該模型對核桃青皮多酚提取試驗中各因素的影響進行分析和預(yù)測。

2.5.2? 響應(yīng)面交互作用分析

響應(yīng)面法可將兩個因素的交互作用對響應(yīng)值的影響可視化[18]。在核桃青皮多酚提取率的等高線圖中，等高線為圓形表示兩個因素對核桃青皮多酚提取率的影響不顯著，而等高線為橢圓形表示兩個因素對核桃青皮多酚提取率的影響顯著。在3D模型圖中，拋物面越陡峭表示兩個因素對核桃青皮多酚提取率的影響越大[19]。由圖6可知，固定乙醇濃度，僅探求核桃青皮粉末與乙醇的比例和提取溫度對核桃青皮多酚提取率的影響，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的提取參數(shù)為核桃青皮粉末與乙醇的比例1∶40～1∶45、提取溫度50～55 ℃。提取溫度的曲面坡度和核桃青皮粉末與乙醇的比例對應(yīng)的曲面坡度相比呈現(xiàn)出更平緩的趨勢，表明核桃青皮粉末與乙醇的比例對多酚提取率的影響程度超過了提取溫度。由圖7和圖8可知，核桃青皮粉末與乙醇的比例和乙醇濃度的交互作用、提取溫度和乙醇濃度的交互作用對核桃青皮多酚提取率均有顯著影響[20]。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面建模優(yōu)化了核桃青皮多酚的較佳提取工藝條件，并進行了多次驗證試驗，結(jié)果表明，該研究得到的模型合理可行。固定提取溫度，最優(yōu)的乙醇體積分數(shù)為30%～35%，最優(yōu)的核桃青皮粉末與乙醇的比例為1∶40～1∶45，以達到最佳的提取效果。此時，與乙醇濃度相比，核桃青皮粉末與乙醇的比例對核桃青皮多酚提取率的影響更大；若僅考慮提取溫度和乙醇濃度對多酚提取率的交互作用，最優(yōu)的工藝為提取溫度50～55 ℃、乙醇濃度30%～35%，提取溫度對核桃青皮多酚提取率的影響大于乙醇濃度。

2.5.3? 驗證試驗結(jié)果

根據(jù)模型的優(yōu)化結(jié)果，得到較佳的提取工藝為料液比1∶41.41、提取溫度54.28 ℃、乙醇濃度30.98%，在此條件下，模型預(yù)測的多酚得率為5.13 mg/g。結(jié)合實際并經(jīng)過驗證，得出了較佳方案：采用1∶40的料液比，在54 ℃的提取溫度下，將乙醇濃度控制在30%。在上述條件下，核桃青皮多酚提取率為5.16 mg/g，表明該模型的預(yù)測結(jié)果與實際情況高度吻合，該模型在實踐中具有一定的指導(dǎo)意義。

3? 結(jié)論

本文采用乙醇為溶劑提取核桃青皮中的多酚，測定其含量并計算其提取率。通過單因素變量試驗，篩選出提取溫度、乙醇濃度和核桃青皮粉末與乙醇的比例這3個因素對核桃青皮多酚的有機溶劑提取法提取條件產(chǎn)生較大影響，并利用響應(yīng)面法進行優(yōu)化，建立了以核桃青皮多酚提取率為目標(biāo)值，以核桃青皮粉末與乙醇的比例、乙醇濃度和提取溫度為評價因素的數(shù)學(xué)模型。試驗結(jié)果表明乙醇濃度、核桃青皮粉末與乙醇的比例、提取溫度對核桃青皮多酚提取率的影響大小為提取溫度>核桃青皮粉末與乙醇的比例>乙醇濃度。利用模型方程得到核桃青皮多酚的較佳提取工藝條件為提取溫度54.28 ℃、核桃青皮粉末與乙醇的比例1∶41.41、乙醇濃度30.98%，在此條件下進行多次試驗驗證，結(jié)果與理論值的擬合度良好，表明利用響應(yīng)面法優(yōu)化核桃青皮多酚提取的數(shù)學(xué)模型具有一定的可靠性，可為后續(xù)核桃青皮多酚的進一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

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