响应面分析溪蜜柚果皮中柚皮苷的醇提取工艺

许方驰,潘思轶

(华中农业大学食品科学与技术学院/环境食品学教育部重点实验室,湖北武汉 430070)



许方驰,潘思轶*

(华中农业大学食品科学与技术学院/环境食品学教育部重点实验室,湖北武汉 430070)

为了有效利用废弃物柚子果皮,提高柚皮中柚皮苷的提取效率,利用响应面分析法对醇溶液提取工艺条件优化。最适合工艺条件:液料比25∶1(mL/g)、乙醇浓度77%、提取时间57 min、提取温度60 ℃,在此工艺条件下进行实验,柚皮苷得率为5.83%,与理论预测值仅相差0.24%,验证了数学模型的有效性。

柚皮,柚皮苷,提取,响应面分析

柚皮苷是一种二氢黄酮类物质,主要存在于柚及其变种的果皮及果实中。研究表明,柚皮苷具有抗肿瘤[1]、抗菌[2]、抗氧化[3]、降血脂、降血胆固醇、保护胃黏膜、解痉、镇痛、改善微循环、降低毛细血管脆性、改善软骨组织细胞功能、降低骨关节病变、促进一些药物在人体内的吸收和代谢等活性[4-5]。在医药和食品等领域具有极大的应用价值。

研究表明,柚皮中黄酮类化合物主要为柚皮苷、新橙皮苷等二氢黄酮类,其中柚皮苷占80%以上,柚皮苷分布于柚皮中不同部分,随果实成熟度增加而降低[6]。

近年来,我国柚产业迅速发展,琯溪蜜柚占其中非常大的比重,但是国内对柚皮深加工的柚类品类仍以胡柚居多。为了契合快速发展的琯溪蜜柚产业,对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对环境污染更小,方便工业化生产,而且不会破坏柚皮中其它营养物质,更利于进一步加工和综合利用。黄小茉等通过乙醇法提取柚皮中柚皮苷,同时对滤液采用酒石酸法提取果胶,达到了同时提取柚皮苷和果胶的目的[7-8]。因而本文选择醇法提取柚皮苷的工艺进行响应面分析,以期为工业生产中琯溪蜜柚废弃柚皮的利用提供参考依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

原料:福建琯溪蜜柚,试剂:无水乙醇(国药试剂)、一缩二乙二醇(国药试剂)、氢氧化钠(国药试剂)、柚皮苷标准品(Aladdin)。

UV-2550型紫外分光光度计日本岛津公司;HH-2数显恒温水浴锅国华电器有限公司;分析天平梅特勒-托利多仪器上海有限公司;DHG-06-200B型鼓风干燥箱武汉市海声达仪器设备有限公司。

1.2实验方法

原料预处理:将鲜柚子剥皮,去除黄色外果皮,取白色海绵状中果皮切碎并于60 ℃烘干、粉碎过20目制成柚皮粉,保存备用。

标准曲线建立:分别取浓度为0.16 mg/mL柚皮苷标准品溶液0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 mL于10 mL比色管中,分别加入90%一缩二乙二醇5 mL和4 mol/L NaOH溶液0.1 mL,加蒸馏水至刻度,摇匀,在40 ℃水浴10 min,冷却后于420 nm处测定其吸光度[9]。

1.3单因素影响柚皮苷得率实验

称取柚皮粉5 g于圆底烧瓶中搅拌水浴加热,在乙醇浓度75%、提取时间60 min、提取温度60 ℃条件下,分别作不同液料比的单因素实验。

称取柚皮粉5 g于圆底烧瓶中搅拌水浴加热,在液料比25∶1(mL/g)、提取时间60 min、提取温度60 ℃条件下,分别作不同乙醇浓度的单因素实验。

称取柚皮粉5 g于圆底烧瓶中搅拌水浴加热,在液料比25∶1(mL/g)、乙醇浓度75%、提取温度60 ℃条件下,分别作不同提取时间的单因素实验。

称取柚皮粉5 g于圆底烧瓶中搅拌水浴加热,在液料比25∶1(mL/g)、乙醇浓度75%、提取时间60 min条件下,分别作不同提取温度的单因素实验。

1.4响应面设计

参考单因素实验结果,选取(A)液料比、(B)乙醇浓度、(C)提取时间、(D)提取温度四因素为自变量,以柚皮苷得率为响应值,根据Box-Benhnken中心组合设计原理进行4因素3水平实验设计。利用Design Expert 8.0.5b软件进行数据拟合。建立模型并进行最佳工艺验证,响应面分析因素水平设计如表1所示:

表1　响应面分析因素水平表

1.5数据处理

运用Origin 8.5和Design Expert 8.0.5b软件对实验数据进行分析。

2　结果与分析

2.1标准曲线

按照实验结果,以吸光度为横坐标,标准溶液溶度为纵坐标制作标准曲线,得到标准曲线的回归方程:C=3.4036A+0.0029,R2=0.9991。

2.2单因素实验

通过作不同液料比、不同乙醇浓度、不同提取时间和不同提取温度对柚皮苷得率影响的单因素实验,按得到结果作图。

由图1可知,随着液料比增大,柚皮苷的得率先上升后下降。当液料比太小时,柚皮苷未能全部转移到液相中,提取不完全,得率较低。随着料液比的增大,柚皮苷得率逐渐增加。在达到液料比为25∶1时,柚皮苷的得率达到最大,继续增大料液比,柚皮苷得率逐渐下降。料液比过大时,溶剂消耗量增加,会造成过滤过程中的实验误差,增加溶剂成分,因而最佳的料液比为25∶1(mL/g)。

图1　液料比对柚皮苷得率的影响Fig.1　Effects of the ratio of solutionto material on the extraction rate

由图2可知,随着乙醇浓度增大,柚皮苷的得率先上升后快速下降。当乙醇的浓度太小,则原料提取不完全,不能将所有的柚皮苷转移到浸提液中,当乙醇浓度太大,则产生很大的渗透压,影响柚皮苷的提取速度,同时高浓度的乙醇也可能对液相中的柚皮苷起反应,造成误差,影响柚皮苷得率,因而最佳的乙醇浓度为75%。

图2　乙醇浓度对柚皮苷得率的影响Fig.2　Effects of the ethanol concentration on the extraction rate

由图3可知,随着提取时间增大,柚皮苷的得率先上升后缓慢下降。当提取时间太短,柚皮中的柚皮苷未能完全溶解出来,提取不完全,提取时间过长,就容易造成柚皮中的其他物质在热提取的过程中被提取,影响对柚皮苷含量测定,同时长时间热提取有可能造成乙醇与柚皮苷的反应,降低柚皮苷得率,因而最佳的提取时间为60 min。

图3　提取时间对柚皮苷得率的影响Fig.3　Effects of time on the extraction rate

由图4可知,随着提取温度增大,柚皮苷的得率先快速上升后快速下降。当提取温度高到一定值时,柚皮苷的提取除了有溶剂效应外,还有热效应的影响,随着温度的继续升高,热效应更加显著,当提取温度过高时,高温条件下易使乙醇溶液挥发,柚皮中各物质降解,影响柚皮苷的提取效果,因而最佳的提取温度为60 ℃。

图4　提取温度对柚皮苷得率的影响Fig.4　Effects of temperature on the extraction rate

2.3响应面分析方案及实验结果

2.3.1响应面实验结果及方差分析响应面设计方案和实验结果如表2所示。

表2　响应曲面实验以及响应值

通过Design Expert 8.0.5b软件对表2数据进行拟合得到回归方程为:

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为柚皮苷得率,A为液料比,B为乙醇浓度,C为提取时间,D为提取温度。

模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考察。由表3可知,模型的F值为16.15,p值小于0.0001,表明该回归模型达到极显著水平。模型的失拟项F值为2.24,p=0.2269>0.05,表明模型的失拟度不显著,即该模型的预测值与实验值有较好的吻合度。该模型的R2值0.9417,表明超过94.17%的实验数据可应用模型来拟合。模型中PredR2值0.7012相对于AdjR2值0.8834是合理的,同时Adeqp值为12.013>4是一个合理的指标。综上表明该模型可对柚皮中柚皮苷的得率进行预测和分析。

模型中B、C、A2、B2、C2、D2对响应值柚皮苷得率的影响极显著(p<0.01),AC对响应值柚皮苷得率的影响显著(p<0.05),而A、D、AB、AD、BC、BD、CD对响应值柚皮苷得率的影响不显著(p>0.05)。在所选因素的水平范围内,根据F值和p值可以判断个各工艺条件对柚皮苷得率的影响强弱,其中F值越大,说明影响作用越强(或p值越小,作用影响越强),各因素按影响大小排列依次为:乙醇浓度>提取时间>提取温度>液料比,即B>C>D>A。

表3　响应曲面方差分析表

图5　各两因素交互作用对综合指标影响的响应面 Fig.5　Responsesurfaceplotsshowingtheinteractionof4differentparametersontheyield

两者的交互中提取时间C影响大于提取温度D，而AC的响应面图中，等高线偏椭圆形，说明二者交互作用显著。综上所述液料比A和提取时间C交互作用最为显著,提取时间C相对于提取温度D影响较大,各交互作用中液料比A影响最小,各因素按影响大小排列依次为:乙醇浓度B>提取时间C>提取温度D>液料比A,符合响应面方差分析表中结果。

2.3.3实验验证及最佳工艺条件确定利用Design Expert 8.0.5b软件对实验参数进一步优化,可以得出最优条件为液料比24.81∶1(mL/g),乙醇浓度77.17%,提取时间57.13 min,提取温度59.91 ℃,在此工艺条件下,柚皮苷得率为5.84%。为了方便实验操作,将优化条件修正为:液料比25∶1(mL/g),乙醇浓度77%,提取时间57 min,提取温度60 ℃,在此条件下进行3次重复验证实验,柚皮苷的得率平均值为5.83%,相对误差0.24%,差异不显著。说明采用响应面法优化工艺提取参数较为准确,具有一定的实用价值。

3　结论

在单因素的实验基础上,应用响应面分析对乙醇法提取柚皮苷工艺条件进行优化,最佳的工艺参数为:液料比25∶1(mL/g);乙醇浓度77%,提取时间57 min,提取温度60 ℃,柚皮苷的得率可以达到5.83%,与理论预测值仅相差0.24%,验证了数学模型的有效性,该模型能较好地对柚皮苷的得率进行预测和分析,可以为柚皮苷的乙醇提取工艺提供一定的理论依据。

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[9]贾冬英,姚开,谭敏,等.柚皮中柚皮苷的乙醇提取工艺研究[J].中草药,2002,33(9):801-802.

2.3.2得率的响应面分析为了更为直观地表现两因素对于柚皮苷得率的影响,将方程中的任意两个因素固定在零水平,利用Design Expert 8.0.5b软件进行计算得到响应面图,分别考察各实验因素对柚皮苷的得率的交互作用。从图5中可知,乙醇浓度B对柚皮苷的得率影响最为显著,在BA、BC、BD对比响应面图中表现为曲线陡峭,随着液料比A、提取时间C、提取温度D的增大或减小响应值变化较大;料液比A相对于乙醇浓度B、提取时间C和提取温度D反应最为迟缓,在AB、AC、AD对比响应面图中表现为曲线平缓,随着乙醇浓度B、提取时间C、提取时间C的增大或减小响应值变化较小;在CD对比响应面图中,等高线偏圆形,说明提取时间C和提取温度D的交互作用不显著,响应值坡度相对平缓,响应值随着提取时间的变化率大于提取温度的变化率,说明

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

许方驰(1991-)，男，硕士，研究方向：柑橘贮藏及加工，E-mail:xufangchi1991@163.com。

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

TS255.1

B

1002-0306(2016)11-0238-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.040