中心組合設計提取橘皮色素研究

李建鳳 ，廖立敏，王 碧＊

（1.內江師范學院 化學化工學院，四川 內江 641112；2.四川省高等學校“果類廢棄物資源化”重點實驗室，四川 內江 641112）

我國是柑橘主要產地之一，柑橘資源豐富，優良品種繁多，產量居世界第三［1－3］.柑橘類水果不僅果實營養豐富，果皮中亦含有豐富的香精油［4－5］、果膠［6－8］、黃酮［9］、多糖［10］、橙皮苷［11］、色素［12］等有效成分.四川內江地區現有柑橘、檸檬等種植面積8 700hm2，其附近的安岳現有柑橘、檸檬等種植面積15 300hm2，總產值近18億元.內江現有飲料制造企業近50 家，內江及安岳年加工柑橘類鮮果100余萬t.而柑橘類果皮渣是柑橘類水果加工業的主要副產物，約占整個果重的25%～40%，因此內江及安岳每年產生約25～40余萬t的柑橘類果皮渣廢棄物.傳統的處理方法是將其直接進行丟棄、填埋或小部分加工成飼料，從環境和經濟的角度分析，都是不科學、不合理的解決途徑.所以柑橘果皮的綜合利用對提高柑橘加工廠的經濟效益和減少污染、保護環境都是十分有利的.橘皮色素可以用于食品加工，以改善感官性質.橘皮色素相比人工合成色素，安全性更高.目前，色素的常用提取方法有蛋白凝固色素提取［13］、超聲波提取［14］、微波提取［15］等.超聲波提取具有操作時間短、溶劑使用量小、受熱均勻、目標組分得率高等優點［16］，本文采用超聲波輔助提取橘皮色素，采用中心組合設計安排實驗，確定其最佳提取工藝，以期為橘皮資源的綜合利用提供科學依據.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

儀器：DFT－100 100g手提式高速粉碎機：溫嶺市林大機械有限公司；CP2202S 電子分析天枰：賽特利斯（北京）有限公司；80－2 離心沉淀器：江蘇省金壇市醫療儀器廠；KQ－400KDB 高功率數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV－mini－1240 紫外可見分光廣度計：島津；DHG－9070A 電爐恒溫鼓風干燥箱：上海申賢恒溫設備廠.

試劑與原料：95%乙醇，成都金山化學試劑有限公司；去離子水，優普超純水機；柑橘，產自四川內江.

1.2 實驗方法

橘皮色素的提取：新鮮柑橘取皮洗凈于60℃下烘干至恒重，粉碎，過篩，取粒徑為60～40目的橘皮粉為實驗原料.準確稱取1g橘皮粉于三角瓶中，加入一定量和一定濃度（體積分數）的乙醇溶液，在一定溫度下超聲波（320 W）處理一定的時間，過濾即得橘皮色素提取液.

橘皮色素相對含量的測定：將上述橘皮色素提取液定容于25 mL，準確移取0.5 mL 定容于10mL，在330nm 波長下測吸光度，以吸光度大小表示提取液中色素相對含量的高低.

實驗設計：本文主要考察提取溫度、乙醇濃度、提取時間和液固比對提取效果的影響，應用Design Expert 7.0軟件中的Central Composite程序設計安排實驗，因素及水平如表1.

表1 因素及水平Tab.1 Factors and levels of experiments

2 結果與討論

中心組合設計實驗安排及結果見表2.

表2 中心組合設計方案及響應值Tab.2 CCD design and response values

用標準多項式回歸方法，對實驗數據進行擬合，可得到如下二次多項式模型：

其中，y是吸光度，β0，βi，βii，βij是 系數，xi，xj是 自變量（提取溫度：A、乙醇濃度：B、提取時間：C 和液料比：D）.該方程即為描述因變量y與自變量x的經驗模型.對此方程進行分析，可以預測在不同提取條件下的相對提取率.可望為最佳提取條件的確定提供理論參考.對所建立的響應模型進行方差分析，結果見表3.由表3可知，試驗選用的模型高度顯著（P＜0.000 1），說明該模型擬合程度良好，可以用此模型來分析以乙醇為溶劑采用超聲波對柑橘皮渣色素的提取.

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Analysis of variance for regression model

表3可以看出橘皮色素提取率實際是受到各個因素及其交叉影響的，其中交互項AC 和BD對提取影響高度顯著，一次項提取時間（C）和液固比（D）對提取的影響相對更為顯著.時間長，有利于色素溶出，但是時間過長則殘渣溶脹而影響后續的過濾操作，另外時間過長也會導致部分色素重新被殘渣吸附.液料比太小，則色素在細胞內外濃度差小，不利于色素溶出.液料比太大，可能會影響超聲波的吸收效率，并且從節約溶劑和減少資源浪費上考慮，液料比也不能太大.提取溫度高，分子運動加快，有利于有效成分的擴散溶出，但是溫度太高會導致提取溶劑損失，另外溫度太高可能會引起色素被破壞.一定濃度的乙醇有利于色素的溶出，但是濃度太大溶劑易揮發損失，同時乙醇濃度過高也會導致其它脂溶性物質的溶出.

模型的各變量的系數估計值見表4，另外對各變量的膨脹因子VIF 進行了計算，從表4 中可以發現，各變量的膨脹因子VIF值均為1，說明各變量間不存在共線性，模型是有效的.

表4 各因素系數估計Tab.4 Coefficient estimation of factors

上述模型對表1中各條件下提取液色素吸光度值進行了預測，結果列于表1.計算值與實驗值相關圖見圖1.從圖1可以看出，大部分樣本點都落在45°的對角線附近，說明模型對于大部分樣本的預測較為準確，同時也說明試驗數據較為準確，模型可以用于分析柑橘皮色素的提取.個別樣本點離對角線稍遠，可能是實驗數據的誤差，從而導致計算結果不夠準確.不論是何種原因導致的大誤差，大誤差的樣本點畢竟不多，模型擬合結果及實驗結果都是值得肯定的.

圖1 預測值與實驗值相關圖Fig.1 Calculated vs.experimental value

通過對提取液吸光度的回歸模型進行二次多項數學解逆矩陣以及相關數學分析，得到橘皮粉末在溫度為40℃、乙醇濃度為70%、超聲時間為20min、超聲料液比10∶l的工藝條件下色素提取率可取得最大值，此時色素提取液吸光度的理論預測值為1.645.通過分析發現中心組合實驗獲得的橘皮色素提取的最優工藝條件，恰好為表2中實驗號為26的實驗，26號實驗得到的橘皮提取液吸光度值為1.682，這比理論預測值1.645 還略高，最佳工藝基本得到驗證.

3 結論

本實驗應用Design Expert軟件中的Central Composite程序設計安排實驗，分析得出超聲波（功率：320 W）提取橘皮色素的最佳工藝條件：溫度為40℃、乙醇濃度（V／V）為70%、超聲時間為20 min、超聲料液比10∶l.與傳統的色素提取方法相比，采用超聲波提取色素，能夠使色素的提取時間大大的縮短，同時能耗降低，工藝操作簡單易控制.而且該方法還有成本低、投資少、環境污染小等優點.本文對于從天然產物中提取色素的研究具有一定參考價值.

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