隨機質心映射優化法研究核桃青皮中蒽醌類色素的提取工藝

丁蕓，劉玉梅(新疆大學化學化工學院，新疆烏魯木齊830046)

核桃青皮又名青龍衣，為胡桃科植物核桃楸(Jugland mandshurica Maxim)和核桃(Juglans regial)的未成熟果皮，主要分布在東北的南部、華北、西北、華中及華東地區［1］。我國每年核桃采收季節均有大量的核桃青皮產生，除少量藥用或作為燃料使用外基本被廢棄，若能對其加以利用，不僅可使核桃青皮變廢為寶，還能減少環境污染［2］。已有研究表明，核桃青皮中主要有效成分是醌類、多酚類、多糖、二芳基庚烷類［3］，此外還含有甾體、萜類、脂肪酸、多種礦物質元素、維生素等成分［4］。蒽醌類化合物廣泛存在于多種植物中，自古以來就是一類重要的天然染料，也是核桃青皮中的主要色素成分［5－6］。

隨機質心映射優化程序(randomcentroid optimization，RCO)是一種全局性的優化程序，是由加拿大英屬哥倫比亞大學食品科學系教授Dr.Nkai于1981年設計的［7］。該方法與常用的正交設計法(orthogonal experimental design，OED)和響應面法(response surface methodology，RSM)相比，能以最少的試驗次數，得到良好的試驗結果，尤其適用于影響因素較多的情況［8－9］。該程序每次循環包括3個步驟:隨機搜索(random search)、質心選擇(centroid search)，及映射優化(mapping optimization)。筆者采用隨機質心映射優化法研究核桃青皮中蒽醌類色素提取工藝，考察了提取溫度、提取時間、超聲時間、料液比、粉碎粒度和乙醇濃度6個影響因素，旨在為核桃青皮進一步利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料 原料:新疆當地核桃青皮，烘干后備用。主要試劑:1，8-二羥基蒽醌標準品(質量分數96% ～98%)，Sigma-Aldrich公司;乙醇、甲醇、醋酸鎂，均為分析純。主要儀器:電子天平，德國賽多利斯，型號:BS210S，精度0.1 mg，稱重范圍0～210 g;超聲波清洗器，型號KQ5200B，昆山市超聲儀器有限公司;離心機，型號Anke.TGL-16G，上海安亭科學儀器廠;UV-5300PC型紫外/可見分光光度計，上海元析儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 標準曲線的繪制。精確稱取1，8-二羥基蒽醌標準品10 mg，加入幾滴乙醚，振蕩使其溶解，用甲醇定容至50 ml，取5 ml稀釋至25 ml容量瓶，配成0.04 mg/ml蒽醌標準溶液。分別移取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 ml標液置于 10 ml容量瓶中，加0.5%醋酸鎂－甲醇溶液至刻度，以0.5%醋酸鎂－甲醇溶液為空白對照，在200～800 nm波長范圍內進行全波長掃描，確定最大吸收波長。以蒽醌質量濃度c(mg/ml)為橫坐標，吸光度值A為縱坐標繪制標準曲線。

1.2.2 待測液的制備。稱取適量粉碎后的核桃青皮，選擇提取溫度、提取時間、超聲時間、料液比、粉碎粒度和乙醇濃度6個影響因素，按表1中給出的各因素的上下限范圍，輸入隨機質心映射優化程序進行隨機設計，分別在給出的對應參數條件下進行提取。提取完成后，抽濾，將提取液定容至50 ml，測定各自的含量，試驗結果以提取液中蒽醌含量來評價。

1.2.3 蒽醌含量的測定。吸取1 ml待測樣品液測吸光度，由標準曲線得出待測樣品液中的蒽醌濃度，再按以下公式計算出提取液中蒽醌的含量。

X=cVN/m

式中，X為含量(mg/g)，c為質量濃度(mg/ml)，V為總體積(ml)，N為稀釋倍數，m為稱取核桃青皮的質量。

表1 待優化因子的上下限范圍

1.3 數據處理 每組試驗的測定次數均為3次，試驗數據采用Microsoft Excel來處理，結果以平均值±標準偏差(means±standard deviation)來表示。

2 結果與分析

2.1 最大吸收波長的選擇及標準曲線的制備 由圖1a可知，標準溶液在波長510 nm處有一特定吸收峰，因此選擇510 nm波長作為測定波長。以樣品的吸光值為縱坐標、蒽醌濃度為橫坐標，制備標準曲線見圖1b，標準曲線的回歸方程為 A=45.592 9c+0.020 9，R2=0.999 6，表明濃度在 4 ～24 μg/ml范圍內，有良好的線性關系。

2.2 隨機質心條件的設計 表2為依據RCO程序設計出 的隨機試驗點，進行第1輪循環的試驗條件及測定結果。

表2 第1輪隨機試驗方案及試驗結果

對第1輪的試驗結果采用RCO軟件進行優化條件映射，圖2中箭頭所指為每個因素的最佳映射條件值，由圖2可以看出，蒽醌類色素第1輪的較好條件為:萃取溫度為76℃，萃取時間為87 min，超聲時間為15 min，料液比為0.08 g/ml，粉碎粒度為20目，乙醇濃度為53%。

由圖2可以看出，箭頭所指方向并不是很明確，映射結果較分散，需要進一步驗證。因此，又在第1輪試驗的基礎上，在RCO程序中輸入第2輪試驗中各個因子的上下限范圍，所得第2輪的試驗的因子水平及結果見表3和圖3。圖3顯示，蒽醌類色素第2輪的優化條件為:萃取溫度50℃，萃取時間103 min，超聲時間23 min，料液比 0.09 g/ml，粉碎粒度80目，乙醇濃度為51%。

表3 第2輪隨機試驗方案及試驗結果

表4 第3輪隨機試驗方案及試驗結果

經過上述2輪試驗優化后，各試驗因素的參數上下線范圍已明顯減小，且第2輪試驗所得提取液的蒽醌含量也已有了明顯的提高，但各因素的最佳試驗點尚不明確，因此，又通過第3輪進行了進一步的優化。試驗結果見表4、圖4。表4數據表明，經過此輪優化，影響蒽醌類色素提取率的各因素最優提取工藝條件已基本明確:分別為萃取溫度為64℃，萃取時間為114 min，超聲時間為24 min，料液比為0.09 g/ml，粉碎粒度為20目，乙醇濃度為60%，此最優組合即為表4中的第30號試驗。從圖4中也能非常直觀地看到優化的試驗結果，此時，蒽醌類的提取率可達(4.84 ±0.14)mg/g。

3 結論

研究通過3輪的隨機質心映射優化試驗對影響核桃青皮中蒽醌類色素提取率的6個主要因素進行了優化，結果表明，最佳提取條件為提取溫度64℃，提取時間114 min，超聲時間24 min，料液比0.09 g/ml，粉碎粒度20目，乙醇濃度60%，在此工藝條件下，蒽醌的提取率可達(4.84±0.14)mg/g。該方法與響應面法和正交設計相比，在影響因素較多時可以在更少的試驗次數內得到最佳的試驗方案。

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