響應面分析法優化纖維素酶提取陳皮中橙皮苷工藝的研究

肖　南，林敏欣

（華南農業大學食品學院，廣東廣州　510642）

響應面分析法優化纖維素酶提取陳皮中橙皮苷工藝的研究

肖南1，林敏欣2

（華南農業大學食品學院，廣東廣州510642）

采用響應面分析法優化了陳皮中橙皮苷的提取條件。在單因素試驗基礎上，選取酶添加量、酶解溫度、浸提溫度、酶解pH值為自變量，橙皮苷提取率為響應值，采用中心組合設計的方法，研究各自變量及其交互作用對橙皮苷提取率的影響。結果表明，酶解法提取陳皮中橙皮苷的最佳工藝條件為酶添加量21 mg/g，酶解pH值5.5，酶解溫度42℃，浸提溫度90℃時，橙皮苷的提取率可達10.78%，預測模型較合理。

纖維素酶；橙皮苷；陳皮；響應面

0　引言

陳皮被譽為廣東三寶之一，是新鮮成熟的四會柑取其果皮經自然曬制后而得。陳皮是一味常見中藥，具有通氣健脾、燥濕化痰、解膩留香、降逆止嘔等藥理功效?，F代醫學研究表明，陳皮中含有橙皮苷、類檸檬苦素、揮發油等多種成分，其中橙皮苷為主要成分。橙皮苷具有消炎、抑菌、增強免疫力、防輻射等生理作用［1］。國外有研究表明，橙皮苷還具有抗焦慮、抗氧化、抗癌［2］等藥理作用。此外，作為一種二氫黃酮苷物質，橙皮苷常應用于維生素類藥物中，起到增強毛細管韌性、防止毛細血管破裂出血的作用，在臨床上多用于心血管疾病的治療。鑒于橙皮苷的多種藥理和療效作用，2015版《中國藥典》中規定陳皮的品質檢測指標為橙皮苷［3］。

許多研究已表明，植物性中藥的有效成分通常分布在細胞壁包裹著的細胞內部［4］，要提高目標產物的提取率和充分利用資源，需采取有效方法破壞其細胞壁而使細胞中有效成分析出，同時不會對有效成分結構等造成太大的破壞。柑橘皮細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，纖維素酶具有專一性和高效性，是破壞細胞壁的良好選擇。王巖巖等人［5］用薄層層析法對纖維素酶酶解提取的陳皮黃酮類物質進行檢測，證明酶法提取黃酮時不會破壞其有效成分。喻明潔等人［6］對橙皮苷的提取分離及檢測方法進行了整理，傳統的浸提法、回流法和索氏提取法等提取方法提取時間長、提取效率低，其中回流法和索氏提取法還需使用有機溶劑，不符合環境友好要求。本試驗利用纖維素酶破壞陳皮細胞壁結構，使橙皮苷析出到溶劑中，從而提高橙皮苷的提取率，以改善傳統提取工藝的不足。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

陳皮（東鵬特飲公司提供），經過烘箱進一步干燥后，用中草藥粉碎機打成粉末，過60目篩，得陳皮粉。

纖維素酶，酶活力1 500 NCU/g，諾維信（中國）生物技術有限公司提供；橙皮苷標準品（Hesperidin，HPLC＞98%，20 mg），寶雞市辰光生物有限公司提供；乙醇、檸檬酸、檸檬酸鈉，均為分析純。

1.2儀器與設備

UV-1800型紫外分光光度計，日本島津公司產品；HH-4型數顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產品；Centrifuge 5804R型臺式高速離心機，德國艾本德（中國） 股份有限公司產品；SHZ-III型循環水真空抽濾機，上海亞榮生化儀器廠產品；BSA1245型電子分析天平、PB-10標準型pH計，Sartorius科學儀器（北京）有限公司產品。

1.3試驗方法

1.3.1酶解輔助水工藝從陳皮中浸提橙皮苷的操作過程

稱取1.000 g陳皮粉于100 mL燒杯中，加入纖維素酶，按液料比加入合適pH值的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，放入水浴鍋中水浴酶解一定時間后，再放入另一溫度的水浴鍋中浸提一定時間，取出冷卻至室溫，以轉速4 000 r/min離心分離5 min，抽濾，量取體積，稀釋100倍，于紫外分光光度計中測吸光度。

1.3.2單因素試驗及設計方案

對酶添加量、液料比、酶解pH值、酶解溫度、酶解時間、浸提溫度、浸提時間這7個單因素分別進行單因素試驗。每個因素取5個梯度，每個梯度各做3個平行處理，結果取平均值。

各單因素變量的梯度水平見表1。

表1　各單因素變量的梯度水平

1.3.3響應面設計

根據單因素試驗的結果，選取酶添加量、酶解pH值、酶解溫度、浸提溫度4個對橙皮苷提取率影響較顯著的單因素變量進行響應面設計試驗，以探求在各單因素共同作用的條件下獲得最大橙皮苷提取率的最佳工藝參數。

1.3.4橙皮苷標準曲線的繪制

準確稱取10 mg橙皮苷標準品，置于100 mL容量瓶中，加乙醇充分溶解，定容至刻度，搖勻，配制成橙皮苷標準品溶液，質量濃度為0.1 mg/mL［7］。

以乙醇為空白對照液，用紫外分光光度計于200～600 nm波長對橙皮苷標準品溶液進行光譜掃描，確定波長吸收峰。

橙皮苷標準品吸收峰見圖1。

圖1　橙皮苷標準品吸收峰

式中：C——橙皮苷質量濃度，mg/mL，可根據測得的實際吸光度代入橙皮苷標準曲線方程求得；

V——體積，mL；

m——陳皮粉質量，mg。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果及分析

2.1.1酶添加量對橙皮苷提取率的影響

準確稱取 1.000 g陳皮粉，在液料比 30∶1 （V∶W），酶解pH值5.0，酶解溫度60℃，酶解時間90 min，浸提溫度100℃，浸提時間45 min的條件下，探討酶添加量分別為10，20，25，30，40 mg/g時對橙皮苷提取率的影響。

不同酶添加量對橙皮苷提取率的影響見圖2。

由圖2可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著酶添加量的增加而增大。在酶添加量為20 mg/g時橙皮苷提取率達到最大值5.90%，隨后提取率隨著酶添加量的

由圖1可知，標準品溶液于284 nm處有最大吸收峰，因此確定284 nm為檢測波長。

配制一組不同質量濃度的標準液，于波長284 nm處分別測定上述稀釋溶液各自的吸光度，繪制吸光度A（Y）與橙皮苷質量濃度C（mg/mL） （X）的標準關系曲線，得到回歸方程：Y=11.62X+0.083（R2= 0.999）。

1.3.5橙皮苷提取率的計算增加而降低。其原因可能是在酶濃度較高情況下發生了競爭性抑制作用，競爭性抑制作用可通過增加底物濃度得以解除［8］；當酶添加量低于20 mg/g時，底物濃度相對較高，反應體系內不存在競爭性抑制作用，因此橙皮苷提取率與酶添加量呈正相關；當酶添加量高于20 mg/g時，底物濃度相對較低，無法解除競爭性抑制作用，導致橙皮苷提取率下降。由此可初步得知，酶解輔助水浸提工藝的最佳酶添加量為20 mg/g。

圖2　不同酶添加量對橙皮苷提取率的影響

2.1.2酶解pH值對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，液料比30∶1（V∶W），酶解溫度60℃，酶解時間90 min，浸提溫度100℃，浸提時間45 min的條件下，探討酶解pH值分別為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0時對橙皮苷提取率的影響。

不同酶解pH值對橙皮苷提取率的影響見圖3。

圖3　不同酶解pH值對橙皮苷提取率的影響

由圖3可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著酶解pH值的增大而緩慢增大。在酶解pH值達到5.5時橙皮苷提取率達到最大值6.36%，隨后提取率隨著酶解pH值的增大而降低。由此可初步得知，酶解輔助水浸提工藝的最佳酶解pH值為5.5。

2.1.3酶解溫度對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，液料比30∶1（V∶W），酶解pH值5.0，酶解時間90 min，浸提溫度100℃，浸提時間45 min的條件下，探討酶解溫度分別為30，40，50，60，70℃時對橙皮苷提取率的影響。

不同酶解溫度對橙皮苷提取率的影響見圖4。

由圖4可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件固定的情況下，橙皮苷提取率隨著酶解溫度的上升而增大。在酶解溫度為40℃時橙皮苷提取率達到最大值7.05%，隨后提取率隨著酶添加量的增加而降低；當酶解溫度達到60℃后，橙皮苷提取率較低且趨于穩定，原因可能是酶解溫度過高使酶失活，從而導致低提取率。由此可初步得知，酶解輔助水浸提工藝的最佳酶解溫度為40℃。

圖4　不同酶解溫度對橙皮苷提取率的影響

2.1.4酶解時間對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，液料比30∶1（V∶W），酶解pH值5.0，酶解溫度60℃，浸提溫度100℃，浸提時間45 min的條件下，探討酶解時間分別為40，60，80，100，120 min時對橙皮苷提取率的影響。

不同酶解時間對橙皮苷提取率的影響見圖5。

圖5　不同酶解時間對橙皮苷提取率的影響

由圖5可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著酶解時間的增加而增大。在酶解時間達到60 min時橙皮苷提取率達到最大值5.72%；隨后提取率隨著酶添加量的增加而趨于穩定，基本維持在5.6%～5.7%的提取率范圍內，即酶解時間達到60 min后延長酶解時間對橙皮苷提取率影響不大。由此可初步得知，酶解輔助水浸提工藝的最佳酶解時間為60 min。

2.1.5浸提溫度對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，液料比30∶1（V∶W），酶解pH值5.0，酶解溫度60℃，酶解時間90 min，浸提時間45 min的條件下，探討浸提溫度分別為60，70，80，90，100℃時對橙皮苷提取率的影響。

不同浸提溫度對橙皮苷提取率的影響見圖6。

由圖6可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著浸提溫度的增加而增大。在浸提溫度為80℃時，橙皮苷提取率達到最大值5.98%；隨后提取率隨著酶添加量的增加而降低，原因可能是浸提溫度過高使橙皮苷分解。胡玉梅等人［9］的研究表明，橙皮苷在溫度較低的條件下較穩定，而在浸提溫度較高的條件下（80℃以上）降解率則超過20%，100℃加熱2 h，降解率達28.9%?？梢娊釡囟冗^高會導致橙皮苷分解、提取率下降。因此，酶解輔助水浸提工藝的最佳浸提溫度為80℃。

圖6　不同浸提溫度對橙皮苷提取率的影響

2.1.6浸提時間對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，液料比30∶1（V∶W），酶解pH值5.0，酶解溫度60℃，酶解時間90 min，浸提溫度100℃的條件下，探討浸提時間分別為15，25，35，45，55 min時對橙皮苷提取率的影響。

不同浸提時間對橙皮苷提取率的影響見圖7。

圖7　不同浸提時間對橙皮苷提取率的影響

由圖7可知，對1.000 g陳皮粉進行上述處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著浸提時間的增加而增大。在浸提時間為35 min時，橙皮苷提取率達到最大值6.51%；隨后提取率隨著浸提時間的增加而降低。浸提時間達到35 min后提取率開始下降，其原因可能是隨著浸提時間的增長，有部分橙皮苷開始分解。文赤夫等人［10］的研究表明，在加熱溫度相同的情況下，加熱時間0～30 min內橙皮苷較穩定，加熱時間達到35 min后橙皮苷含量開始下降?？梢娊釙r間過長可能會使橙皮苷分解，導致提取率下降。因此，酶解輔助水浸提工藝的最佳浸提時間為35 min。

2.1.7液料比對橙皮苷提取率的影響

準確稱取1.000 g陳皮粉，在酶添加量10 mg/g，酶解pH值5.0，酶解溫度60℃，酶解時間90 min，浸提溫度100℃，浸提時間45 min的條件下，探討液料比分別為25∶1，30∶1，40∶1，50∶1，55∶1 （V∶W）時對橙皮苷提取率的影響。

不同液料比對橙皮苷提取率的影響見圖8。

圖8　不同液料比對橙皮苷提取率的影響

由圖8可知，對1.000 g陳皮粉進行上述試驗處理，其他條件不變的情況下，橙皮苷提取率隨著液料比的增大而增大，在液料比為50∶1（V∶W）時橙皮苷提取率達到最大值5.88%；隨后提取率隨著液料比的增加而降低。由此可初步得知，酶解輔助水浸提工藝的最佳液料比為50∶1（V∶W）。

2.2響應面設計試驗結果及分析

2.2.1響應面設計試驗的結果

在單因素試驗的基礎上，利用Design Expert中的Box-Behnken Design，從7個單因素中選取4個對試驗結果影響較顯著的因素進行響應面設計試驗。根據單因素試驗結果，液料比、酶解時間及浸提時間3個因素對試驗結果影響不顯著，主要表現在這3個因素取最優值時，與取最優值前后2個值的結果相比，橙皮苷提取率的變化小于0.5%，用于響應面優化不符合實際意義；此外，根據實踐經驗，酶添加量及其受溫度、pH值的影響比其受時間的影響更顯著，因此本試驗選取酶添加量、酶解溫度、酶解pH值和浸提溫度4個因素進行響應面設計，設計方案共包括29個組合試驗，試驗方法按照1.3.1的方法，固定條件為酶解時間60 min，浸提時間35 min，液料比50∶1（V∶W），每組試驗進行3個平行處理，結果取平均值。

響應面試驗設計方案及結果見表2。

2.2.2回歸方程方差分析及處理

根據表2的試驗組合及實際試驗數據，利用Design Expert建立四元二次回歸方程，得到的四元二次回歸方程為：

Y=0.012BC+0.000 1BD+0.031CD-0.001 9A2+ 0.001 3B2+1.95C2+0.003 675D2.

此為本設計方案的全模型回歸方程，對此方案進行方差分析。

方差分析（全模型）見表3。

表2　響應面試驗設計方案及結果

由表3可知，回歸方程的F值為43.82，說明回歸方程顯著，即方程預測值與試驗所得實際值接近或吻合；失擬檢驗F值為2.03，表示水平不顯著，說明試驗受未知因素干擾的概率很小，即模型符合要求；顯著水平p＜0.05說明該項顯著，即A，B，C，D，AD，CD，A2，B2，C2，D2均為顯著項，其中B，D，C2，D2達到高度顯著水平；顯著水平p＞0.1說明該項不顯著，即AB，AC，BC，BD均為不顯著項。

為簡化模型，可于α=0.1顯著水平剔除不顯著因素［11］，得到縮減模型。

方差分析（縮減模型）見表4。

表4　方差分析（縮減模型）

由表4可知，優化后的方程如下：

Y=0.001 3B2-1.95C2+0.003 675D2.

縮減模型后所得的回歸方程顯著性檢驗F值為60.62，說明回歸方程顯著，即方程預測值與試驗所得實際值接近或吻合；失擬檢驗F值為1.96，表示失擬水平不顯著，說明試驗受未知因素干擾的概率較小，試驗誤差較小，即縮減后的模型仍符合要求，可用于對試驗結果的分析。該模型的回歸變異占總變異的97.2%，目標函數與自變量之間具有明顯的線性關系，能較好地反映酶添加量、酶解溫度、酶解pH值及浸提溫度對橙皮苷提取率的影響。

2.2.3響應面圖分析

酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、浸提溫度兩兩交互作用對橙皮苷提取率的影響見圖9。

從單個因素的角度觀察，隨著酶添加量（A）的增加，橙皮苷提取率先增大后減小，當酶添加量處于中間水平時，橙皮苷提取率達到最大值；橙皮苷提取率隨酶解溫度（B）和酶解pH值（C）變化而變化的情況與酶添加量類似，當酶解溫度與酶解pH值處于中間水平時，橙皮苷提取率最大；隨著浸提溫度（D）的增大，橙皮苷提取率逐漸增大，浸提溫度水平較低時，橙皮苷提取率增長明顯、速率較快，當浸提溫度達到80℃，橙皮苷提取率達到最大值，隨后隨著浸提溫度的升高，橙皮苷提取率趨于穩定。單因素試驗中，浸提溫度達到80℃后隨著溫度升高，橙皮苷提取率呈下降趨勢；但在響應面試驗中，浸提溫度達80℃后隨著溫度升高，橙皮苷提取率趨于穩定，原因可能是當其他因素在響應面試驗中均取較優值時，與浸提溫度相比，橙皮苷提取率受其他因素的影響更大，導致浸提溫度對橙皮提取率的影響不顯著。

圖9　酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、浸提溫度兩兩交互作用對橙皮苷提取率的影響

分析各因素兩兩交互作用的結果，當酶添加量、酶解溫度、酶解pH值均處于中間水平時，橙皮苷提取率有較大值；當浸提溫度處于較高水平、其他因素處于中間水平時，橙皮苷提取率有較大值。

根據曲線的陡峭或平滑程度，可得知各因素對橙皮苷提取率的影響程度［12］，結合表4的方差分析，可知其他條件不變的前提下，各因變量對橙皮苷提取率的影響大小排列順序為酶解pH值＞酶解溫度＞酶添加量＞浸提溫度。浸提溫度取較高值，酶添加量、酶解溫度、酶解pH值取中間值時，橙皮苷提取率有最大值，各因素的具體取值則利用Design Expert的Optimization優化分析對模型進行處理，得出最佳工藝條件為酶添加量21 mg/g，酶解pH值5.5，酶解溫度42℃，浸提溫度90℃，預測橙皮苷提取率為10.88%。

2.3優化驗證試驗的結果及分析

根據Design Expert分析預測所得的最佳工藝條件進行驗證試驗，試驗方法按照1.3.1的方法，固定條件為酶解時間60 min，浸提時間35 min，料液比50∶1（V∶W），每組試驗進行3個平行處理，結果取平均值。

驗證試驗結果顯示橙皮苷提取率為10.78%，與預測值10.88%接近?！吨袊幍洹分幸幎惼さ淖畹统绕ぼ蘸繛?.5%，本試驗橙皮苷提取率10.78%，符合陳皮中最低橙皮苷含量要求，可見響應面優化模型合理可行。提取橙皮苷的最佳工藝條件為酶添加量21 mg/g，酶解pH值5.5，酶解溫度42℃，浸提溫度90℃，酶解時間60 min，浸提時間35 min，液料比50∶1（V∶W）。

3　結論

通過單因素試驗可得出，在其他條件相同的情況下每個單因素對橙皮苷提取率的影響情況及其最佳取值，試驗結果顯示，單因素試驗中最佳液料比為50∶1（V∶W），最佳酶添加量為20 mg/g，最佳酶解pH值為5.5，最佳酶解溫度為40℃，最佳酶解時間為60 min，最佳浸提溫度為80℃，最佳浸提時間35 min。

設計響應面優化試驗對酶解輔助水浸提工藝進行優化，最終得到的最佳組合工藝條件為液料比50∶1（V∶W），酶添加量21 mg/g，酶解pH值5.5，酶解溫度42℃，酶解時間60 min，浸提溫度90℃，浸提時間為35 min。經過驗證試驗，該組合處理所得的橙皮苷提取率10.78%與預測值10.88%十分接近，因此可判定響應面優化模型合理可行。

相比傳統的橙皮苷提取方法，優化后的工藝具有提取率高、耗時較短、效率較高等優點，且此工藝主要試劑為水和纖維素酶，纖維素酶添加量較少，因此較符合環境友好要求及經濟效益要求。

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Study on Cellulose Enzyme-assisted Extraction of Hesperidin from Pericarpium Citri Reticulatae with Response Surface Analysis

XIAO Nan1，LIN Minxin2（Food College，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong 510642，China）

To optimize the cellulose enzyme-assisted extraction of hesperidin from Pericarpium citri reticulatae，on the base of the single factor investigation，amount of enzyme added，reaction pH，hydrolysis temperature，extraction temperature are studied with the central composite design and their interactions on the yield of hesperidin from Pericarpium citri reticulatae are also investigated.Optimal conditions can be concluded as follows：enzyme dosage 21 mg/g，hydrolysis pH 5.5，hydrolysis temperature 42℃，extraction temperature 90℃，purified water as the solvent.On these conditions，the yield of the hesperidin is up to 10.78%.

cellulose enzyme；hesperidin；Pericarpium citri reticulatae；response surface analysis

R284.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.08.034

1671-9646（2016）08b-0018-06

2016-06-21

廣東省科技計劃項目“嶺南特色陳皮飲料的技術研究及產業化”（2013B090600040）。

肖南（1979— ），女，碩士，實驗師，研究方向為食品加工工藝。