胡柚皮中類黃酮素提取及殘渣綜合利用工藝研究

曾惠明 徐天有 石玲麗 呂亮 李建光

摘要 采用單因素法對比乙醇浸提、微波提取、超聲波提取以及組合工藝提取類黃酮素的效果，優化其工藝參數。然后，再將提取殘渣分別進行堿化、醇化預處理，進行檸檬酸和季銨鹽接枝改性，以Cu2+和F-作為模型離子，進行靜態吸附和動力學試驗。結果表明，三元組合工藝類黃酮素提取率在同等其他條件下比二元法提高了13.9%。優化后的提取條件如下： 70%（V/ V）乙醇溶液（浸提比1∶10）浸泡下，依次于40 kHz 200 W超聲振蕩9 min、400 W微波加熱8 min、80 ℃加熱回流3 h，可獲得3.17? mg/g提取率。25 ℃檸檬酸殘渣改性吸附劑對Cu2+的吸附等溫線符合Langmuir模型G=G0c/（A+c）， G0=0.99 mg/g，A=5.95? mg/g。季銨鹽殘渣改性吸附劑對F-的吸附等溫線符合Freundlich模型G=acb，a=0.006 6，b=3.55。吸附動力學研究表明，陽離子的吸附飽和時間為10 min，陰離子的吸附飽和時間為5 min。這表明從胡柚皮中提取類黃酮素后，其殘渣經化學改性后成為離子吸附劑在技術上具有可行性。

關鍵詞 胡柚皮;類黃酮素提取;接枝改性;離子吸附性能

中圖分類號 X712文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）14-0185-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.055

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract The single factor experiment was used to compare the effects of extracting flavonoid by ethanol extraction，microwave extraction，ultrasonic extraction and combination extraction process，and the process parameters were optimized.The extraction residue was alkalized and pretreated by isopropanol，and the citric acid and quaternary ammonium were chosen as grafting and modifying reagent，and Cu2+ and F- were used as model ions to carry out static adsorption and kinetic experiments.The results showed that the extraction rate of flavonoid by the ternary combination extraction process was 13.9% higher than that by the binary method in the same other conditions.The optimized extraction conditions were as follows：70% （V/V） ethanol solution （leaching ratio of 1∶10），soaked in 40 kHz，200 W ultrasonic vibration for 9 min，400 W microwave heating for 8 min，and heating reflux at 80 °C for 3 h， the extraction rate of flavonoids was 3.17. mg/g.The adsorption isotherm of the adsorbent modified by citric acid to 25 °C Cu2+ solution accorded with the Langmuir model G=G0c/（A+c）， G0=0.99 mg/g，A=5.95 mg/g.The adsorption isotherm of adsorbent modified by quaternary ammonium to F- accorded with Freundlich model G=acb，a=0.006 6，b=3.55. Adsorption kinetics studies showed that the adsorption saturation time of the cation was 10 min and that of the anion was 5 min. These showed that the residue after extracting flavonoids from Huyou pummeio peel was chemically modified to become an ion sorbent，which was technically feasible.

Key words Huyou pummeio peel; Flavonoid extraction; Graft modification; Ion adsorption property

作者簡介 曾惠明（1981—），男，浙江遂昌人，副教授，博士，從事環保新材料及工業廢水處理研究。 *通信作者，副教授，碩士，從事工業廢水處理研究。

收稿日期 2019-01-02

浙江省衢州常山地區柑橘、胡柚種植面積巨大，占鄉村居民收入的比例較高。在食用或罐頭、飲料加工過程中，外皮往往作為廢棄物被處理，造成固體廢棄物大量增加，甚至導致環境污染。柑橘或胡柚皮中含有豐富的類黃酮素和纖維素，若實現資源化利用，具有巨大的經濟效益和環境效益。

目前，橘皮中類黃酮素的提取工藝包括熱回流法[1]、微波輔助法[2-5]、超聲波輔助法[6-8]等，試驗效果良好，并獲得各種優化工藝參數。同時，植物細胞壁含有豐富的纖維素，天然高分子纖維素具有巨大的比表面積和羥基，易生化降解，其作為吸附劑具有天然優勢，近年來對天然纖維素改性的應用研究也較多[9-12]，發現將其改性后對水中的荷電顆粒或離子具有靜電吸附力，因而成為絮凝劑或吸附劑等具有特殊功能的水處理材料。

由于提取和改性2個工藝步驟較多，操作繁瑣，使天然纖維素的經濟價值受到一定影響。筆者利用多種提取方法組合提取胡柚皮中的類黃酮素，優化工藝參數，再將洗凈后的殘渣堿化和醇化，進一步改性反應。有機結合提取和改性工藝，獲得一種對離子具有吸附性能的胡柚皮纖維素吸附劑。

1 材料與方法

1.1 材料及其預處理 將新鮮的胡柚皮曬干，用壓碎機壓成粉末，過100目篩，得到胡柚皮粉，備用。

1.2 試劑與設備 試劑有異丙醇（AR）、98%乙醇（AR）、檸檬酸（AR）、3-氯-2羥丙基三甲基氯化銨（AR）、2，3-環氧丙基三甲基氯化銨（AR）、亞硝酸鈉（AR）、硝酸鋁（AR）等;主要設備有超聲清洗機（PS-60A）、微波爐[美的PJ17F-F（Q）]、 pH酸度計（PHS-3C）等。

1.3 試驗方法 以胡柚皮粉為原料，分別利用乙醇加熱浸提法、微波浸提法和超聲浸提法提取類黃酮素。通過單因素試驗，以提取率為控制指標，分別優化乙醇浸提法中的浸提液濃度、浸提時間等工藝參數，再以優化參數進行微波浸提輔助法和超聲浸提輔助法組合工藝提取試驗，優化微波時間、超聲時間等參數。然后，以優化參數進行超聲-浸提、微波-浸提、微波-超聲和超聲-微波-浸提三元組合工藝進行提取試驗，考察組合工藝的協同效應。

最后，以提取后的胡柚皮渣纖維素為原料，進行堿化、醇化預處理。在2份預處理胡柚皮渣中分別加入檸檬酸和2，3-環氧丙基三甲基氯化銨進行接枝改性反應，清洗后分別進行對重金屬Cu2+和陰離子F-的恒溫靜態吸附性能，并考察其吸附動力學行為。

1.4 檢測方法

①黃酮素含量的測定采用分光光度法[13-14]，根據蘆丁曲線計算類黃酮素的含量;②溶液中銅離子的測定參照DLT 502.14—2006《火力發電廠水汽分析方法》;③氟離子的測定參照WS/T 88—2012，利用氟離子電極進行測定。

2 結果與分析

2.1 胡柚皮中類黃酮素提取工藝

2.1.1 乙醇加熱回流浸提。在體積濃度（V/V）為60%～95%范圍內配制5種乙醇溶液，設定浸提比為10∶1（即每個樣品包含1 g胡柚皮粉和10 g乙醇溶液），在溫度為80 ℃恒溫水浴鍋中采用冷凝管回流裝置浸提4 h，測定平衡溶液中的類黃酮素的含量，結果如圖1所示。以優選85%（V/V）的乙醇浸提，保持其他條件不變，探討浸提時間與提取率的關系，結果如圖1B所示。

從圖1A可以看出，類黃酮素的提取率先隨乙醇濃度的升高而上升，當乙醇濃度大于70%以后變化趨于平緩，當乙醇濃度高于85%后類黃酮素的提取率有所下降，當乙醇溶液濃度為85%時其提取率最高（2.73 mg/g）。這說明極性較小的乙醇比水更容易溶解胡柚皮中的類黃酮素，從而將其分離出來。當乙醇濃度超過一定限度后，乙醇溶液的沸點降低，不利于類黃酮素的溶解和提取。從圖1B可以看出，當浸提時間為3 h，類黃酮素提取率最高（3.08 mg/g），此后趨于平穩，表明該條件下溶解已經達到平衡。

2.1.2 超聲輔助浸提和微波輔助浸提。分別取30份1 g過100目篩后的胡柚皮粉末及10 g 80%的乙醇溶液置于30個碘量瓶，分成2組，初始為常溫，分別用40 kHz，200 W超聲振蕩和400 W微波加熱，作用時間分別為2、4、6、8和10 min，3個重復。離心分離出上清液，測定類黃酮素濃度，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，超聲輔助浸提對黃酮素提取的作用并不明顯，在85%乙醇濃度條件下，當超聲時間為9 min時，類黃酮素的提取率為2.61 mg/g。與加熱回流浸提相比，類黃酮素的提取率降低15.2%，說明超聲波空化作用對胡柚皮中類黃酮素的釋放具有一定的輔助作用，但作用有限。微波輔助浸提效果與超聲波輔助浸提類似。在85%乙醇濃度條件下，當超聲時間為8 min時，類黃酮素的提取率為2.64 mg/g，但仍比加熱回流低14.3%。這說明微波雖然兼具加熱和振蕩作用，但作用時間較短，對堅固細胞壁內細胞液釋放的輔助作用較為有限。微波和超聲波輔助因為作用時間短，節能，操作簡單，亦能起到一定促進浸提作用，因此具有實際應用潛力。

2.1.3 工藝組合對比。在上述基礎上，進行了4個組合工藝對比，提取液均為85%（V/V）乙醇，浸提比為10∶1，試驗條件如下：A為400 W微波作用8 min后加熱回流浸提3 h;B為超聲9 min后進行80 ℃加熱回流3 h;C為超聲作用9 min后400 W微波作用8 min; D為超聲9 min、微波8 min和加熱浸提3 h三元組合。

從圖3可以看出，二元組合工藝提取效率較低，與單一工藝差異很小，而三元組合工藝類黃酮素提取率可提高約15.7%。超聲對加熱回流幾乎沒有明顯的輔助作用，對微波浸提的作用也很微弱。微波具有一定的輔助作用。這說明分子熱運動的增強有利于胡柚皮細胞質中類黃酮素的釋放，若再輔以機械振蕩，可以獲得較好的效果[15]。

2.2 提取殘渣纖維素接枝改性

2.2.1 改性殘渣纖維素的吸附性能。胡柚皮殘渣纖維素改性步驟如下：先取10 g提取類黃酮素后的胡柚皮殘渣（干重），用20%異丙醇洗3次，再用純水洗至無色，加入0.1 mol/L的NaOH溶液100 mL，攪拌1 h，純水洗至中性。預處理后的樣品均分為2份，在1份樣品中加入100 mL 濃度為0.6 mol/L的檸檬酸溶液， 80 ℃下攪拌2 h，抽濾，水洗至接近中性，并在50 ℃干燥箱中烘干12 h，獲得檸檬酸接枝改性的陽離子吸附劑。將另一份預處理后的殘渣纖維素置于裝有冷凝裝置的三口燒瓶中，加入100 mL異丙醇，混合均勻，溫度升至45 ℃，攪拌下滴加醚化試劑——2，3-環氧丙基三甲基氯化銨，反應3 h，用濃鹽酸滴定至中性，抽濾后獲得產物，將產物用80%（V/V）的異丙醇洗滌3遍，80 ℃下烘干至恒重，獲得陰離子吸附劑。

將0.7 g陰離子型改性纖維素吸附劑分成5份，進行銅離子的靜態吸附（吸附時間3 h）。吸附溶液為pH為5.5～6.0，濃度為2、4、6、8、10 mmol/L硫酸銅溶液，保持25 ℃恒溫，離心取上清液，檢測剩余Cu2+濃度。采用相同方法測定陽離子型改性纖維素對氟離子的吸附能力。吸附等溫線如圖4所示。

從圖4可以看出，改性工藝在胡柚皮殘渣纖維素表面分別成功接枝上檸檬酸活性基團和季銨鹽活性基團，改性制備的陽離子吸附劑對Cu2+的吸附容量隨著銅離子的濃度增加而增加，當Cu2+濃度在9 mmol/L以上時，吸附容量變化平緩。通過非線性擬合得到該吸附類型符合Langmuir吸附模型，模型公式G=G0c/（A+c），G0=0.99 mg/g，A=5.95 mg/g，偏差R2=0.98。這說明陽離子在檸檬酸改性纖維素表面單層吸附，具有一個吸附容量最大值（0.99? mg/g）。季銨鹽改性纖維素對F-的吸附容量隨著NaF溶液濃度的升高而升高。對變化趨勢的非線性擬合得到該吸附類型屬于Freundlich等溫吸附模型，模型公式G=acb，a=0.000 66，b=3.55，偏差R2=0.99，說明F-在改性纖維素表面多層吸附，植物纖維素表面除了改性后電荷吸附點外，還存在物理吸附位點，導致溶液濃度升高時吸附容量快速提升。

2.2.2 改性纖維素的吸附動力學性能。為研究2種改性胡柚皮殘渣纖維素的吸附動力學，以10 mmol/L的NaF和CuSO4溶液分別作為陰離子和陽離子吸附劑的平衡溶液，固定其他條件，吸附容量隨時間的變化結果如圖5所示。從圖5可看出，在濃度10 mmol/L 的CuSO4溶液中，5 min后吸附劑的吸附容量減少50%，10 min后已經完成全部吸附過程，吸附容量為0.6 mg/g。這說明吸附行為較為快速，Cu2+擴散進入纖維素表面的阻力較小，吸附活性位點位于纖維素表面，F-在陰離子吸附劑表面的吸附速率更快，5 min后基本在吸附平衡，此后吸附容量維持不變，在0.47 mg/g左右。

3 結論

（1）單一的乙醇加熱回流浸提，最優工藝參數如下：乙醇濃度為85%，浸提比為10∶1，浸提時間為4 h，此時提取量最大，為2.73 mg/g;超聲輔助浸提時，超聲作用時間為9 min，乙醇濃度為85%，提取效率為2.61? mg/g;微波輔助浸提時，功率為400 W，微波作用時間為8 min，乙醇濃度為85%，提取效率為2.64? mg/g;經對比發現，熱回流浸提效果最佳，微波和超聲輔助雖然浸提率較低，但作用時間短，能耗較低。三元組合工藝具有較大優勢，提取率為3.17 mg/g，可將提取率提高15.7%。

（2）纖維素改性中，陰離子改性和陽離子改性對銅離子和氟離子均具有吸附作用，吸附行為分別符合Langmuir吸附模型和Freundlich等溫吸附模型。吸附動力學表明，2種吸附劑在5～10 min即可完成吸附過程。

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