綜合評分法優(yōu)化橘皮中有效成分的提取工藝

唐鵬程，王文淵*，雷干農(nóng)，駱航

（1.永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425100；2.南方紅壤作物與生態(tài)研究中心，湖南 永州 425102）

我國柑橘資源豐富，在柑橘食用和加工過程中產(chǎn)生的廢棄橘皮資源數(shù)量巨大[1-2]，橘皮中富含橘皮黃酮、橘皮色素、香精油、果膠等多種天然活性成分[3]。橘皮黃酮具有抗氧化、抗衰老、抗輻射等功效[4-6]，并有降壓、降脂、降膽固醇、抗腫瘤等多種生理功能[7]。橘皮色素不僅具有抗菌消炎、抗病毒、抗氧化等生物活性[8-10]，還是安全無毒的著色劑、香味劑和強化營養(yǎng)劑[11]。橘皮黃酮和色素作為功能性添加劑[12]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、保健品、日化、醫(yī)藥等行業(yè)，應(yīng)用前景廣闊。

有關(guān)利用橘皮資源提取橘皮黃酮、色素、果膠等的報道很多[13]，但因缺乏高效的綜合開發(fā)技術(shù)[14]，導(dǎo)致產(chǎn)品單一、經(jīng)濟效益不高[15]，豐富的橘皮資源難以得到有效利用，絕大部分被作為廢棄物處理，而且還污染環(huán)境[16]。本試驗兼顧黃酮和橘皮色素的溶解性能，以乙醇為提取溶劑，采用高壓脈沖電場技術(shù)從橘皮渣中同步提取橘皮黃酮和色素，并對提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為合理、高效利用橘皮資源提供新方法。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

橘皮：南柑20號溫州蜜柑新鮮果皮，湖南熙可食品有限公司柑橘罐頭加工廢棄料；蘆丁對照品：中國食品藥品檢定研究院；乙醇、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸（均為分析純）：上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

LDT-100/4-25型中藥高壓脈沖電場提取裝置：長春華迪生物科技公司；2-16PK高速冷凍離心機：德國Siva公司；DZF-6050E真空干燥箱：無錫瑪瑞特科技公司；UVl601-PC紫外-可見分光光度計：日本島津公司；FA2104萬分之一電子天平：上海舜宇恒平公司；M-50真空抽濾器：鞏義瑞德儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取工藝流程

壓榨取汁后的新鮮橘皮渣與乙醇溶液膠磨勻質(zhì)，泵入高壓脈沖電場裝置進(jìn)行提取、過濾，濾液經(jīng)堿溶、酸沉處理后，離心分離出黃酮類成分，上清液調(diào)至中性，經(jīng)回收溶劑后濃縮，真空干燥得浸膏。

1.2.2 含量測定

1.2.2.1 橘皮總黃酮的測定

參照文獻(xiàn)[17]的方法采用NaNO2·Al（NO3）3·NaOH顯色測定法，以蘆丁為對照品，試劑空白為參比，在510 nm波長處測定吸光度，計算橘皮總黃酮的含量，并按下式計算總黃酮得率。

1.2.2.2 橘皮色素的測定

精密取離心分總離黃酮后的上清液2.0 mL于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻，以提取溶劑空白為參比，在430 nm波長處測定吸光度，以吸光度表示橘皮色素得率，吸光度越大，色素得率越高[18]。

1.2.2.3 浸膏得率的測定

離心分離總黃酮后的濃縮液置于干燥至恒重的蒸發(fā)皿中，于電熱真空干燥箱中干燥至恒重，干燥器內(nèi)冷卻30 min后精密稱定質(zhì)量，計算浸膏得率[19]。

浸膏得率/%=（浸膏質(zhì)量/橘皮料質(zhì)量）×100

1.2.3 綜合評分的確定與計算

采用橘皮總黃酮、色素和浸膏得率3個指標(biāo)的綜合評分法，考慮橘皮中各指標(biāo)成分的豐度及其對橘皮色素分離的影響，分別賦予總黃酮、橘皮色素和浸膏得率三者50%、35%和15%的權(quán)重，按下式計算提取的綜合評分[20]。

綜合評分=（50%×總黃酮得率/總黃酮得率最大值+35%×橘皮色素吸光度值/橘皮色素吸光度最大值+15%×浸膏得率/浸膏得率最大值）×100。

1.2.4 Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗

前期針對乙醇濃度、液料比、電場強度和脈沖數(shù)4個單因素對高壓脈沖電場提取橘皮中有效成分綜合評分的影響進(jìn)行了考察試驗，綜合成本和效益因素，確定了乙醇濃度控制 50%～70%、液料比 25∶1（mL/g）～35:1（mL/g）、電場強度 12 kV/cm～18 kV/cm、脈沖數(shù) 8個～12個之間的合適水平。在此基礎(chǔ)上，選取乙醇濃度、液料比、電場強度和脈沖數(shù)4個因素，以綜合評分為響應(yīng)值，設(shè)計響應(yīng)面分析試驗，試驗因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平設(shè)計Table 1 The factors and levels of response surface analysis

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert.8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面法試驗結(jié)果分析

2.1.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果及分析

運用Box-Behnken進(jìn)行試驗設(shè)計，提取工藝的響應(yīng)面試驗設(shè)計及試驗結(jié)果見表2，對回歸模型及系數(shù)進(jìn)行的顯著性檢驗結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experiment plan and result of response surface method

續(xù)表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Continue table 2 Experiment plan and result of response surface method

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

通過Design-Expert軟件對表2的響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸和二項式分析，得到編碼自變量A乙醇濃度、B液料比、C電場強度、D脈沖數(shù)對響應(yīng)值Y綜合評分的回歸擬合方程為Y=84.84-0.73A+2.42B+9.48C+7.36D-0.52AB-1.03AC+1.31AD+1.87BC-0.12BD-0.25CD-2.91A2-7.16B2-9.00C2-2.74D2。

表3的方差分析結(jié)果表明，以綜合評分為響應(yīng)值時，所建模型高度顯著（P＜0.000 1），說明模型與真實試驗擬合度良好；二次多元回歸方程失擬項不顯著（P＞0.05），表明誤差??；響應(yīng)值與自變量之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.970 8，校正系數(shù)R2Adj=0.941 6，進(jìn)一步表明數(shù)學(xué)模型與真實試驗結(jié)果擬合度高。因此，擬合的模型對于高壓脈沖電場提取橘皮中總黃酮和橘皮色素工藝的分析和預(yù)測是完全適用的。

由表3中P值的大小可以看出，一次項B液料比、C電場強度、D脈沖數(shù)對綜合評分的影響極為顯著（P＜0.01）；二次項 A2、B2、C2、D2的影響均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）；各因素的交互作用對綜合評分的影響均表現(xiàn)出不顯著（P＞0.05）。各因素對綜合評分的影響程度依次為C電場強度＞D脈沖數(shù)＞B液料比＞A乙醇濃度。

2.1.2 各因素的交互作用分析

運用Design-Expert軟件繪制三維響應(yīng)曲面，見圖1。

圖1 兩因素的交互作用對綜合評分的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot showing the effect of operating parameters on comprehensive scoring

由圖1（A）可知，當(dāng)乙醇濃度恒定時，綜合得分隨液料比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由圖1（B）和圖1（C）可以看出，當(dāng)乙醇濃度不變時，綜合得分隨電場強度及脈沖數(shù)的增大呈現(xiàn)快速上升，而后保持相對穩(wěn)定；但在其他因素不變時，乙醇濃度的改變對綜合評分的影響不顯著，表明乙醇濃度不是顯著性影響因素。圖1（D）表明，當(dāng)液料比不變時，綜合得分隨電場強度的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；固定電場強度不變，綜合得分亦隨著液料比的增大先升后降，且變化明顯。由圖1（F）可知，相對于液料比，脈沖數(shù)的影響更為顯著。圖1（E）表明，電場強度和脈沖數(shù)對綜合得分的影響都極為顯著。圖1中各響應(yīng)面的形狀均開口向下、中心區(qū)域凸起且都具有最大值，說明各組中的兩因素交互作用對綜合得分均有影響，但因各圖中兩因素的等高線均呈圓形，說明各組中兩因素的交互作用對綜合得分影響不顯著[20]，這與方差分析結(jié)果一致。

2.2 最佳工藝響應(yīng)面優(yōu)化與驗證

利用Design-Expert軟件，根據(jù)回歸方程分析得出總黃酮、色素提取的最優(yōu)工藝為乙醇濃度59.81%、液料比 31.16∶1（mL/g），電場強度 16.61 kV/cm，脈沖數(shù)12個，理論綜合得分可達(dá)到92.19?？紤]到實際操作的方便及可行性，將理論最佳工藝調(diào)整為乙醇濃度60%、液料比 31∶1（mL/g）、電場強度 17 kV/cm、脈沖數(shù)12個，并在此條件下進(jìn)行3次平行驗證試驗，最終得到提取工藝的平均綜合評分為90.86分，與理論值非常接近，相對誤差為1.44%，說明響應(yīng)面法優(yōu)化所得到的高壓脈沖電場提取橘皮中總黃酮和色素的工藝準(zhǔn)確、可靠。

3 結(jié)論與討論

高壓脈沖電場作為一種非熱提取技術(shù)，具有高效、快速、能耗低、對熱敏性成分破壞少等優(yōu)點[21]，已逐步應(yīng)用于天然活性成分的提取[22]。本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，借助響應(yīng)面試驗設(shè)計所建立的高壓脈沖電場提取橘皮中總黃酮和色素的數(shù)學(xué)模型擬合度良好，通過對回歸模型分析優(yōu)化和驗證，確定了高壓脈沖電場提取橘皮中總黃酮和色素的最佳工藝參數(shù)為乙醇濃度 60%、液料比 31∶1（mL/g）、電場強度 17 kV/cm、脈沖數(shù)12個，在此提取條件下的總黃酮得率為2.18%、橘皮色素吸光度值為1.103、浸膏得率為7.03%，綜合評分達(dá)到90.86分。結(jié)果表明，該方法工藝穩(wěn)定、可靠，為柑橘皮資源的綜合開發(fā)利用提供了新的技術(shù)參考。