鄧 濤, 單 楊,2,*, 李高陽

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖南長沙 410128;2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖南長沙 410125;3.湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,湖南長沙 410125)

中國是世界上最大的柑橘產(chǎn)地國之一,柑橘年產(chǎn)量約為1500萬t[1-3].柑橘皮約占整果重的20%,研究表明柑橘皮中含有豐富的精油、色素、果膠、膳食纖維、黃酮類化合物等生物活性物質(zhì)[4-8],而目前我國除了將少量柑橘皮用來提取香精油和制成中藥外,大部分被遺棄.柑橘皮色素是一類性能較穩(wěn)定、安全可靠的天然色素,其主要成分是檸檬烯與類胡蘿卜素的混合物,還富含維生素E和稀有元素硒[9-10].傳統(tǒng)的柑橘皮色素提取主要采用無水乙醇、石油醚進行水浴浸提,這種方法不僅操作繁雜,而且耗費時間,效率低下[11-12].本研究擬采用超聲波輔助法提取柑橘皮色素,應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法以期得到較佳提取工藝,旨在為柑橘皮的進一步開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

柑橘皮制作采用市售成熟柑橘,去掉果肉后,剩鮮橘皮用適量清水沖洗干凈,置于烘箱內(nèi)烘干,避光保存,備用;無水乙醇為分析純;超純水.

1.1.2 實驗儀器

ES-200A型電子天平,長沙湘平科技發(fā)展有限公司;KQ-500GTDV型高頻恒溫數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;UV-2450型紫外—可見光分光光度計,日本島津公司;Avanti J-26XP型高效離心機,美國貝克曼庫爾特有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

柑橘皮→40℃鼓風(fēng)干燥→粉碎→過篩→水浴浸提并超聲處理→離心→濃縮→真空干燥→色素產(chǎn)品.

1.2.2 色素提取溶劑的選擇和柑橘皮粉碎粒度的確定

1)色素提取溶劑的選擇.準確稱量5份2.000 0 g粉碎的柑橘皮,分別加入蒸餾水、無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚、三氯甲烷各40 mL,室溫浸提120 min后過濾離心,取上清液稀釋同等倍數(shù)后,在紫外分光光度計下進行光譜掃描,找到較佳吸收波長,確定最適提取溶劑.

2)柑橘皮粉碎粒度的確定.準確稱量20～40目、40～60目、60～80目、80～100目、100～120目柑橘皮粉各2.000 0 g置于100 mL燒杯中,分別加入20 mL無水乙醇溶液,用玻璃棒攪勻,在室溫下浸提30 min,過濾離心,比色法測吸光度值,研究不同顆粒大小對提取效果的影響.

1.2.3 超聲輔助提取柑橘皮色素單因素實驗

1)料液比的確定.取6個100 mL燒杯,每個燒杯加入20 mL無水乙醇,按質(zhì)量(g)與體積(mL)比為 1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16 的料液比,準確稱取過80目柑橘皮粉分別加入到6個燒杯中,在溫度為30℃,超聲功率為200 W條件下,超聲波輔助浸提15 min,取出后過濾、離心,用移液管分別量取1 mL上清液稀釋同等倍數(shù)后,測吸光度值,研究不同料液比對柑橘皮色素提取效果的影響.

2)超聲功率對柑橘皮色素提取效果的影響.分別稱取過80目柑橘皮粉2.000 0 g于6個燒杯中,按料液比1∶20向燒杯中加入無水乙醇.用玻璃棒攪拌均勻后,置于超聲波發(fā)生器中,在溫度為20℃,超聲波功率分別為200,250,300,350,400,450 W下浸提15 min.測量不同功率條件下所得提取液的吸光度值,研究超聲波功率對柑橘皮色素提取效果的影響.

3)超聲時間對柑橘皮色素提取效果的影響.分別稱取過80目柑橘皮粉2.000 0 g于6個燒杯中,按料液比1∶20向燒杯中加入無水乙醇.用玻璃棒攪拌均勻后,置于超聲波發(fā)生器中,在超聲波功率200 W,溫度為20℃下分別提取5,10,15,20,25,30 min.測量不同時間條件下所得提取液的吸光度值,研究超聲波輔助提取時間對提取效果的影響.

4)溫度對柑橘皮色素提取效果的影響.分別稱取過80目柑橘皮粉2.000 0 g于6個燒杯中,按料液比1∶20向燒杯中加入無水乙醇.用玻璃棒攪拌均勻后,置于超聲波發(fā)生器中,在超聲波功率為200 W,溫度分別為30,40,50,60,70,80℃下浸提15 min.測量不同溫度條件下所得提取液的吸光度值,研究超聲波輔助提取溫度對柑橘皮色素提取效果的影響.

1.3 響應(yīng)面優(yōu)化

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,選取A(液料比)、B(超聲波功率)、C(提取時間)、D(提取溫度)4個因素綜合軟件Design-Expert 8.05b中的Box-Benhnken試驗原理,設(shè)計四因素三水平試驗,見表1.

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素與水平Tab.1 Factors and levels of response surface methodology design

2 結(jié)果與分析

2.1 色素提取溶劑的選擇和柑橘皮粉碎粒度的確定結(jié)果

2.1.1 色素提取溶劑的選擇結(jié)果

對不同溶劑提取柑橘皮色素的提取液進行光譜掃描得圖1,可看出該色素的最大吸收波長在330 nm左右.蒸餾水、無水乙醇、乙酸乙酯、三氯甲烷的提取效果都不錯,但蒸餾水提取液含成分較多,不利于色素的分離分析,而乙酸乙酯和三氯甲烷成本較高,且三氯甲烷有較強毒性,綜合考慮,本實驗采用無水乙醇作為提取溶劑,光譜掃描測得乙醇提取液的最大吸收波長為328 nm,因此,選擇328 nm作為本實驗的較佳吸收波長.

圖1 不同提取溶劑的光譜掃描結(jié)果Fig.1 Spectrum scanning image of different extraction solvent

2.1.2 柑橘皮粉碎粒度的確定結(jié)果

比色法測不同粒度條件下色素提取液的吸光度值得圖2,可知柑橘皮的粉碎粒度對色素的提取有一定影響,粉碎粒度過大,色素不能完全從原料中溶解出來;過細,則易結(jié)團,阻塞擴散通道,溶液流動阻力增加,導(dǎo)致提取效果下降.因此柑橘皮粉碎成80目時,提取效果較好.

圖2 原料粉碎粒度對提取效果的影響Fig.2 Effect of raw material particle size on extracting yield

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 料液比與柑橘皮色素提取效果的關(guān)系

比色法測不同料液比時色素提取液的吸光度值得圖3.由圖3可知較佳料液比為1∶10.

圖3 料液比對柑橘皮色素提取效果的影響Fig.3 Effect of different ratios of solid to liquid on extracting yield

2.2.2 超聲波功率與柑橘皮色素提取效果的關(guān)系

比色法測不同功率條件下色素提取液的吸光度值得圖4.由圖4可知柑橘皮色素的吸光度隨著超聲波功率的提高而增加,超聲功率在300 W時達到最高,之后功率繼續(xù)增加,吸光度基本保持在一個平穩(wěn)狀態(tài)不再增加,為節(jié)約能源,實驗選擇300 W作為較佳提取功率.

圖4 超聲波功率對柑橘皮色素提取效果的影響Fig.4 Effect of ultrasonic output power on extracting yield

2.2.3 超聲時間與柑橘皮色素提取效果的關(guān)系

比色法測不同超聲處理時間條件下色素提取液的吸光度值得圖5.由圖5可知超聲輔助浸提15 min后吸光度達到最大,繼續(xù)延長提取時間,吸光度基本無變化,為了節(jié)省時間,實驗選擇15 min為色素較佳提取時間.

圖5 超聲時間對柑橘皮色素提取效果的影響Fig.5 Effect of ultrasonic extraction time on extracting yield

2.2.4 溫度與柑橘皮色素提取效果的關(guān)系

比色法測不同溫度條件下色素提取液的吸光度值得圖6.由圖6可知吸光度隨著提取溫度的升高而增加,當溫度達到70℃時,繼續(xù)升高溫度,吸光度不再顯著增加,趨于平穩(wěn).考慮到過高溫度會導(dǎo)致色素分解,本實驗選擇70℃為色素較佳提取溫度.

圖6 不同溫度對柑橘皮色素提取效果的影響Fig.6 Effect of different temperatures on extracting yield

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果

應(yīng)用軟件Design-Expert 8.05b中的 Box-Benhnken試驗原理,以吸光度為響應(yīng)值,響應(yīng)面分析設(shè)計及試驗結(jié)果如表2.

2.3.2 響應(yīng)面方差分析

響應(yīng)面二次回歸方程方差分析見表3.由表3可以看出,料液比、超聲波功率、提取時間、提取溫度、料液比二次、超聲波功率二次、提取時間二次、提取溫度二次達到極顯著水平.利用Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,得到柑橘皮色素吸光度(Y)對料液比(A)、超聲波功率(B)、提取時間(C)、提取溫度(D)的二次多項回歸模型:

該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.984 9.由表3的方差分析可知,失擬差Prob＞F=0.090 2＞0.05,表明失擬差項不顯著,方程對實驗擬合是合適的;模型Prob＞F值＜0.000 1,說明該回歸方差模型是極顯著的,模型擬合程度較好,可以用于柑橘皮色素提取工藝的預(yù)測和分析.

表2 響應(yīng)面分析設(shè)計與試驗結(jié)果Tab.2 Central composite design with the observed responses for absorbance of pigment from citrus peels

2.3.3 提取工藝的響應(yīng)面分析與優(yōu)化

通過Design-Expert 8.05b軟件,根據(jù)回歸方程分析得響應(yīng)面圖7至圖12.由圖7可知,在提取時間為15 min,提取溫度為70℃條件下,料液比對吸光度值的影響較為明顯,超聲波功率次之,吸光度值隨著料液比的升高先升高再降低,這可能是因為在料液比為1∶10時,色素基本被提取出來,繼續(xù)增加提取劑的比重只是稀釋了色素的濃度,從而降低了吸光度值.圖8顯示在超聲波功率為300 W,提取溫度為70℃時,提取時間對吸光度值的影響明顯,提取時間增加,色素提取液的吸光度值不斷增加,當增加到一定值以后便趨于平穩(wěn),這可能是因為在此條件下色素已最大限度被提取,繼續(xù)延長提取時間,也不能對提取效果產(chǎn)生較為明顯的影響.圖9顯示在超聲波功率為300 W,提取時間為15 min時,吸光度值隨著溫度的升高而增加,由于高溫既能提高色素的提取率,同時也會分解色素,所以當溫度達到一定值后,吸光度值增加不再明顯.綜合圖7至圖12可得出,超聲波輔助提取柑橘皮色素,提取時間對提取效果的影響較為顯著,溫度、超聲功率、料液比的影響較小.

表3 二次回歸方程方差分析結(jié)果Tab.3 Analysis of variance quadratic regression equation

2.3.4 較佳工藝條件的確定及驗證實驗

通過Design-Expert 8.05b軟件求解方程,得到優(yōu)化的工藝條件為料液比 1∶9.4,超聲波功率321.19 W,提取時間17.34 min,提取溫度78.71℃.考慮實際操作的方便性及可行性,將優(yōu)化的工藝確定為料液比1∶9,超聲波功率300 W,提取時間17 min,提取溫度79℃.為檢驗其可靠性,該條件下進行3次平行實驗,測得柑橘皮色素的吸光度值為0.874,與理論值基本吻合,說明響應(yīng)面分析法得到的優(yōu)化的柑橘皮色素提取工藝真實可靠,具有一定的實用價值.

圖7 超聲波功率和料液比對吸光度的影響Fig.7 Effect of ultrasonic power and solid-liquid ratio on absorbance

圖8 提取時間和料液比對吸光度的影響Fig.8 Effect of extraction time and solid-liquid ratio on absorbance

圖9 提取溫度和料液比對吸光度的影響Fig.9 Effect of temperature and solid-liquid ratio on absorbance

圖10 提取時間和超聲波功率對吸光度的影響Fig.10 Effect of extraction time and ultrasonic power on absorbance

圖11 提取溫度和超聲波功率對吸光度的影響Fig.11 Effect of temperature and ultrasonic power on absorbance

圖12 提取溫度和提取時間對吸光度的影響Fig.12 Effect of temperature and extraction time on absorbance

3 結(jié) 論

在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法優(yōu)化柑橘皮色素超聲波輔助提取工藝,得到較佳條件為:提取溶劑為乙醇,柑橘皮粉碎粒度為80目,料液比為1∶9(g/mL),超聲波功率為300 W,提取時間為17 min,提取溫度為79℃,此條件下柑橘皮色素提取效果最好.色素經(jīng)離心去渣、濃縮、真空干燥后可得到固體成品.

超聲波輔助提取技術(shù)與傳統(tǒng)的浸提法相比大大縮短了提取時間,且操作簡便,效率更高.應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助提取工藝,可對各因素進行全面、系統(tǒng)的研究,得到優(yōu)化的工藝參數(shù),可為充分利用資源提供科學(xué)依據(jù).

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