超声波-微波协同辅助提取橘皮色素的研究

刘兆芳，张彧，徐杨，田琳，孔繁东，*

（1.大连工业大学食品学院，辽宁大连 116034；2.辽宁进出口商品检验检疫局食品检验中心，辽宁大连 116001）

柑橘是世界第一大水果，世界有135个国家生产柑橘，年产量占水果总产量的22%左右[1]。柑橘果皮占整果重的20%，中国每年产出柑橘皮约达300万t[2]。柑橘皮作为一种可再利用的生物资源，在中国除少数被作为药物使用外，大部分未得到充分利用而被废弃，造成很大的浪费，同时给环境造成了巨大的负担。

柑橘皮中主要的功能性成分包括香精油、橘皮色素、果胶、膳食纤维、黄酮类化合物以及类柠檬苦素等[3-4]。成熟的柑橘皮主要赋色物质是类胡萝卜素，另外还有含量较少的黄酮类色素及花色苷[5]。橘皮色素不仅是天然的着色剂，而且还是食品的营养强化剂。可作为提高食品、饮料营养与保健作用的添加剂[6]。橘皮色素的提取大多为单独的有机溶剂萃取或单一的运用微波或单一运用超声波辅助提取。本文旨在研究微波和超声波协同辅助提取橘皮色素的工艺。为废弃橘皮的综合利用提供有价值的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

柑橘皮：源于本科学生食品工艺实验——橘子罐头加工产生的橘皮废弃物，用清水洗净，晾干后，用粉碎机将其粉碎备用。

无水乙醇、氢氧化钠、苯甲酸钠、盐酸、氯化钠、氯化铁、醋酸铅、无水亚硫酸钠等均为国产分析纯。

1.2 仪器

NJL07-5试验用超声-微波反应器：南京杰全微波设备有限公司；DFT-200手提式高速中药粉碎机：温岭市林大机械有限公司；UV755B紫外可见光分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；SC-3610低速离心机：科大创新股份有限公司中佳分公司。

1.3 方法

1.3.1 橘皮色素的提取

准确称取橘皮粉5.00 g置于烧杯中，再取一定量的乙醇，使两者混合。设定超声功率和超声时间，进行超声波辅助浸提。超声波辅助浸提后，设定微波时间和微波功率，进行微波辅助浸提。浸提液于4 000 r/min条件下进行离心，时间为12 min。离心后取上层清液，稀释到适宜浓度后，在330 nm[7]处测量其吸光度值。

1.3.2 单因素试验

选择料液比、超声时间、超声功率、微波时间、微波功率为考察因素。以其中一个为变量，固定其他因素，考察不同因素对橘皮色素得率的影响。

1.3.3 正交试验

单因素试验的基础上，以超声时间、超声功率、微波时间、微波功率，进行L9（34）正交试验，以优化橘皮色素的最佳提取条件。

表1 正交试验因素水平表Table1 The levels of orthogonal test

2 结果与讨论

2.1 选择最佳料液比

料液比对色素提取的影响，见图1。

图1 料液比对色素提取的影响Fig.1 Effect of material ratio and solvent on extraction of pigment

采用不同的原料量、乙醇之比提取色素，开始时随乙醇用量的增加，柑橘皮色素浓度明显增大，从图1可知，在料液比为1∶9（g/mL）之前，提取所得的橘皮色素浓度明显呈直线性增加，在料液比为1∶11（g/mL）时，虽然浓度也有所增加，但增加幅度明显减小。据实验结果考虑到原料和乙醇的利用率，选择1∶9（g/mL）的料液比较为合适。

2.2 选择最佳超声时间

采用不同的超声时间提取橘皮色素，见图2。

由图2可见，随着超声时间的增大开始时提取所得的色素吸光度曲线明显呈上升趋势，当超声时间为20 min时，色素吸光度曲线达到最高点，再增加超声时间曲线不再上升，反而吸光度曲线有下降趋势。因此，最佳超声时间应选为20 min。

图2 超声时间对色素提取的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction of pigment

2.3 选择最佳超声功率

超声功率对色素提取的影响，见图3。

图3 超声功率对色素提取的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on extraction of pigment

由图3可见，随着超声功率的增加，所得色素吸光度也随之增长，当超声功率达到300 W时，色素吸光度曲线到达最高点。超声功率大于300 W后，再继续增加功率，所得色素吸光度曲线明显下降。因此，300 W为最佳提取功率。

2.4 选择最佳微波时间

微波时间对色素提取的影响，见图4。

图4 微波时间对色素提取的影响Fig.4 Effect of microwave time on extraction of pigment

由图4可见，随着微波时间的增长，所得色素吸光度也随之增长，当时间为3 min时，色素吸光度曲线达到最高峰，继续延长微波时间曲线呈明显的下降趋势，所得色素浓度下降。产生下降趋势的原因为，微波时间延长，温度升高，浸提液乙醇的回流和高温都会对色素的提取造成影响。而且高温所带来的影响比延长时间对提取的影响要大得多。因此，最佳微波时间应选为3 min。

2.5 选择最佳微波功率

微波功率对色素提取的影响，见图5。

图5 微波功率对色素提取的影响Fig.5 Effect of microwave power on extraction of pigment

由图5可见，随着微波功率的增长，所得色素吸光度也随之增长，当功率为200 W时，色素吸光度曲线达到最高峰，继续延长微波时间曲线呈明显的下降趋势，所得色素浓度下降。产生下降趋势的原因为，微波功率增加，温度升高速度加快，迅速达到高温，高温所带来的影响比微波功率增大对提取的影响要大得多。因此，最佳微波时间应选为200 W。

2.6 正交试验确定最佳工艺

正交试验结果表，见表2。

试验结果表明，4个影响因素中，以微波时间对色素的提取效果影响最大，各因素对提取效果的影响大小顺序为微波时间＞超声功率＞微波功率＞超声时间。最优提取工艺条件为：A3B2C3D3即超声时间为25 min，超声功率为300 W，微波时间为5 min，微波功率为250 W。在此条件下，20 g干橘皮粉可以制得色素5.317 g，即产率为26.6%。

3 结论

通过超声波－微波协同辅助提取橘皮色素，优化工艺条件，最佳条件是：橘皮和乙醇的料液比为1∶9（g/mL），超声时间为 25 min，超声功率为 300 W，微波时间为5 min，微波功率为250 W。为橘皮色素的研究开发提供了理论参考。色素的组成成分及结构、功能特性等还有待进一步研究。

表2 正交试验结果表Table 2 The results of orthogonal test

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[1]刘蕤,何秋星.柑橘果皮的深加工与综合利用[J].韶关学院学报:自然科学版,2002,23(6):79－83

[2]李建敏.桔皮色素、果胶和橙皮苷的连续提取及精制的研究[D].南昌:南昌大学,2007

[3]关海宁,刁小琴,张润光.柑橘皮功能性成分研究现状及发展前景[J].食品研究与开发2008,29(9):169－173

[4]刘晶晶,徐培娟.柑橘皮中有效成分提取的工艺优化研究[J].食品研究与开发,2008,29(7):84－86

[5]王清滨,陈国良.食品着色剂及其分析方法[M].北京:化学工业出版社,2004:64

[6]Bendich A.Beta－carotene and the immune response[J].Proceedings of the nutrition society,1991(50):263－274

[7]耿敬章,白雪.超声波辅助提取橘皮色素的工艺优化[J].农产食品科技2010,4(2):33－36