响应面优化化橘红柚皮苷 超声辅助提取工艺

彭 颖,韦伟璇,邱松山,周如金,*

(1.广东石油化工学院化学工程学院,广东茂名 525000;2.华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070)

广东省名贵特产化橘红(Exocarpiumcitrigrandis)是未成熟的芸香科植物化州柚,临床对风寒咳嗽,痰多气逆,食积暖气和呕恶痞闷等症有治疗效果[1],黄酮类成分是化橘红的主要有效成分之一[2],其中柚皮苷占总黄酮含量的80%以上[3]。柚皮苷是重要的医药原料,具有抗氧化、降血脂、抗动脉动粥样硬化等广泛的生物活性,也是甜味剂、抗氧化剂、保健品和色素等工业原料[4-8]。柚皮苷的提取工艺主要为有机溶剂提取法、热水提取法、碱性稀醇或碱性水提取法、系统溶剂提取法、超声波提取法和微波提取法、超滤法等[9]。目前为止尚未有利用响应面优化化橘红柚皮苷提取工艺的研究报道。因此,本文通过单因素实验对化橘红中柚皮苷的超声波辅助乙醇浸提工艺进行了研究,同时基于响应面法优化提取工艺,从而为化橘红柚皮苷的开发利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

正毛化橘红(5月10日采摘凤尾种) 产于广东茂名化州市;柚皮苷标准品 德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司;无水乙醇、二甘醇、氢氧化钠 均为分析纯。

XFB-200高速中药粉碎机 吉首市中诚制药机械厂;UV-3100PC紫外可见分光光度计 广州市德科生物科技有限公司;PS-30AD数控超声波清洗器 深圳市洁康洗净电器有限公司;RE-52AA旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;SHB-IV双A循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;Niconlet6700傅里叶红外光谱仪 美国热电公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 取化橘红隔水蒸软,切片,粉碎,过40目筛备用。

1.2.2 柚皮苷标准曲线的绘制 称取合格的柚皮苷标准品20.0 mg,70%的乙醇溶解并定容至100 mL,配得0.200 mg/mL的柚皮苷标准溶液,移液管分别移取0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20 mL于10 mL比色管中,依次加入90%(v/v)二甘醇溶液5 mL和4 mol/L的NaOH溶液0.1 mL,蒸馏水至刻度摇匀,40 ℃水浴保温10 min,冷却后于420 nm处测其吸光度。以吸光度(y)与柚皮苷浓度(x)进行线性回归,得到回归方程[10]。

1.2.3 柚皮苷的提取 称取1.00 g化橘红粉末,以一定体积分数的乙醇溶液作为溶剂,在一定温度下于180 W的超声功率下,按一定料液比超声50 min[11]后,将提取液抽滤,抽滤后的醇溶液部分直接按照方法1.2.2进行比色测定,根据柚皮苷标准曲线的线性方程得到化橘红提取液中柚皮苷的含量并由以下公式计算化橘红中柚皮苷的得率。

柚皮苷得率(%)=C×A×V/W×100

式中,C:提取液柚皮苷的质量浓度,mg·mL-1;A:稀释倍数;V:提取液体积,mL;W:化橘红粉末质量,mg。

1.2.4 单因素实验设计 在超声功率180 W,超声时间50 min的条件下,以液料比30、40、50、60、70 mL·g-1、乙醇体积分数20%、30%、50%、70%、提取温度50、60、70、80 ℃分别进行单因素实验,得到最佳提取条件。

1.2.5 利用Design-Expert V8.0.6.1进行实验优化 根据单因素实验得到的优化提取条件,以1,0,-1代表考察因素的高,中,低水平,以柚皮苷得率为响应值(Y,%),设计基于Box-Behnken方法的3因素3水平响应面分析实验。

表1 响应面实验的因素及水平Table 1 Level and code of independent variable used for response surface analysis

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 柚皮苷标准曲线

基于Excel软件的最小二乘法线性回归作图如图1所示,柚皮苷浓度(x)与吸光度(y)之间线性曲线的回归方程式:y=72.625x+0.0132,(R2=0.9998),说明吸光度与柚皮苷浓度有良好的相关性。

图1 柚皮苷标准曲线Fig.1 The standard curve of naringin

2.2 柚皮苷提取单因素分析

2.2.1 提取温度对柚皮苷提取的影响 由图2看出,液料比为30 mL·g-1,乙醇体积分数为50%的条件下,当温度为50～60 ℃时,柚皮苷得率随温度升高而逐渐增大,这主要是由于温度的升高使柚皮苷在乙醇溶液中的溶解性增强,而当温度超过60 ℃时得率反而下降,因此反应温度宜采用60 ℃。

图2 提取温度对柚皮苷得率的影响Fig.2 Effect of the ultrasonic temperature on extraction rate of naringin

图3 液料比对柚皮苷得率的影响Fig.3 Effect of liquid to solid ratio on extraction rate of naringin

2.2.2 液料比对柚皮苷提取的影响 如图3所示,提取温度为60 ℃,乙醇体积分数为50%的条件下,由于化橘红粉末与提取液接触面的浓度增大,乙醇用量的增加有助于柚皮苷的浸出,因此,液料比越大,即溶剂用量越大,得率越大,但当溶剂用量达到一定值后,柚皮苷己基本 提取完全,此时继续增加溶剂量,不仅会造成单位提取液中柚皮苷浓度的降低,而且浪费溶剂和能源,也给后续的浓缩工作带来困难,因此选择液料比为60 mL·g-1。

2.2.3 乙醇体积分数对柚皮苷提取的影响 由图4可以看出,提取温度为60 ℃,液料比为60 mL·g-1的条件下,随着乙醇浓度的增大,柚皮苷的得率由于在乙醇溶液中溶解度的变化而先增大后降低,当乙醇溶液浓度达到50%时,柚皮苷的得率最高,随着乙醇浓度的升高,柚皮苷的溶解度会增大,然而溶液的极性增强,一些醇溶性杂质的溶出量也会增加,它们与柚皮苷竞争与乙醇-水分子结合,最后导致柚皮苷溶出减少,得率下降。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回归方程各项的方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

图4 乙醇体积分数对柚皮苷得率的影响Fig.4 Effect of ethanol concentration on extraction rate of naringin

2.3 响应面优化结果分析

基于表1响应面实验设计进行的响应面实验结果如表2所示。Design-Expert V8.0.6.1软件进行响应面分析后得到以化橘红中柚皮苷得率为响应值的回归方程:Y=-46.27375+0.93195X1+0.52858X2+0.44562X3-0.002425X1X2-0.001425X1X3-0.0002X2X3-0.006185X12-0.00311X22-0.00346X32

Design-Expert V8.0.6.1软件对表1的响应面数据进行回归方差分析如表2所示。由表2可知:提取温度(p<0.05)对柚皮苷的提取影响显著。据方差分析结果,上述回归方程描述与响应面值之间的关系时模型的p<0.05,差异显著;失拟项检验p值为0.0746,差异不显著;决定系数R2=88.67%,表明该模型充分拟合实验数据[12-13],该方程是化橘红柚皮苷得率与提取工艺各参数的合适数学模型,所以,可以利用此回归方程确定化橘红中柚皮苷的最佳提取工艺。从p值可知,三个因素对柚皮苷得率的影响强弱依次为X1提取温度>X3乙醇体积分数>X2液料比,各因素对柚皮苷的得率不是简单的线性关系[14]。一次项X1和二次项X22、X32其对响应值的影响为显著,二次项X12的影响为极显著。

响应面图形是响应值受各实验因子X1、X2、X3相互作用影响而变化构成的三维空间的曲面图,从响应面图上可直观地看出各参数之间的相互作用。根据回归方程得出不同因子间的响应面图见图5。

图5 两因素交互作用对柚皮苷得率的响应面图Fig.5 Response surface plots showing the interaction of 2 different parameters on the yield注:固定水平:超声波功率180 W;提取时间50 min。

由图5可以直观地看出各因素交互作用对化橘红柚皮苷得率的影响,若曲线越陡峭,表明响应值对于操作条件的改变越敏感,此因素的交互作用对提取柚皮苷的影响越大;反之曲面坡度越平缓,操作条件的改变对响应值的影响也就越小[15]。从图5可知提取温度的影响最大,乙醇体积分数次之,表3回归分析结果也与此相吻合,提取温度对应的p值小于0.05,达到了显著水平。

通过对响应面回归方程的分析确定最佳超声辅助提取化橘红中柚皮苷的工艺参数为提取温度为57.54 ℃、液料比为60.92 mL·g-1、乙醇体积分数为50.78%,考虑到实际操作条件的局限性,对最佳工艺条件进行如下修正:提取温度57.5 ℃、液料比为60.9 mL·g-1、乙醇体积分数为50.8%。此条件下由公式算出的柚皮苷得率的理论值为7.95%。根据所得的分析数据进行三组重复验证实验,得到柚皮苷的平均得率为7.87%,测定结果稳定,与理论预测值偏差不大,证明该结果合理可靠。

3 结论

在单因素实验的基础上,对化橘红中柚皮苷超声波辅助提取的工艺条件进行Box-Behnken响应面优化,得到最佳工艺参数为:超声波180 W,超声时间50 min,液料比为60.9 mL·g-1,提取温度57.5 ℃,乙醇体积分数50.8%,化橘红柚皮苷的得率为7.87%,实验结果可为该技术的工业应用提供参考和依据。

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