基于遗传算法的橘皮黄色素提取工艺优化

吴 霞

(河南水利与环境职业学院, 郑州 450008)

柑橘皮中黄色素、香精油、橙皮苷等生物活性物质种类丰富，其中黄色素更是广泛存在[1]。黄色素的主要成分是柠檬烯与类胡萝卜素，具有理气健脾、去湿化痰、提神醒脑等生理功效[2]。提取柑橘皮中的黄色素有利于柑橘的高值化利用和节约资源，超声辅助提取法由于具有产率高、生产周期短、经济效率高等优点被广泛用于柑橘皮中黄色素的提取。

橘皮黄色素的提取是一个复杂的过程，诸多因素会影响其提取率，单因素法常被用于提取工艺的优化，然而结果可能会偏离最优条件，导致得出的最优条件准确度低。遗传算法(genetic algorithm，GA)是一种随机搜索算法，其基于生物自然选择与遗传原理，在非线性系统研究中具有极大优势[3-4]。已有研究表明遗传算法在生物活性物质提取方面具有很大潜力[5-7]，而遗传算法在橘皮黄色素的提取工艺优化方面却鲜有报道，故本研究试图利用遗传算法解决橘皮黄色素的提取条件优化问题，确定最优提取条件，为制备高浓度橘皮黄色素奠定了理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

橘皮：成熟、新鲜的柑橘购于河南省郑州市某菜市场；无水乙醇(分析纯)：国药集团化学试剂有限公司。

电热恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；GN-100S型超声波清洗器 深圳市歌能清洗设备有限公司；BGZ-240型电热鼓风干燥箱 上海东星实验设备厂；UV-1200型紫外分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；RE-5203型旋转蒸发器 上海青浦沪西仪器厂；W-100型高速万能粉碎机 北京中兴伟业仪器有限公司。

1.2 橘皮预处理

将新鲜柑橘去皮，将橘皮撕成小片后置于表面皿中，在干燥箱中于70 ℃进行烘干，待橘皮水分含量降至10%左右时(约烘干24 h)取出，降至室温后用粉碎机粉碎，过50目筛，立即装进密封袋以防吸水，储存待用[8]。

1.3 提取液的制备

精确称取一定量上述干燥橘皮粉，置于50 mL 烧杯中，烧杯中盛有一定浓度的乙醇溶液，在一定温度下超声一定时间，取出烧杯自然冷却至室温，将上层清液小心倒入离心管中，在6000 r/min的转速下离心15 min，取出待用。

1.4 提取液稀释液吸光度的测定

将上述提取液准确稀释200倍，用紫外分光光度计测量提取液稀释液在波长360 nm下的吸光度值，取3次结果的平均值作为最后的吸光度值[9]。

1.5 单因素试验

按照表1设置的条件进行单因素试验来考察4种条件对稀释液吸光度的影响。

表1 试验因素与水平Table 1 The factors and levels of experiment

1.6 正交试验设计

在单因素结果的基础上，进一步进行正交试验，设置为4因素3水平。

1.7 遗传算法

遗传算法是一个反复迭代的过程，遵循优胜劣汰的原则，将适应度高的个体较大程度地遗传给下一代，而适应度低的个体则较少地遗传给下一代，并发生变异。最终，在庞大的后代群体中得到若干个最优解。橘皮黄色素提取条件优化的遗传算法的基本流程图见图1。在Matlab平台下，以吸光度为指标编写成M文件作为适应度函数。遗传算法参数：初始种群数为30，遗传代数为100代，交叉概率为0.8，变异概率为0.03，随机搜索10次。

图1 遗传算法过程Fig.1 Genetic algorithm process

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对稀释液吸光度的影响

在考察料液比对稀释液吸光度的影响时，设置超声时间为50 min，超声温度为65 ℃，乙醇浓度为80%。

由图2可知，随着料液比逐渐增大，吸光度先增大后减小，可能是提取溶剂过多，对橘皮黄色素的溶解已经达到饱和状态，继续增大溶剂不仅不能更高效提取黄色素，反而因为溶剂量过多而导致黄色素浓度相对降低，即吸光度降低[10]。故料液比的最佳条件为1∶15。

图2 料液比对吸光度的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on absorbance

2.1.2 超声时间对稀释液吸光度的影响

在考察超声时间对稀释液吸光度的影响时，设置料液比为1∶15，超声温度为65 ℃，乙醇浓度为80%。

由图3可知，随着超声时间的延长，吸光度先急剧增大后基本不变，说明在一定范围内，延长超声时间有助于橘皮黄色素的溶出，而继续延长超声时间对黄色素提取效率没有显著的帮助[11]。出于能耗、成本的考虑，超声时间的最佳条件为50 min。

图3 超声时间对吸光度的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on absorbance

2.1.3 超声温度对稀释液吸光度的影响

在考察超声温度对稀释液吸光度的影响时，设置料液比为1∶15，超声时间为50 min，乙醇浓度为80%。

由图4可知，随着超声温度的提高，吸光度先增大后减小，可能是因为较高温度有助于分子扩散，进而使黄色素更多地溶出，而黄色素对高温不稳定，温度过高会破坏黄色素。故超声温度的最佳条件为65 ℃。

图4 超声温度对吸光度的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on absorbance

2.1.4 乙醇浓度对稀释液吸光度的影响

在考察乙醇浓度对稀释液吸光度的影响时，设置料液比为1∶15，超声时间为50 min，超声温度为65 ℃。

由图5可知，随着乙醇浓度的增大，吸光度先增大后减小(且肉眼可见颜色变得清澈和鲜亮)，可能是因为较高浓度的有机溶剂有助于黄色素的溶出，但乙醇浓度过高则会适得其反。

图5 乙醇浓度对吸光度的影响Fig.5 Effect of ethanol concentration on absorbance

2.2 正交试验结果

正交试验结果见表2，极差R值可表示各因素对吸光度值的影响程度，R值越大，影响越显著[12-13]。故在本试验中，各因素对吸光度值的影响程度为X4(乙醇浓度)>X2(超声时间)>X3(超声温度)>X1(料液比)，此结果与黄梅桂的研究结果类似。

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results

2.3 遗传算法优化模型

遗传算法优化求解的轨迹见图6。在进化约50代后，平均适应度和最优适应度均基本保持稳定，维持在6%左右，搜索结果较好。经过200 代选择、交叉和变异操作，10次随机搜索结果的变异范围均较小[14]，遗传算法优化求解的结果为：料液比1∶16.43，超声时间58.42 min，超声温度61.72 ℃，乙醇浓度77.56%，最佳的目标函数值即最优适应度(稀释液吸光度值)为0.748。为便于实际操作，对遗传算法优化求解的结果进行适当修正：料液比1∶16，超声时间59 min，超声温度62 ℃，乙醇浓度78%。

图6 遗传算法寻优过程Fig.6 The optimizing computation process of genetic algorithm

2.4 最优提取工艺的验证

结合单因素试验和正交试验、遗传算法模型结果可知，橘皮黄色素的最优提取工艺为料液比1∶16，超声时间59 min，超声温度62 ℃，乙醇浓度78%。在该条件下进行3次重复试验，取吸光度的平均值作为最终吸光度，结果为0.73，变异系数为2.78%，结果可信度较高，该最优条件具有可行性。

3 结论

以单因素和正交试验数据为样本，建立了提取条件与吸光度值对应关系模型，并运用遗传算法进行模型寻优，得到了最佳橘皮黄色素提取条件：料液比1∶16，超声时间59 min，超声温度62 ℃，乙醇浓度78%。正交试验基础上的遗传算法经过多次世代进化可在最大范围内寻求最优解，获得最优的、最接近客观实际的提取工艺参数。试验结果为提高橘皮黄色素的提取效率提供了新的思路。