响应面法优化核桃青皮多酚提取工艺

王新宇 王雪 李慧 毕莹 范玉林 陈恺 王静

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.030

引文格式：王新宇，王雪，李慧，等.响应面法优化核桃青皮多酚提取工艺[J].中国调味品，2024，49（5）：177-182.

WANG X Y， WANG X， LI H， et al.Optimization of extraction process of polyphenols from walnut green peel by response surface method[J].China Condiment，2024，49（5）：177-182.

摘要：选取新疆阿克苏地区乌什县核桃青皮作为试验原料，使用有机溶剂乙醇作为多酚提取剂。将料液比、乙醇浓度、提取温度和提取时间作为试验变量，探究其对多酚提取率的影响，同时在试验结果的基础上结合响应面法改进多酚的提取工艺条件。通过模拟方程发现核桃青皮在料液比1∶41.41、提取温度54.28 ℃、乙醇浓度30.98%的条件下所提取的多酚提取率较高。为使结果更有说服力，在此条件下进行多次验证试验，最终得到多酚提取率为5.16 mg/g，所得结果与理论计算结果接近，获得的数学模型能够用于预测核桃青皮多酚的提取工艺。

关键词：核桃青皮；溶剂提取；多酚；响应面法

中图分类号：TS201.2      文献标志码：A      文章编号：1000-9973（2024）05-0177-06

Optimization of Extraction Process of Polyphenols from Walnut Green

Peel by Response Surface Method

WANG Xin-yu， WANG Xue， LI Hui， BI Ying，  FAN Yu-lin， CHEN Kai， WANG Jing*

（College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Walnut green peel from Wushi county， Aksu prefecture of Xinjiang is selected as the raw material and the organic solvent ethanol is used as the polyphenol extractant. The solid-liquid ratio， ethanol concentration， extraction temperature and extraction time are taken as the test variables， and the effects of them on the extraction yield of polyphenols are investigated.Based on the test results， response surface method is used to improve the extraction process conditions of polyphenols. Through the simulation equation， it is found that the extraction yield of polyphenols extracted from walnut green peel is higher under the conditions of solid-liquid ratio of 1∶41.41， extraction temperature of 54.28 ℃ and ethanol concentration of 30.98%. In order to make the results more persuasive， several verification tests are carried out under these conditions， finally， the extraction yield of polyphenols is 5.16 mg/g. The result is close to the theoretical calculation result， and the obtained mathematical model can be used to predict the extraction process of polyphenols from walnut green peel.

Key words： walnut green peel; solvent extraction; polyphenols; response surface method

收稿日期：2023-10-09

基金項目：2022年中央财政林草科技推广示范项目（新[2022]TG11号）；新疆农业大学2022年度大学生创业训练项目计划（XJCY202233）；2023年新疆维吾尔自治区研究生创新项目（XJ2023G149）

作者简介：王新宇（1998—），男，硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏。

*通信作者：王静（1978—），女，副教授，博士，研究方向：农产品加工与贮藏。

核桃（Juglans regia L.），又名胡桃、羌桃，属胡桃科核桃属植物，在我国种植面积广阔，是我国重要的经济作物之一。新疆是我国核桃的重要产区之一。目前，新疆地区的核桃种植面积约41.5万公顷，年产量约100万吨[1]。核桃青皮是核桃加工中产生的副产物，约占果重的50%[2]，其中富含绿原酸、香草酸、槲皮素、没食子酸、核桃酮[3-4]等多酚类物质，这些多酚类物质直接或间接参与许多代谢反应[5-6]。然而，因其深加工能力有限，大部分核桃青皮被丢弃或焚烧在田间，造成了大量的资源浪费和严重的环境污染。现有研究如石榴皮多酚应用于冷藏鸡肉的保鲜、茶多酚应用于酱油的生产、薜荔果多酚的抗氧化能力等都展现出植物多酚的巨大发展前景[7-9]，因此，如何充分挖掘核桃青皮的潜力、实现其高附加值的综合利用是促进核桃产业经济效益提高的有效手段。

植物多酚提取中常用的方法有溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、生物酶解法等[10-11]。张兆英等[12]采用超声辅助提取法研究金丝小枣的最佳提取工艺，研究结果表明，超声参数对多酚提取率的影响小于乙醇浓度和料液比。刘焕云等[13]采用微波-超声波协同技术对石榴皮多酚的提取工艺进行研究，发现料液比对石榴皮多酚提取率的影响最大，微波功率、超声波功率、乙醇浓度的影响次之。清源等[14]发现采用酶法提取油橄榄叶中的多酚可有效提高多酚提取率。虽然使用新型的提取分离方法得到的多酚提取率较高，但料液比和提取剂浓度仍是对植物多酚提取率影响较大的因素，且受到提取工艺条件和提取成本的影响，许多提取方法还处于实验室阶段。虽然溶剂提取法在多酚提取效率和溶剂需求量上有一定缺陷，但是对设备条件等的要求简单，方便操作，易于工业化应用。

本试验采用有机溶剂提取法，以新疆阿克苏地区乌什县新温417核桃青皮为试验原料，对其含有的多酚物质进行提取，通过比较各因素（核桃青皮粉末与乙醇的比例、提取温度、提取时间、乙醇浓度）对核桃青皮提取过程中多酚提取率的影响，确定各因素之间的相互关系，并以单因素试验结果设计响应面试验，对核桃青皮多酚提取过程中各因素的变化规律进行综合分析，最终确定较优的提取参数，并对其进行验证，为新疆核桃青皮资源的进一步开发利用提供理论参考。

1  材料与方法

1.1  材料与试剂

本试验所用新温417核桃青皮，购自新疆阿克苏地区乌什县。核桃青皮经清洗表皮、除去表面灰尘和污物后，在常温环境下自然晾晒干制，磨粉过40目筛，在密封状态下于0 ℃冰箱中避光冷藏，备用。试验所用试剂见表1。

1.2  仪器与设备

核桃青皮多酚提取过程中所用设备见表2。

1.3  试验方法

试验采用福林酚法[15]，以没食子酸浓度为横坐标、吸光度为纵坐标制作标准曲线。当没食子酸浓度在10～50 μg/mL范圍内时与吸光度呈良好线性关系，得到的标准曲线方程为y=0.050 6x+0.018 2（R2=0.995 5）。

核桃青皮多酚提取率（A）计算公式如下：

A（mg/g）=C×V×dm。

式中：C为样品测试液浓度（μg/mL）；V为样品测试液体积（mL）；d为稀释倍数；m为核桃青皮粉末质量（g）。

1.4  单因素试验

1.4.1  提取剂浓度

在固定料液比为1∶40、提取温度为60 ℃、提取时间为80 min的条件下，使用电子天平称取晾晒干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL锥形瓶中，一共称取5组。分别在称量好核桃青皮粉末的锥形瓶中加入配好的乙醇-水溶液进行提取，其浓度分别为20%、30%、40%、50%、60%，测定并计算核桃青皮多酚提取率。

1.4.2  料液比

在固定提取温度为60 ℃、提取时间为80 min、提取剂浓度为30%的条件下，使用电子天平称取晾晒干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL锥形瓶中，一共称取5组。分别在称量好核桃青皮粉末的锥形瓶中加入配好的乙醇-水溶液进行提取，其料液比分别为1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，测定并计算核桃青皮多酚提取率。

1.4.3  提取温度

在固定料液比为1∶50、提取时间为80 min、提取剂浓度为30%的条件下，使用电子天平称取晾晒干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL锥形瓶中，一共称取5组。分别将称量好核桃青皮粉末的锥形瓶置于试验所设定温度的恒温水浴锅中，其提取温度分别为40，50，60，70，80 ℃，测定并计算核桃青皮多酚提取率。

1.4.4  提取时间

在固定料液比为1∶50、提取剂浓度为30%、提取温度为50 ℃的条件下，使用电子天平称取晾晒干制磨粉的核桃青皮粉末2.00 g，放置于150 mL锥形瓶中，一共称取5组。分别将称量好核桃青皮粉末的锥形瓶置于试验所设定温度的恒温水浴锅中，其提取时间分别为60，70，80，90，100 min，测定并计算核桃青皮多酚提取率。

1.5  响应面试验

通过对上述所做单个变量试验结果的计算与分析，选取对核桃青皮多酚提取率影响较大的3个因素，即核桃青皮粉末与乙醇的比例、提取温度、乙醇浓度，设置三因素三水平响应面试验，见表3。通过响应面试验得到较优的核桃青皮多酚提取工艺。

1.6  数据处理与分析

采用Excel 2019软件进行数据处理，Origin 2022软件进行绘图，SPSS 26软件进行显著性分析。

2  结果与分析

2.1  提取剂浓度对多酚提取率的影响

由图2可知，核桃青皮多酚提取率随着乙醇浓度的增加呈现先增大后减小的趋势。当乙醇浓度为30%时，核桃青皮多酚提取率最高，达到3.94 mg/g，显著高于其他浓度组。这可能是由于多酚类物质中包含酚羟基、羧基等，它们是极性有机物。乙醇的加入使提取物具有与多酚相似的极性[16]，从而提高了多酚的提取率。随着乙醇浓度的继续增加，萃取剂的极性大于多酚物质的极性，抑制了多酚的溶解度，降低了核桃青皮多酚的提取率。综合考虑，选择乙醇浓度为20%、30%、40%设计响应面试验。

2.2  料液比对多酚提取率的影响

由图3可知，随着核桃青皮粉末与乙醇的比例的增大，多酚提取率先呈上升趋势，当料液比为1∶40时，核桃青皮多酚提取率最高，但料液比大于1∶40后，随着料液比的增大，核桃青皮多酚提取率下降。原因可能是当料液比较小时，溶质未能完全扩散到提取剂中，易导致黏性物质产生，使得提取剂与青皮粉末接触不充分，同时粉末中存在部分杂质，消耗了部分提取剂，因此多酚提取率较低。随着提取剂浓度的增加，核桃青皮粉末与提取剂充分接触，且足量的溶液浸泡使植物组织的破裂速度加快[17]，增加了多酚的提取量。综合考虑，选择料液比为1∶30、1∶40、1∶50设计响应面试验。

2.3  提取温度对多酚提取率的影响

由图4可知，随着提取温度的升高，多酚提取率先升高，当提取温度为50 ℃时，核桃青皮多酚提取率最大，当提取温度超过50 ℃后，核桃青皮多酚提取率先缓慢下降后急剧下降，原因可能是温度可以加快有机溶剂的扩散速率，使得多酚溶于乙醇溶剂的速度加快，故核桃青皮多酚提取率升高，但由于多酚具有受热不稳定的特性，随着提取温度的继续升高，多酚类物质被氧化导致结构被破坏，故多酚提取率降低。综合考虑，选择提取温度为40，50，60 ℃设计响应面实验。

2.4  提取时间对多酚提取率的影响

由图5可知，随着提取时间的延长，核桃青皮多酚提取率先缓慢上升后陡然上升，当提取时间为90 min时，核桃青皮多酚提取率达到峰值。提取时间的增加使得提取剂能更好地扩散并与核桃青皮多酚接触，使得多酚提取率升高。但达到峰值后，隨着提取时间的延长，多酚逐渐被氧化，多酚提取率下降。

2.5  响应面试验

2.5.1  响应面试验结果与分析

对表4中数据进行拟合，得到核桃青皮多酚提取率（Y）对核桃青皮粉末与乙醇的比例（A）、提取温度（B）、乙醇浓度（C）的二次多项式回归方程：Y=+5.04+0.19A+0.31B+0.096C－0.15AB－0.13AC－2.500E－003BC－0.40A2－0.33B2－0.39C2。

由表5可知，本试验模型的P＜0.000 1，说明核桃青皮多酚提取的模型回归结果尤为突出，A（核桃青皮粉末与乙醇的比例）、B（提取温度）、C（乙醇浓度）、AB、AC、A2、B2、C2对多酚提取率的影响极显著（P＜0.01），BC对多酚提取率的影响不显著（P>0.05）。失拟项不显著（P＞0.05），说明此模型的拟合度良好[17]。对核桃青皮多酚提取率的影响主次因素可以通过F值得到，即提取温度（B）的影响最显著，其次是核桃青皮粉末与乙醇的比例（A），乙醇浓度（C）的影响相对较小。校正绝对系数RAdj2=0.968 3，表示该拟合模型在核桃青皮多酚提取试验中具有一定的通用性，因此可利用该模型对核桃青皮多酚提取试验中各因素的影响进行分析和预测。

2.5.2  响应面交互作用分析

响应面法可将两个因素的交互作用对响应值的影响可视化[18]。在核桃青皮多酚提取率的等高线图中，等高线为圆形表示两个因素对核桃青皮多酚提取率的影响不显著，而等高线为椭圆形表示两个因素对核桃青皮多酚提取率的影响显著。在3D模型图中，抛物面越陡峭表示两个因素对核桃青皮多酚提取率的影响越大[19]。由图6可知，固定乙醇浓度，仅探求核桃青皮粉末与乙醇的比例和提取温度对核桃青皮多酚提取率的影响，发现最优的提取参数为核桃青皮粉末与乙醇的比例1∶40～1∶45、提取温度50～55 ℃。提取温度的曲面坡度和核桃青皮粉末与乙醇的比例对应的曲面坡度相比呈现出更平缓的趋势，表明核桃青皮粉末与乙醇的比例对多酚提取率的影响程度超过了提取温度。由图7和图8可知，核桃青皮粉末与乙醇的比例和乙醇浓度的交互作用、提取温度和乙醇浓度的交互作用对核桃青皮多酚提取率均有显著影响[20]。在单因素试验的基础上，利用响应面建模优化了核桃青皮多酚的较佳提取工艺条件，并进行了多次验证试验，结果表明，该研究得到的模型合理可行。固定提取温度，最优的乙醇体积分数为30%～35%，最优的核桃青皮粉末与乙醇的比例为1∶40～1∶45，以达到最佳的提取效果。此时，与乙醇浓度相比，核桃青皮粉末与乙醇的比例对核桃青皮多酚提取率的影响更大；若仅考虑提取温度和乙醇浓度对多酚提取率的交互作用，最优的工艺为提取温度50～55 ℃、乙醇浓度30%～35%，提取温度对核桃青皮多酚提取率的影响大于乙醇浓度。

2.5.3  验证试验结果

根据模型的优化结果，得到较佳的提取工艺为料液比1∶41.41、提取温度54.28 ℃、乙醇浓度30.98%，在此条件下，模型预测的多酚得率为5.13 mg/g。结合实际并经过验证，得出了较佳方案：采用1∶40的料液比，在54 ℃的提取温度下，将乙醇浓度控制在30%。在上述条件下，核桃青皮多酚提取率为5.16 mg/g，表明该模型的预测结果与实际情况高度吻合，该模型在实践中具有一定的指导意义。

3  结论

本文采用乙醇为溶剂提取核桃青皮中的多酚，测定其含量并计算其提取率。通过单因素变量试验，筛选出提取温度、乙醇浓度和核桃青皮粉末与乙醇的比例这3个因素对核桃青皮多酚的有机溶剂提取法提取条件产生较大影响，并利用响应面法进行优化，建立了以核桃青皮多酚提取率为目标值，以核桃青皮粉末与乙醇的比例、乙醇浓度和提取温度为评价因素的数学模型。试验结果表明乙醇浓度、核桃青皮粉末与乙醇的比例、提取温度对核桃青皮多酚提取率的影响大小为提取温度>核桃青皮粉末与乙醇的比例>乙醇浓度。利用模型方程得到核桃青皮多酚的较佳提取工艺条件为提取温度54.28 ℃、核桃青皮粉末与乙醇的比例1∶41.41、乙醇浓度30.98%，在此条件下进行多次试验验证，结果与理论值的拟合度良好，表明利用响应面法优化核桃青皮多酚提取的数学模型具有一定的可靠性，可为后续核桃青皮多酚的进一步开发利用奠定基础。

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