中心组合设计提取橘皮色素研究

李建凤 ，廖立敏，王 碧＊

（1.内江师范学院 化学化工学院，四川 内江 641112；2.四川省高等学校“果类废弃物资源化”重点实验室，四川 内江 641112）

我国是柑橘主要产地之一，柑橘资源丰富，优良品种繁多，产量居世界第三［1－3］.柑橘类水果不仅果实营养丰富，果皮中亦含有丰富的香精油［4－5］、果胶［6－8］、黄酮［9］、多糖［10］、橙皮苷［11］、色素［12］等有效成分.四川内江地区现有柑橘、柠檬等种植面积8 700hm2，其附近的安岳现有柑橘、柠檬等种植面积15 300hm2，总产值近18亿元.内江现有饮料制造企业近50 家，内江及安岳年加工柑橘类鲜果100余万t.而柑橘类果皮渣是柑橘类水果加工业的主要副产物，约占整个果重的25%～40%，因此内江及安岳每年产生约25～40余万t的柑橘类果皮渣废弃物.传统的处理方法是将其直接进行丢弃、填埋或小部分加工成饲料，从环境和经济的角度分析，都是不科学、不合理的解决途径.所以柑橘果皮的综合利用对提高柑橘加工厂的经济效益和减少污染、保护环境都是十分有利的.橘皮色素可以用于食品加工，以改善感官性质.橘皮色素相比人工合成色素，安全性更高.目前，色素的常用提取方法有蛋白凝固色素提取［13］、超声波提取［14］、微波提取［15］等.超声波提取具有操作时间短、溶剂使用量小、受热均匀、目标组分得率高等优点［16］，本文采用超声波辅助提取橘皮色素，采用中心组合设计安排实验，确定其最佳提取工艺，以期为橘皮资源的综合利用提供科学依据.

1 实验部分

1.1 实验材料

仪器：DFT－100 100g手提式高速粉碎机：温岭市林大机械有限公司；CP2202S 电子分析天枰：赛特利斯（北京）有限公司；80－2 离心沉淀器：江苏省金坛市医疗仪器厂；KQ－400KDB 高功率数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；UV－mini－1240 紫外可见分光广度计：岛津；DHG－9070A 电炉恒温鼓风干燥箱：上海申贤恒温设备厂.

试剂与原料：95%乙醇，成都金山化学试剂有限公司；去离子水，优普超纯水机；柑橘，产自四川内江.

1.2 实验方法

橘皮色素的提取：新鲜柑橘取皮洗净于60℃下烘干至恒重，粉碎，过筛，取粒径为60～40目的橘皮粉为实验原料.准确称取1g橘皮粉于三角瓶中，加入一定量和一定浓度（体积分数）的乙醇溶液，在一定温度下超声波（320 W）处理一定的时间，过滤即得橘皮色素提取液.

橘皮色素相对含量的测定：将上述橘皮色素提取液定容于25 mL，准确移取0.5 mL 定容于10mL，在330nm 波长下测吸光度，以吸光度大小表示提取液中色素相对含量的高低.

实验设计：本文主要考察提取温度、乙醇浓度、提取时间和液固比对提取效果的影响，应用Design Expert 7.0软件中的Central Composite程序设计安排实验，因素及水平如表1.

表1 因素及水平Tab.1 Factors and levels of experiments

2 结果与讨论

中心组合设计实验安排及结果见表2.

表2 中心组合设计方案及响应值Tab.2 CCD design and response values

用标准多项式回归方法，对实验数据进行拟合，可得到如下二次多项式模型：

其中，y是吸光度，β0，βi，βii，βij是 系数，xi，xj是 自变量（提取温度：A、乙醇浓度：B、提取时间：C 和液料比：D）.该方程即为描述因变量y与自变量x的经验模型.对此方程进行分析，可以预测在不同提取条件下的相对提取率.可望为最佳提取条件的确定提供理论参考.对所建立的响应模型进行方差分析，结果见表3.由表3可知，试验选用的模型高度显著（P＜0.000 1），说明该模型拟合程度良好，可以用此模型来分析以乙醇为溶剂采用超声波对柑橘皮渣色素的提取.

表3 回归模型方差分析Tab.3 Analysis of variance for regression model

表3可以看出橘皮色素提取率实际是受到各个因素及其交叉影响的，其中交互项AC 和BD对提取影响高度显著，一次项提取时间（C）和液固比（D）对提取的影响相对更为显著.时间长，有利于色素溶出，但是时间过长则残渣溶胀而影响后续的过滤操作，另外时间过长也会导致部分色素重新被残渣吸附.液料比太小，则色素在细胞内外浓度差小，不利于色素溶出.液料比太大，可能会影响超声波的吸收效率，并且从节约溶剂和减少资源浪费上考虑，液料比也不能太大.提取温度高，分子运动加快，有利于有效成分的扩散溶出，但是温度太高会导致提取溶剂损失，另外温度太高可能会引起色素被破坏.一定浓度的乙醇有利于色素的溶出，但是浓度太大溶剂易挥发损失，同时乙醇浓度过高也会导致其它脂溶性物质的溶出.

模型的各变量的系数估计值见表4，另外对各变量的膨胀因子VIF 进行了计算，从表4 中可以发现，各变量的膨胀因子VIF值均为1，说明各变量间不存在共线性，模型是有效的.

表4 各因素系数估计Tab.4 Coefficient estimation of factors

上述模型对表1中各条件下提取液色素吸光度值进行了预测，结果列于表1.计算值与实验值相关图见图1.从图1可以看出，大部分样本点都落在45°的对角线附近，说明模型对于大部分样本的预测较为准确，同时也说明试验数据较为准确，模型可以用于分析柑橘皮色素的提取.个别样本点离对角线稍远，可能是实验数据的误差，从而导致计算结果不够准确.不论是何种原因导致的大误差，大误差的样本点毕竟不多，模型拟合结果及实验结果都是值得肯定的.

图1 预测值与实验值相关图Fig.1 Calculated vs.experimental value

通过对提取液吸光度的回归模型进行二次多项数学解逆矩阵以及相关数学分析，得到橘皮粉末在温度为40℃、乙醇浓度为70%、超声时间为20min、超声料液比10∶l的工艺条件下色素提取率可取得最大值，此时色素提取液吸光度的理论预测值为1.645.通过分析发现中心组合实验获得的橘皮色素提取的最优工艺条件，恰好为表2中实验号为26的实验，26号实验得到的橘皮提取液吸光度值为1.682，这比理论预测值1.645 还略高，最佳工艺基本得到验证.

3 结论

本实验应用Design Expert软件中的Central Composite程序设计安排实验，分析得出超声波（功率：320 W）提取橘皮色素的最佳工艺条件：温度为40℃、乙醇浓度（V／V）为70%、超声时间为20 min、超声料液比10∶l.与传统的色素提取方法相比，采用超声波提取色素，能够使色素的提取时间大大的缩短，同时能耗降低，工艺操作简单易控制.而且该方法还有成本低、投资少、环境污染小等优点.本文对于从天然产物中提取色素的研究具有一定参考价值.

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