随机质心映射优化法研究核桃青皮中蒽醌类色素的提取工艺

丁芸，刘玉梅(新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046)

核桃青皮又名青龙衣，为胡桃科植物核桃楸(Jugland mandshurica Maxim)和核桃(Juglans regial)的未成熟果皮，主要分布在东北的南部、华北、西北、华中及华东地区［1］。我国每年核桃采收季节均有大量的核桃青皮产生，除少量药用或作为燃料使用外基本被废弃，若能对其加以利用，不仅可使核桃青皮变废为宝，还能减少环境污染［2］。已有研究表明，核桃青皮中主要有效成分是醌类、多酚类、多糖、二芳基庚烷类［3］，此外还含有甾体、萜类、脂肪酸、多种矿物质元素、维生素等成分［4］。蒽醌类化合物广泛存在于多种植物中，自古以来就是一类重要的天然染料，也是核桃青皮中的主要色素成分［5－6］。

随机质心映射优化程序(randomcentroid optimization，RCO)是一种全局性的优化程序，是由加拿大英属哥伦比亚大学食品科学系教授Dr.Nkai于1981年设计的［7］。该方法与常用的正交设计法(orthogonal experimental design，OED)和响应面法(response surface methodology，RSM)相比，能以最少的试验次数，得到良好的试验结果，尤其适用于影响因素较多的情况［8－9］。该程序每次循环包括3个步骤:随机搜索(random search)、质心选择(centroid search)，及映射优化(mapping optimization)。笔者采用随机质心映射优化法研究核桃青皮中蒽醌类色素提取工艺，考察了提取温度、提取时间、超声时间、料液比、粉碎粒度和乙醇浓度6个影响因素，旨在为核桃青皮进一步利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料 原料:新疆当地核桃青皮，烘干后备用。主要试剂:1，8-二羟基蒽醌标准品(质量分数96% ～98%)，Sigma-Aldrich公司;乙醇、甲醇、醋酸镁，均为分析纯。主要仪器:电子天平，德国赛多利斯，型号:BS210S，精度0.1 mg，称重范围0～210 g;超声波清洗器，型号KQ5200B，昆山市超声仪器有限公司;离心机，型号Anke.TGL-16G，上海安亭科学仪器厂;UV-5300PC型紫外/可见分光光度计，上海元析仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 标准曲线的绘制。精确称取1，8-二羟基蒽醌标准品10 mg，加入几滴乙醚，振荡使其溶解，用甲醇定容至50 ml，取5 ml稀释至25 ml容量瓶，配成0.04 mg/ml蒽醌标准溶液。分别移取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 ml标液置于 10 ml容量瓶中，加0.5%醋酸镁－甲醇溶液至刻度，以0.5%醋酸镁－甲醇溶液为空白对照，在200～800 nm波长范围内进行全波长扫描，确定最大吸收波长。以蒽醌质量浓度c(mg/ml)为横坐标，吸光度值A为纵坐标绘制标准曲线。

1.2.2 待测液的制备。称取适量粉碎后的核桃青皮，选择提取温度、提取时间、超声时间、料液比、粉碎粒度和乙醇浓度6个影响因素，按表1中给出的各因素的上下限范围，输入随机质心映射优化程序进行随机设计，分别在给出的对应参数条件下进行提取。提取完成后，抽滤，将提取液定容至50 ml，测定各自的含量，试验结果以提取液中蒽醌含量来评价。

1.2.3 蒽醌含量的测定。吸取1 ml待测样品液测吸光度，由标准曲线得出待测样品液中的蒽醌浓度，再按以下公式计算出提取液中蒽醌的含量。

X=cVN/m

式中，X为含量(mg/g)，c为质量浓度(mg/ml)，V为总体积(ml)，N为稀释倍数，m为称取核桃青皮的质量。

表1 待优化因子的上下限范围

1.3 数据处理 每组试验的测定次数均为3次，试验数据采用Microsoft Excel来处理，结果以平均值±标准偏差(means±standard deviation)来表示。

2 结果与分析

2.1 最大吸收波长的选择及标准曲线的制备 由图1a可知，标准溶液在波长510 nm处有一特定吸收峰，因此选择510 nm波长作为测定波长。以样品的吸光值为纵坐标、蒽醌浓度为横坐标，制备标准曲线见图1b，标准曲线的回归方程为 A=45.592 9c+0.020 9，R2=0.999 6，表明浓度在 4 ～24 μg/ml范围内，有良好的线性关系。

2.2 随机质心条件的设计 表2为依据RCO程序设计出 的随机试验点，进行第1轮循环的试验条件及测定结果。

表2 第1轮随机试验方案及试验结果

对第1轮的试验结果采用RCO软件进行优化条件映射，图2中箭头所指为每个因素的最佳映射条件值，由图2可以看出，蒽醌类色素第1轮的较好条件为:萃取温度为76℃，萃取时间为87 min，超声时间为15 min，料液比为0.08 g/ml，粉碎粒度为20目，乙醇浓度为53%。

由图2可以看出，箭头所指方向并不是很明确，映射结果较分散，需要进一步验证。因此，又在第1轮试验的基础上，在RCO程序中输入第2轮试验中各个因子的上下限范围，所得第2轮的试验的因子水平及结果见表3和图3。图3显示，蒽醌类色素第2轮的优化条件为:萃取温度50℃，萃取时间103 min，超声时间23 min，料液比 0.09 g/ml，粉碎粒度80目，乙醇浓度为51%。

表3 第2轮随机试验方案及试验结果

表4 第3轮随机试验方案及试验结果

经过上述2轮试验优化后，各试验因素的参数上下线范围已明显减小，且第2轮试验所得提取液的蒽醌含量也已有了明显的提高，但各因素的最佳试验点尚不明确，因此，又通过第3轮进行了进一步的优化。试验结果见表4、图4。表4数据表明，经过此轮优化，影响蒽醌类色素提取率的各因素最优提取工艺条件已基本明确:分别为萃取温度为64℃，萃取时间为114 min，超声时间为24 min，料液比为0.09 g/ml，粉碎粒度为20目，乙醇浓度为60%，此最优组合即为表4中的第30号试验。从图4中也能非常直观地看到优化的试验结果，此时，蒽醌类的提取率可达(4.84 ±0.14)mg/g。

3 结论

研究通过3轮的随机质心映射优化试验对影响核桃青皮中蒽醌类色素提取率的6个主要因素进行了优化，结果表明，最佳提取条件为提取温度64℃，提取时间114 min，超声时间24 min，料液比0.09 g/ml，粉碎粒度20目，乙醇浓度60%，在此工艺条件下，蒽醌的提取率可达(4.84±0.14)mg/g。该方法与响应面法和正交设计相比，在影响因素较多时可以在更少的试验次数内得到最佳的试验方案。

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