减压内部沸腾法提取血橙皮多糖

程旭，廖立敏

（1.重庆化工职业学院，重庆400020；2.内江师范学院化学化工学院，四川内江641100）

血橙，是芸香科柑橘属的一个品种。由于果实中带有血红色，因而被称为血橙。血橙主产非洲北部和欧洲南部地中海沿岸各国，中国亦有大量种植，仅在四川内江资中县就有约1万hm2，年产量超过10万吨。血橙除用于鲜销外，基本被用于生产血橙饮料，在血橙饮料生产过程中大约产生占鲜果40%的皮渣。大部分血橙皮渣没有得到有效利用而直接被抛弃于环境中，既浪费资源又给当地环境带来负面影响。柑橘类果皮渣中含有色素[1-2]、苦素[3-4]、橙皮苷[5-6]、黄酮[7-8]、多糖[9-10]等多种有效成分，其中多糖类物质含量在30%以上。植物多糖具有良好的抗氧化、抗癌、加强肠道蠕动等功能[11-12]，被广泛应用于保健品、功能食品和药品中。近期有学者发现植物多糖对促进动物生长、调节免疫力、改善动物的肉质等具有积极的作用，因而可以作为添加剂被用于功能饲料[13-15]。对血橙皮中的多糖类物质进行提取，对于有效利用血橙皮渣、减轻当地环境压力等具有重要的意义。目前提取植物组织中的有效成分的方法主要有热水浸提法[16]、超声波提取法[17]、微波提取法[18]、酶法[19]、内部沸腾法[20-22]等。 热水浸提法耗时耗能，提取率低下；超声波提取过程中产生刺耳的噪声，对操作者不利；微波提取过程中溶剂升温快、反应剧烈，对热不稳定性物质破坏严重；酶法提取过程中对条件的控制较为严格；内部沸腾法因操作简便、无需特殊仪器设备、耗时短、提取率高而受到研究者的重视。本文在常规的内部沸腾法的基础上加以改进，降低反应体系的压力，使其在达到溶剂沸点或低于溶剂沸点时依然能产生剧烈的内部沸腾，有效加快提取速率和提高多糖得率。通过响应面法优化提取工艺，为开发利用血橙皮多糖提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

新鲜血橙：产自四川省资中县；去离子水；新制的Schiff试剂、0.5%高碘酸水溶液；无水乙醇、无水葡萄糖、苯酚、浓硫酸、溴化钾（均为分析纯）：成都金山化学试剂有限公司。

电子分析天平（CP2202S）：北京赛多利斯仪器公司；高速万能粉碎机（FW200）：北京成萌伟业科技有限公司；循环水式多用真空泵（SHZ-95B）：上海互佳仪器设备有限公司；高速台式离心机（TGL-10C）：上海安亭科学仪器厂；超纯水机（U HP-Ⅳ-20T）：成都超纯水科技有限公司；超级恒温水浴槽（HH-601）：江苏金坛亿通电子公司；紫外-可见分光光度计（752型）：上海精密科学仪器有限公司；红外光谱仪（FTS-40型）：美国伯乐公司。

1.2 试验方法

1.2.1 原料的预处理

将新鲜血橙清洗干净，取皮，于60℃的下烘干至恒重，将血橙皮用高速粉碎机粉碎3 min，得到血橙皮粉末，用塑料袋密封置于干燥器中备用。

1.2.2 血橙皮多糖提取

称取3.0 g血橙皮粉末置于锥形瓶，加入一定体积分数的乙醇溶液20 mL，浸泡20 min，使乙醇溶液充分进入血橙皮粉末内部，将一定温度、一定体积的热水加入到烧杯中，迅速转入相同温度的恒温水浴锅中，装好装置，开启真空泵，使体系压力降至38 kPa。乙醇在植物组织内部产生沸腾，提取一定的时间后冷却至室温（25℃），在离心机中4 000 r/min离心5 min。将上清液加入无水乙醇进行沉淀，过滤，无水乙醇洗涤至白色，滤饼转移至蒸发皿中，70℃下真空干燥至恒重，得多糖粉末，用于多糖鉴定。将上清液转入比色管中，去离子水定容到一定的体积得多糖含量待测液。

1.2.3 多糖的鉴定

1.2.3.1 高碘酸-希夫试剂反应（peri-odic acid Schiff，PAS）

准确称取血橙皮多糖粉末5 mg于烧杯中，去离子水溶解后转移至50 mL容量瓶中定容，摇匀。取2 mL于试管中，加入2滴～3滴0.5%高碘酸水溶液反应约10min，加入2滴～3滴新制的Schiff试剂，反应约10min后观察现象[23]。

1.2.3.2 紫外光谱

取适量1.2.3.1中多糖溶液，以去离子水为参比，在波长范围190 nm～400 nm内进行紫外光谱扫描，获得紫外光谱图。

1.2.3.3 红外光谱

取1 mg血橙皮多糖与100 mg KBr粉末，用玛瑙研钵研磨均匀，压成薄片，用红外光谱仪在400 cm-1～4 000 cm-1波数范围内扫描，获得红外光谱图。

1.2.4 血橙皮多糖含量测定及得率计算

精密称取葡萄糖7.4 mg于烧杯中，去离子水溶解后转移至50 mL的容量瓶中，去离子水定容至刻度线，摇匀得0.148g/L的葡萄糖标准溶液。精密称取5.0000g苯酚溶于烧杯中，去离子水溶解后转移至100 mL的容量瓶中，去离子水定容至刻度线，摇匀得5%的苯酚溶液。多糖的测定采用苯酚-硫酸法，分别精密移取0、0.4、0.6、0.8、1.0 mL葡萄糖标准溶液于比色管中，分别加去离子水稀释到2.0mL，再加1.0mL的5%的苯酚溶液，加入5.0 mL浓硫酸，边加边摇匀，静置20 min冷却至室温（25℃），去离子水为空白溶液，在紫外区域扫描，发现在波长为490nm处吸光度最大。490nm下测定吸光度，以吸光度（A）为纵坐标，以葡萄糖质量浓度为横坐标，得标准曲线方程为A=1.016C-0.110 7，R2=0.998 5。

待测液稀释到合适体积，取1 mL按苯酚-硫酸法测定其吸光度，按标准曲线计算多糖含量，按式（1）计算血橙皮多糖得率。

1.2.5 试验设计

单因素试验，以乙醇体积分数50%、液料比20mL/g、提取温度60℃、提取时间10 min为基础，固定其中3个参数，改变其中1个参数以研究其对提取的影响。

响应面试验，在单因素试验初步确定的最优试验条件附近，运用响应面试验（Box-Behnken Design）进一步优化提取工艺条件。选取的因素及设计的水平，见表1。

表1 因素及水平Table 1 Factors and levels

2 结果与讨论

2.1 多糖的鉴定

在高碘酸-希夫试剂反应（PAS反应）中，试管溶液中出现紫红色化合物。高碘酸作为强氧化剂，打开了多糖的C-C键，使多糖分子中的醇羟基氧化为醛基，醛基与希夫试剂结合，生成了紫红色化合物。高碘酸-希夫试剂反应对于二醇基有特异性，多糖残基富含二醇基，因而希夫试剂对多糖具有特异性。试验现象说明提取的样品中有多糖的存在。

血橙皮多糖紫外光谱图见图1。

图1 血橙皮多糖紫外光谱图Fig.1 UV spectrum of polysaccharides

图1中可以看出血橙皮多糖溶液在194 nm附近出现最大吸收，在260 nm和280 nm处均没有出现特征吸收，说明提取物中没有蛋白质和核酸等杂质，提取物的主要成分为多糖类物质。

血橙皮多糖红外光谱图见图2。

图2中发现具有典型的多糖特征吸收峰（3 413、2 933、1 607、1 419、1 159、1 025 cm-1）。其中 3 413 cm-1处的宽峰是O-H键的伸缩振动；2 933 cm-1处小的吸收峰为C-H伸缩振动引起的吸收峰，这两组吸收峰是糖类物质的特征吸收峰，说明提取出的物质为多糖[24]。1 607 cm-1处是羧基的C=O双键伸缩振动吸收峰；1 419 cm-1和1 159 cm-1是甲基的对称C-H弯曲振动和羧基C-O单键伸缩振动引起的吸收峰；1 025 cm-1的吸收峰表明存在C=O键和吡喃糖环结构，以上可以说明提取物主要为多糖类物质。

图2 血橙皮多糖红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum of polysaccharides

2.2 单因素试验

乙醇体积分数对血橙皮多糖提取的影响见图3。

图3 乙醇体积分数对提取的影响Fig.3 Effect of ethanol volume fraction on extraction

乙醇体积分数对血橙皮多糖提取的影响主要表现在两个方面，一是影响提取过程产生内部沸腾的剧烈程度，二是影响溶剂的极性从而影响多糖类物质的溶解。从图3可以看出，在低浓度时血橙皮多糖的得率随着乙醇体积分数的增大而提高，说明了乙醇浓度低，内部沸腾不剧烈，从而影响了多糖的提取；随着乙醇体积分数的增大，内部沸腾越来越剧烈，多糖得率也随之升高。当乙醇体积分数大于50%后，多糖得率有所下降，说明了血橙皮多糖具有一定水溶性，乙醇体积分数过高影响了水对血橙皮多糖的溶解，从而影响血橙皮多糖实际得率。因而，初步确定乙醇的体积分数为50%左右。

液料比对血橙皮多糖提取的影响见图4。

从图4中可以发现在低液料比时，血橙皮多糖的得率随着液料比的增大而增大，说明了液料比越大，多糖溶出越多，植物组织内部残留量就越低。液料比超过20 mL/g后，多糖得率略有上升。但是液料比过大，会增加后续处理的工作量，且浪费资源。因而，初步确定液料比为30 mL/g左右。

图4 液料比对提取的影响Fig.4 Effect of Effect of liquid-to-solid ratio on extraction

提取温度对血橙皮多糖提取的影响见图5。

图5 提取温度对提取的影响Fig.5 Effect of temperature on extraction

提取温度主要影响产生内部沸腾的剧烈程度、分子运动的速率、多糖的溶解度及水解，从而最终影响血橙皮多糖的实际得率。图5显示提取温度越高，血橙皮多糖得率越高。由于在减压下提取，当温度为60℃时已经产生了剧烈的内部沸腾，多糖得率具有较大值。温度继续升高，多糖得率缓慢上升，从提高多糖得率方面考虑，应该将提取温度设定在70℃左右。

提取时间对血橙皮多糖提取的影响见图6。

图6 提取时间对提取的影响Fig.6 Effect of time on extraction

多糖类物质由植物组织内部向外扩散是需要时间的，当提取时间10 min时扩散达到平衡，继续延长时间，多糖的得率也不会有明显地增加。多糖在溶液中高温暴露时间太长，部分多糖可能降解，可能导致实际得率下降。因而综合考虑后应该确定提取时间在10 min左右。

2.3 响应面试验

通过Box-Behnken Design共设计了29组试验，响应面试验安排及结果列入表2。

表2 试验安排及结果Table 2 Experimental arrangement and results

续表2 试验安排及结果Continue table 2 Experimental arrangement and results

将提取条件乙醇体积分数（A）、液料比（B）、提取温度（C）、提取时间（D）、AB、AC、AD、BC、BD、CD、A2、B2、C2、D2作为自变量，血橙皮多糖得率作为因变量Y，建立多元线性回归方程，如式（2）。

N为回归点数，R为相关系数，SD为标准偏差，F是显著性检验值。相关系数（R）高达0.913，说明模型拟合效果良好。方差分析结果，见表3。

表3 方差分析结果Table 3 Anova results

表3中可以发现，模型是显著的，说明选取一次项和二次项作为自变量进行建模是合理的。一次项液料比（B）、提取时间（D）对血橙皮多糖得率影响显著，说明在试验过程要严格控制。二次项CD对血橙皮多糖得率影响较为显著，其余各项对血橙皮多糖得率影响不显著。模型相关系数大于0.9，说明选取乙醇体积分数（A）、液料比（B）、提取温度（C）、提取时间（D）进行优化是合理的。

响应面图是响应值（血橙皮多糖得率）对各影响因素所构成的三维立体空间曲面图，图7和图8表示在其它影响因素不变的情况下乙醇体积分数（A）和液料比（B）交互作用、提取温度（C）和提取时间（D）交互作用对血橙皮多糖得率影响曲面图。

图7 乙醇体积分数、液料比及交互作用对提取的影响Fig.7 The effect of ethanol volume fraction,liquid-to-material ratio and interaction on extraction

图8 提取温度、提取时间及交互作用对提取的影响Fig.8 Effect of extraction temprature,extraction time and interaction on extraction

图7中等高线平行或共圆心趋势较强，说明乙醇体积分数（A）和液料比（B）交互作用不显著，AC、AD、BC、BD交互影响也不显著，响应面图形与图7类似。图8中等高线相对来说不平行、不共圆心的趋势明显，说明提取温度（C）和提取时间（D）交互作用较为显著，与表3分析结果一致。

利用回归模型对各提取条件下血橙皮多糖得率进行了预测，预测值及误差列于表2。模型对多糖得率预测值与试验值相关图见图9。

为便于观察模型预测结果，将模型预测值与试验值相关图绘于图9，图中可以发现大部分样本点都处于45°对角线附近，说明模型对各提取条件下血橙皮多糖得率预测值与试验值具有较好的相关性，两者差别较小。模型预测误差分布图见图10。

图9 模型对多糖得率预测值与试验值相关图Fig.9 Cal.vs.Exp.of the yield of lpolysaccharides

通常对于一个优良的模型要求大部分样本的预测误差不得超过正负2倍标准偏差（±2SD）。图10中可以看到全部样本点都落在模型的±2SD范围内，没有样本点的预测误差超出此范围，说明模型预测准确性高，可以用于对减压内部沸腾法提取血橙皮多糖的工艺进行分析。

图10 模型对多糖得率预测误差分布Fig.10 Distribution of the prediction error of the model for the yield of polysaccharides

2.4 最优工艺条件的确定与验证

由多元线性回归方程在设定的范围内求得减压内部沸腾法提取血橙皮多糖的最优工艺条件：乙醇溶液体积分数为55%、液料比为35 mL/g、提取温度为80℃、提取时间为10 min，血橙皮多糖得率的模型预测值为29.2%。在此条件下分别进行3次平行试验，结果分别为28.6%、28.7%、28.5%，平均值为28.6%，与模型预测值接近，表明响应面试验得到的血橙皮多糖提取工艺是正确的，同时也验证了模型预测的准确性高。在此条件下血橙皮多糖得率高，试验重现性好。

3 结论

通过单因素试验和响应面试验，得到了减压内部沸腾法提取血橙皮多糖的最优工艺，即乙醇溶液体积分数为55%、液料比为35 mL/g、提取温度为80℃、提取时间为10 min，此条件下血橙皮多糖得率可达28.6%。减压内部沸腾法操作简单，提取率高，提取过程无需加入有毒有害物质，提取物可以直接作为添加剂用于生产保健品、药品、功能饲料等，本文对于开发利用血橙皮多糖具有较好的参考价值。