正交试验法优化橘皮色素的超声提取工艺研究

徐媛媛， 陶冬萍， 郭志华

(宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州 234000)



正交试验法优化橘皮色素的超声提取工艺研究

徐媛媛， 陶冬萍， 郭志华*

(宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州 234000)

摘要[目的] 为提高柑橘附加值，用正交试验法优化橘皮黄色素的提取工艺。[方法]采用单因素试验研究超声波乙醇提取橘皮黄色素的工艺，并采用正交试验确定最佳提取工艺。[结果]试验得出的橘皮色素超声提取的最佳工艺是：提取溶剂70%乙醇，料液比1∶10 g/mL，提取温度80 ℃，超声时间为30 min，超声波功率为200 W。[结论]研究可为橘皮提取色素提供理论依据，为橘皮的综合开发利用提供参考。

关键词橘皮色素；超声波 ；正交试验

现代食品工业对色素作为食品添加剂的需求越来越大，但目前大部分色素是人工合成的，许多人工合成的色素含有偶氮化合物，具有致癌作用[1]，对人体健康产生极大的危害。柑橘为芸香科柑橘属植物，干燥果皮为中药材陈皮，具有理气健脾、燥湿化痰作用[2]。橘皮中含有丰富的黄色素，是重要的天然食用色素，主要成分是柠檬烯与类胡萝卜素的混合物，还含有维生素E和稀有元素硒[3]，具有很好的营养保健作用。我国柑橘产量高，橘皮约占柑橘质量的20%，除少量用于中药材外，大量的橘皮被废弃。因此，从橘皮中提取色素，添加到食品中，不仅可提高柑橘附加值，而且可以增加食品的营养价值。

现在对橘皮色素的研究主要是色素的提取，超声辅助提取技术是一种有效的提取天然产物的技术，超声波可直接作用于分子, 使分子的热运动加剧，快速破坏细胞壁，细胞成分易于溶出[4]。笔者采用超声波辅助提取橘皮中黄色素，并采用正交试验确定最佳提取工艺条件，为综合利用橘皮提供理论指导。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1供试原料。市场购买新鲜的橘子，剥取表皮洗净后自然晾干，置于生化培养箱中60 ℃下烘干，用粉碎机粉碎后过120目筛备用。

1.1.2主要仪器。TD-4台式离心机，四川蜀科仪器有限公司；DHG-9248A鼓风干燥箱上海精宏公司；Scientz-ⅡD超声波细胞粉碎机，浙江新芝公司；日立U-3310紫外分光光度计，上海仪器科技有限公司。

1.1.3主要试剂。无水乙醇、95%乙醇、丙酮、氯仿、正丁醇、甲醇等，均为分析纯。

1.2方法

1.2.1最大吸收波长的确定。用90%的乙醇作为溶剂超声辅助提取橘皮色素，以相应溶剂为参比，在200~700 nm波长范围内扫描，确定橘皮色素的最大吸收波长。

1.2.2最佳提取剂的选择。称取7份各2.00 g的橘皮粉分别置于干净、洁净的锥形瓶中，分别加入90%乙醇、正丁醇、氯仿、甲醇、丙酮、水、氯仿+95%乙醇(1∶1)各20.0 mL，超声处理，过滤，取各提取液各1.0 mL稀释定容至50 mL，以相应溶剂为参比，在波长330 nm下分别测定各提取液吸光度，确定最佳提取剂。

1.2.3橘皮黄色素提取单因素试验。分别以乙醇浓度、料液比、提取温度、提取时间、超声波功率为影响因素,在其他提取条件一致的情况下考察各因素对提取率的影响。

1.2.4正交试验。在单因素试验的基础上，采用乙醇浓度、料液比、提取温度、提取时间、超声波功率5因素4水平的正交试验进行提取工艺优化，通过正交试验，确定最佳提取条件。

2结果与分析

2.1确定最高吸收峰由图1所示，橘皮色素最大吸收峰在200~700 nm的波长范围内出现，波长330 nm处有最大的吸收峰，与李佑稷等报道的橘皮吸收高峰的波长相当[5]，但是与陈玉等[6]、张玉敏等[7]报道的橘皮吸收高峰的波长不同，推测可能是不同溶剂提取的橘皮成分不同，故吸收高峰的波长不同。

图1　橘皮色素最大吸收波长的确定Fig. 1　The maximum absorption wavelength of pigment in citrus peel

2.2提取溶剂的确定如图2所示，95%乙醇+氯仿(1∶1)的吸光值略大于90%乙醇，但考虑氯仿的毒性、环保和经济成本后，选定90%乙醇作为橘皮色素的最佳提取剂。

图2　不同提取溶剂对提取率的影响Fig 2　Effects of different extraction solvents on the extraction rate of pigments

2.3确定最佳提取剂浓度由图3可知，随着乙醇浓度的增加，色素吸光度也随之增加，当乙醇浓度达到90%时，吸光度值最大。因为色素是一种有极性的化合物，根据化学试剂的相似相溶原理，当提取剂的极性与此色素的极性更加接近时，吸光度就最大；反之则逐渐减小[8]，因此选用90%的乙醇浓度为最佳提取浓度。

图3　乙醇浓度对橘皮色素提取的影响Fig. 3　Effects of ethanol concentration on the extraction rate of pigments

2.4确定最佳料液比 如图4所示，料液比从1∶5 g/mL变化到1∶10 g/mL 时色素的吸光度值趋于升高，而后从1∶10 g/mL变化到1∶25 g/mL 的过程中吸光度值越来越低。料液比为1∶10 g/mL 时吸光度值最高即溶解性最好。适当的料液比可提高色素的溶解性，料液比中溶剂量小则色素溶解不彻底，料液比中溶剂量大，橘皮其他成分溶出影响色素溶解。

图4　料液比对橘皮色素提取的影响Fig. 4　Effects of solid-liquid ratio on the extraction rate of pigments

因此，料液比1∶10 g/mL 是色素最佳提取条件。

2.5最佳提取温度从图5可知，吸光度值随温度的升高相应增加，一定范围内温度升高色素的溶解度会随之增加，当温度升高到80 ℃时提取的色素吸光度值最大，温度继续增加，对应的吸光度下降。考虑到温度过高，色素被破坏，因此选用80 ℃为最佳提取温度。

图5　温度对橘皮色素提取的影响Fig. 5　Effects of extraction temperature on the extraction rate of pigments

2.6超声时间的确定从图6可知，在一定时间范围内物质溶解速率随着超声时间的增加而增加，提取时间30 min下的吸光度值最大，继续增加超声提取时间，其对应的吸光度值降低。考虑到继续增加超声时间，超声波的空化作用影响色素结构，因此选用30 min为最佳提取时间。

图6　 超声时间对橘皮色素提取效果的影响Fig. 6　Effects of extraction time on the extraction rate of pigments

2.7确定最佳提取超声波功率由图7看到，随着超声波功率的增加对应的吸光度值随之增加，在一定范围内功率越大对橘皮细胞的破坏程度越大，则提取的色素含量越多，吸光度就越大。当继续增大超声波功率时，橘皮色素的空间结构可能遭到破坏，对应的吸光度值下降。因此，选用200 W为最佳提取超声功率。

图7　超声功率对橘皮色素提取的影响Fig. 7　Effects of ultrasonic power on the extraction rate of pigments

2.8确定最佳提取条件选定5因素4水平做正交试验，正交试验因素水平设计如表1所示。对表1的5因素4水平正交试验表做直观分析，得到16组试验数据如表2所示。表2的16组试验在吸收峰为330 nm波长下测得的5组吸光度，取其平均值作为正交试验的试验结果。

表1　L16(45)正交试验水平设计

表2　橘皮色素提取正交试验L16(45)结果

由表2的正交试验结果分析数据可得，橘皮色素提取条件影响因素从高到低依次为料液比、浓度、超声波功率、提取温度、提取时间。橘皮色素的最佳提取条件为A3B3C1D2E2,即温度80 ℃，时间30 min，浓度70%乙醇，料液比1∶10 g/mL，超声波功率为200 W。

3结论

该试验利用超声波辅助提取橘皮中的色素，对5种影响提取效果的单因素分别进行了试验，并最终在单因素试验的基础上进行了正交试验。综合以上数据分析，在提取温度80 ℃、提取时间30 min、70%的乙醇、料液比1∶10 g/mL、超声功率200 W提取条件下，橘皮中色素的提取效果最佳。从橘皮中提取天然黄色素安全，可用于食品、药品等多方面，具有良好的市场开发应用前景。

参考文献

[1] 姜少娟，吴建兵．桔皮色素的超声提取及其稳定性的研究[J]．化学工程与装备，2009(12)：25-27.

[2] 钟岩，李泽鸿，周丹．桔皮黄色素提取方法的研究[J]．北方园艺，2008(3)：30-31.

[3] 姜少娟，吴建兵．桔皮色素超声波提取工艺的研究[J]．安徽农业科学，2008，36(10)：3934-3935，3940.

[24] FERRANDO,M D,SANCHO E,ANDREU-MOLINER E.Chronic toxicity of fenitrothion to an algae (Nannochlorisoculata), a rotifer (Brachionuscalyciflorus),and the cladoceran (Daphniamagna)[J].Ecotoxicology & environmental safety,1996,35(2):112-120.

[25] RAO T R,SARMA S S S.Demographic parameters ofBrachionuspatulusMuller (Rotifera) exposed to sublethal DDT concentration at low and high food levels[J].Hydrobiologia,1986,139(3):193-200.

[26] XI Y L,HU H Y.Effect of thiophanate-methyl on the reproduction and survival of the freshwater rotiferBrachionuscalyciflorusPallas[J].Bulletin of environmental contamination & toxicology,2003,71(4):722-728.

[27] JANSSEN C R,PERSOONE G,SNELL T W.Cyst-based toxicity tests.VIII.Short-chronic toxicity tests with the freshwater rotiferBrachionuscalyciflorus[J].Aquatic toxicology,1994,28:243-258.

Optimization of the Extraction Technology of Pigments from Citrus Peel by Orthogonal Test

XU Yuan-yuan, TAO Dong-ping, GUO Zhi-hua*(College of Biology and Food Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000)

Abstract[Objective] To optimize the extraction technology of pigments from citrus peel by orthogonal test. [Method] Extraction technology of pigments from citrus peel was researched by single factor test. And the optimal extraction technology was obtained by orthogonal test. [Conclusion] The optimal extraction technology of pigments from citrus peel was as follows: 70% ethanol, 1∶10 g/mL solid-liquid ratio, 80 ℃ extraction temperature, 30 min ultrasonic extraction time, and 200 W extraction power. [Conclusion] This research provides theoretical foundation for the extraction of pigments from citrus peel, and offers references for the comprehensive development and utilization of citrus peel.

Key wordsPigment in citrus peel; Ultrasonic wave; Orthogonal test

收稿日期2015-12-14

作者简介徐媛媛(1994- )，女，安徽安庆人，本科生，专业：生物技术。*通讯作者，副教授，硕士，从事食品微生物研究。

基金项目宿州学院科研平台开放课题(2011YKF17)；安徽省高校省级自然科技学研究项目(KJ2013B286)；省级大学生创新训练计划项目(AH201410379068)；宿州学院教学研究项目(szxy2015jy08)。

中图分类号S 609.9

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-098-03