微波提取柑桔皮黃色素工藝優(yōu)化研究

微波提取柑桔皮黃色素工藝優(yōu)化研究

0柑橘皮黃色素天然涂料不僅具有很高的安全性，而且具有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥理作用。因此，食品、藥品和保健品行業(yè)對(duì)天然涂料的需求逐年增加。天然涂料的提取和應(yīng)用是未來(lái)和未來(lái)發(fā)展的主要方向。柑桔是世界第一大水果,年總產(chǎn)量已達(dá)到1億多噸。中國(guó)是世界柑桔原產(chǎn)中心之一,柑桔產(chǎn)量約為1500萬(wàn)噸,僅次于巴西和美國(guó)。柑桔果皮占整果重的20%,中國(guó)每年產(chǎn)出柑桔皮約達(dá)300萬(wàn)噸,目前除少量用作中藥和制取香精油外,大部分尚未開發(fā)利用。柑桔皮黃色素不僅是單純的著色劑,而且還是食品的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑,是提高食品營(yíng)養(yǎng)與保健作用的理想添加劑。傳統(tǒng)桔皮色素提取分離用無(wú)水乙醇、石油醚水浴浸提,時(shí)間長(zhǎng),操作步驟多,有些溶劑不能回收循環(huán)利用,能耗大。此文采用微波協(xié)同乙醇浸提,具有選擇性強(qiáng)、加熱速度快、控制方便、受熱體系溫度均勻、節(jié)約能量等優(yōu)點(diǎn),降低操作費(fèi)用同時(shí)合乎環(huán)境保護(hù)的要求,是具有良好發(fā)展前景的新工藝。本文對(duì)柑桔皮黃色素的微波輔助提取工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究,旨在為柑桔皮黃色素的進(jìn)一步開發(fā)利用提供技術(shù)支持,這將對(duì)提高柑桔產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境都是十分有利的,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。1材料和方法1.1試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)間為2009年7至12月,試驗(yàn)地點(diǎn)在河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室。1.2儀器、儀器和儀器柑桔皮:市售成熟柑桔,去果肉后鮮桔皮用一定量水沖洗干凈,然后置于瓷制托盤中,干燥箱內(nèi)60℃干燥,粉碎過(guò)篩得桔皮粉,避光保存,備用。LD4-40低速離心機(jī):北京醫(yī)用離心機(jī)廠;GalanzWP700J17型微波爐:廣東順德格蘭仕電器有限公司;721可見分光光度計(jì),上海第三分析儀器廠;BS124S電子天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;FZ102粉碎機(jī):河北黃驊市齊家務(wù)科學(xué)儀器廠;ZK-072真空干燥箱:北京市朝陽(yáng)區(qū)來(lái)廣營(yíng)醫(yī)療器械廠;SHZ-3循環(huán)水多用真空泵:上海滬西分析儀器廠;PHS-3C酸度計(jì):江蘇省金壇市科興儀器廠。無(wú)水乙醇,濃鹽酸,濃硫酸,NaOH溶液等分析純,配制用水為二次蒸餾水。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1分離濃縮真空干燥色素柑桔皮→粉碎→過(guò)篩→桔皮粉→水浴浸提→微波輻射→抽濾→離心分離→濃縮→真空干燥→色素產(chǎn)品。精確稱取2.00g柑桔皮粉,進(jìn)行微波輔助提取,提取液過(guò)濾、離心,取上清液,定容到250mL容量瓶,稀釋20倍,于最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。1.3.2柑橘黃色素含量的測(cè)定(1)最大吸收波長(zhǎng)的測(cè)定。按照1.3.1所示工藝流程制得色素成品,用90%的無(wú)水乙醇稀釋后,測(cè)定其在不同波長(zhǎng)下的吸光度(用90%乙醇作參照物,比色皿厚度為1cm),測(cè)定結(jié)果表明,柑桔皮黃色素在330nm吸光度最大,因此確定330nm為測(cè)定吸光度的最佳波長(zhǎng)。(2)柑桔皮黃色素含量的測(cè)定。稱取10g干燥的柑桔皮,粉碎過(guò)80目篩(0.198mm)。采用1.3.1工藝提取柑桔皮中的黃色素,所得的粗提液經(jīng)40℃熱風(fēng)干燥得到橘黃色粉末。進(jìn)行3次平行試驗(yàn),取3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中,X為柑桔皮黃色素的含量(%);m為柑桔皮黃色素粉末質(zhì)量(g);M為柑桔皮粉質(zhì)量(g)。1.3.3影響柑橘皮黃色素的因素本實(shí)驗(yàn)主要考慮粒度、微波功率、微波時(shí)間、料液比和乙醇濃度作為影響柑桔皮黃色素的單因素,采用1.3.1方法進(jìn)行黃色素提取。每組進(jìn)行平行試驗(yàn),以吸光度評(píng)價(jià)提取效果。1.3.4反應(yīng)域優(yōu)化1.3.5濃鹽酸顯色法濃硫酸顯色反應(yīng),取色素的乙醚溶液,緩緩加入濃硫酸,觀察現(xiàn)象;濃鹽酸顯色反應(yīng),取色素的乙醚溶液,加入濃鹽酸,振蕩片刻,觀察現(xiàn)象;鹽酸—鎂粉反應(yīng):取色素提取液5mL加入少許鎂粉,振蕩后,再加入幾滴鹽酸,觀察現(xiàn)象。2結(jié)果與討論2.1單因素實(shí)驗(yàn)2.1.1乙醇濃度對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響乙醇可吸收微波輻射能,具有水溶性溶劑和油溶性溶劑雙重性能,且價(jià)格便宜,回收方便,故選擇乙醇作為桔皮色素浸提劑。準(zhǔn)確稱取適量過(guò)60目(0.245mm)的柑桔皮粉末,調(diào)節(jié)溶液pH=4,料液比為1:10(g/mL),水浴浸提30min,微波功率240W,微波輻照480s,研究乙醇濃度對(duì)提取效果的影響。由圖1可知,提取液吸光度隨著乙醇溶液濃度而增大。2.1.2粒度對(duì)提取柑橘皮黃色素的影響2.1.3微波功率對(duì)柑橘皮黃色素提取效果的影響2.2反應(yīng)法優(yōu)化柑橘皮脫硅酶法2.2.1響應(yīng)面分析方案與結(jié)果采用軟件Design-Expert7.1.6中的Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以吸光度為響應(yīng)值,響應(yīng)面分析方案與結(jié)果見表2。2.2.2回歸擬合擬合響應(yīng)面二次回歸方程方差分析見表3,由表3可以看出,乙醇濃度、微波時(shí)間、微波功率、乙醇濃度二次、微波功率二次項(xiàng)達(dá)到極顯著水平,微波時(shí)間二次項(xiàng)達(dá)顯著水平。利用Design-Expert軟件對(duì)表數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到柑桔皮吸光度(Y)對(duì)乙醇體積分?jǐn)?shù)(A)、微波時(shí)間(B)和微波功率(C)的二次多項(xiàng)回歸模型:該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.9876。由表3可知,整體模型達(dá)極限著水平(P<0.01),表明該二次方程模型比較顯著,失擬項(xiàng)不顯著(F=0.083)。該方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好,可以對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)不同條件下的橘皮黃色素吸光度進(jìn)行預(yù)測(cè)。另外,該模型的變異系數(shù)(C.V)為2.14%,變異系數(shù)是衡量每個(gè)平均值偏離情況的參數(shù),其值越小,重復(fù)性越好。2.2.3乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)色素提取率的影響用Design-Exper軟件,根據(jù)回歸方程分析作響應(yīng)面圖6—8。圖6顯示在微波功率240W條件下,微波時(shí)間與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響。吸光度隨著微波時(shí)間的增加呈線性增加;乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)色素提取率的影響基本呈二次關(guān)系,當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)在90%時(shí),吸光度達(dá)到最大值,之后隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而減少。圖7在微波處理時(shí)間480s的條件下,微波功率與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響。圖8顯示在乙醇體積分?jǐn)?shù)90%的條件下,微波功率和微波時(shí)間對(duì)吸光度的影響。由圖7、圖8可知,微波功率對(duì)吸光度的影響呈近似二次關(guān)系。這些結(jié)果都與回歸方程的方差分析相吻合,說(shuō)明響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠較好地反映出試驗(yàn)所設(shè)定的三個(gè)因素對(duì)提取液中桔皮黃色素含量的影響,對(duì)各因素的考察較為全面、系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果具有一定的應(yīng)用價(jià)值。2.2.4最佳條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合二次回歸的數(shù)學(xué)模型分析分析結(jié)果,最優(yōu)條件為乙醇濃度88.43%,微波時(shí)間502.95s,微波功率252.21W。將單因素實(shí)驗(yàn)所得最佳條件和響應(yīng)面二次回歸所得最佳條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表4。根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況,結(jié)合實(shí)際操作的可行性,將最佳工藝確定為乙醇濃度88%,微波時(shí)間500s,微波功率250W,此時(shí)吸光度為0.978,說(shuō)明此模型可靠,結(jié)果具有一定的應(yīng)用價(jià)值。2.3類胡蘿卜素的合成濃硫酸顯色反應(yīng),取色素的乙醚溶液,緩緩加入濃硫酸,漸漸地自上而下,下層呈青藍(lán)色。濃鹽酸顯色反應(yīng),取色素的乙醚溶液,加入濃鹽酸,振蕩片刻,下層呈淺藍(lán)色。以上兩反應(yīng)與類胡蘿卜素的一般反應(yīng)相符,表明桔皮色素主要由類胡蘿卜素組成。向色素液加入少許鎂粉,振蕩后,再加數(shù)滴鹽酸后,色素液產(chǎn)生氣泡,顏色變深;若不加鎂粉,而加鹽酸,則無(wú)氣泡產(chǎn)生,呈現(xiàn)出黃酮類特異顯色的特征,表明柑桔皮色素中含有黃酮類色素。3響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)面法優(yōu)化橘皮黃色素微波提取工藝最佳提取條件為:桔皮粉粒度為80目,料液比為1:15(g/mL),乙醇濃度88%,微波時(shí)間500s,微波功率250W,在此條件下柑桔皮黃色素得率為14.12%。顯色反應(yīng)表明柑桔皮黃色素中含有類胡蘿卜素和黃酮類物質(zhì)。微波輔助提取柑桔皮黃色素大大縮短了提取時(shí)間,且得率較高,實(shí)驗(yàn)結(jié)果有應(yīng)用價(jià)值;響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取工藝,對(duì)各因素的考察較為全面、系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果具有一定的應(yīng)用價(jià)值;今后應(yīng)對(duì)柑桔皮黃色素的提純工藝進(jìn)行更為深入的研究,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。采用軟件Design-Expert7.1.6中的Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn),見表1。準(zhǔn)確稱取適量的柑桔皮粉末,以無(wú)水乙醇溶液為提取液,調(diào)節(jié)溶液pH=4,料液比1:10,水浴浸提30min,微波功率240W,微波輻照480s,研究不同粒度對(duì)提取效果的影響。由圖2可以看出,粒度對(duì)桔皮色素提取效果影響較為顯著。提取過(guò)程是一個(gè)溶劑擴(kuò)散和滲透進(jìn)入固體細(xì)胞壁內(nèi)部將有效物質(zhì)溶出的過(guò)程,顆粒減小使比表面積增大,有利于溶劑的滲透擴(kuò)散。但顆粒過(guò)小,顆粒之間的吸附力加強(qiáng)導(dǎo)致提取效果下降。因此柑桔皮粒度為80目時(shí)提取效果最好。準(zhǔn)確稱取過(guò)80目的適量柑桔皮粉末,以無(wú)水乙醇溶液為提取液,料液比1:10,調(diào)節(jié)溶液pH=4,水浴浸提30min,微波輻照480s,研究不同微波功率對(duì)提取效果的影響。從圖3可以看出,黃色素的吸光度隨著輻射功率的提高而增加,輻射功率在240W時(shí)達(dá)到最高,當(dāng)輻射功率繼續(xù)提高時(shí),提取效果反而下降,微波輻射功率對(duì)提取效果有顯著影響。這可能是因輻射功率越高物系吸收微波能越多,有利于有效成分溶出,但火力過(guò)大,其強(qiáng)熱效應(yīng)可能對(duì)有效成分產(chǎn)生破壞作用,故實(shí)驗(yàn)選擇微波功率為240W。2.1.4微波時(shí)間的影響準(zhǔn)確稱取過(guò)80目的適量柑桔皮粉末,以無(wú)水乙醇溶液為提取液,料液比1:10,調(diào)節(jié)溶液pH=4,水浴浸提30min,微波功率240W,研究不同微波時(shí)間對(duì)提取效果的影響。從圖4可以看出,延長(zhǎng)微波時(shí)間有利于柑桔皮黃色素的浸出,提取時(shí)間480s時(shí)吸光度達(dá)到最大值,色素基本溶解完全,繼續(xù)延長(zhǎng)微波時(shí)間吸光度略有下降。因此微波輻射時(shí)間在480s時(shí)最佳。2.1.5料液比對(duì)提取效果的影響準(zhǔn)確稱取過(guò)80目的適量柑桔皮粉末,以無(wú)水乙醇溶液為提取液,調(diào)節(jié)溶液pH=4,水浴浸提30min,微波輻照480s,微波功率240W,研究不