超聲微波雙輔助提取柑橘皮總黃酮的研究

麻明友，劉建本，吳顯明,3，陳 上,3，溫 曉

(1.吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界 427000；2.吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；3.湘西自治州礦產(chǎn)與新材料技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)中心，湖南 吉首 416000；4.林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000)

超聲微波雙輔助提取柑橘皮總黃酮的研究

麻明友1，劉建本2，吳顯明2,3，陳 上2,3，溫 曉4

(1.吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界 427000；2.吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；3.湘西自治州礦產(chǎn)與新材料技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)中心，湖南 吉首 416000；4.林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000)

為研究柑橘皮總黃酮的超聲微波雙輔助提取效果，對柑橘皮先進(jìn)行超聲再進(jìn)行微波提取。應(yīng)用單因素和正交試驗(yàn)，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)、固液比、微波功率及作用時間等因素對柑橘皮總黃酮提取率的影響。結(jié)果表明：采用超聲微波雙輔助提取技術(shù)得到的黃酮提取率較單獨(dú)采用超聲或微波輔助提取率高。以70%乙醇為溶劑、固液比1:20(g/mL)、40℃超聲處理30min、微波功率400W、微波時間3min得到的總黃酮提取率為3.11%，結(jié)果較為理想。

柑橘皮；超聲；微波；黃酮

柑橘是我國果樹產(chǎn)業(yè)中的主要水果之一，其產(chǎn)量居世界第二，其中果皮約占柑橘質(zhì)量的20%～40%，橘皮中具有豐富的類黃酮物質(zhì)[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)柑橘黃酮類物質(zhì)具有抗氧化、抗腫瘤以及保護(hù)心腦血管等多種保健、醫(yī)療功能，具有廣泛應(yīng)用前景[4-7]。近年來，柑橘深加工得到了快速發(fā)展，加工產(chǎn)生的大量柑橘皮大部分直接廢棄，不僅污染環(huán)境，還造成了資源浪費(fèi)。因此研究柑橘皮中黃酮類物質(zhì)的提取技術(shù)有利于柑橘資源的綜合利用，提高柑橘產(chǎn)業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，超聲和微波技術(shù)在植物有效成分的提取方面得到廣泛應(yīng)用[8-12]。超聲波提取技術(shù)是利用超聲波所產(chǎn)生的強(qiáng)烈機(jī)械振動及空化效應(yīng)等作用，從而達(dá)到縮短提取時間、提高提取效率的目的[13-14]。微波提取技術(shù)則是利用微波對細(xì)胞的破壁和加熱作用，加速細(xì)胞內(nèi)有效成分的快速溶出[15-16]。與傳統(tǒng)方法相比，超聲提取法溶劑用量較少，提取時間較短，而微波具有穿透力強(qiáng)、選擇性高、加熱效率高等特點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)以柑橘皮為原料，乙醇為溶劑，采用超聲和微波雙輔助技術(shù)提取總黃酮，研究相關(guān)因素對提取率的影響，并篩選出最佳的提取工藝參數(shù)，為柑橘皮的開發(fā)利用開辟新的途徑，提高柑橘產(chǎn)品的附加值，促進(jìn)柑橘的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

柑橘皮為市售(湘西自治州境內(nèi))新鮮柑橘皮；蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品 中國藥品生物制品檢定所；甲醇、乙醇、水、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、氯化鋁等(市售分析純試劑)。

8453型紫外-可見分光光度計(jì) 美國惠普公司；LD-2A離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠；CFB粉碎機(jī) 北京長風(fēng)儀器儀表公司；CAV64C電子天平 上海天平儀器廠；KQ3200超聲波清洗器 江蘇昆山淀山湖檢測儀器廠；G80F23CSP-Q5格蘭仕微波爐(對微波爐的門進(jìn)行適當(dāng)改造) 格蘭仕電器實(shí)業(yè)公司。

1.2 方法

1.2.1 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精確稱取經(jīng)105℃干燥至質(zhì)量恒定的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)試劑0.0400g，用70%(V/V)乙醇于60℃水浴中溶解，并定量轉(zhuǎn)入100mL容量瓶中，用70%乙醇定容，搖勻得質(zhì)量濃度0.4g/L標(biāo)準(zhǔn)溶液。精確吸蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mL，分別置于25mL比色管中，補(bǔ)充70%乙醇至5mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% NaNO2溶液0.7mL，搖勻，放置6min。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% Al(NO3)3溶液0.7mL，搖勻，放置6min。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% NaOH溶液5.0mL，用30%乙醇稀釋至刻度，搖勻放置10min，用分光光度計(jì)測定415nm波長處吸光度。以試劑空白為參比，作蘆丁質(zhì)量濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程。

1.2.2 超聲微波雙輔助提取柑橘皮中總黃酮及其測定

取市售新鮮柑橘，取皮，洗凈，切碎，烘箱中干燥后粉碎(80目)，稱取柑橘粉5g于250mL錐形瓶中，加入一定量70%乙醇作溶劑，浸泡30min后于40℃超聲30min，再經(jīng)微波輻射后將提取物取出冷卻、過濾，測定浸取液吸光度，然后由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出待測樣品的總黃酮含量。提取率計(jì)算公式如下：

式中：E為提取率/%；m為經(jīng)換算后提取液中總黃酮質(zhì)量/g；M為樣品質(zhì)量/g。

1.2.3 單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)

表1 正交試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、固液比、微波功率、微波時間對黃酮提取率的影響，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定正交試驗(yàn)工藝參數(shù)范圍，通過正交試驗(yàn)確定最佳提取工藝條件，表1為正交試驗(yàn)L9(34)的因素和水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲溫度對黃酮提取率的影響

圖1為在料液比1:10(g/mL)、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、超聲時間30min條件下，分別以超聲溫度20、30、40、50、60℃進(jìn)行超聲提取的結(jié)果。由圖1可知，隨著溫度的升高，總黃酮含量先升高后降低。當(dāng)溫度升高至40℃時，總黃酮含量達(dá)到最大值，隨后開始下降。溫度的提高在物質(zhì)交換過程中有利于物質(zhì)的溶解、分配，因此有助于增加提取量。但是對超聲而言，超聲強(qiáng)度主要?dú)w功于空穴氣泡的形成、崩潰等一系列行為，這需要小而多、密度與內(nèi)壓比較高、在爆破時能形成一定高溫與壓強(qiáng)梯度的氣泡，濃度與壓力差越大，提取率越高。但當(dāng)溫度升高到一定程度時，不利于氣泡的生成，因此當(dāng)溫度超過一定范圍，升高溫度則會造成提取率的下降。另外溫度過高，活性成分易受到破壞，雜質(zhì)的溶出量增加，給后續(xù)操作帶來不便。

圖1 超聲溫度對黃酮提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment temperature on extraction rate of total flavonoids

2.2 固液比對黃酮提取率的影響

圖2 固液比對黃酮提取率的影響Fig.2 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of total flavonoids

圖2為不同固液比得到的黃酮提取率，超聲溫度40℃、超聲時間30min、微波功率400W、溶劑為70%乙醇溶液、微波輻射時間1min。圖2中看出，不管是超聲輔助萃取、微波輔助萃取還是超聲及微波雙輔助萃取，固液比1:5(g/mL)時的黃酮提取率最低，隨著溶劑量的升高，黃酮提取率上升，當(dāng)固液比1:20(g/mL)時，黃酮提取率達(dá)到最大。更大溶劑量時的黃酮提取率沒有再考察，因?yàn)檫^高的溶劑量會導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅上升，不過圖2顯示：采用超聲和微波雙輔助萃取技術(shù)的固液比達(dá)1:10(g/mL)以后的黃酮提取率差別不大。采用超聲和微波雙輔助技術(shù)萃取得到的黃酮提取率比單獨(dú)用超聲或微波技術(shù)得到的黃酮提取率高。在固液比1:15(g/mL)條件下做對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲和微波雙輔助萃取技術(shù)得到的黃酮提取率比只用超聲輔助或微波輔助萃得到的黃酮提取率分別高出10.9%和9.7%。

2.3 微波功率對黃酮提取率的影響

圖3為40℃超聲30min后，于不同微波功率下得到的黃酮提取率，實(shí)驗(yàn)的固液比1:10(g/mL)、溶劑為70%乙醇溶液、輻射時間5min。從圖3看出，隨著微波功率的增大，黃酮提取率也增大，在功率400W時，提取率最大，隨著微波功率的進(jìn)一步提高，提取率反而下降，這可能是因?yàn)槲⒉üβ试龃?，?dǎo)致溫度較高，使原料中的有效成分發(fā)生變性或降解，使提取率降低。

圖3 微波功率對黃酮提取率的影響Fig.3 Effect of microwave power on extraction rate of total flavonoids

2.4 微波輻射時間對黃酮提取率的影響

圖4 微波輻射時間對黃酮提取率的影響Fig.4 Effect of microwave treatment time on extraction rate of total flavonoids

圖4是微波輻射時間對黃酮提取率的影響，固液比1:10(g/mL)、溶劑為70%乙醇溶液、微波功率400W。從圖4可看出，隨著輻射時間從1min延長到3min，總黃酮提取率逐漸增加，并于3min達(dá)到最大值，當(dāng)微波輻射時間超過3min時，總黃酮的提取率反而下降。實(shí)驗(yàn)觀察到當(dāng)微波輻射至7min時溶液開始沸騰，考慮到連續(xù)輻射時間長易暴沸，且溶劑揮發(fā)較多，輻射時間取3min較適宜。

2.5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對黃酮提取率的影響

固定固液比1:10(g/mL)、微波功率400W、輻射時間3min，溶劑分別為30%、50%、70%、90%乙醇溶液。從圖5可看出，乙醇體積分?jǐn)?shù)對黃酮提取率影響較大，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，黃酮提取率逐步上升，達(dá)到70%時，黃酮提取率達(dá)最大值，體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，提取率反而下降。因此，乙醇體積分?jǐn)?shù)70%較適合。

圖5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對黃酮提取率的影響Fig.5 Effect of ethanol concentration on extraction rate of total flavonoids

2.6 正交試驗(yàn)

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental results

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對提取柑橘皮總黃酮的乙醇體積分?jǐn)?shù)、固液比、微波功率、輻射時間等因素按表1進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。由表2試驗(yàn)結(jié)果和極差分析可知，各因素影響的主次為B＞A＞C＞D，最佳條件為B2A3C2D2，即正交試驗(yàn)的最佳工藝條件為微波功率400W、溶劑乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、固液比1:20(g/mL)、輻射時間3min。按該條件試驗(yàn)，得到總黃酮的提取率為3.11%。

3 結(jié) 論

采用超聲和微波雙輔助提取柑橘皮黃酮得到的黃酮提取率，比單獨(dú)采用超聲或微波輔助得到的柑橘皮總黃酮提取率分別高出10.9%和9.7%。在本實(shí)驗(yàn)條件下，柑橘皮黃酮提取率隨固液比的增加而增加，但隨乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率和微波時間的增加而存在一最佳值，最優(yōu)工藝條件下： 40℃超聲30min、微波功率400W、固液比1:20(g/mL)、乙醇溶劑體積分?jǐn)?shù)70%、微波輻射3min，總黃酮提取率達(dá)3.11%。

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Ultrasonic Treatment Followed by Microwave Treatment for Extraction of Flavonoids from Orange Peel

MA Ming-you1，LIU Jian-ben1，WU Xian-ming2,3，CHEN Shang2,3，WEN Xiao4
(1. College of Resources and Planning Sciences, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China；2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, China；
3. Xiangxi Mineral Resources and New Materials Technology Innovation Service Center, Jishou 416000, China；
4. Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering, Zhangjiajie 427000, China)

In order to improve the extraction yield of total flavonoids from orange peel, sequential treatments with ultrasonic followed by microwave were used for the extraction of total flavonoids. The effects of concentration of ethanol as the extraction solvent, solid/liquid ratio and microwave power and treatment time on the extraction yield of total flavonoids were explored by single-factor and orthogonal array design methods. The combination of ultrasonic with microwave gave higher extraction efficiency than the use of ultrasonic and microwave alone, and a maximum extraction yield of total flavonoids was achieved after soaking in 20-fold volume of 70% ethanol for 30 min, followed by ultrasonic treatment for 30 min and subsequent 400 W microwave treatment for 3 min.

orange peel；ultrasonic extraction；microwave extraction；flavonoids

O623.54

A

1002-6630(2010)20-0266-04

2010-07-28

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(06JJ50161)；湖南省科技廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)(2008TP2004-2)

麻明友(1965—)，男，教授，學(xué)士，主要從事食品和材料科學(xué)研究。E-mail：mamy_9589@163.com