全 文 ：第 27卷第 1期
2 01 0年 1月
精 细 化 工
FINECHEMICALS
Vol.27, No.1
Jan.2 0 1 0
中药现代化技术
响应面法优化微波辅助萃取柠檬皮中果胶的研究＊
章 凯 ,黄国林＊ ,黄小兰 ,张高飞
(东华理工大学 化学生物与材料科学学院 , 江西 抚州 344000)
摘要:该文以离子液体 [ BMIM] Cl(氯化 1-丁基-3-甲基咪唑)水溶液为萃取剂 , 采用微波辅助萃取技术提取柠檬皮
中的果胶 ,系统考察了 [ BMIM] Cl浓度 、萃取温度 、萃取时间和萃取溶剂体积等因素的影响 , 并通过响应面法对提
取工艺进行了优化 ,得出最佳工艺条件为 [ BMIM] Cl浓度 1.0 mol/L, 萃取温度 88℃, 萃取时间 9.6 min,每克干柠
檬皮用萃取溶剂 22.7mL, 在该条件下 ,果胶的提取率为 24.68%,与拟合的二次回归模型预测值基本相符。
关键词:离子液体;响应面法;微波辅助萃取;果胶提取;柠檬皮;中药现代化技术
中图分类号:TQ041.8 文献标识码:A 文章编号:1003-5214(2010)01-0052-05
OptimizationofMicrowave-assistedExtractionTechnologyofPectinfrom
LemonPeelUsingResponseSurfaceMethodology
ZHANGKai, HUANGGuo-lin＊ , HUANGXiao-lan, ZHANGGao-fei
(SchoolofChemistry, BiologyandMaterialScience, EastChinaInstituteofTechnology, Fuzhou344000, Jiangxi, China)
Abstract:Theefectsof[ BMIM] Clconcentration, extractiontemperature, extractiontimeand
extractionsolventvolumeontheextractionprocessofpectinusingionicliquids[ BMIM] Clasthe
extractantfrom lemonpeelwiththemicrowave-assistedextractiontechnologywereinvestigated
systematicalyinthispaper.Theextractionparameterswereoptimizedbytheresponsesurface
methodology.Theoptimumconditionsareshownasfolows:[ BMIM] Clconcentrationis1.0 mol/L,
extractiontemperatureis88 ℃, thevolumeofextractionsolventusedpergramdriedlemonpeelis
22.7 mL, extractiontimeis9.6 min, andtheextractionratecanbeupto24.68%.Theprediction
valuesofthefitedquadraticregressionmodelwelagreedwiththeexperimentalvalues.
Keywords:ionicliquids;responsesurfacemethodology;microwave-assistedextraction;pectin
extraction;lemonpeel;modernizationtechnologyoftraditionalChinesemedicines
Foundationitem:ThescienceandtechnologyprojectforeducationdepartmentinJiangxiprovince
(Ganjiaokejihan[ 2007] 32)
柠檬皮大约占柠檬质量的 20% ～ 30%,是一种
可以开发的再生性生物资源。柠檬皮中含有许多生
物活性成分 ,其中果胶质量分数为 25% ～ 30%[ 1] 。
果胶具有抗菌 、降血脂 、抗辐射和抗癌等多种生理功
能作用 ,近年来在食品 、化工 、医药等行业已经得到
广泛的应用 [ 2, 3] 。如果柠檬皮直接丢弃 ,不仅极大
地浪费资源 ,而且对周边环境造成污染 。因此 ,有效
地提取柠檬皮中的果胶 ,提高产品附加值 ,减少环境
污染具有重要意义 。
目前 ,果胶提取一般有沸水抽提 、酸法萃取 、离
子交换法 、微生物法和草酸铵提取法 ,其中最常用的
方法是酸法提取[ 4] 。传统的酸法提取存在着强酸
＊ 收稿日期:2009-08-09;定用日期:2009-10-22
基金项目:江西省教育厅科技项目(赣教科技函 [ 2007] 32号)
作者简介:章 凯(1983-), 男 ,江西进贤人 , 硕士研究生 ,师从黄国林教授 ,主要从事化工分离和绿色化学工艺的研究 , E-mail:
zhangkai0907@hotmail.com。
联系人:黄国林 ,男 ,教授 ,博士 ,硕士生导师 , E-mail:guolinhuang@sina.com。
DOI :10.13550/j.jxhg.2010.01.005
性溶液消耗多 、耗能大 、工作强度大 、提取效率低等
缺点 ,其进一步发展已经受到限制。微波萃取技术
是近年来发展较快的绿色分离技术 ,具有简便 、高
效 、选择性强等优点 ,颇具发展潜力。然而 ,强酸性
萃取剂会腐蚀设备 ,还会引起果胶中的糖苷键发生
断裂。因此 ,选择利用高效 、环保性的萃取溶剂十分
必要。近年来 ,离子液体作为一种绿色溶剂已广泛
应用于生物活性物质的萃取分离 [ 5 ～ 8] ,但是用于果
胶的萃取鲜见报道。
响应面法是一种综合实验设计和数学建模的优
化方法 ,可以在小区域内采用多元二次回归方程来
拟合因素与响应值之间的函数关系 ,通过对回归方
程的分析来寻求最优工艺参数 ,计算方便 [ 9] 。目前
大多数果胶提取工艺的优化采用正交实验 ,响应面
法优化果胶提取工艺很少报道 。本研究以离子液体
水溶液为萃取剂 ,采用微波法从柠檬皮中提取果胶 ,
在单因素实验基础上 ,通过响应面法对工艺条件进
行优化 ,为进一步开发利用提供有价值的工艺参数 。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
柠檬购自抚州市洪客隆超市 ,产地四川安岳 ,经
东华理工大学生物系黄德娟副教授鉴定为尤克力柠
檬;D-半乳糖醛酸 、浓硫酸 、咔唑均为 AR;离子液体
[ BMIM] Cl(氯化 1-丁基 -3-甲基咪唑)在文献 [ 10]方
法基础上合成 ,离子液体水溶液直接由相应的离子
液体和二次蒸馏水配制而成。
WF-4000C微波萃取仪(上海屹尧微波化学有
限公司), FW-100万能粉碎机(北京中兴伟业仪器
有限公司), 721E可见分光光度计(上海光谱仪器
有限公司), DHG-903385-Ⅲ型电热鼓风干燥箱
(上海新苗医疗器械有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 样品预处理
新鲜柠檬皮搅碎 ,加入其 3.5倍质量的水 ,微波
处理 15min,用蒸馏水漂洗原料至漂洗液呈无色 , 60
℃烘箱中干燥 48 h,干燥后粉碎 、过筛(80目),储存
备用。
1.2.2 微波辅助萃取果胶
准确称取 1.0 g干柠檬皮 ,置于 50 mL三口烧
瓶中 ,再加入 15mL1.0 mol/L离子液体 [ BMIM] Cl
水溶液 ,放入搅拌子 ,转速调至中速 ,在萃取温度 80
℃、微波功率 400W条件下 ,置于 WF-4000C型微
波萃取仪中提取 5 min,经减压过滤后 ,得到上层清
液 。将其稀释一定倍数后 ,采用咔唑比色法 [ 11]测定
提取液中果胶含量 ,并按下式计算果胶提取率:
果胶提取率 /%=(提取液中果胶的质量 /干柠
檬皮的质量)×100
2 结果与讨论
2.1 单因素实验
2.1.1 [ BMIM] Cl浓度对提取率的影响
根据前期实验结果 , 选择离子液体 [ BMIM] Cl
水溶液作溶剂 。在相同实验条件下 ,用不同浓度的
[ BMIM] Cl水溶液萃取干柠檬皮 ,结果如图 1所示。
图 1 [ BMIM] Cl浓度对提取率的影响
Fig.1 Efectsof[ BMIM] Clconcentrationonextractionrate
当 [ BMIM] Cl浓度增加时 ,果胶萃取率明显增
加;[ BMIM] Cl浓度达到 1.0 mol/L后 ,萃取率增幅
不大 ,基本趋于平衡状态 。根据 Fick扩散定律和萃
取相平衡原理可知 ,随着 [ BMIM] Cl浓度增加 ,果胶
溶解能力增强 ,萃取率明显增加 ,但 [ BMIM] Cl浓度
增加 ,扩散能力却会降低 ,溶剂越来越难扩散进入样
品内部 ,萃取出的果胶在传质界面不易扩散出来 ,趋
于平衡状态 。因此 ,选择 1.0 mol/L[ BMIM] Cl水
溶液作为溶剂 。
2.1.2 萃取温度对提取率的影响
选择 1.0 mol/L[ BMIM] Cl水溶液为溶剂 ,微
波功率 400 W,萃取时间 5 min,每克干柠檬皮用萃
取溶剂 15mL,在不同温度下进行提取 ,结果见图 2。
图 2 萃取温度对提取率的影响
Fig.2 Efectsofextractiontemperatureonextractionrate
随着温度升高 ,分子热运动加剧 ,溶剂和溶质扩
散能力增强 ,同时促使样品表观结构发生变化 ,大大
·53·第 1期 章 凯 , 等:响应面法优化微波辅助萃取柠檬皮中果胶的研究
加速提取过程 ,果胶萃取率明显增加。温度在 50 ～
80 ℃,果胶提取率逐渐增大 , 80 ℃后趋于平缓 ,温
度过高会使果胶分子发生酯化降解 ,颜色加深发生
褐变 ,对其性质和结构有所影响。故选择萃取温度
为 80℃。
2.1.3 萃取时间对提取率的影响
选择 1.0 mol/L[ BMIM] Cl水溶液为溶剂 ,微波
功率 400 W,萃取温度 80 ℃,每克干柠檬皮用萃取
溶剂 15 mL,考察萃取时间的影响 ,结果见图 3。
图 3 萃取时间对提取率的影响
Fig.3 Efectsofextractiontimeonextractionrate
可以看出 ,萃取时间 1 ～ 8 min内 ,随着提取时
间增加 ,果胶提取率逐渐增加 , 8 min之后 ,提取率
略微下降 ,这是因为萃取时间过长导致果胶分子发
生部分降解 。故萃取时间 8 min左右较好。
2.1.4 溶剂体积对提取率的影响
选择 1.0 mol/L[ BMIM] Cl水溶液为溶剂 ,微
波功率 400W,萃取温度 80 ℃,萃取时间 8 min,考
察每克干柠檬皮用萃取溶剂量的影响 ,结果见图 4。
图 4 溶剂量对提取率的影响
Fig.4 Efectsofsolventvolumeonextractionrate
可以看出 ,随着溶剂量增加 ,果胶提取率明显提
高 ,溶剂 20 mL时果胶提取率达最大 ,而后略微下
降 。溶剂量不足 ,溶剂难于扩散到样品内部;溶剂量
大 ,提取液浓缩困难 ,经济成本增加 ,所以应该选择
合适的溶剂用量 。故选择每克干柠檬皮用萃取溶剂
20 mL左右较佳 。
2.2 响应面法优化工艺条件
2.2.1 中心组合实验设计
根据中心组合实验设计原理 ,在单因素实验基
础上 ,确定 1.0 mol/L[ BMIM] Cl水溶液为溶剂 ,微
波功率 400 W,选取萃取温度(x1)、萃取时间(x2)、
溶剂体积(x3)为自变量 ,以果胶提取率 y为响应值 ,
进行如下优化实验 ,实验因素与水平见表 1,实验设
计与结果见表 2。
表 1 因素与水平选择表
Table1 Factorsandlevelsoftheexperiment
因素 水平-1.682 -1 0 1 +1.682
温度(x1)/℃ 58.18 65 75 85 91.82
时间(x2)/min 4.64 6 8 10 11.36
溶剂量(x3)/mL 11.59 15 20 25 28.41
表 2 实验设计与结果
Table2 Designsandresultsoftheexperiment
编号 水平x1 x2 x3
响应值 /%
实验值 预测值
1 -1 -1 1 16.45 16.41
2 0 0 0 21.39 21.86
3 -1 1 1 18.79 19.21
4 0 1.682 0 21.55 21.40
5 1 1 -1 22.32 22.05
6 0 0 0 21.93 21.86
7 -1.682 0 0 15.37 15.34
8 0 0 1.682 21.17 20.82
9 0 0 -1.682 16.88 17.66
10 1.682 0 0 24.54 25.01
11 1 -1 -1 22.04 21.31
12 -1 1 -1 16.58 16.37
13 0 -1.682 0 17.85 18.43
14 1 -1 1 22.32 22.22
15 0 0 0 22.43 21.86
16 1 1 1 24.45 24.51
17 -1 -1 -1 15.48 15.12
18 0 0 0 21.65 21.86
19 0 0 0 21.86 21.86
20 0 0 0 21.95 21.86
2.2.2 回归模型方差分析
利用 DesignExpert7.0软件对表 2数据进行二
次多元回归拟合 ,得到果胶提取率 y对自变量 x1 、x2
和 x3的二次多项回归方程:
y=+21.85594 +2.87416 x1 +0.88400 x2 +
0.93762x3 -0.12875 x1x2 -0.09625 x1x3 +
0.38625x2x3 -0.59548 x12 -0.68564 x2 2 -
0.92428x3 2
对上述回归模型进行方差分析 ,见表 3。
·54· 精 细 化 工 FINECHEMICALS 第 27卷
表 3 回归模型方差分析表
Table3 Varianceanalysisofregressionequation
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 157.31 9 17.48 60.62 <0.0001 显著
x1 112.82 1 112.82 391.28 <0.0001 显著
x2 10.67 1 10.67 37.01 0.0001 显著
x3 12.01 1 12.01 41.64 <0.0001 显著
x
1
x
2 0.13 1 0.13 0.46 0.5130 不显著
x1x3 0.074 1 0.074 0.26 0.6231 不显著
x2x3 1.19 1 1.19 4.14 0.0693 不显著
x21 5.11 1 5.11 17.72 0.0018 显著
x22 6.77 1 6.77 23.50 0.0007 显著
x23 12.31 1 12.31 42.70 <0.0001 显著
残差 2.88 10 0.29
失拟项 2.28 5 0.46 3.79 0.0852 不显著
纯误差 0.60 5 0.12
总和 160.20 19
由表 3可以看出 , F回归 =60.62>F0.01(9 , 5)=
10.157 76;P=0.000 1 <0.01,表明此回归模型极
其显著 。F失拟 =3.79
系数 R2 =0.982 0,说明模型拟合程度良好 ,实验误
差小。校正决定系数 R2adj为 0.965 8,说明此模型能
解释 96.58%响应值的变化 ,仅有总变异的 3.42%
不能用此模型来解释 。因此 ,实验值与预测值非常
接近 ,此模型是合适的 ,可以用此模型对果胶提取率
进行分析和预测 。由表 3还可知:模型一次项 x1 、x3
极显著 , x2显著;交互项 x1x2、x1x3 、x2x3不显著;二
次项 x23极显著 , x21 、x22显著。
2.2.3 响应面分析
根据二次回归方程绘制的响应面及其等高线见
图 5 ～ 7。
图 5 萃取时间和温度对提取率影响的响应面和等高线
Fig.5 Responsesurfaceandcontoursoftheefectofextraction
timeandtemperatureonextractionrate
由图 5可以看出 ,萃取温度不变 ,提取率随提取
时间增加而增大 , 8 ～ 9.68 min达最大值 ,之后逐渐
减小 。提取时间不变 ,果胶提取率随温度升高而呈
上升趋势 ,增加比较明显 ,适当地提高温度有利于果
胶提取 ,可缩短提取时间 。等高线呈圆形 ,萃取时间
和温度交互作用不显著 ,与模型的方差分析结果一
致。图 6与图 5情况类似 ,萃取溶剂体积 20 ～ 24.21
mL达最大值 ,之后逐渐减小 ,不过变化梯度比时间
要大 ,溶剂体积和温度交互作用也不显著 。由图 7
可以看出 ,萃取时间不变 ,随着溶剂体积增大 ,提取
率先增大后减小;溶剂体积不变 ,随着萃取时间增
加 ,提取率先增大后减小 。二者变化明显 ,有一定的
交互影响 。回归模型预测的最佳工艺条件为
[ BMIM] Cl浓度 1.0 mol/L,萃取温度 88.36 ℃,萃
取时间 9.63 min,每克干柠檬皮用萃取溶剂 22.71
mL,果胶提取率理论值为 25.10%。
·55·第 1期 章 凯 , 等:响应面法优化微波辅助萃取柠檬皮中果胶的研究
2.3 验证实验
为了验证模型方程的适用性与可靠性 ,采用上
述最佳工艺条件进行果胶提取实验 ,考虑到实际操
作 ,将最佳工艺条件修正为 [ BMIM] Cl浓度 1.0
mol/L,萃取温度 88℃,萃取时间 9.6min,每克干柠
檬皮用萃取溶剂 22.7mL,进行 3次平行实验 ,结果
表明 ,在此条件下 ,果胶平均提取率为 24.68%,与
预测值基本相符 ,说明此方程与实际情况拟合很好 ,
充分验证了模型的合适性 。
3 结论
本研究在单因素实验的基础上 ,采用响应面法
对提取工艺进行了优化 , 得出最佳工艺条件为
[ BMIM] Cl浓度 1.0 mol/L, 温度 88 ℃, 萃取时间
9.6min,每克干柠檬皮用萃取溶剂 22.7 mL。果胶
提取率理论值为 25.10%,实际验证值为 24.68%,
理论值与验证值基本相符 。从而证明了此模型合理
可靠 ,有一定实用价值 。
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