全 文 ：收稿日期:2013-04-09 接受日期:2013-09-10
基金项目:2012 年度内江师范学院重点项目(12NJZ01) ;四川省高
等学校“果类废弃物资源化”重点实验室经费资助
* 通讯作者 E-mail:liaolimin523@ 126． com
天然产物研究与开发 Nat Prod Ｒes Dev 2014，26:1711-1714，1601
文章编号:1001-6880(2014)10-1711-05
响应曲面法优化柠檬皮渣苦素提取工艺
李建凤1，廖立敏1，2*
1内江师范学院 化学化工学院;2 四川省高等学校“果类废弃物资源化”重点实验室，内江 641112
摘 要:以 45 ℃下烘干的柠檬皮渣为原料，采用超声波辅助乙醇提取其中的苦素类物质，考察了乙醇浓度、液固
比、超声波处理时间对提取率的影响。运用响应曲面法设计实验方案，建模分析得到柠檬苦素提取最优工艺条
件，即乙醇浓度 70%、液固比 15、处理时间 35 min。此条件下，苦素平均提取率达 1． 721 mg /g，而且实验的重现
性好，可望为柠檬苦素的提取与利用提供参考。
关键词:柠檬苦素;柠檬皮;响应曲面法;超声波提取
中图分类号:Q946． 91 文献标识码:A
Optimization of Extraction of Bitter Element from Lemon
Peel using Ｒesponse Surface Methodology
LI Jian-feng1，LIAO Li-min1，2*
1College of Chemistry and Chemical Engineering，Neijiang Normal University;
2Key Laboratory of fruit waste treatment and resource recycling，Neijiang 641112，China
Abstract:In this study，45 oC dried lemon peel was used as raw material to extract the bitter element by ultrasonication
using ethanol as extraction solvent． The effects of ethanol concentration，liquid solid ratio and ultrasonic treatment time on
the extraction yield of bitter element were studied． The response surface methodology was used to design experimental
program． The optimized extraction conditions were obtained as follows:the ethanol concentration was 70%，liquid solid
ratio was 15:1 and ultrasonic treatment time was 35min． Under these conditions，the average extraction yield of bitter ele-
ment was determined to be 1． 721 mg /g with good reproducibility． The results of this study provided reference data for
the extraction and utilization of limonin．
Key words:limonin;lemon peel;response surface methodology;ultrasonic extraction
柑橘类水果为我国第三大国际贸易农产品，四
川是我国柑橘类水果的主要产地之一，盛产柠檬、柑
橘、塔罗科血橙和脐橙等柑橘类水果。内江地区是
四川柑橘类水果的主要生产基地之一，四川安岳，早
在二三十年代就开始种植柠檬，被誉为“中国柠檬
之乡”。内江现有柠檬种植面积 13 万亩，其附近的
安岳现有柠檬种植面积 23 万亩，总产值近 18 亿元。
内江现有饮料制造企业近 50 家，内江及安岳年加工
柑橘类鲜果 100 余万吨。而柑橘类果皮渣是柑橘类
水果加工业的主要副产物，约占整个果重的 25% ～
40%，因此内江及安岳每年产生约 25 ～ 40 余万吨的
柑橘类果皮渣废弃物。传统的处理方法是将其直接
进行丢弃、填埋或小部分加工成饲料，从环境和经济
的角度分析，都是不科学、不合理的解决途径，造成
了极大的浪费，给当地环境带来了负面影响。因此
柑橘果皮的综合利用对提高柑橘加工厂的经济效益
和减少污染、保护环境都是十分有利的。
柠檬皮渣中含有丰富的果胶［1］、黄酮［2］、柠檬
苦素等活性物质，对其合理利用具有较好的经济效
益和环境效益。柠檬苦素类化合物是一类三萜类物
质，研究表明其具有明显的抗菌［3］、抗癌［4］和昆虫
不育［5］等作用。目前对苦素类物质的提取分离方
法主要有水抽提法［6］、有机溶剂提取法［7］、超临界
CO2 萃取法
［8］、超声提取法［9］和离子交换法［10］等。
本实验以乙醇为提取溶剂，采用超声波提取柠檬皮
渣中的苦素类物质，并运用响应曲面法优化工艺条
件，以期提高柠檬皮渣中苦素的得率，为开发柑橘类
果皮渣中的苦素类物质提供有益参考。
1 实验部分
1． 1 仪器与材料
UVmini-1240 紫外可外分光光度计(日本岛津
公司) ;KQ-400KDB型高功率数控超声波清洗器(昆
山市超声仪器有限公司) ;CP2202S 电子分析天枰
(赛特利斯(北京)有限公司)。
柠檬苦素标样(西安开来生物工程有限公司，
柠檬苦素，含量大于等于 98%) ;无水乙醇、甲醇、二
氯甲烷、浓硫酸、香草醛等化学试剂均为国产分析纯
试剂;柠檬采自四川安岳。
1． 2 实验方法
1． 2． 1 柠檬皮渣苦素的提取
称取柠檬粉末 5 g，置锥形瓶中加入一定量和一
定浓度的乙醇(用保鲜膜包住瓶口) ，50 ℃下超声波
(400 W)处理一定时间。处理后抽滤，用少量乙醇
清洗烧杯，清洗液一并过滤，滤液浓缩至干，用约 40
mL二氯甲烷溶解烧瓶中的残余物，转移至 50 mL容
量瓶中二氯甲烷定容至刻度，得待测提取液。
1． 2． 2 柠檬苦素标准曲线的制备
精确称取柠檬苦素标准品 10 mg(精确到
0. 00001 g) ，用二氯甲烷溶解并定容至 50 mL，得质
量浓度为 0． 2 mg /mL 的标准溶液。分别取柠檬苦
素标准溶液 1． 0、2． 0、3． 0、4． 0、5． 0 mL 于 10 mL 容
量瓶中，用二氯甲烷定容得标准系列浓度分别为
0. 02、0． 04、0． 06、0． 08、0． 10 mg /mL。取 1． 4 mL
0. 10 mg /mL的柠檬苦素标准溶液于试管中，加入
0． 4 mL 0． 02 g /mL香草醛乙醇溶液振荡混匀，静置
2 min，加入浓硫酸 0． 6 mL，迅速振荡 10 s，加入 2． 5
mL甲醇溶液混匀显色，二氯甲烷定容至 5 mL，静置
10 min，在 300 ～ 700 nm处进行光谱扫描，观察最大
吸收峰波长为 547 nm。测定标准系列浓度的吸光
度，用最小二乘法作线性回归，得柠檬苦素浓度 C
与吸光度值 A的标准曲线回归方程为:C = 0． 223A-
0． 036，Ｒ = 0． 9981。
1． 2． 3 柠檬苦素提取得率计算
取 1． 4mL柠檬苦素提取液于试管中，按上述方
法显色并测定吸光度，计算柠檬苦素提取率。柠檬
苦素提取率 = C × V /m = C ×50 /5(mg /g)。
1． 2． 4 实验设计
在查阅参考文献及前期预实验的基础上，本文
主要考察乙醇浓度、提取时间、液固比对提取效果的
影响，应用 Design Expert 7． 0． 0 软件，采用 Box-Be-
hnken Design设计实验方案，以液固比(A)、乙醇体
积分数(B)、提取时间(C)为影响因素，苦素提取率
(Y)为响应值设立处理组，因子编码及水平见表 1。
表 1 实验因素与水平
Table 1 Factors and levels of experiments
因素 Factors
编码值 Unicode
-1 0 1
液固比(A)Liquid solid ratio (A) 10∶ 1 15∶ 1 20∶ 1
乙醇体积分数(B)Ethanol concentration (B) 45 70 95
提取时间(C)Extraction time (C) 20 35 50
2 结果与讨论
2． 1 实验结果及数据处理
共设计 17 个处理组，实验设计及结果见表 2。
表 2 Box-Behnken设计方案及响应值
Table 2 Box-Behnken experimental design and response values
处理号
No．
液固比
Liquid solid ratio
乙醇体积分数
Ethanol concentration(%)
处理时间
Extraction
time(min)
提取率
Extraction yield (mg /g)
1 15∶ 1 95． 00 20． 00 1． 223
2 20∶ 1 70． 00 20． 00 1． 275
3 10∶ 1 70． 00 20． 00 0． 965
4 15∶ 1 45． 00 20． 00 0． 768
5 15∶ 1 70． 00 35． 00 1． 698
6 20∶ 1 95． 00 35． 00 1． 415
2171 天然产物研究与开发 Vol. 26
7 10∶ 1 45． 00 35． 00 1． 368
8 10∶ 1 95． 00 35． 00 1． 105
9 20∶ 1 45． 00 35． 00 1． 379
10 15∶ 1 70． 00 35． 00 1． 725
11 15∶ 1 70． 00 35． 00 1． 734
12 15∶ 1 95． 00 50． 00 1． 397
13 20∶ 1 70． 00 50． 00 1． 402
14 10∶ 1 70． 00 50． 00 1． 279
15 15∶ 1 45． 00 50． 00 1． 047
16 15∶ 1 70． 00 35． 00 1． 727
17 15∶ 1 70． 00 35． 00 1． 723
用 Design Expert 7． 0． 0 软件将表 2 中试验数据
进行多元回归拟合，得到柠檬苦素提取率对液固比
(A)、乙醇浓度(B)、提取时间(C)的二次多项式回
归模型。对所建立的响应模型进行方差分析，结果
见表 3。由表 3 可知，试验选用的模型高度显著(P
＜ 0． 01) ，说明该模型拟合程度良好，可以用此模型
来分析以乙醇为溶剂采用超声波对柠檬皮渣苦素的
提取。
表 3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance for regression model
变异来源
Source
平方和
Sum of squares
自由度
df
均方
Mean square
F值
F value
P值
P value
是否显著
Significance
模型 Model 1． 23 9 0． 14 7． 05 0． 0087 高度显著(P≦ 0． 01)
残差 Ｒesidual 0． 14 7 0． 019 － － －
失拟项 Lack of fit 0． 13 3 0． 045 － － －
纯误差 Pure error 7． 532E-004 4 1． 883E-004 － － －
总和 Cor total 4． 36 16 － － － －
回归模型系数显著性检验结果见表 4。由表 4
可知，模型一次项 A、C较显著(P ＜ 0． 1) ，二次项 B2
和 C2 显著(P ＜ 0． 01) ，其他不显著(P ＞ 0． 1)。
表 4 回归模型系数显著性检验
Table 4 Analysis of significance for regression coefficient
因子项
Factor
回归系数
Ｒegression coefficients
自由度
df
F值
F value
P值
P value
是否显著
Significance
Intercept 1． 72 1 － － －
A 0． 094 1 3． 67 0． 0969 较显著
B 0． 072 1 2． 16 0． 1853 不显著
C 0． 110 1 5． 16 0． 0573 较显著
AB 0． 075 1 1． 15 0． 3182 不显著
AC -0． 047 1 0． 45 0． 5231 不显著
BC -0． 026 1 0． 14 0． 7171 不显著
A2 -0． 140 1 4． 36 0． 0752 较显著
B2 -0． 260 1 15． 06 0． 0060 显著
C2 -0． 350 1 26． 59 0． 0013 显著
3171Vol. 26 李建凤等:响应曲面法优化柠檬皮渣苦素提取工艺
2． 2 响应面分析
响应面图形是响应值对各因素所构成的三维空
间的曲面图，图 1、图 2 和图 3 为液料比 (A)、乙醇
浓度(B)、处理时间(C)在其中一个固定时，另外两
个对柠檬皮渣柠檬苦素提取影响曲面图。比较图
1、图 2 和图 3 的曲面图可知，液固比(A)、超声波处
理时间(C)对柠檬皮渣柠檬苦素提取的影响较为显
著，表现为曲线较陡峭，乙醇浓度(B)不显著，表现
为曲线相对平滑。可能是柠檬苦素类化合物在
400W超声波处理下，在乙醇溶液中浸出速度都很
大，故提取乙醇浓度的变化对柠檬苦素提取率影响
不显著。比较图 1、图 2 和图 3 的等高线图可以看
出液料比(A)、乙醇浓度(B)、提取时间(C)的交互
影响显著性相似，表现为等高线相对密度相似，这与
方差分析结果一致。
1.78
1.5876
1.425
1.2625
1.1
86.0
82.5
70.057.545.0 10.0
12.5
15.017.5
20.0
R1
B:B A:A
图 1 乙醇浓度、液固比及其交互作用对提取率的影响
Fig. 1 Effects of liquid solid ratio，ethanol concentration and
their interactions on the extraction yield
1.75
1.5525
1.255
1.1575
0.98
50.0
42.5
35.027.520.0 10.012.5
15.017.5
20.0
R1
C:C A:A
图 2 液固比、提取时间及其交互作用对提取率的影响
Fig. 2 Effects of liquid solid ratio，extraction time and their
interactions on the extraction yield
1.74
1.485
1.25
1.005
0.75
50.0
42.5
35.027.520.0 45.057.5
70.082.5
95.0
R1
C:C B:B
图 3 乙醇浓度、提取时间及其交互作用对提取率的影响
Fig. 3 Effects of ethanol concentration，extraction time and
their interactions on the extraction yield
1.74
1.50
1.25
1.00
0.75
0.77% 1.01% 1.25% 1.48% 1.73
Actual
Pr
ed
ic
te
d
图 4 预测值与实验值相关图
Fig. 4 Correlation plot of predicted extraction yield and ac-
tual extraction yield
2． 3 模型优化与验证
模型对各实验号的预测值与实验值相关图见图
4，图 4 可以发现大部分样本点落在 45 度的对角线
附近，说明模型的预测值与实验值之间误差较小，模
型能用于柠檬苦素提取率的预测。在选取的各因素
范围内，根据回归模型通过 Design Expert 软件分析
得出，柠檬苦素最佳提取条件为:液固比为 16． 80∶
1，乙醇体积分数为 74． 55%，超声波处理时间为 36．
94 min，提取率理论预测值为 1． 752 mg /g。而最优
工艺条件恰好与表 2 中处理号为 5、10、11、16 和 17
的实验条件相近(液固比为 15，乙醇体积分数为
70%，超声波处理时间为 35 min) ，这 5 个实验的提
取率分别为 1． 698、1． 725、1． 734、1． 727 和 1． 723
mg /g，平均值为 1． 721 mg /g，平均值与理论预测值
为 1． 752 mg /g接近，说明响应曲面得出的结论是正
确的，即该方程与实际情况拟合很好，响应曲面法适用
于柠檬皮渣苦素超声波提取工艺分析和参数优化。
3 结论
本文利用试验设计软件 Design Expert，采用
Box-Behnken Design设计实验方案，分析得出柠檬皮
渣柠檬苦素超声波乙醇提取的最佳工艺条件，在最
佳工艺条件下对柠檬皮渣苦素进行提取，不但提取
液柠檬苦素含量最高，而且实验的重现性好，说明响
应曲面法得出的结论是正确的，本文得出的柠檬苦
素最佳提取工艺具有一定开发价值。
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