沈永贤 陈恋真 陈燕珊 李浩权 黄汝恒 胡洪超

摘要：【目的】利用响应面法优化柿渣中单宁的提取工艺，为柿單宁的综合开发利用提供技术支持。【方法】利用溶剂浸提法提取成熟柿渣中的单宁，采用福林酚法测定柿单宁含量，选取pH（水浸提取法）、乙醇体积分数（乙醇浸提法）、料液比、提取时间和提取温度为因素，柿单宁提取率（Y）为响应值，在单因素试验的基础上进行Box-Behnken中心组合试验设计，建立回归方程，优化柿渣中单宁的提取工艺。【结果】3种提取方法获得的柿单宁提取率排序为：碱性水浸>酸性水浸>乙醇浸提。选用碱性水浸提取法作为提取工艺，建立的回归方程为：Y=1.75-0.0424A+0.0164B+0.0118C+0.01AB+0.0015AC-0.0005BC-0.2528A2-0.0003B2-0.0179C2（A为pH，B为提取时间，C为提取温度）;3个因素对碱性水浸提取柿单宁提取率的影响排序为pH>提取时间>提取温度，两因素间的交互作用对柿单宁提取率的影响均不显著（P>0.05）。最佳提取工艺条件：pH 11、料液比1∶3、提取时间129 min、提取温度96.5 ℃，在此条件下获得柿单宁提取率为1.75%，与理论预测值（1.76%）接近。【结论】采用响应面法优化柿渣中单宁的提取工艺稳定、可行，具有实用价值，可在生产实际中推广。

关键词： 柿渣;柿单宁;响应面;提取优化

中图分类号： S665.209.9                         文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）11-3076-09

Optimization of the extraction process of persimmon tannin from persimmon residue by response surface methodology

SHEN Yong-xian1，CHEN Lian-zhen2，CHEN Yan-shan2，LI Hao-quan2，

HUANG Ru-heng2，HU Hong-chao1*

（1Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou  510225， China; 2Guangzhou Shibio

Biotechnology Co.，Ltd.， Guangzhou  510000， China）

Abstract：【Objective】The response surface methodology（RSM） was used to optimize the extraction process of persimmon tannin in persimmon residue，providing technical support for the extraction and separation of persimmon tannin and the comprehensive development and utilization of persimmon tannin. 【Method】Solvent extraction of persimmon tannin from persimmon residue was carried out. The persimmon tannin was determined by Folin-Ciocalteu method. The pH（water extraction）， volume fraction of ethanol（ethanol extraction），the material-liquid ratio，extract time，and extract temperature were selected as different experimental factors， persimmon tannin extraction rate（Y） as response value. Based on the experiment of single factor，the combined experimental design of Box-Behnken center was carried out. Establishing regression equation to optimize the extraction process of persimmon tannin from persimmon residue. 【Result】The results showed that the extraction rate of persimmon tannin： alkaline water extraction>acid water extraction>ethanol extraction.Established regression equation of alkaline water extraction was：Y=1.75-0.0424A+0.0164B+0.0118C+0.01AB+0.0015AC-0.0005BC-0.2528A2-0.0003B2-0.0179C2（A was the pH，B was the extraction time and C was the extraction temperature）. The influence order of the three factors on yield of extraction rate of persimmon tannin by alkaline water extraction was pH>extraction time>extraction temperature. The interaction between the two factors on extraction rate of persimmon tannin was not significant（P>0.05）.The optimal process conditions were：pH 11，solid-liquid ratio 1∶3，extraction time 129 min，extraction temperature 96.5℃，and the extraction yield was 1.75%，which was close to the theoretical prediction（1.76%）. 【Conclusion】The response surface method is used to optimize the extraction process of persimmon tannin in persimmon residue，which is stable and feasible. It has practical value and can be popularized in production.

Key words： persimmon residue; persimmon tannin; response surface methodology; extraction optimization

Foundation item： Guangdong-Hong Kong Cooperation Project（2017A050506055）; Guangdong Provincial Education Department Project（2017KZDXM045）

0 引言

【研究意义】柿子原产于我国，至今已有3000多年的栽培和加工历史（杨恒等，2019）。截至2019年，我国柿子年产量达329.40万t（国家统计局，2019）。目前，我国对柿子的开发利用主要是制作柿饼、柿酱、柿子酒、柿子醋及果汁饮料等，市场需求有限，以致柿子收购价低，大量的柿子被弃采而烂掉（王建新和徐冉，2019;冯娟等，2020）。研究表明，与五倍子单宁等植物多酚相比，柿单宁分子量大，结构复杂，更易与重金属、蛋白质等形成络合沉淀（张宝善和陈绵屏，1997;Akagi et al.，2010;Li et al.，2010），可用于空气净化（崔翠等，2015;严敬华，2020）、金属离子回收（蒋文斌等，2018;易庆平等，2018）、作抗氧化剂（Tian et al.，2012）和材料改性处理等（Du et al.，2020）。柿子在加工成果汁、果酒和果醋后残余的柿渣中富含果胶、柿单宁等物质（王西娜，2015），因此，研究柿渣中提取单宁的工艺既可为企业带来显著的经济效益，又能促进以柿单宁为原料的下游产业发展，从根本上拓展市场对柿果的需求。【前人研究进展】近年来，越来越多学者开展了对柿单宁的研究。辛国贤等（2013）研究柿单宁粗提物对氨气、醋酸、异戊酸、三甲胺和吲哚的除臭效果，发现柿单宁粗提物对这5种臭味化合物有明显吸附能力，对异戊酸、三甲胺和吲哚的吸附能力尤其显著;曾繁濠（2015）采用超声辅助提取恭城月柿中的柿单宁，所得的水解单宁和缩合单宁提取率分别为80.61%和83.58%;Zhou等（2016）从柿叶中超声辅助提取，经大孔树脂纯化得到纯度为39.56%的单宁提取物，并探讨了其抗辐射性能;高明敏（2019）用不同方法构建了氧化石墨烯—柿单宁（PT-GO）用于吸附水体中的亚甲基蓝和磁性氧化石墨烯—柿单宁（Fe3O4/PT/GO）用于吸附水体中Er3+与孔雀石绿，发现PT-GO对亚甲基蓝最大吸附量达256.58 mg/g;而Fe3O4/PT/GO对孔雀石绿的最大吸附能力可达560.58 mg/g，对Er3+的最大吸附量达366.67 mg/g，吸附过程均是自发和吸热。李玉巍和孔祥舜（2019）对柿皮粉中的单宁进行提取和纯化，得到其提取率为21.5%。近年来，在提取植物单宁的领域上也广泛应用响应面法优化其提取工艺，如提取五倍子（秦清等，2012）、香蕉皮（刘细祥等，2014）、刺梨（李志等，2019）、苣荬菜根（贾贵华和任雪峰，2020）和桃金娘果（徐阳纯等，2021）的单宁。【本研究切入点】目前，大多研究者主要从青柿渣（曾繁濠，2015）、柿叶（于晓锐等，2018）和青柿皮（李玉巍和孔祥舜，2019）中提取单宁，以成熟柿子渣为原料，通过响应面法优化柿单宁提取工艺的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过单因素试验探讨提取温度、提取时间和料液比等因素对水浸提取法和乙醇浸提法对柿单宁提取率的影响;在此基础上通过响应面试验分析确定提取柿单宁的最佳工艺条件，为柿单宁后续生产和综合利用提供技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

柿渣由桂林柿宝生物科技有限责任公司提供。浓盐酸（分析纯）购自广州化学试剂二厂，无水乙醇、氢氧化钠、磷酸、钨酸钠、钼酸钠、没食子酸标准品和无水碳酸钠均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。主要仪器设备：数显恒温水浴锅（HH-1，江苏科析仪器有限公司）、TGL-16B离心机（上海安亭科学仪器厂）、RE-52AA旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）和新世纪紫外可见光分光光度计（T6，北京普析通用仪器有限公司）。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 柿单宁提取与分析 水浸提取法：取100.0 g柿渣，加入去离子水，调节pH，恒温水浴加热。酸性提取结束后离心，取上清液浓缩醇沉除果胶;碱性提取结束后，调节pH至5，离心，取上清液浓缩醇沉除果胶。乙醇浸提法：取100.0 g柿渣，加入酸性乙醇溶液，恒温水浴加热，提取结束后离心，取上清液进行浓缩。以上试验均平行3次。

分析方法：采用Folin-酚法（Singleton et al.，1999;王勇等，2011）测定提取浓缩液中柿单宁含量。吸取适量的提取濃缩液，置于250 mL容量瓶中，提取浓缩液定容得到样品液;吸取1 mL样品液于100 mL容量瓶中，摇匀、定容;取1 mL稀释后溶液于10 mL比色管中，加入2 mL去离子水，摇匀后加入1 mL F-D试剂和3 mL碳酸钠溶液，定容至刻度线，摇匀，于50 ℃下水浴加热5 min后，在760 nm波长处测定试液的吸光值。试验平行重复3次，取平均值。根据Folin-酚法得到的标准曲线计算柿单宁浓度并代入公式，即可求得柿单宁提取率。

W（%）=C×V/（1000000×M）×100

式中，W为柿单宁提取率（%），C为柿单宁浓度（mg/L），V为定容体积（250 mL），M为柿子渣质量（100 g）。

1. 2. 2 单因素试验 以柿单宁提取率为指标，考察pH（水浸提取法）、乙醇体积分数（乙醇浸提法）、料液比（柿渣与提取液质量之比，g/g）、提取时间和提取温度等因素对柿单宁提取效果的影响。

1. 2. 2. 1 pH对水浸提取法柿单宁提取率的影响

分别设置pH为2、3、4、5、6（酸性条件）和8、9、10、11、12（碱性条件），在料液比1∶3、提取时间120 min、提取温度100 ℃的条件下进行水浸提取，计算酸性条件和碱性条件下的柿单宁提取率。

1. 2. 2. 2 乙醇体积分数对乙醇浸提法柿单宁提取率的影响 分别设置乙醇体积分数为40%、50%、60%、70%和80%，在料液比1∶3、提取时间120 min、提取温度60 ℃的条件下进行乙醇浸提，计算柿单宁提取率。

1. 2. 2. 3 料液比对柿单宁提取率的影响 分别设置料液比为1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6，在pH 2和pH 11、提取时间120 min、提取温度100 ℃的条件下进行水浸提取;在乙醇体积分数60%、提取时间120 min、提取温度60 ℃的条件下进行乙醇浸提，各计算其柿单宁提取率。

1. 2. 2. 4 提取时间对柿单宁提取率的影响 分别设置提取时间为30、60、90、120和150 min，在pH 2和pH 11、料液比1∶3，提取温度100 ℃的条件下进行水浸提取;在乙醇体积分数60%、料液比1∶3、提取温度60 ℃的条件下进行乙醇浸提，各计算其柿单宁提取率。

1. 2. 2. 5 提取温度对柿单宁提取率的影响 在水浸提取法中，分别设置提取温度为60、70、80、90和100 ℃，在pH 2和pH 11、料液比1∶3、提取时间120 min的条件下进行提取，计算柿单宁提取率。在乙醇浸提法中，分别设置提取温度为30、40、50、60和70 ℃，在乙醇体积分数60%、料液比1∶3、提取时间120 min的条件下进行提取，计算柿单宁提取率。

1. 2. 3 响应面试验设计 以单因素试验中柿单宁提取率为指标，发现碱性水浸提取效果远比酸性水浸提取和乙醇浸提好，故采用碱性水浸提取法，固定料液比为1∶3，以柿单宁提取率（Y）为指标，选取pH、提取时间和提取温度作为响应面试验因素;采用Design-Expert 12.0进行Box-Behnken设计响应面试验并分析。响应面试验因素及水平设计见表1。

1. 3 统计分析

试验各平行3次，取平均值。响应面数据采用Design-Expert 12.0进行统计分析，使用OriginPro 2021制图。

2 结果与分析

2. 1 水浸提取法单因素试验结果

2. 1. 1 pH对柿单宁提取率的影响 由图1可知，碱性条件下的柿单宁提取效果优于酸性条件，在pH=2和pH=11时分别达相应条件下的最大提取率，分别为0.68%和1.70%。酸性条件下，随着pH的降低即酸性的增强，柿单宁提取率逐渐提高;碱性条件下，随着pH的升高，柿单宁提取率呈先增后減的变化趋势。综合考虑，采用pH=2（酸性水提）和pH=11（碱性水提）作为后续试验条件。

2. 1. 2 料液比对柿单宁提取率的影响 由图2可知，增加水对柿果的比例，酸性条件下的单宁提取率略有提高，碱性条件下的单宁提取率变化则不明显。一般来说，增加提取液用量有助于提取率增加，碱性条件增加不明显可能是因为柿单宁在碱性条件下易达到最大溶出量，单纯增加提取剂用量对其溶出作用已不大。因此柿单宁提取工艺中料液比可确定为1∶3。

2. 1. 3 提取时间对柿单宁提取率的影响 从图3可看出，在酸性和碱性条件下，随着提取时间的延长，柿单宁提取率逐渐增大，当提取时间从60 min延长至120 min时，碱提率从1.07%升至1.75%，增加63.55%;酸提率从0.53%升至0.81%，增加52.83%，但120 min后提取率略有下降。理论上提取时间越长柿单宁提取就越充分，提取率就越高，但另一方面，柿单宁受热条件下极易发生氧化和自聚等反应（Xia et al.，2015），导致柿单宁提取率降低，因此响应面试验的提取时间水平选择110、120和130 min为宜。

2. 1. 4 提取温度对柿单宁提取率的影响 由图4可知，在酸性和碱性条件下，随着提取温度的升高，柿单宁提取率均逐渐增大。这是因为提取温度的升高会促使柿渣中的组织结构破坏，增加柿果中果胶溶解度，促进柿单宁溶出，提高柿单宁提取率。响应面试验中提取温度水平设为90、95和100 ℃。

2. 2 乙醇浸提法单因素试验结果

2. 2. 1 乙醇体积分数对醇提柿单宁提取率的影响

由图5可知，在乙醇体积分数为40%～80%范围内，柿单宁提取率先增加后减少，在乙醇体积分数为60%时提取率达最大值，为0.2367%;当乙醇体积分数从40%升至60%时，柿单宁提取率从0.2133%提高至0.2367%，提高10.97%;而在乙醇体积分数从60%升至80%时，柿单宁提取率由0.2367%降低至0.1933%，降低18.34%。

2. 2. 2 料液比对醇提柿单宁提取率的影响 如图6所示，随着乙醇溶液用量的增加，柿单宁提取率逐渐升高，但变化不明显。提取率提升可能是因为乙醇用量的增加增大了柿渣与提取剂的接触面积，促进柿单宁浸出;但整体上柿单宁提取率提升趋势变化较小，提取率也无明显变化，可能是柿单宁在乙醇溶液中基本达到最大溶解限度，继续增加乙醇用量已无法浸出更多的柿单宁所致。

2. 2. 3 提取时间对醇提柿单宁提取率的影响 如图7所示，随着提取时间的延长，柿单宁提取率逐渐增大且趋势明显。当提取时间从60 min延长至120 min时，提取率从0.1230%上升至0.2373%，增加92.93%;当提取时间超过120 min后，柿单宁提取率趋于平稳且有缓慢降低的趋势。

2. 2. 4 提取温度对醇提柿单宁提取率的影响 从图8可看出，随着提取温度的提高，柿单宁提取率先升高后降低，60 ℃时达最大值，为0.2280%。当提取温度在30～60 ℃时，温度的升高促进柿单宁在乙醇体系中的浸出，且其对乙醇的蒸发影响有限，因此柿单宁提取率保持增加;但当提取温度超过60 ℃时，随着温度的升高，乙醇逐渐被蒸发，体系中溶剂质量不断减少，使得柿单宁浸出量变少，故柿单宁提取率也相应降低。

2. 3 响应面试验结果

2. 3. 1 回归方程建立及方差分析结果 采用Design-Expert 12.0设计响应面（Box-Behnken）试验，结果如表2所示。共设计17个试验点，设5个零点及12个分析因点，其中自变量为分析因点，取值（以单因素试验结果为基础）于pH（A）、提取时间（B）和提取温度（C）中所构成的三维顶点，零点为pH、提取时间和提取温度的中心点，为保证试验重复性，点试验进行3次，以降低不可控因素对试验的干扰。对表2中的试验数据进行回归分析，得到柿单宁提取率理论值（Y）与pH（A）、提取时间（B）和提取温度（C）的回归方程为：Y=1.75-0.0424A+0.0164B+0.0118C+0.01AB+0.0015AC-0.0005BC-0.2528A2-0.0003B2-0.0179C2。

对该模型进行方差分析及回归系数的显著性检验，结果如表3所示，一次项中，A、B对柿单宁提取率的线性效应极显著（P<0.01，下同），C则是显著（P<0.05，下同）;二次项中，A2的影响为极显著，C2为显著;交互作用中，AB、AC和BC 3项均不显著（P>0.05）。在整个试验设计范围内，模型的显著性检测P<0.0001，极显著;模型的R2为0.9971，调整R2为0.9933，说明该模型与实际试验结果的拟合程度良好。根据显著性和F可知，影响碱性水浸提取柿单宁提取率的因素排序为pH（A）>提取时间（B）>提取温度（C）。

2. 3. 2 响应曲面三维图和等高线分析结果 依照回归方程，绘制响应曲面和等高线，观察拟合响应曲面的形状，研究pH、提取时间和提取温度对碱性条件水浸提取柿单宁提取率的影响。各因素及其相互作用对响应值的影响可通过各直观图反映出来，回归方程的响应曲面及其等高线如图9～图11所示。从图9和图10可看出，同一pH条件下，提取时间和提取温度对柿单宁提取率的影响不大，即AB和AC的交互作用较弱，柿单宁提取率的主要影响因素是pH;图11结果则说明BC的交互作用较差。综合来看，在确定pH的情况下，提取时间和提取温度对柿单宁提取率的影响较小。

2. 3. 3 验证试验结果 依据响应面分析结果，得到从柿渣中提取柿单宁的最佳理论碱性水浸提取工艺条件为：pH 11，提取时间129 min，提取温度96.5 ℃，该条件下理论柿单宁提取率为1.76%。为验证响应面分析法分析结果的可靠程度，选用以上优化的试验条件进行验证试验，共进行3次平行试验，得到平均提取率为1.75%，与理论预测值的相对误差为0.57%，与预测值接近，说明建立的模型可靠，适用于碱性水浸提取柿单宁工艺的优化，具有实用价值。

3 讨论

本研究选用水浸提取法和乙醇提取法对成熟柿渣中的柿单宁进行提取，2种方法均为提取植物多酚类物质的常用手段。近年来不少研究者对不同柿子种类、部位进行单宁提取研究，得到较高的单宁提取率，如曾繁濠（2015）提取恭城青涩柿中的水解单宁（2.364%）和缩合单宁（3.042%），杨琼琼（2016）从柿木皮中提取单宁（5.6%），李玉巍和孔祥舜（2019）对柿皮粉（0.1722%）进行相关研究，陈美红等（2009）则研究了未成熟罗田甜柿中柿蒂和柿核部位的单宁含量（分别为50.9%和60.7%）。与上述前人研究结果相比，本研究的柿单宁提取率较低，不同方法提取柿单宁的效果为：碱性水浸提取>酸性水浸提取>乙醇提取。这是因为本研究选用的原料为成熟柿子渣，其自身柿单宁含量较少而果胶含量较多，故柿单宁提取率较低。同时，由于柿单宁和果胶常呈现缔合状态，乙醇浸提法中果胶不易从柿果渣中溶出，因此柿单宁乙醇浸提法的提取率反而不如水浸提取法。在碱性水浸提取下，果胶溶解性更好（Fraeye et al.，2007;Jiang et al.，2020），提取过程中柿单宁和果胶能更好地分离，柿单宁溶出率增加;但碱性过高时，柿单宁提取率反而有所降低，说明柿单宁在强碱性溶液中部分发生降解，与Osawar和Walsh（1993）的研究结果一致。此外，酸性条件下柿单宁提取率随酸性增强而提高，是因为酸性条件下柿单宁结构内作用力减弱，柿单宁酚羟基暴露程度加强，柿单宁从不溶性单宁转化为可溶性单宁，且酸性越强柿单宁水解程度越强，提取率也越高（石碧和狄莹，2000）。而在乙醇提取中，乙醇体积分数为40%～60%的范围内柿单宁提取率较高，是因为该体积分数下的乙醇有利于破坏柿渣中柿单宁与蛋白质、多糖等物质之间的氢键和疏水作用力（张艳萍等，2009），使其单宁的溶出更容易;当乙醇体积分数进一步提高时，柿单宁提取率反而下降，这是因为提取剂与柿单宁的极性差异开始增大，柿单宁的溶出量减少，与李西柳（2010）的研究结果一致。

由于碱性水浸提取法单宁提取率明显高于其他提取工艺，因此选取柿单宁碱法浸提工艺进行响应面试验，以获取最佳提取工艺条件。同时，因为料液比低于1∶3后基本不影响提取率的增加，说明该因素的影响较少，考虑后续生产中的浓缩、干燥工序成本，故料液比不作为响应面研究参数，固定为1∶3，即考察pH、提取时间和提取温度对单宁提取率的影响。根据响应面和等高线结果，发现在碱性水浸提取中，pH与提取时间、pH与提取温度之间的交互作用较弱，柿单宁提取率的主要影响因素是pH。而在确定pH的情况下，提取时间与提取温度之间的交互作用也较差，对柿单宁提取率的影响较小。利用响应面法不仅能分析各因素間交互作用对响应值的影响，还可优化柿渣中柿单宁提取工艺，有助于转化成工业实际生产，有利于节约资源保护环境，提高柿子的高附加值利用。为更深入地了解柿单宁的效用，下一步将对柿单宁实际应用方面进行研究。

4 结论

本研究通过单因素试验和响应面分析对柿渣中提取柿单宁的工艺进行优化，比较发现碱性水浸提取的提取率较高，优化后的工艺条件为：pH 11、料液比1∶3、提取时间129 min、提取温度96.5 ℃。试验精确度较高，操作简单，可用于从柿渣中提取柿单宁。

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收稿日期：2021-04-08

基金項目：粤港合作项目（2017A050506055）;广东省教育厅项目（2017KZDXM045）

通讯作者：胡洪超（1980-），https：//orcid.org/0000-0002-9070-5893，博士，主要从事天然产物提取与环境功能材料研究工作，E-mail：samhuhongchao@gmail.com

第一作者：沈永贤（1996-），https：//orcid.org/0000-0001-7057-9968，研究方向为环境功能材料，E-mail：sumwingjin@163.com