杏仁種皮黑色素提取工藝優化

李巨秀，李紅姣，趙 忠,*，夏秋敏，朱海蘭

(1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100)

杏仁種皮黑色素提取工藝優化

李巨秀1，李紅姣2，趙 忠2,*，夏秋敏1，朱海蘭2

(1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100)

以杏仁種皮為試驗材料，采用堿溶解酸沉淀的方法提取黑色素，以氫氧化鈉溶液濃度、提取溫度、提取時間、料液比為考察因素，以黑色素得率為指標，通過單因素和正交試驗，研究山杏種皮黑色素的提取工藝。結果表明：氫氧化鈉濃度、提取溫度、料液比3個因素對黑色素的得率均表現出極顯著(P＜0.01)影響；3個因素對黑色素提取得率影響的主次順序為提取溫度＞氫氧化鈉濃度＞料液比；最佳工藝為氫氧化鈉濃度0.4mol/L、提取溫度80℃、提取時間6h、料液比1:20(g/mL)，黑色素得率達到7.2%。

杏仁種皮；黑色素；提取工藝

黑色素是多酚或吲哚的復雜聚合物，具有抗紫外線輻射、螯合金屬離子、促進免疫和抗氧化活性等功能作用[1-3]。已有研究表明，從黑香種草(Nigella sativa L.)中提取的黑色素可治療與細胞因子產生不平衡相關的一些疾病；茶葉黑色素可以保護由聯氨誘導的肝臟損失，并且黑色素可以在天然產品中用于防治自由基氧化反應[4-6]。黑色素根據其組成可分為3類：真黑素(eumelanins)、棕黑素(phaeomelanins)和異黑素(allomelanins)。真黑色素是一種深黑色的顏色，含有氮元素，而棕黑素是黃色-微紅色-褐色，含有硫元素的色素[7-8]。已有研究人員對不同材料中黑色素的提取、性質等方面做了大量研究，如黑米、烏骨雞、魷魚墨、烏飯樹葉等中的黑色素[9-13]。黑色素由于其獨特的功能特性，在醫藥、化工、食品等領域的應用越來越廣泛。目前，黑色素的市場主要以化學合成為主，而植物中的天然黑色素需要研究和開發。杏仁種皮是杏仁產品加工的副產物，大約占杏仁質量的5%[14]。杏仁種皮中含有豐富的黑色素，但對杏仁黑色素的提取工藝參數和性質研究報道較少。由于黑色素除了溶于堿溶液，微溶于二甲基亞砜外，幾乎不溶于其他任何常規試劑和有機溶劑[15-16]，因此利用堿溶酸沉淀是黑色素主要的提取方法。本實驗擬利用氫氧化鈉溶液溶解、鹽酸溶液沉淀提取杏仁種皮中的黑色素，通過單因素和正交試驗優化出杏仁黑色素的提取工藝，為該黑色素的理化性質、功能特性和開發應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

杏仁種皮：將產自甘肅平涼的杏仁手工去皮，種皮在自然條件下風干后備用；氫氧化鈉、丙酮、乙酸乙酯 天津市博迪化工有限公司；鹽酸 成都市科龍化工試劑廠；無水乙醇 西安三浦化學試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DSY-1-4型電熱恒溫水浴鍋 北京愛琦霞商貿有限公司；AG135型分析天平 瑞士梅特勒-托利多集團；PHS-3C型pH計 上海雷磁儀器廠；R-200型旋轉蒸發儀 鞏義市予華儀器有限責任公司；SC-3610型低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 杏仁種皮黑色素提取工藝流程

采用堿溶酸沉淀法提取杏仁種皮黑色素的工藝流程見圖1。

圖1 杏仁種皮黑色素的提取工藝Fig.1 Flow chart for melanin extraction from apricot kernel skin

1.3.2 杏仁種皮黑色素提取的單因素試驗

以黑色素得率作為評價指標，分別對氫氧化鈉濃度、提取時間、提取溫度、料液比進行單因素試驗，以確定各因素的影響效果和適宜范圍。

1.3.2.1 氫氧化鈉濃度對黑色素得率的影響

稱取5份10.00g杏仁種皮于500mL燒杯中，加入200mL蒸餾水，煮沸5min，用紗布過濾后將濾渣轉移至燒杯中，以0.00、0.25、0.50、0.75、1.00mol/L NaOH溶液作為提取劑，料液比1:15(g/mL)，燒杯用保鮮膜封口后置于60℃水浴中提取2h。計算黑色素的得率，以確定適宜的氫氧化鈉濃度。

1.3.2.2 提取時間對黑色素得率的影響

以0.50mol/L NaOH溶液作為杏仁種皮提取劑，其余條件同1.3.2.1節，研究水浴2、4、5、6、8h對黑色素得率的影響，以確定適宜的提取時間。

1.3.2.3 提取溫度的選擇

水浴6h，其余條件同1.3.2.2節，研究水浴溫度20、40、60、80、100℃對黑色素得率的影響，以確定適宜的提取溫度。

1.3.2.4 料液比對黑色素得率的影響

水浴溫度100℃，其余條件同1.3.2.3節，研究料液比1:6、1:10、1:15、1:20、1:25對黑色素得率的影響，以確定適宜的料液比。

1.3.3 杏仁種皮黑色素提取的優化試驗

在單因素試驗的基礎上，選用L9(34)正交試驗設計，以氫氧化鈉濃度、提取溫度、提取料液比為考察因素，提取時間6h，以黑色素得率為指標，優化提取工藝參數，從中篩選最優的工藝條件和技術參數。因素水平見表1。所有組合均進行兩次重復試驗。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Levels of the factors tested in orthogonal array design

1.3.4 黑色素得率計算

按照下列公式計算黑色素得率。

式中：X為黑色素得率/%；m1為真空干燥后的黑色素質量/g；m為稱取的杏仁種皮質量/g。

1.4 數據分析

用DPS7.55統計軟件設計試驗和分析數據。

2 結果與分析

2.1 氫氧化鈉濃度對杏仁種皮黑色素得率的影響

圖2 氫氧化鈉濃度對杏仁種皮黑色素得率的影響Fig.2 Effect of NaOH concentration on the yield of melanin

在生物體內，黑色素一般與蛋白質、糖類等其他成分結合在一起，提取黑色素需先破壞化學鍵。由于黑色素一般溶于堿性溶液和微溶于二甲基亞砜，所以試驗中通常采用氨水或NaOH溶液等堿溶液作為提取溶劑，但氨水易揮發，而且揮發氣體具有刺激性，因此本試驗以不同濃度的NaOH溶液為提取溶劑進行對比研究，結果如圖2所示。

由圖2可知，NaOH濃度對杏仁種皮黑色素得率有顯著影響，蒸餾水幾乎提取不出黑色素，隨著氫氧化鈉濃度的增大，黑色素的得率也不斷增大，當濃度增大到0.50mol/L時取得最大值，此后黑色素得率隨著氫氧化鈉濃度的增大而減小，由此可知提取杏仁種皮黑色素的NaOH適宜濃度為0.50mol/L。

2.2 提取時間對杏仁種皮黑色素得率的影響

黑色素為非均勻性的無定形大分子物質，具有不溶于水和常見的有機溶劑，且一般與蛋白質或糖類牢固地結合在一起等特殊的性質，因而氫氧化鈉深入到植物組織中充分溶解黑色素需要一定的時間。提取時間對杏仁種皮黑色素得率的影響結果如圖3所示。

圖3 提取時間對杏仁種皮黑色素得率的影響Fig.3 Effect of extraction duration on the yield of melanin

由圖3可知，在提取時間1～6h范圍內，黑色素提取得率不斷增大，但6h之后提取得率幾乎不變，綜合考慮黑色素提取得率和成本，以6h作為進一步試驗的提取時間。

2.3 提取溫度對杏仁種皮黑色素得率的影響

一般來說，溫度越高，擴散速度越快，被提取的目標組分的得率就越高。因為溫度升高，分子運動加快，使得植物組織軟化變快，促進了膨脹，從而增加可溶性物質的溶解度和擴散速度，促進有效成分浸出。因此溫度對于黑色素的提取是一個重要的因素，不同提取溫度對杏仁種皮黑色素得率的影響結果見圖4。

由圖4可知，隨著溫度升高黑色素的提取得率不斷增大，室溫下黑色素的得率很低。植物黑色素是一類由酚類聚合而成的大分子物質，易于被氧化，在溫度高于60℃后，可能會造成一部分黑色素被氧化，前人研究表明，在氧化過程中，酚羥基會轉變為醌基。因此本試驗中對黑色素進行了充氮保護。溫度過高一方面會增大氧化程度，另一方面消耗的熱量過多，不利于工業化提取，所以將100℃作為杏仁黑色素的提取溫度。

圖4 提取溫度對杏仁種皮黑色素得率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of melanin

2.4 料液比對杏仁種皮黑色素得率的影響

濃度差是溶劑提取過程的一個推動力。在提取過程中，保持良好的濃度差，將得到良好的浸提效果。一般情況下，用的溶劑越多，浸取出來的物質就越多，當擴散達到平衡時，再增加溶劑量也不能使浸出物質有所增加。因此選擇適宜的料液比也是對原料和溶劑的最大化利用，不同料液比對黑色素得率的影響如圖5所示。

圖5 不同料液比對黑色素得率的影響Fig.5 Effect of material-to-liquid ratio on the yield of melanin

由圖5可知，料液比對杏仁種皮黑色素的得率有較為顯著的影響。在料液比(g/mL)1:6～1:20范圍內，黑色素得率隨料液比的增加而逐步增大，當增加到1:20時黑色素的得率達到最大值，當料液比再增大，黑色素的得率趨于下降，因此，選擇1:20作為進一步試驗的提取料液比。

2.5 杏仁種皮黑色素提取工藝優化試驗

在單因素試驗基礎上，選用L9(34)正交試驗設計表，對影響山杏種皮黑色素得率的因素進行提取工藝優化研究。試驗設計及結果見表2，方差分析見表3。

表2 杏仁種皮黑色素提取的正交試驗設計及結果Table 2 Orthogonal array design and experimental results for optimizing the extraction of melanin from apricot kernel skin

表3 正交設計方差分析表Table 3 Variance analysis for the experimental results of orthogonal array design

由表2可知，3個因素對黑色素提取得率影響的主次順序為B＞A＞C，即提取溫度＞氫氧化鈉濃度＞料液比。試驗所得最佳優化工藝組合為A1B2C2，即氫氧化鈉濃度4.0mol/L、提取溫度80℃、料液比1:20。由表3可知，氫氧化鈉濃度、提取溫度、料液比3個因素對黑色素的得率均表現出極顯著(P＜0.01)影響。

3 結 論

采用堿溶酸沉淀法提取杏仁種皮中黑色素的優化工藝為氫氧化鈉濃度0.40mol/L、提取溫度80℃、料液比1:20、提取時間6h，黑色素得率達7%以上，且氫氧化鈉濃度、提取溫度和料液比3個因素對黑色素的得率均表現出極顯著(P＜0.01)影響，三者對黑色素得率影響的主次順序為提取溫度＞氫氧化鈉濃度＞料液比。該工藝操作簡單，提取效率較高。

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Optimization of Extraction Process for Melanin Pigment from Apricot Kernel Skin

LI Ju-xiu1，LI Hong-jiao2，ZHAO Zhong2,*，XIA Qiu-min1，ZHU Hai-lan2
(1. College of Food Technology and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；
2. College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Melanin is a kind of complex polymeric phenolic compound, which can be used in the field of medicine, cosmetics,food and electron. In this work, melanin was extracted from apricot kernel skin by alkaline extraction, acid hydrolysis, and repeated precipitation, and one-factor-at-a-time and orthogonal array design methods were used to optimize four extraction conditions including NaOH concentration, extraction temperature, extraction time and material-to-liquid ratio based on melanin yield. Three extraction conditions except extraction time had a highly significant effect on melanin yield (P ＜ 0.01), and could be ranked in descending order of importance as follows: extraction temperature ＞ NaOH concentration ＞ material-to-liquid ratio. The optimal extraction conditions were NaOH concentration of 0.4 mol/L, extraction temperature of 80 ℃, and extraction duration of 6 h, and material-to-liquid ratio of 1:20. Under these conditions, the yield of melanin was 7.2%.

apricot kernel skin；melanin；extraction process

S662.209.9

A

1002-6630(2012)08-0011-04

2011-01-27

國家林業局林業公益性科研專項(200904020)

李巨秀(1972—)，女，副教授，博士，主要從事食品化學和功能食品的研究。E-mail：lijuxiu@nwsuaf.edu.cn

*通信作者：趙忠(1958一)，男，教授，博士，主要從事森林培育研究。E-mail：zhaozh@nwsuaf.edu.cn