正交法優化花椒籽黑色素提取工藝研究

徐文秀，王鵬，王曉燕

（運城學院生命科學系，山西運城 044000）

正交法優化花椒籽黑色素提取工藝研究

徐文秀，王鵬，王曉燕

（運城學院生命科學系，山西運城 044000）

摘 要：為了提高花椒籽的經濟價值和社會效益，充分利用花椒資源，以運城花椒籽為原料，采用溶液浸提法提取花椒籽中黑色素。以提取液吸光度作為評價指標，考察提取過程中各因素對花椒籽黑色素得率影響。然后，用正交法優化花椒籽黑色素的提取工藝條件。結果表明：影響花椒籽黑色素得率主次因素為：提取溫度＞料液比＞提取時間；正交法最優工藝參數：提取溫度60℃，提取時間4.5 h，料液比1∶35（g/mL），提取次數1次，花椒籽黑色素提取液的吸光度達到最高值0.345。

關鍵詞：花椒籽；黑色素；提取；正交

花椒（ZanthoxylumL bungeanum Maxim）別名又叫香椒、大花青椒、山椒，屬被子植物門（Magnoliophydta）雙子葉植物綱（Magnoliopsida），無患子目（Sapindales）蕓香科（Rutaceae）花椒屬（Zanthoxylum）山花椒種（Zanthoxylum schinifolium）。花椒在我國有非常悠久的栽培歷史，是我國傳統的“八大調味料”之一。花椒在我國主要產區為陜西（韓城）、四川、重慶、山東、山西、河南、河北等地[1]。據報道，2009年全國花椒栽培面積已達133．3萬hm2，年產花椒100萬t，花椒籽作為主要副產物，理論上比果皮超出20%左右，因此花椒籽年產約60萬t[2]。山西運城巿有很多丘陵地區，這些地區很適合花椒種植。每年大量花椒上巿后，作為副產物的花椒籽，卻長期以來未被充分利用。大量的花椒籽被廉價收購，或當作燃料燒掉或撒入田中作為肥料，甚至被當作廢物丟棄，造成極大的資源浪費。如何利用花椒籽這一資源已迫在眉睫。綜合開發利用花椒籽既可以解決資源浪費、環境污染的問題，還可以帶動大批的當地椒農致富。因此，加快花椒籽的研究開發是一個具有現實和長遠意義。

研究結果[3]表明：花椒籽的種皮富含天然黑色素。近年來的研究發現，天然黑色素具有抗癌、抑制艾滋病毒復制、抗蛇毒、治療帕金森癥等功能[4]。因此，黑色素在化妝品、食品、醫藥等領域有著非常廣泛的應用前景。

目前，已從黑木耳[5]、黑芝麻[6]、桂花種子皮[7]、黑糯米[8]等天然黑色素食品中提取出黑色素，但有關花椒籽中黑色素提取和開發利用的研究報道還很少。因此，本試驗研究花椒籽中黑色素提取工藝，為花椒籽黑色素的開發利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

花椒籽（產自山西運城夏縣）；氫氧化鈉（A.R）；濃鹽酸（A.R）；無水乙醇（A.R）。

AF1104型電子天平：上海越平科學儀器有限公司；101A-1E型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海實驗儀器總廠；752N紫外可見分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；SHZ-D（III）型循環水多用真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司。

1.2 實驗工藝流程

原料→預處理→按比例加入提取劑→水浴浸提→過濾→定容→比色

1.3 實驗設計

本研究首先確定提取花椒籽黑色素最佳提取溶劑、提取液最大吸收波長。然后通過單因素實驗研究提取液濃度、提取溫度、提取時間、料液比及提取次數對黑色素提取效果的影響。在單因素實驗的基礎上選取對花椒籽黑色素得率影響明顯的因素：A提取溫度/℃、B提取時間/min、C料液比/g/mL進行正交試驗，因素水平見表1。

表1 L9（33）正交試驗因素水平表Table 1Factors and levels for L9（33）

2 結果與分析

2.1 最佳提取溶劑的確定

不同提取溶液對黑色素提取效果結果見表2。

表2 提取溶劑對黑色素得率的影響Table 2 Effect of extraction solvent on the yield of melanin

在提取溫度20 ℃、提取時間48h、料液比1∶10（g/mL）、提取次數1次的條件下，用不同的提取溶劑對花椒籽黑色素進行提取。提取結果如表2所示。確定氫氧化鈉溶液為提取花椒籽黑色素的溶劑。

2.2 最大吸收波長確定

為確定最佳花椒籽黑色素溶液吸收波長，用不同濃度氫氧化鈉溶液提取花椒籽黑色素，結果見圖1。

圖1 花椒籽黑色素溶液吸收光譜Fig.1 The absorb curve of the melanin

在料液比1∶10（g/mL）、提取溫度 20℃、提取時間4.5 h、提取次數1次的條件下，研究提取溶劑NaOH溶液濃度與最大吸收波長的關系。從圖1可以看出：不同濃度提取液，最大吸收波長基本一致。隨著波長的增大，吸光度出現了2個高峰，第1個峰值出現在波長250 nm處；第2個峰值出現在波長550 nm處。進一步細化研究條件，得出當波長為212 nm、540nm時，吸光度出現高峰。212 nm處吸光值不穩，且其吸光值比540 nm處值小，結合相關資料[9]，本試驗選540 nm作為最大吸收波長。

2.3 單因素實驗結果與分析

2.3.1 提取溶劑濃度對花椒籽中黑色素得率的影響

提取溶劑氫氧化鈉濃度對花椒籽黑色素得率的影響見圖2。

圖2 不同濃度對黑色素得率的影響Fig.2 Effect of NaOH concentration on the yield of melanin

在料液比1∶10（g/mL）、提取溫度20℃、提取時間4.5 h、提取次數1次的條件下，研究提取溶劑NaOH溶液濃度與吸光度的關系。由圖2可以看出，隨著NaOH溶液濃度的增加，提取液吸光度在不斷升高。當NaOH溶液濃度達到0.35 mol/L時，吸光值達到最高。隨后吸光值會逐漸下降。這是因為NaOH溶液濃度升高有助于花椒籽黑色素的提取，但當NaOH濃度過高時，可能會提取出更多雜質，黑色素也可能與別的物質反應，使其結構受到破壞。從而導致吸光值降低[10]。

2.3.2 提取溫度對花椒籽中黑色素得率的影響

提取溫度對花椒籽黑色素得率的影響見圖3。

圖3 不同溫度對黑色素得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the yield of melanin

在料液比 1∶10（g/mL）、0.35 mol/L NaOH 溶液、提取時間4.5 h、提取次數1次的條件下，研究提取溫度與吸光度的關系。由圖3可以看出，提取溫度對花椒籽黑色素得率有一定的影響，隨著溫度的升高，花椒籽黑色素得率增加，在65℃達到最大值，但當溫度超過65℃時，隨著溫度的升高，黑色素得率呈下降趨勢，這是因為：植物黑色素是一類由酚類單體組成的大分子物質，具有還原性，易氧化，前人研究表明，在氧化過程中，酚羥基轉變為醌基。40℃及以下溫度對總酚含量的影響無顯著差異，但在60℃以后，酚類物質就會發生變化[11]，即黑色素結構被破壞。

2.3.3 提取時間對花椒籽中黑色素得率的影響

提取時間對花椒籽黑色素得率的影響見圖4。

圖4 不同時間對黑色素得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the yield of melanin

在料液比1∶10g/mL、0.35 mol/L NaOH溶液、提取溫度65℃、提取次數1次的條件下，研究提取時間與吸光度的關系。由圖4可以看出，在一定的時間范圍內，隨著提取時間的延長，花椒籽黑色素得率呈上升趨勢，在4.5 h達到最大值，之后呈下降趨勢，這也可能是由于提取時間過長導致黑色素的分解[6]。而且，隨著提取時間的延長會帶來其他雜質，會增加后續精制處理的步驟。

2.3.4 料液比對花籽中黑色素得率的影響

料液比對花椒籽黑色素得率的影響見圖5。

在0.35 mol/L NaOH溶液、提取溫度65℃、提取時間4.5 h、提取次數1次的條件下，研究料液比與吸光度的關系。由圖5可以看出，在一定的料液比范圍內，隨著料液比的增加，花椒籽黑色素的得率呈上升趨勢，這是因為加水量越大則提取出來的黑色素就越容易溶解，損失就越少，在1∶30時達到最高點，隨后隨著料液比的繼續增加，花椒籽黑色素得率不再增加，稍呈下降趨勢，這是可能因為隨著料液比的增加，會帶入雜質。

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

2.3.5 提取次數對花椒籽中黑色素得率的影響

在料液比 1∶10（g/mL）、0.35mol/LNaOH 溶液、提取溫度65℃、提取時間4.5 h的條件下，研究提取次數與吸光度的關系。理論上，黑色素得率應該隨著提取次數的增加而變大，提取次數越多，提取越充分，直到得率趨于平衡。但實驗結果證明：在試驗條件下，提取次數增加，得率變化不大。一次提取吸光值為：0.395 7，二次提取吸光值為：0.400 7，三次提取吸光值為：0.400 8。說明一次提取近乎完全，再增加提取次數浪費原料、溶劑和勞動力。因此，綜合考慮，提取次數確定為1次為宜。

2.4 正交試驗結果與分析

以提取溫度A、料液比B、提取時間C為自變量，以花椒籽黑色素提取液吸光度為指標，進行正交試驗。試驗方案及結果見表3，顯著性分析結果見表4。

表3 L9（33）實驗方案及結果表Table 3The design and results of L9（33）experiments

表4 正交試驗方差分析表Table 4 ANOVA for orthogonal experiment

從表4中可以看出，各因素及其水平對花椒籽中黑色素提取的影響表現出一定的差異。提取溫度對試驗指標影響顯著，而其他因素對試驗結果影響不顯著。正交表直觀分析結果表明：影響提取花椒籽中黑色素的因素的主次順序為溫度（A）＞料液比（B）＞時間（C），說明溫度是影響得率的主要因素，其次為料液比，而時間的各水平對試驗指標的影響并不大；從平均值k來看，A因素中第1水平最好，B因素中第2水平最好，C因素中第2水平最好，所以最佳組合為A1B2C2，即提取溫度為60℃，料液比為1∶35，提取時間為4.5 h效果最好，與實際試驗結果相符。在此條件下，黑色素提取液的吸光值為0.345。

3 結論

1）實驗結果表明：NaOH溶液為最佳提取溶劑。

2）正交實驗結果表明：三因素影響花椒籽黑色素得率的主次順序是，溫度（A）＞料液比（B）＞時間（C）其中提取溫度對試驗結果影響顯著，其他因素影響不顯著。

3）花椒籽黑色素的最佳提取工藝參數為：0.35mol/L NaOH溶液為提取溶劑，浸提溫度60℃，料液比1∶35（g/mL），浸提時間4.5 h，提取1次。在此工藝條件下花椒籽黑色素的的吸光度可達0.345。

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Research on Optimizing Extraction Method of Prickly Ash Seed Melanin by Orthogonal Array Design Tests

XU Wen－xiu，WANG Peng，WANG Xiao－yan
（Department of Life－science，Yuncheng University，Yuncheng 044000，Shanxi，China）

Abstract：In order to improve the economic benefits and social value of the prickly ash seed and fully use of this resource，the melanin was extracted from prickly ash seed by solvents in this paper.The influences of various factors on the obtaining ratio of prickly ash seed melanin were studied by single factor test，such as solution concentration，extraction temperature，ratio of solid to liquid and extraction time.Absorbance was selected as a substitute of melanin content.The optimize extraction process were determined by orthogonal experiments.The results showed that： the order of factors affected melanin yield from prickly ash seed was： temperature＞ ratio of solid to liquor＞ time.The optimum extraction temperature，the optimum extraction time，ratio of solid to liquid，extraction times were 60℃，4.5 h，1∶35（g/mL）and 1 times.The absorbance was as high as 0.345.

Key words：prickly ash seed；melanin；extraction；orthogonal array

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2014.06.014

運城學院院級項目（CY－2012010）

徐文秀（1981—），女（漢），講師，碩士，研究方向：野生植物資源開發利用。

2012-10-20