超聲輔助有機(jī)溶劑法提取青花椒色素的工藝研究

張曉旭，周錫欽，胡思齊，嚴(yán)江，劉紅芹*，徐寶財

(1.北京工商大學(xué)食品學(xué)院 北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點實驗室食品添加劑與配料北京工程研究中心，北京 100048；2.北京味食源食品科技有限責(zé)任公司，北京 101200)

花椒為蕓香科(Rrutaceae)花椒屬(ZanthoxylumL.)的一種香料植物，也是我國傳統(tǒng)的“八大調(diào)味品”之一[1，2]，分布于印度、中國和許多東南亞國家[3]。研究表明花椒還具有調(diào)整胃腸運(yùn)動、抗菌、抗炎和抗氧化等作用[4]。目前國內(nèi)外對花椒的研究主要集中于花椒的化學(xué)組成成分及其藥理功能方面，還有對花椒風(fēng)味特性和加工利用等方面的研究，而對于花椒色素的研究相對較少。與人工合成色素相比，天然色素具有安全無毒、色澤鮮艷和營養(yǎng)價值高等優(yōu)點[5]，花椒不僅是香料，其鮮艷的色澤也為提取天然植物色素提供了可能，提取的花椒色素可以作為很好的天然食用色素來源加以利用。目前提取天然植物色素常用的方法有超臨界流體萃取法、溶劑浸提法和吸附精制法等[6]。超臨界流體萃取技術(shù)多集中用于番茄紅素和辣椒紅素等的萃取，對于綠色一類的色素，溶劑提取法仍然是最有效的一種方法，超臨界流體萃取方面的報道尚不多見[7]。溶劑提取法是天然植物色素提取常用的萃取方法，但仍存在效率低、提取效果不佳等弊端，有文獻(xiàn)報道采用超聲輔助有機(jī)溶劑法提取植物色素，可以充分利用超聲波的空化作用對植物的細(xì)胞壁進(jìn)行破壞，促進(jìn)植物細(xì)胞中有效成分的溶解和釋放，但目前多見于提取洋蔥色素、辣椒紅色素和紅龍果紅色素等[8,9]，用于青花椒色素的提取還未見報道。

本試驗采用青花椒作為試驗原料，基于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑浸提法，輔以超聲處理技術(shù)，探究提取青花椒色素的最佳工藝條件。此研究可以為花椒的深加工和綜合利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青花椒：四川金陽；無水乙醇、無水甲醇、丙酮和三氯甲烷：分析純，北京化工廠。

UV-3600紫外可見近紅外光譜儀 日本島津公司；DGF-100中草藥粉碎機(jī) 黃陂解放儀器廠；電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；KQ3200DA數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司；SY-2000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 凱特實驗儀器有限公司；SHB-Ⅲ型真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 青花椒色素提取的基本工藝流程

青花椒→除雜→粉碎→稱重→浸泡→超聲→過濾→色素液→真空旋轉(zhuǎn)濃縮→青花椒色素。

1.2.2 青花椒色素溶液特征光譜的確定

取適量青花椒色素的無水乙醇溶液利用紫外可見近紅外光譜儀全光譜掃描，觀察其最大吸收峰的位置。

1.2.3 青花椒色素提取條件的選擇試驗

1.2.3.1 單因素試驗

提取溶劑的選擇：將粉碎的青花椒過80目篩，準(zhǔn)確稱取過篩后的1.000 g 青花椒粉末4份，分別置于50 mL的無水乙醇、丙酮、三氯甲烷和無水甲醇中，室溫下浸提30 min，之后超聲處理(120 W)30 min，減壓抽濾，濾液經(jīng)真空旋轉(zhuǎn)濃縮后，定容至100 mL，在青花椒色素溶液的最大吸收波長下測其吸光度。

超聲時間的選擇：準(zhǔn)確稱取1.000 g青花椒粉末(過80目篩)6份，加入50 mL提取溶劑，室溫浸提30 min后，分別設(shè)置超聲時間為10，20，30，40，50，60 min，超聲功率為120 W，超聲處理后，減壓抽濾，濾液經(jīng)真空濃縮后，定容至100 mL，測定其吸光度。

料液比的選擇：準(zhǔn)確稱取1.000 g青花椒粉末(過80目篩)5份，分別按料液比1∶10、1∶25、1∶50、1∶75、1∶100(g/mL)加入提取溶劑，室溫浸提30 min后，超聲處理(120 W)一定時間，減壓抽濾，濾液經(jīng)真空旋轉(zhuǎn)濃縮后，定容至100 mL，測定其吸光度。

花椒粒度的選擇：粉碎的青花椒粉分別過10，20，40，60，80，100目篩之后，各自準(zhǔn)確稱重1.000 g，加入一定量的提取溶劑，室溫靜置30 min后，超聲處理(120 W)一定時間，減壓抽濾，真空旋轉(zhuǎn)濃縮后，定容至100 mL，測定其吸光度。

1.2.3.2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗，優(yōu)選最佳提取條件，試驗操作步驟同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 青花椒色素溶液特征光譜的確定

無水乙醇提取青花椒色素的溶液的光譜掃描圖見圖1。

圖1 無水乙醇提取青花椒色素的溶液的光譜掃描圖Fig.1 Spectroscopic scanning of extraction of pigments from Zanthoxylum schinifolium by absolute ethanol solution

由圖1可知，青花椒色素的無水乙醇溶液掃描圖有3個波峰，在203 nm處有一個大波峰。因此，青花椒色素在無水乙醇中的最大吸收波長在203 nm處。

2.2 單因素試驗結(jié)果與分析

通過單因素試驗，分析提取溶劑、超聲時間、料液比和花椒粒度這4個因素對青花椒色素提取效果的影響。

2.2.1 提取溶劑的影響

不同提取溶劑對青花椒色素提取效果的影響見圖2。

圖2 不同提取溶劑對青花椒色素提取率的影響Fig.2 Effect of different solvents on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由圖2可知，當(dāng)提取溶劑為三氯甲烷時，青花椒色素提取液的吸光度值最大，另外還可以發(fā)現(xiàn)，隨著溶液極性的降低，吸光度呈現(xiàn)增長的趨勢。根據(jù)相似相溶的原理，初步判定青花椒色素為非極性或弱極性色素。當(dāng)提取溶劑為無水乙醇時，吸光度雖略有降低，但從安全性和工業(yè)應(yīng)用方面考慮，本試驗依然選擇無水乙醇為青花椒色素的提取試劑。

2.2.2 超聲時間的影響

圖3 超聲時間對青花椒色素提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由于超聲波可通過破壞植物細(xì)胞壁促進(jìn)植物細(xì)胞功效成分的溶解和釋放，因而超聲處理時間對植物活性物質(zhì)的提取結(jié)果有較大影響。由圖3可知，隨提取時間的延長，青花椒色素溶液的吸光度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在10～30 min內(nèi)，青花椒色素吸光度隨著超聲時間的增加而增加，表明超聲波在一定時間內(nèi)能快速促進(jìn)植物細(xì)胞的破壁，從而加速提取溶劑對細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)花椒色素的滲透[10，11]，提高花椒色素的萃取率，在30 min后，繼續(xù)延長超聲提取時間，吸光度值逐漸減小，可能是由于超聲處理過久，從細(xì)胞中溶出的花椒色素長時間暴露于超聲波環(huán)境中，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)被破壞。故確定30 min為最佳超聲處理時間。

2.2.3 料液比的影響

圖4 料液比對青花椒色素提取率的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由圖4可知，青花椒色素溶液的吸光度隨著料液比的降低呈現(xiàn)先增加后基本保持恒定的趨勢，在料液比為1∶10～1∶50 (g/mL)的范圍內(nèi)，隨料液比的降低，青花椒色素溶液的吸光度呈現(xiàn)上升的趨勢，說明隨花椒物料中色素物質(zhì)與溶劑接觸面積的增加，使得更多的色素物質(zhì)有效溶出[12]，在料液比為1∶50(g/mL)時達(dá)到最大，后期繼續(xù)降低料液比時，花椒色素溶液的吸光度基本保持恒定，即充分萃取后花椒色素活性物質(zhì)的溶出率不再隨著萃取溶劑的增加而增加。綜合考慮，選擇1∶50 (g/mL)為試驗的最佳料液比參數(shù)。

2.2.4 花椒粒度的影響

圖5 花椒粒度對青花椒色素提取率的影響Fig.5 Effect of particle size on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由圖5可知，青花椒色素溶液的吸光度隨花椒粒度的減小呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是由于顆粒越小，花椒與提取溶劑接觸的表面積越大，表面能越大，越有利于傳質(zhì)，有效成分色素越容易溶出，但是，隨著物料粒度的進(jìn)一步減小，物料與提取溶劑接觸的表面積過大，不利于花椒細(xì)胞中色素物質(zhì)的浸出，且原料粒度越小，動能消耗增加，粉碎成本提高，同時由于青花椒中的含油量比較高，可達(dá)10%左右，不利于物料的過度粉碎，綜合考慮，確定80目為花椒色素提取的最佳粒度。

2.3 正交試驗結(jié)果與分析

利用正交試驗優(yōu)化青花椒色素提取工藝的因素水平表和結(jié)果分析表，分別見表1和表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交試驗結(jié)果分析表Table 2 Result analysis of orthogonal experiment

由表2中R值可知，各因素影響花椒色素提取率的主次順序為：粒度>料液比>超聲時間，且由直觀分析預(yù)測的最優(yōu)方案為A2B2C3，即花椒粒度為過100目篩，超聲提取時間為30 min，料液比為1∶50 (g/mL)，此方案在已有的方案中已出現(xiàn)。在此條件下，青花椒色素溶液的吸光度達(dá)到最大，為0.4385，高于單因素試驗優(yōu)化的最佳條件下的青花椒色素溶液的吸光度(0.3542)。對這一試驗方案進(jìn)行3次平行驗證試驗，結(jié)果表明，青花椒色素溶液的吸光度達(dá)0.4383(RSD=0.11%)，與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑浸提法提取青花椒色素相比，超聲輔助有機(jī)溶劑法中青花椒色素的提取率有明顯提高(見表3)。

表3 青花椒色素提取工藝的比較Table 3 Comparison of extraction process of pigments from Zanthoxylum schinifolium

3 結(jié)論

通過單因素試驗和正交試驗初步確定超聲輔助有機(jī)溶劑法提取青花椒色素的最優(yōu)條件為：采用無水乙醇作為青花椒色素的提取溶劑，超聲處理時間為30 min，超聲功率為120 W，料液比為1∶50 (g/mL)，花椒粒度大小為過100目篩。此條件下青花椒色素的吸光度最大，達(dá)到0.4383，說明青花椒色素的提取率達(dá)到最高。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑浸提法相比，超聲輔助有機(jī)溶劑萃取法中青花椒色素提取率有明顯提高。該工藝為花椒色素的進(jìn)一步分離純化和生物活性評價等奠定了基礎(chǔ)，以此可提高花椒的綜合利用價值，在天然產(chǎn)物有效成分的提取中具有廣闊的應(yīng)用前景。