枫香树叶黑色素粗产品提取工艺的优化

谢宇奇　零学仕　周作树等

摘要：以枫香树叶为原料提取黑色素粗产品。在单因素试验的基础上应用Box-Behnken中心组合设计建立数学模型，以提取得率作为响应值，对提取剂浓度、料液比、提取时间等3个主要影响因素进行响应面法分析，得到枫香树叶黑色素提取的优化工艺条件。结果表明，3个因素对枫叶黑色素提取得率影响由大到小依次为料液比、乙醇浓度、提取时间，最优提取工艺参数为乙醇浓度40%、料液比1 g ∶40 mL、最佳提取时间4 h，此条件下初步干燥的枫香树叶黑色素粗产品的提取得率为41.47%。

关键词：枫香树叶；黑色素；优化；提取工艺；工艺参数；响应面分析法

中图分类号： R284.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0348-04

收稿日期：2014-10-24

基金项目：广西高校科学技术研究项目（编号：LX2014441）。

作者简介：谢宇奇（1979—），男，壮族，广西靖西人，硕士，高级实验师，主要从事天然产物化学及化学分析研究。E-mail：xiekey@sina.com。黑色素是广泛存在于动植物和微生物界的保护性色素[1-2]。天然黑色素具有抗病毒、抗辐射和提高免疫力等多种功效，能抑制艾滋病毒复制[3]、解蛇毒[4]，还能治疗治疗老年性痴呆症、帕金森症等与黑色素缺乏相关的神经系统疾病[5]。天然黑色素虽然存在较为广泛，但是由于染色工序相对复杂，染色效果不稳定、生产成本高等原因，违规添加人工合成色素，制造有毒“黑色”食品的现象时有发生，存在致病安全隐患。从不同来源提取天然黑色素已经成为研究热点。人们已成功从黑米[6]、黑木耳[7]、花椒籽[8]等天然食品中提取出黑色素。枫香树（Liquidambar formosana Hance）叶中含有丰富的花色苷类黑色素，具有有祛风湿、行气、解毒等功效[9]，常用于治疗疮疖肿痛及外伤出血等症[10-11]，在药用研究方面有重要开发价值[12-13]。我国壮族、黎族等少数民族利用枫香树叶黑色素染制黑色糯米饭有着悠久的历史，其安全性和药用功效得到了长期检验，是制取天然黑色素的理想原料。目前，枫香树叶黑色素的提取工艺鲜见报道[14-16]。本试验以枫香树叶为原料，采用响应面分析法优化提取工艺，从而为枫香树叶黑色素的开发利用提供参考数据。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1试验材料和试剂枫香树叶样品：采集于广西壮族自治区百色市右江区，洗净后经60 ℃干燥，粉碎备用；无水乙醇、石油醚、盐酸、乙酸乙酯、丙酮等药品均为国产AR级。

1.1.2仪器与设备UA-2700型分光光度计（日本岛津公司）；TGL-16M高速冷冻离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（河南郑州市世纪双科实验仪器有限公司）。

1.2试验方法

1.2.1枫香树叶黑色素提取工艺流程提取工艺流程：新鲜叶片→洗净后干燥→粉碎→称质量→浸渍提取→分离，收集滤液→以60 ℃烘干→黑色素粗产品。

黑色素提取得率计算：得率y=黑色素粗产品质量/枫香树叶粉末质量×100%。

1.2.2提取剂的选择准确称取相同质量的枫香树叶样品5份，按1 g ∶30 mL的料液比分别加入蒸馏水、乙醇、乙酸乙酯、石油醚、丙酮等提取剂，调节pH值<3.5，在相同水浴中浸渍提取1 h。以3 000 r/min的转速离心分离，准确移取相同体积提取液，用相应提取剂稀释定容到相同容积容量瓶，并以相应提取剂为参比，分别测210 nm处的吸光度。

1.2.3测定波长的选择取枫香树叶的乙醇提取液，稀释到适合紫外-可见分光光度计工作的浓度后，在200～400 nm范围内进行紫外光谱扫描，绘制吸光图，从图中选取最大吸收波长为本试验测定波长。

1.2.4提取温度的选择称取5份1.00 g 枫香树叶样品置于100 mL锥形瓶中，按料液比为1 g ∶30 mL加入提取剂，调节pH<3.5，密封后分别在 40、50、60、70 ℃的水浴中恒温浸提1 h。离心沉淀，取上层提取液，分别准确移取25 μL上清液，并用相应的提取剂定容至25.00 mL，以相应的提取剂为参比，测210 nm波长的吸光度。

1.2.5枫香树叶黑色素提取的单因素研究

1.2.5.1提取剂浓度的影响称取5份枫香树叶样品1.00 g，置于100 mL锥形瓶中，分别按料液比1 g ∶30 mL加入20%、40%、50%、60%、80%的乙醇溶液，调节pH值<35，密封后在60 ℃恒温水浴中提取1 h。离心沉淀，分别移取25 μL上清液，并分别用相应的提取剂定容至25.00 mL。以相应的提取剂为参比，测210 nm波长处的吸光度。

1.2.5.2料液比的影响称取5份枫香树叶样品1.00 g，置于100 mL锥形瓶中，分别按分别按料液比为 1 ∶10、1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50（g ∶mL）加入同浓度提取剂，调节 pH值<3.5，密封后在60 ℃恒温水浴中提取1 h。抽滤收集滤液，在恒温干燥箱中用60 ℃烘至恒重，后计算成品得率。

1.2.5.3提取时间的影响称取8份枫香树叶样品1.00 g，置于100 mL锥形瓶中，按1 g ∶30 mL的料液比加入提取剂，调节pH值<3.5，在 60 ℃的恒温水浴中分别浸提 0.5、1、2、3、4、5、6、7 h。离心沉淀后，分别移取25 μL提取液，用相应的提取剂定容至25.00 mL。以相应的溶剂为参比，测210 nm波长处的吸光度。

1.2.6响应面法优化枫叶黑色素的提取工艺选取3因素3水平的响应面分析方法，因素水平编码见表1。

2结果与分析

2.1枫香树叶黑色素提取剂的选择

各种提取剂的试验结果如表2所示，由表2可知乙醇溶液的提取效率最高，本试验选取乙醇作为枫香树叶黑色素的提取剂。

2.2枫香树叶黑色素最大吸收波长的选择

枫香树叶黑色素的乙醇提取液在200～400 nm范围内的光吸收情况如图1所示。

由图1可知，在200～400 nm范围内，枫香树叶黑色素乙醇提取液的吸光度先随着波长增大而升高，在波长为210 nm左右时，其吸光度达到最大峰值，之后不断下降，故本试验选取210 nm为枫香树叶黑色素的测定波长。

2.3枫叶黑色素提取温度的选择

如表3所示，在40～70 ℃范围内，提取效率随着温度提高而上升。试验发现，随着提取温度增高，提取剂挥发损失也会增大，越接近乙醇沸点越明显。综合考虑提取效率和提取成本，本试验选择60 ℃作为枫香树叶黑色素的提取温度。

2.4单因素试验结果

2.4.1乙醇浓度对枫香树叶黑色素提取效率的影响由图2可知，在20%～50%的乙醇浓度范围内，枫香树叶黑色素的提取效率随浓度提升，50%乙醇浓度时达到最大，之后再提高乙醇浓度，吸光度反而下降。因此选择50%左右的乙醇作为提取剂是较为适宜的。

2.4.2料液比对枫叶黑色素提取工艺的影响料液比直接影响黑色素在固液两相的浓度差。提高料液比，可以降低黑色素在溶剂中的浓度，进而有利于枫香树叶中尚未溶解的黑色素继续向溶剂扩散。但当料液比大到一定程度，枫香树叶中的黑色素基本溶出，再提高料液比，不仅不能提高提取得率，还会增加溶剂使用量，增加杂质溶出的概率，并增加溶剂蒸发等后续工艺的难度，进而提高提取工艺的成本。由图3可知，当料液比为1 g ∶30 mL～1 g ∶40 mL时，黑色素的得率处于较高水平，因此选择料液比为1 g ∶30 mL～1 g ∶40 mL为宜。

2.4.3提取时间对枫叶黑色素提取工艺的影响由图4可知，在0.5～4 h之间时，提取液的吸光度随着提取时间的延长而增大，当达4 h后，吸光度进入一个平台，直到7 h后，才略有上升。综合考虑提取工艺能耗等成本，本试验提取时间在4～6 h为宜。

2.5响应面分析结果

2.5.1响应面分析试验设计方案对枫香树叶黑色素的提取工艺进行响应面分析试验。以乙醇浓度x1、料液比x2、提取时间x3为自变量，以枫香树叶黑色素粗产品提取得率y为响应值。Box-Behnken分析方案及试验结果见表3。

2.5.2回归方程和方差分析用Design-Expert 8.0.5b软件程序对试验数据进行回归分析，得出枫叶黑色素提取得率

由表4可分析出，用以上回归方程描述枫香树叶黑色素提取工艺中各因素与响应值之间的关系时，因变量和全体自变量之间的线性关系显著，相关系数R2为98.32，模型的显著水平远远小于0.05，此Quadratic回归方差模型为高度显著。

由表4的分析可知，枫叶黑色素提取工艺中各个因素影响得率从大到小的顺序依次为料液比（x2）、乙醇浓度（x1）和提取时间（x3），其中料液比对枫叶黑色素提取得率的影响最为显著。

2.5.3响应面图分析由图5、图6、图7可知，枫香树叶黑色素的提取工艺中，料液比（x2）的影响最为显著，提取时间（x3）和提取剂乙醇浓度（x1）次之。

利用Design-Expert 8.0.5b软件程序对枫叶黑色素的提取工艺条件进行优化，可得最佳方案为乙醇浓度（x1）40%、料液比（x2）为1 g ∶40 mL、提取时间（x3）4 h。在此提取工艺条件下，初步干燥的枫叶黑色素粗产品的提取得率预测值为41.73%。

2.5.4模型的验证性试验固定乙醇浓度为40%、料液比为1 g ∶40 mL、提取时间4 h，平行提取3次，得到未除杂、60 ℃烘干后的枫香树叶黑色素粗产品，平均提取率为41.47%。试验值与模型理论预测值基本一致，说明优化方案是可行的。

3结论

经响应面法分析，影响枫香树叶黑色素粗产品提取率的主要因素的影响大小依次为料液比，乙醇浓度，提取时间。枫香树叶最优提取工艺参数为乙醇浓度为40%，料液比1 g ∶40 mL、最佳提取时间4 h。黑色素粗产品经60 ℃烘干后的实际提取得率为41.47%，形态为黑色块状固体。本研究为枫香树叶黑色素的综合开发应用提供了参考。

参考文献：

[1]Brown D A. Skin pigmentation enhancers[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B-Biology，2001，63（1/2/3）：148-161.

[2]Hill H Z. The function of melanin or six blind People examine an elephant[J]. BioEssays，1992，14（1）：49-56.

[3]胡国斌，郑从义，屈三甫，等. 黑色素抑制流感病毒诱导宿主细胞凋亡[J]. 中国病毒学，1999，14（2）：140-146.

[4]Hung Y C，Sava V，Hong M Y，et al. Inhibitory effects on phospholipase A2 and antivenin activity of melanin extracted from Thea sinensis Linn[J]. Life Sciences，2004，74（16）：2037-2047.

[5]El-Obeid A，Al-Harbi S，Al-Jomah N，et al. Herbal melanin modulates tumor necrosis factor alpha （TNF-alpha），interleukin 6 （IL-6） and vascular endothelial growth factor （VEGF） production[J]. Phytomedicine：International Journal of Phytotherapy and Phytopharmacology，2006，13（5）：324-333.

[6]袁博，曹熙敏. 黑米黑色素提取的多元回归统计模型[J]. 湖北农业科学，2013，52（14）：3375-3377.

[7]邹宇，尹冬梅，胡文忠，等. 黑木耳天然黑色素理化性质及其抗氧化活性的研究[J]. 食品工业科技，2013，34（5）：118-120，125.

[8]徐文秀，王晓燕，王鹏，等. 花椒籽中黑色素提取工艺的优化研究[J]. 食品工业科技，2013，34（3）：265-268.

[9]谢跃生，郑小军，郑丽蓉，等. 枫香树叶中某些水溶性微量元素的分析[J]. 广西师院学报：自然科学版，2000，17（3）：5-7.

[10]中国医学科学院陕西分院中医研究所.陕西中药志：第一卷[M]. 西安：陕西人民出版社，1962.

[11]国家药典委员会.中国药典：一部[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[12]贾敏如，李星炜. 中国民族药志要[M]. 北京：中国医药科技出版社，2005.

[13]翁琳琳，蒋家淡，张鼎华，等. 乡土树种枫香的研究现状与发展前景[J]. 福建林业科技，2007，34（2）：184-189.

[14]陈祖洪. 从枫香树叶中提取黑色素的探索[J]. 林产化工通讯，1998（1）：20-21.

[15]辜燕飞，黄澜，何猛雄，等. 海南枫香传统食用黑色素的初步研究[J]. 食品工业科技，2007，28（8）：86-87.

[16]姜平川. 枫叶黑色素理化性质研究[J]. 食品工业科技，1998，19（4）：8-10.廖文艳，徐致远，刘振民. 1种低乳糖褐色乳酸菌饮品的研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（11

：352-354.