超声辅助有机溶剂法提取青花椒色素的工艺研究

张晓旭，周锡钦，胡思齐，严江，刘红芹*，徐宝财

(1.北京工商大学食品学院 北京市食品风味化学重点实验室食品添加剂与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责任公司，北京 101200)

花椒为芸香科(Rrutaceae)花椒属(ZanthoxylumL.)的一种香料植物，也是我国传统的“八大调味品”之一[1，2]，分布于印度、中国和许多东南亚国家[3]。研究表明花椒还具有调整胃肠运动、抗菌、抗炎和抗氧化等作用[4]。目前国内外对花椒的研究主要集中于花椒的化学组成成分及其药理功能方面，还有对花椒风味特性和加工利用等方面的研究，而对于花椒色素的研究相对较少。与人工合成色素相比，天然色素具有安全无毒、色泽鲜艳和营养价值高等优点[5]，花椒不仅是香料，其鲜艳的色泽也为提取天然植物色素提供了可能，提取的花椒色素可以作为很好的天然食用色素来源加以利用。目前提取天然植物色素常用的方法有超临界流体萃取法、溶剂浸提法和吸附精制法等[6]。超临界流体萃取技术多集中用于番茄红素和辣椒红素等的萃取，对于绿色一类的色素，溶剂提取法仍然是最有效的一种方法，超临界流体萃取方面的报道尚不多见[7]。溶剂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，有文献报道采用超声辅助有机溶剂法提取植物色素，可以充分利用超声波的空化作用对植物的细胞壁进行破坏，促进植物细胞中有效成分的溶解和释放，但目前多见于提取洋葱色素、辣椒红色素和红龙果红色素等[8,9]，用于青花椒色素的提取还未见报道。

本试验采用青花椒作为试验原料，基于传统的有机溶剂浸提法，辅以超声处理技术，探究提取青花椒色素的最佳工艺条件。此研究可以为花椒的深加工和综合利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

青花椒：四川金阳；无水乙醇、无水甲醇、丙酮和三氯甲烷：分析纯，北京化工厂。

UV-3600紫外可见近红外光谱仪 日本岛津公司；DGF-100中草药粉碎机 黄陂解放仪器厂；电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；KQ3200DA数控超声波清洗器 昆山市超声波仪器有限公司；SY-2000旋转蒸发仪 凯特实验仪器有限公司；SHB-Ⅲ型真空泵 郑州长城科工贸有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 青花椒色素提取的基本工艺流程

青花椒→除杂→粉碎→称重→浸泡→超声→过滤→色素液→真空旋转浓缩→青花椒色素。

1.2.2 青花椒色素溶液特征光谱的确定

取适量青花椒色素的无水乙醇溶液利用紫外可见近红外光谱仪全光谱扫描，观察其最大吸收峰的位置。

1.2.3 青花椒色素提取条件的选择试验

1.2.3.1 单因素试验

提取溶剂的选择：将粉碎的青花椒过80目筛，准确称取过筛后的1.000 g 青花椒粉末4份，分别置于50 mL的无水乙醇、丙酮、三氯甲烷和无水甲醇中，室温下浸提30 min，之后超声处理(120 W)30 min，减压抽滤，滤液经真空旋转浓缩后，定容至100 mL，在青花椒色素溶液的最大吸收波长下测其吸光度。

超声时间的选择：准确称取1.000 g青花椒粉末(过80目筛)6份，加入50 mL提取溶剂，室温浸提30 min后，分别设置超声时间为10，20，30，40，50，60 min，超声功率为120 W，超声处理后，减压抽滤，滤液经真空浓缩后，定容至100 mL，测定其吸光度。

料液比的选择：准确称取1.000 g青花椒粉末(过80目筛)5份，分别按料液比1∶10、1∶25、1∶50、1∶75、1∶100(g/mL)加入提取溶剂，室温浸提30 min后，超声处理(120 W)一定时间，减压抽滤，滤液经真空旋转浓缩后，定容至100 mL，测定其吸光度。

花椒粒度的选择：粉碎的青花椒粉分别过10，20，40，60，80，100目筛之后，各自准确称重1.000 g，加入一定量的提取溶剂，室温静置30 min后，超声处理(120 W)一定时间，减压抽滤，真空旋转浓缩后，定容至100 mL，测定其吸光度。

1.2.3.2 正交试验

根据单因素试验结果，选择L9(34)正交表进行正交试验，优选最佳提取条件，试验操作步骤同上。

2 结果与讨论

2.1 青花椒色素溶液特征光谱的确定

无水乙醇提取青花椒色素的溶液的光谱扫描图见图1。

图1 无水乙醇提取青花椒色素的溶液的光谱扫描图Fig.1 Spectroscopic scanning of extraction of pigments from Zanthoxylum schinifolium by absolute ethanol solution

由图1可知，青花椒色素的无水乙醇溶液扫描图有3个波峰，在203 nm处有一个大波峰。因此，青花椒色素在无水乙醇中的最大吸收波长在203 nm处。

2.2 单因素试验结果与分析

通过单因素试验，分析提取溶剂、超声时间、料液比和花椒粒度这4个因素对青花椒色素提取效果的影响。

2.2.1 提取溶剂的影响

不同提取溶剂对青花椒色素提取效果的影响见图2。

图2 不同提取溶剂对青花椒色素提取率的影响Fig.2 Effect of different solvents on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由图2可知，当提取溶剂为三氯甲烷时，青花椒色素提取液的吸光度值最大，另外还可以发现，随着溶液极性的降低，吸光度呈现增长的趋势。根据相似相溶的原理，初步判定青花椒色素为非极性或弱极性色素。当提取溶剂为无水乙醇时，吸光度虽略有降低，但从安全性和工业应用方面考虑，本试验依然选择无水乙醇为青花椒色素的提取试剂。

2.2.2 超声时间的影响

图3 超声时间对青花椒色素提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由于超声波可通过破坏植物细胞壁促进植物细胞功效成分的溶解和释放，因而超声处理时间对植物活性物质的提取结果有较大影响。由图3可知，随提取时间的延长，青花椒色素溶液的吸光度呈现先上升后下降的趋势，在10～30 min内，青花椒色素吸光度随着超声时间的增加而增加，表明超声波在一定时间内能快速促进植物细胞的破壁，从而加速提取溶剂对细胞内活性物质花椒色素的渗透[10，11]，提高花椒色素的萃取率，在30 min后，继续延长超声提取时间，吸光度值逐渐减小，可能是由于超声处理过久，从细胞中溶出的花椒色素长时间暴露于超声波环境中，导致分子结构被破坏。故确定30 min为最佳超声处理时间。

2.2.3 料液比的影响

图4 料液比对青花椒色素提取率的影响Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由图4可知，青花椒色素溶液的吸光度随着料液比的降低呈现先增加后基本保持恒定的趋势，在料液比为1∶10～1∶50 (g/mL)的范围内，随料液比的降低，青花椒色素溶液的吸光度呈现上升的趋势，说明随花椒物料中色素物质与溶剂接触面积的增加，使得更多的色素物质有效溶出[12]，在料液比为1∶50(g/mL)时达到最大，后期继续降低料液比时，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质的溶出率不再随着萃取溶剂的增加而增加。综合考虑，选择1∶50 (g/mL)为试验的最佳料液比参数。

2.2.4 花椒粒度的影响

图5 花椒粒度对青花椒色素提取率的影响Fig.5 Effect of particle size on extraction rates of pigments from Zanthoxylum schinifolium

由图5可知，青花椒色素溶液的吸光度随花椒粒度的减小呈现先上升后下降的趋势，这是由于颗粒越小，花椒与提取溶剂接触的表面积越大，表面能越大，越有利于传质，有效成分色素越容易溶出，但是，随着物料粒度的进一步减小，物料与提取溶剂接触的表面积过大，不利于花椒细胞中色素物质的浸出，且原料粒度越小，动能消耗增加，粉碎成本提高，同时由于青花椒中的含油量比较高，可达10%左右，不利于物料的过度粉碎，综合考虑，确定80目为花椒色素提取的最佳粒度。

2.3 正交试验结果与分析

利用正交试验优化青花椒色素提取工艺的因素水平表和结果分析表，分别见表1和表2。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交试验结果分析表Table 2 Result analysis of orthogonal experiment

由表2中R值可知，各因素影响花椒色素提取率的主次顺序为：粒度>料液比>超声时间，且由直观分析预测的最优方案为A2B2C3，即花椒粒度为过100目筛，超声提取时间为30 min，料液比为1∶50 (g/mL)，此方案在已有的方案中已出现。在此条件下，青花椒色素溶液的吸光度达到最大，为0.4385，高于单因素试验优化的最佳条件下的青花椒色素溶液的吸光度(0.3542)。对这一试验方案进行3次平行验证试验，结果表明，青花椒色素溶液的吸光度达0.4383(RSD=0.11%)，与传统的有机溶剂浸提法提取青花椒色素相比，超声辅助有机溶剂法中青花椒色素的提取率有明显提高(见表3)。

表3 青花椒色素提取工艺的比较Table 3 Comparison of extraction process of pigments from Zanthoxylum schinifolium

3 结论

通过单因素试验和正交试验初步确定超声辅助有机溶剂法提取青花椒色素的最优条件为：采用无水乙醇作为青花椒色素的提取溶剂，超声处理时间为30 min，超声功率为120 W，料液比为1∶50 (g/mL)，花椒粒度大小为过100目筛。此条件下青花椒色素的吸光度最大，达到0.4383，说明青花椒色素的提取率达到最高。与传统的有机溶剂浸提法相比，超声辅助有机溶剂萃取法中青花椒色素提取率有明显提高。该工艺为花椒色素的进一步分离纯化和生物活性评价等奠定了基础，以此可提高花椒的综合利用价值，在天然产物有效成分的提取中具有广阔的应用前景。