戰(zhàn) 峰，邵 婧，韓泳平*

(西南民族大學(xué)少數(shù)民族藥物研究所，四川 成都 610041)

回歸正交設(shè)計優(yōu)化核桃殼棕色素的提取工藝

戰(zhàn) 峰，邵 婧，韓泳平*

(西南民族大學(xué)少數(shù)民族藥物研究所，四川 成都 610041)

為了提高核桃資源的綜合利用程度，對核桃殼棕色素提取技術(shù)進(jìn)行試驗研究。以棕色素的提取率為目標(biāo)，采用單因素試驗方法考查乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時間、提取溫度、液料比對棕色素提取率的影響，并應(yīng)用回歸正交方法建立三元二次方程優(yōu)化棕色素的提取工藝。結(jié)果表明，核桃殼棕色素適宜的提取條件是乙醇體積分?jǐn)?shù)52%、提取時間4.8h、提取溫度70℃、液料比5:1(mL/g)，在此條件下，核桃殼棕色素提取率為5.0496%，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。

核桃殼；棕色素；提取工藝；回歸正交試驗

核桃(walnut)又稱胡桃，拉丁學(xué)名Juglans regiaL.。核桃不僅食用價值很高，而且保健功能非常突出。核桃被稱為“健腦之果”、“長壽之果”、“美容之果”，種植面積廣，產(chǎn)量豐富。雖然核桃產(chǎn)品的開發(fā)較多[1-13]，但對核桃取仁后的食品廢棄物核桃殼的開發(fā)利用卻很少，一般僅用做農(nóng)戶的生活燃料和制造活性炭[14]，造成資源浪費。核桃殼中含有一定量的棕色素，棕色素在食品色澤中占有很重要的地位，特別是在酒類、糖果、醬油、醋的著色和可樂型飲料等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛[15]。核桃殼色素作為一種天然棕色素，使用安全，且具有一定的營養(yǎng)和藥理保健作用[16-18]。目前對核桃殼棕色素的提取和性質(zhì)研究，已有少量報道[19-21]，但對提取條件優(yōu)化的研究還未見報道?；貧w正交法能夠在因素所規(guī)定的試驗范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)脑囼烖c，可以克服一般正交試驗法[22]中優(yōu)化點只能限制在已定水平的缺點。本實驗采用回歸正交設(shè)計法，優(yōu)化核桃殼中棕色素的最佳提取工藝，為核桃殼的開發(fā)利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

漾濞核桃(產(chǎn)地云南，扁圓球形，棕色殼，殼面大而有淺刻點，縫合線窄，中部略隆起) 成都農(nóng)貿(mào)市場。

無水乙醇(分析純)、石油醚(沸程60～90℃，分析純) 成都市科龍化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ-D(III)型循環(huán)水式真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠；DZF-6050型真空干燥箱 上海一恒科技有限公司；UV-752型紫外-可見分光光度 上海第三分析儀器廠；MOOEL ESJ200-4型電子天平 沈陽龍騰電子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

干燥與粉碎：核桃剝?nèi)⊥鈿?，置于烘箱中烘干，然后粉碎成粗粉，置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

脫脂：在色素提取之前，先用石油醚將核桃殼粗粉洗滌兩次，每次30min。去除洗液，并用乙醇溶液洗滌去除石油醚殘液。

1.3.2 棕色素的提取

取50.0g干燥粉碎的核桃殼粗粉，經(jīng)脫脂處理后，按一定比例加入浸提溶劑，水浴回流提取，浸提結(jié)束后自然冷卻至室溫過濾，棄去殘渣。將紅棕色液體減壓濃縮后得棕色固體，真空干燥，計算棕色素提取率。

1.3.3 最大吸收波長的確定

取少量核桃殼棕色素，用50%乙醇溶解，配制成溶液質(zhì)量濃度50μg/mL。用UV-752紫外可見分光光度計在波長200～600nm范圍內(nèi)掃描，得到核桃殼棕色素的吸收光譜。

1.4 單因素試驗

1.4.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對棕色素提取率的影響

稱取50.0g干燥的核桃殼粗粉7份，經(jīng)脫脂處理置于500mL圓底燒瓶中，分別加入20%、40%、45%、50%、55%、60%、70%乙醇溶液300mL，控制溫度80℃，水浴回流5h，浸提結(jié)束后自然冷卻至室溫過濾，棄去殘渣。真空干燥后得棕色固體，稱量，計算棕色素提取率。

1.4.2 水浴回流時間對棕色素提取率影響

稱取50.0g干燥的核桃殼粗粉6份，經(jīng)脫脂處理置于500mL圓底燒瓶中，加入50%乙醇300mL，控制溫度80℃，水浴回流時間分別為2、3、4、5、6、7h浸提結(jié)束后自然冷卻至室溫過濾，棄去殘渣。真空干燥后得棕色固體，稱量，計算棕色素提取率。

1.4.3 溫度對棕色素的提取率影響

稱取50.0g干燥的核桃殼粗粉6份，經(jīng)脫脂處理置于500mL圓底燒瓶中，加入50%乙醇300mL，溫度分別控制為40、50、60、70、80、90℃，水浴回流5h，浸提結(jié)束后自然冷卻至室溫過濾，棄去殘渣。真空干燥后得棕色固體，稱量，計算棕色素提取率。

1.4.4 液料比對棕色素提取率的影響

稱取50.0g干燥的核桃殼粗粉4份，經(jīng)脫脂處理置于500mL圓底燒瓶中，按照液料比4:1、5:1、6:1、7:1(mL/g)的比例分別加入50%乙醇溶液200、250、300、350mL，控制溫度80℃，水浴回流5h，浸提結(jié)束后自然冷卻至室溫過濾，棄去殘渣。真空干燥后得棕色固體，稱量，計算棕色素提取率。

1.5 正交試驗

在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時間、提取溫度、液料比4因素對棕色素提取率的影響，確定核桃棕色素的最佳提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃殼棕色素吸收光譜特征

圖1 核桃殼棕色素光譜吸收特征Fig.1 UV absorption spectrum of brown pigment from walnut shell

從圖1可以看出，在可見光區(qū)沒有吸收峰，核桃殼棕色素在紫外光區(qū)277nm波長處有一個吸收峰。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對棕色素提取率的影響

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對棕色素提取率的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on extraction rate of brown pigment

由圖2可知，使用較低和較高體積分?jǐn)?shù)的乙醇，提取率均不高，50%左右的乙醇提取效果最好。

2.2.2 提取時間對棕色素提取率的影響

圖3 提取時間對棕色素提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of brown pigment

由圖3可知，隨提取時間的延長提取率增大，達(dá)到一定時間后，提取率變化趨于不變。

2.2.3 提取溫度對棕色素提取率的影響

圖4 提取溫度對棕色素提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of brown pigment

由圖4可知，隨溫度的升高提取率增大，但當(dāng)溫度超過80℃以上，提取率下降?？赡苁歉邷仄茐牧擞行С煞?。

2.2.4 液料比對棕色素提取率的影響

由圖5可知，隨液料比的增大提取率升高，但增大到一定比例，提取率變化并不明顯。

圖5 液料比對棕色素提取率的影響Fig.5 Effect of material-to-liquid ratio on extraction rate of brown pigment

2.3 二次回歸正交試驗

2.3.1 二次回歸正交組合設(shè)計

表1 核桃棕色素最佳提取工藝回歸正交試驗設(shè)計因素水平編碼Table 1 Factors and their coded levels in orthogonal regression design

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化范圍為40%～60%；提取時間的變化范圍為3～6h；提取溫度的變化范圍為60～80℃，液料比的變化范圍為8:1～4:1。依據(jù)考察因素和零水平試驗次數(shù)確定星號臂值r為1.547。因素水平編碼如表1所示。

2.3.2 核桃棕色素最佳提取工藝回歸正交試驗結(jié)果

依據(jù)回歸正交組合試驗設(shè)計方法以及因素水平編碼表(表1)，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)Z1、提取時間Z2、提取溫度Z3、液料比Z4四因素編制試驗設(shè)計表，Z11、Z22、Z33、Z44為二次項中心變化后的編碼，回歸正交試驗結(jié)果見表2。

2.3.3 回歸方程的建立及檢驗

表3 回歸方程失擬性檢驗表Table 3 Lack-of-fit F test of the regression equation for extraction rate of brown pigment

表4 回歸系數(shù)及顯著性檢驗Table 4 Regression coefficients and significance in the regression equation for extraction rate of brown pigment

從表3可看出：F＜F0.05(5,2)，由此可知建立的回歸模型的失擬性不顯著，回歸模型與實際情況很符合。

表4表明各項回歸系數(shù)都達(dá)到顯著水平，從而得到方程：

對上述建立的數(shù)學(xué)模型求解得到核桃殼棕色素的最佳提取條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)52%、提取時間4.8h、提取溫度70℃、液料比5:1。

2.3.4 驗證實驗

稱取50.0g核桃殼粗粉3份，按照2.3.3節(jié)最佳工藝進(jìn)行提取，提取率分別為5.0547%、5.0687%、5.0255%，平均值為5.0496%，與條件試驗結(jié)果基本吻合，獲得了較高的提取率。

3 結(jié) 論

3.1 提取得到的核桃殼棕色素為棕色粉末。通過在紫外-可見光區(qū)200～600nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，確定核桃殼棕色素最大吸收峰波長為277nm。

3.2 單因素試驗結(jié)果表明，乙醇體積分?jǐn)?shù)及提取溫度對核桃殼棕色素的提取率影響較大。乙醇體積分?jǐn)?shù)過高或過低，提取率均較低，使用50%左右的乙醇溶液效果最好，而溫度控制在80℃以下提取率較高，溫度過高會導(dǎo)致色素不穩(wěn)定。雖然棕色素的提取率隨提取時間的延長和液料比增大而增大，但達(dá)到一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定。綜合分析，單因素試驗初步確定的較優(yōu)提取條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取時間5.0h、提取溫度80℃、液料比5:1(mL/g)。

3.3 二次回歸正交組合設(shè)計是在正交基礎(chǔ)上進(jìn)行回歸分析，是試驗設(shè)計中精確度較高的試驗設(shè)計之一。對表2的數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，建立的數(shù)學(xué)模型各項回歸系數(shù)都達(dá)顯著水平(F＜F0.05(5,2))，其預(yù)測值與試驗值也具有極高的相關(guān)性(R=0.995)，說明建立的數(shù)學(xué)模型具有較高的可靠性。二次回歸正交試驗確定的最佳的提取工藝：乙醇體積分?jǐn)?shù)52%、提取時間4.8h、提取溫度70℃、液料比5:1(mL/g)。與單因素試驗結(jié)果比較，工藝參數(shù)的選擇更為精確。

3.4 本實驗以食品加工中的廢棄物核桃殼為原料，經(jīng)提取和純化從中制得的核桃殼棕色素是一種具有廣闊的開發(fā)和利用前景的天然色素，為核桃殼的開發(fā)利用和深加工開辟了一條新的途徑。

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Optimization of Extraction Process for Brown Pigment from Walnut Shell by Orthogonal Regression Design

ZHAN Feng，SHAO Jing，HAN Yong-ping*
(Ethnic Pharmaceuitical Institute, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, China)

In order to improve the comprehensive utilization of walnut resource, the extraction of brown pigment from walnut shell was explored. On the basis of one-factor-at-a-time experiments, a three-variable quadratic equation was established by orthogonal regression design to describe the effects of ethanol concentration, temperature, extraction time and material-to-liquid ratio on the extraction rate of brown pigment. Through resolving the equation, the optimal conditions for extracting brown pigment from walnut shell were identified to be ethanol concentration of 52%, extraction time of 4.8 h, extraction temperature of 70 ℃, and material-to-liquid ratio of 1:5. Under the optimal conditions, the extraction rate of brown pigment was 5.0496%.

walnut shell；brown pigment；extraction technology；orthogonal regression design

TS202.3

A

1002-6630(2011)16-0196-05

2010-11-15

四川省中醫(yī)藥管理局2010—2011年度科技專項(2010-72)

戰(zhàn)峰(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為天然藥物化學(xué)。E-mail：zhanfeng198622@yahoo.com.cn

*通信作者：韓泳平(1965—)，男，教授，博士，研究方向為天然藥物化學(xué)。E-mail：yph65@tom.com