回归正交设计优化核桃壳棕色素的提取工艺

战 峰，邵 婧，韩泳平*

(西南民族大学少数民族药物研究所，四川 成都 610041)

回归正交设计优化核桃壳棕色素的提取工艺

战 峰，邵 婧，韩泳平*

(西南民族大学少数民族药物研究所，四川 成都 610041)

为了提高核桃资源的综合利用程度，对核桃壳棕色素提取技术进行试验研究。以棕色素的提取率为目标，采用单因素试验方法考查乙醇体积分数、提取时间、提取温度、液料比对棕色素提取率的影响，并应用回归正交方法建立三元二次方程优化棕色素的提取工艺。结果表明，核桃壳棕色素适宜的提取条件是乙醇体积分数52%、提取时间4.8h、提取温度70℃、液料比5:1(mL/g)，在此条件下，核桃壳棕色素提取率为5.0496%，可用于工业化生产。

核桃壳；棕色素；提取工艺；回归正交试验

核桃(walnut)又称胡桃，拉丁学名Juglans regiaL.。核桃不仅食用价值很高，而且保健功能非常突出。核桃被称为“健脑之果”、“长寿之果”、“美容之果”，种植面积广，产量丰富。虽然核桃产品的开发较多[1-13]，但对核桃取仁后的食品废弃物核桃壳的开发利用却很少，一般仅用做农户的生活燃料和制造活性炭[14]，造成资源浪费。核桃壳中含有一定量的棕色素，棕色素在食品色泽中占有很重要的地位，特别是在酒类、糖果、酱油、醋的着色和可乐型饮料等行业中的应用十分广泛[15]。核桃壳色素作为一种天然棕色素，使用安全，且具有一定的营养和药理保健作用[16-18]。目前对核桃壳棕色素的提取和性质研究，已有少量报道[19-21]，但对提取条件优化的研究还未见报道。回归正交法能够在因素所规定的试验范围内选择适当的试验点，可以克服一般正交试验法[22]中优化点只能限制在已定水平的缺点。本实验采用回归正交设计法，优化核桃壳中棕色素的最佳提取工艺，为核桃壳的开发利用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

漾濞核桃(产地云南，扁圆球形，棕色壳，壳面大而有浅刻点，缝合线窄，中部略隆起) 成都农贸市场。

无水乙醇(分析纯)、石油醚(沸程60～90℃，分析纯) 成都市科龙化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

SHZ-D(III)型循环水式真空泵 巩义市英峪予华仪器厂；DZF-6050型真空干燥箱 上海一恒科技有限公司；UV-752型紫外-可见分光光度 上海第三分析仪器厂；MOOEL ESJ200-4型电子天平 沈阳龙腾电子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

干燥与粉碎：核桃剥取外壳，置于烘箱中烘干，然后粉碎成粗粉，置于干燥器中保存备用。

脱脂：在色素提取之前，先用石油醚将核桃壳粗粉洗涤两次，每次30min。去除洗液，并用乙醇溶液洗涤去除石油醚残液。

1.3.2 棕色素的提取

取50.0g干燥粉碎的核桃壳粗粉，经脱脂处理后，按一定比例加入浸提溶剂，水浴回流提取，浸提结束后自然冷却至室温过滤，弃去残渣。将红棕色液体减压浓缩后得棕色固体，真空干燥，计算棕色素提取率。

1.3.3 最大吸收波长的确定

取少量核桃壳棕色素，用50%乙醇溶解，配制成溶液质量浓度50μg/mL。用UV-752紫外可见分光光度计在波长200～600nm范围内扫描，得到核桃壳棕色素的吸收光谱。

1.4 单因素试验

1.4.1 乙醇体积分数对棕色素提取率的影响

称取50.0g干燥的核桃壳粗粉7份，经脱脂处理置于500mL圆底烧瓶中，分别加入20%、40%、45%、50%、55%、60%、70%乙醇溶液300mL，控制温度80℃，水浴回流5h，浸提结束后自然冷却至室温过滤，弃去残渣。真空干燥后得棕色固体，称量，计算棕色素提取率。

1.4.2 水浴回流时间对棕色素提取率影响

称取50.0g干燥的核桃壳粗粉6份，经脱脂处理置于500mL圆底烧瓶中，加入50%乙醇300mL，控制温度80℃，水浴回流时间分别为2、3、4、5、6、7h浸提结束后自然冷却至室温过滤，弃去残渣。真空干燥后得棕色固体，称量，计算棕色素提取率。

1.4.3 温度对棕色素的提取率影响

称取50.0g干燥的核桃壳粗粉6份，经脱脂处理置于500mL圆底烧瓶中，加入50%乙醇300mL，温度分别控制为40、50、60、70、80、90℃，水浴回流5h，浸提结束后自然冷却至室温过滤，弃去残渣。真空干燥后得棕色固体，称量，计算棕色素提取率。

1.4.4 液料比对棕色素提取率的影响

称取50.0g干燥的核桃壳粗粉4份，经脱脂处理置于500mL圆底烧瓶中，按照液料比4:1、5:1、6:1、7:1(mL/g)的比例分别加入50%乙醇溶液200、250、300、350mL，控制温度80℃，水浴回流5h，浸提结束后自然冷却至室温过滤，弃去残渣。真空干燥后得棕色固体，称量，计算棕色素提取率。

1.5 正交试验

在单因素试验结果基础上进行正交试验，考察乙醇体积分数、提取时间、提取温度、液料比4因素对棕色素提取率的影响，确定核桃棕色素的最佳提取工艺。

2 结果与分析

2.1 核桃壳棕色素吸收光谱特征

图1 核桃壳棕色素光谱吸收特征Fig.1 UV absorption spectrum of brown pigment from walnut shell

从图1可以看出，在可见光区没有吸收峰，核桃壳棕色素在紫外光区277nm波长处有一个吸收峰。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 乙醇体积分数对棕色素提取率的影响

图2 乙醇体积分数对棕色素提取率的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration on extraction rate of brown pigment

由图2可知，使用较低和较高体积分数的乙醇，提取率均不高，50%左右的乙醇提取效果最好。

2.2.2 提取时间对棕色素提取率的影响

图3 提取时间对棕色素提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of brown pigment

由图3可知，随提取时间的延长提取率增大，达到一定时间后，提取率变化趋于不变。

2.2.3 提取温度对棕色素提取率的影响

图4 提取温度对棕色素提取率的影响Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of brown pigment

由图4可知，随温度的升高提取率增大，但当温度超过80℃以上，提取率下降。可能是高温破坏了有效成分。

2.2.4 液料比对棕色素提取率的影响

由图5可知，随液料比的增大提取率升高，但增大到一定比例，提取率变化并不明显。

图5 液料比对棕色素提取率的影响Fig.5 Effect of material-to-liquid ratio on extraction rate of brown pigment

2.3 二次回归正交试验

2.3.1 二次回归正交组合设计

表1 核桃棕色素最佳提取工艺回归正交试验设计因素水平编码Table 1 Factors and their coded levels in orthogonal regression design

根据单因素试验结果，确定乙醇体积分数的变化范围为40%～60%；提取时间的变化范围为3～6h；提取温度的变化范围为60～80℃，液料比的变化范围为8:1～4:1。依据考察因素和零水平试验次数确定星号臂值r为1.547。因素水平编码如表1所示。

2.3.2 核桃棕色素最佳提取工艺回归正交试验结果

依据回归正交组合试验设计方法以及因素水平编码表(表1)，选取乙醇体积分数Z1、提取时间Z2、提取温度Z3、液料比Z4四因素编制试验设计表，Z11、Z22、Z33、Z44为二次项中心变化后的编码，回归正交试验结果见表2。

2.3.3 回归方程的建立及检验

表3 回归方程失拟性检验表Table 3 Lack-of-fit F test of the regression equation for extraction rate of brown pigment

表4 回归系数及显著性检验Table 4 Regression coefficients and significance in the regression equation for extraction rate of brown pigment

从表3可看出：F＜F0.05(5,2)，由此可知建立的回归模型的失拟性不显著，回归模型与实际情况很符合。

表4表明各项回归系数都达到显著水平，从而得到方程：

对上述建立的数学模型求解得到核桃壳棕色素的最佳提取条件为：乙醇体积分数52%、提取时间4.8h、提取温度70℃、液料比5:1。

2.3.4 验证实验

称取50.0g核桃壳粗粉3份，按照2.3.3节最佳工艺进行提取，提取率分别为5.0547%、5.0687%、5.0255%，平均值为5.0496%，与条件试验结果基本吻合，获得了较高的提取率。

3 结 论

3.1 提取得到的核桃壳棕色素为棕色粉末。通过在紫外-可见光区200～600nm波长范围内进行扫描，确定核桃壳棕色素最大吸收峰波长为277nm。

3.2 单因素试验结果表明，乙醇体积分数及提取温度对核桃壳棕色素的提取率影响较大。乙醇体积分数过高或过低，提取率均较低，使用50%左右的乙醇溶液效果最好，而温度控制在80℃以下提取率较高，温度过高会导致色素不稳定。虽然棕色素的提取率随提取时间的延长和液料比增大而增大，但达到一定程度后逐渐趋于稳定。综合分析，单因素试验初步确定的较优提取条件为乙醇体积分数50%、提取时间5.0h、提取温度80℃、液料比5:1(mL/g)。

3.3 二次回归正交组合设计是在正交基础上进行回归分析，是试验设计中精确度较高的试验设计之一。对表2的数据采用SPSS统计软件进行分析，建立的数学模型各项回归系数都达显著水平(F＜F0.05(5,2))，其预测值与试验值也具有极高的相关性(R=0.995)，说明建立的数学模型具有较高的可靠性。二次回归正交试验确定的最佳的提取工艺：乙醇体积分数52%、提取时间4.8h、提取温度70℃、液料比5:1(mL/g)。与单因素试验结果比较，工艺参数的选择更为精确。

3.4 本实验以食品加工中的废弃物核桃壳为原料，经提取和纯化从中制得的核桃壳棕色素是一种具有广阔的开发和利用前景的天然色素，为核桃壳的开发利用和深加工开辟了一条新的途径。

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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

四川省中医药管理局2010—2011年度科技专项(2010-72)

战峰(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为天然药物化学。E-mail：zhanfeng198622@yahoo.com.cn

*通信作者：韩泳平(1965—)，男，教授，博士，研究方向为天然药物化学。E-mail：yph65@tom.com