全 文 ：※工艺技术 食品科学 2013, Vol.34, No.14 17
响应面法优化黑胡椒油树脂提取工艺
包振伟1，顾 林1,*，白东辉2，王金玺1，刘 笑1
(1.扬州大学食品科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.朝鲜新义州轻工业大学科学研究所，朝鲜 新义州 999093)
摘 要：以黑胡椒为原料，采用冷凝回流法从胡椒中提取胡椒油树脂，研究溶剂种类、提取时间、回流温度和料液
比对胡椒油树脂得率的影响，并用响应面法进行优化。研究表明，黑胡椒油树脂的最佳提取工艺：提取试剂乙醇、
提取时间5.22h、提取温度79.4℃、料液比1:17.2(g/mL)，在此条件下胡椒油树脂提取率可达11.0%。
关键词：黑胡椒油树脂；提取工艺；响应面分析
Optimization of Extraction Process for Black Pepper Oleoresin Using Response Surface Methodology
BAO Zhen-wei1，GU Lin1,*，BAI Dong-hui2，WANG Jin-xi1，LIU Xiao1
(1. School of Food Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China；
2. Scientific Institute, Sin Yi Zu University of Light Industry, Sin Yi Zu 999093, Democratic People’s Republic of Korea)
Abstract：Pepper oleoresin was extracted from black pepper by reflux condensation method. The effects of solvent type,
extraction time, refluxing temperature and material-liquid ratio on extraction rate of pepper oleoresin were studied. The
results of response surface analysis showed that the optimal extraction conditions were as followed: ethanol as extraction
solvent, extraction time of 5.22 h, refluxing temperature of 79.4 ℃, and material-liquid ratio of 1:17.2 (g/mL). Under the
optimal extraction conditions, the extraction rate of pepper oleoresin was up to 11.0%.
Key words：black pepper oleoresin；extraction；response surface methodology
中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)14-0017-05
doi:10.7506/spkx1002-6630-201314004
收稿日期：2013-01-18
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD33B01)
作者简介：包振伟(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为食品加工技术。E-mail：569047867@qq.com
*通信作者：顾林(1956—)，男，教授，学士，研究方向为农产品加工技术及资源开发。E-mail：gulin@yzu.edu.cn
胡椒(Piper nigrum L.)属胡椒科(Piperaceae)胡椒属
(Piper)多年生常绿藤本植物，原产于印度，是世界重要
的热带香辛料作物[1]，在我国云南，海南和台湾等地区有
广泛种植[2]。它长期以来就是人们所喜爱的香辛料调味品
之一，又可作为药物和香精的原料。胡椒中的活性成分
有抗炎[3-4]、降血脂[5-6]、抗癌[7]、镇痛、保鲜[8]、抑菌[9]等
活性，在医药、食品以及化妆品等行业具有很广泛的应
用。目前在我国胡椒多以原料形式出口，销售受市场因
素制约，销售市场单一[10]，涉及胡椒油树脂、胡椒碱、
胡椒油这些高级产品的生产厂家较少，致使胡椒制品的
附加值不高，影响胡椒产业的持续、健康、高效发展。
近年来，人们从胡椒中提取了很多活性物质，包括胡椒
碱、硫胺素、挥发油、有机酸等[11-13]。胡椒油树脂作为胡
椒的主要成分之一，是通过有机溶剂萃取胡椒粉得到的
油状物质，其主要成分为挥发油和胡椒碱，包含了胡椒
总的芳香成分与辛辣刺激物质，可以直接作为成品或者
制备成微胶囊销售。胡椒油树脂的提取方法主要有溶剂
浸提法、压榨法、微波辅助法[14]、超声波辅助法[15]和CO2超
临界萃取法等[16]。刘红等[17]研究乙醇法浸提胡椒油树脂
工艺，得出最佳条件：乙醇体积分数85%、原料粒度80
目、料液比1:10、浸提时间3.5h、浸提温度65℃工艺条件
下，黑胡椒油树脂有最大提取率为10.32%。李平凡等[18]
研究超声法提取胡椒油树脂，对比了水浴和超声波法，
测得水浴法提取胡椒油树脂得率为10.10%，超声波法得
率在10.90%以下。方杰等[19]采用超声波辅助法测得胡椒
油树脂最高得率为10.28%。考虑到压榨法得率较低，
在10%以下，超声波法和微波辅助法虽然提取率高，但
是不适宜大规模工业化生产，超临界萃取法生产成本较
高，提取成分主要为胡椒挥发油，不能充分提取出非挥
发性的功能性成分。溶剂浸提法生产成本较低、设备简
单，所提胡椒油树脂既含有少量精油的挥发性成分，又含
有非挥发性的脂肪成分，在工业中得到了广泛的应用[20]。
在我国市面上很少见到胡椒油、胡椒油树脂、胡椒胶囊
等精深加工产品[21]。因此，本实验对胡椒油树脂的浸提
工艺进行了探索研究，为胡椒的深加工物的工业化生产
提供实验依据。
18 2013, Vol.34, No.14 食品科学 ※工艺技术
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
黑胡椒购于海南儋州市；无水乙醇、甲醇、丙酮、
乙酸乙酯均为分析纯。
1.2 仪器与设备
数显恒温水浴锅 国华电器有限公司；高速万能粉
碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；电子天平 北京
赛多利斯仪器系统有限公司；RE-52AA旋转蒸发器 上
海亚荣生化仪器厂；DZF-6020型真空干燥箱 上海博讯
实业有限公司；DHG-9240电热恒温鼓风干燥箱 上海
一恒科学仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 胡椒油树脂提取工艺流程[22]
黑胡椒→50℃烘48h→粉碎过100目筛→回流提取→
抽滤→滤液浓缩→浓缩液真空干燥→胡椒油树脂
1.3.2 单因素及响应面试验
胡椒置于烘箱中50℃条件下烘干48h，粉碎并过100
目筛，得到胡椒粉。准确称取过100目筛的胡椒粉5.000g
于平底烧瓶中，按料液比为1:16分别加入无水乙醇、甲
醇、乙酸乙酯、丙酮，置于50℃的恒温水浴锅中回流提
取4.0h，然后过滤，并置于40℃的水浴锅中浓缩至干，冷
却后称质量并计算提取率，每组实验平行6次，考察不同
提取试剂对提取率的影响。设定提取试剂为无水乙醇，
固定其他条件，分别考察料液比(1:4、1:8、1:12、1:16、
1:20)、提取温度(40、50、60、70、80℃)、提取时间(2、
3、4、5、6h)对提取率的影响。
在单因素试验基础上，根据Box-Behnken试验设计原
理，以胡椒油树脂提取率为响应值，设计提取温度、提
取时间、料液比3因素3水平响应面分析试验[23]。试验设
计见表1。
表 1 响应面试验设计
Table 1 Coded values and actual values of the optimization parameters
used in the response surface analysis
水平 料液比(g/mL) 温度/℃ 时间/h
－1 1:12 60 4
0 1:16 70 5
1 1:20 80 6
1.3.3 胡椒油树脂提取率计算
㚵Ủ㉝䋼䞣
㚵Ủ⊍ᷥ㛖䋼䞣
ᦤপ⥛/% = h100
1.4 数据分析
利用Design Expert(version 8.05)软件对数据进行分析。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 不同溶剂对胡椒油树脂提取率的影响
11.2
11.0
10.8
10.6
10.4
10.2
10.0
9.8
9.6
9.4
9.2
9.0
⬆䝛 Э䝛 ϭ䝂 Э䝌Э䝃
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⥛
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图 1 不同溶剂对胡椒油树脂提取率的影响
Fig.1 Effect of solvent type on the extraction rate of pepper oleoresin
由图1可以看出，不同溶剂对胡椒油树脂的提取效
果不同，其中，甲醇提取率最高，其次为无水乙醇、丙
酮，乙酸乙酯的提取率最低。但是考虑到甲醇具有一定
毒性，对设备要求较乙醇高，生产设备成本高，乙醇没
有毒性，处理方便，而且乙醇的得率也较高，因此，试
验选用乙醇为提取溶剂。
2.1.2 料液比对胡椒油树脂提取率的影响
9.90
9.85
9.80
9.75
9.70
9.65
9.60
1:4 1:8 1:12 1:16 1:20
᭭⎆↨
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⊍
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㛖
ᦤ
প
⥛
/%
图 2 料液比对胡椒油树脂提取率的影响
Fig.2 Effect of material-liquid ratio on the extraction rate of
pepper oleoresin
由图2可以看出，随着提取液使用量的增加，胡椒油
树脂得率逐渐升高，在1:16时基本达到最大，此后增大
料液比，胡椒油树脂得率基本保持不变，这可能是由于
在1:16时，胡椒油树脂在乙醇中已经充分溶出，达到动
态平衡，继续增加乙醇并不能提高得率，因此试验确定
料液比为1:16。
2.1.3 提取温度对胡椒油树脂提取率的影响
由图3可以看出，随着温度的升高，胡椒油树脂提
取率也随之增加，这可能是由于提取溶剂的扩散系数
随着温度升高而增加，从而使提取速度加快，提取效
率大大升高 [24]。考虑到温度继续升高可能会破坏胡椒
油树脂中的成分，以及生产成本，因此试验的最高温
度选择为80℃。
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10.8
10.6
10.4
10.2
10.0
9.8
9.6
9.4
40 50 60 70 80
ᦤপ⏽ᑺ/ć
㚵
Ủ
⊍
ᷥ
㛖
ᦤ
প
⥛
/%
图 3 提取温度对胡椒油树脂提取率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of
pepper oleoresin
2.1.4 提取时间对胡椒油树脂提取率的影响
10.1
10.0
9.9
9.8
9.7
9.6
9.5
9.4
2 3 4 5 6
ᦤপᯊ䯈/h
㚵
Ủ
⊍
ᷥ
㛖
ᦤ
প
⥛
/%
图 4 提取时间对胡椒油树脂提取率的影响
Fig.4 Effect of extraction time on the extraction rate of
pepper oleoresin
由图4可以看出，提取时间与胡椒油树脂得率呈正
比，当提取时间达到5h，继续延长时间，并不能明显提
高胡椒油树脂的得率。这可能由于在提取初期，胡椒油
树脂随着时间的延长不断溶出，但达到一定时间后，胡
椒油树脂的溶出充分，达到平衡，继续延长时间对提取
效果已经基本没有影响。同时考虑到缩短生产周期，故
选择6h为最佳提取时间。
2.2 响应面试验
2.2.1 胡椒油树脂提取工艺优化试验设计与结果
表 2 Box-Behnken试验设计与结果
Table 2 Experimental design and results for response surface analysis
试验号 A B C 提取率/%
1 0 0 0 10.908
2 1 0 1 10.805
3 1 0 －1 10.565
4 －1 0 －1 10.252
5 －1 －1 0 10.434
6 0 0 0 10.828
7 0 －1 －1 10.012
8 －1 0 1 10.788
9 0 0 0 10.902
10 1 －1 0 10.588
11 0 1 －1 10.765
12 0 0 0 10.879
13 0 －1 1 10.748
14 0 1 1 10.976
15 1 1 0 10.902
16 －1 1 0 10.742
17 0 0 0 10.839
根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验设计原
理，以胡椒油树脂提取率为响应值，选取料液比(A)、提
取温度(B)和提取时间(C)为试验因素，进行3因素3水平响
应面优化试验，试验设计及结果见表2。
利用Design Expert软件对表2数据进行多元回归拟
合，得到多元二次回归模型为：胡椒油树脂提取率(Y)＝
10.8712＋0.0805A＋0.20038B＋0.21537C＋1.5×10-3AB－
0.07AC－0.13125BC－0.11373A2－0.090975B2－0.15497C2。
2.2.2 回归模型的方差分析
表 3 回归模型的方差分析
Table 3 Analysis of variance for the fi tted response surface regression model
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 1.05 9 0.12 32.47 ＜0.0001 **
A 0.052 1 0.052 14.48 0.0067 **
B 0.32 1 0.32 89.71 ＜0.0001 **
C 0.37 1 0.37 103.64 ＜0.0001 **
AB 9.000×10-6 1 9.000×10-6 2.514×10-3 0.9614 不显著
AC 0.022 1 0.022 6.12 0.0426 *
BC 0.069 1 0.069 19.24 0.0032 **
A2 0.054 1 0.054 15.21 0.0059 **
B2 0.035 1 0.035 9.73 0.0169 *
C2 0.10 1 0.10 28.24 0.0011 **
残差 0.025 7 3.581×10－3
失拟误差 0.020 3 6.599×10－3 5.01 0.0767 不显著
纯误差 5.267×10－3 4 1.317×10－3
总和 1.07 16
R2=0.9766 RAdj
2=0.9465
注：**. 差异极显著(P＜ 0.01)；*.差异显著(P＜ 0.05)。
由表3可以看出，该模型P值小于0.05，显著，失
拟误差为0.0767，大于0.05，不显著，说明该回归方
程对试验拟合程度较好。一次项A、B、C均达到极显
著水平；交互项BC极显著，AC显著；二次项A2、C2极
显著，B2显著。由3个影响因素的F值大小可以推出，
3个因素对胡椒油树脂得率影响大小的排序为：提取时
间＞提取温度＞料液比。同时，决定系数R2=0.9766，
表明该方程能够解释97.66%的响应值的变化，试验误
差较小，因此可以用该模型对胡椒油树脂提取试验进
行分析和预测。各因素的交互作用见图5。
11.0
10.8
10.6
10.4
10.2
10.0
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
ᦤ
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⎆↨
20 2013, Vol.34, No.14 食品科学 ※工艺技术
1.0
0.5
0.5
1.0
1.0 0.5 0.0 0.5 1.0
0.0
C
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10.4
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5
10.8
10.6
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10.6
10.4
10.2
10.0
1.0
0.5
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1.0 1.0
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0.5
1.0
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0.0
C
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ᦤপ⥛/%
5
10.8
10.6
10.4
10.2
图 5 各因素交互作用对胡椒油树脂提取效果的影响
Fig.5 Response surface plots for the effects of cross-interaction among the
three selected extraction parameters on the extraction rate of pepper oleoresin
根据图5中各3D曲面图以及等高图的形状分析提取
时间、料液比和提取温度对胡椒油树脂提取率的影响，
3D曲面的陡峭程度可以反映出不同因素之间的交互作用
是否显著；等高线的形状也能反映出两因素之间的交互
作用是否显著，等高线越趋近于椭圆，表明两因素交互
作用越显著，相反则不显著。由图5可知，提取时间和
料液比的交互作用对响应值影响不大，整个曲面比较平
滑，等高线趋近于圆形，胡椒油树脂得率受提取时间的
影响大于料液比；提取温度和料液比的交互作用对响应
值的变化几乎没有影响，曲面平滑，等高线形状接近于
圆形，胡椒油树脂得率受提取温度的影响大于料液比；
提取时间与提取温度的交互作用对响应值的影响比较明
显，曲面很陡，等高线形状接近于椭圆形，胡椒油树脂
得率受时间的影响略大于提取温度。由响应面软件分析
可知，在A=0.29、B=0.94、C=0.23，即料液比1:17.2、提
取温度79.4℃、提取时间5.22h时胡椒油树脂可以获得最
大提取率，理论上可达11.0%。
2.3 验证实验
为了验证响应面法的可行性，在最佳提取条件下进
行3次平行实验，最终得到的胡椒油树脂提取率的平均值
为10.982%，与理论值相对误差0.164%，可见该模型准确
可靠，利用该模型在实践中进行预测是可行的。
3 结 论
在筛选有机试剂的基础上对黑胡椒油树脂乙醇提
取工艺进行了优化，单因素试验以及响应面优化结果显
示，对胡椒油树脂得率影响大小顺序为：提取时间＞提
取温度＞料液比。优化的胡椒油树脂乙醇提取工艺参数
为料液比1:17.2、提取温度79.4℃、提取时间5.22h，此条
件下胡椒油树脂的提取率为10.982%，高于一般文献报道
的提取率[17-19]，且该工艺无毒，提取方便，适宜于大规模
工艺生产，为胡椒的深加工提供一些理论依据。
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