全 文 ：《食品工业》2015 年第36卷第 1 期 102
基于响应面分析方法的超声萃取黑胡椒子多酚工艺
条件的优化
程斌
陕西中烟工业有限责任公司（西安 710065）
摘 要 研究了以一定比例的乙醇溶液为提取溶剂, 以黑胡椒子多酚的得率为指标, 对超声波萃取黑胡椒子多酚的
工艺进行考察。以乙醇溶液体积百分数、超声温度、料液比、超声时间和超声功率为考察因素, 采用单因素和响应
面分析试验法同时对黑胡椒子多酚提取工艺进行优化。试验结果确定了采用体积百分数为60%的乙醇溶液提取效果
最佳, 从而得到了60%乙醇提取-超声波萃取的最佳工艺参数为: 超声温度60.60 ℃、料液比1︰28.18 (g/mL)、超声时间
13.82 min、超声功率193.81 W, 在此条件下得到最高的理论提取率为12.70 mg/g, 实际提取率为12.68 mg/g; 试验方案及
试验结果可显著提高黑胡椒子多酚的得率, 显示了超声辅助萃取方法的优越性。
关键词 黑胡椒子多酚; 超声波萃取; 乙醇体积分数; 单因素试验; 响应面分析优化
Process Research and Response Surface Method Optimization of Ultrasonic
Extraction of Polyphenol from Piper nigrum Linn.
Cheng Bin
Chinese Tobacco Shaanxi Industrial Company Limited (Xi’an 710065)
Abstract Using a certain percentage of ethanol solution as extraction solvent, taking the yield of black peppercorn polyphenol as
index, ultrasonic extraction of polyphenols of black peppercorns polyphenol was studied. Using ethanol solution volume percentage,
ultrasonic temperature, solid-liquid ration, ultrasonic time, and ultrasonic power as observation factors, extraction process of black
peppercorn polyphenol was optimized by single factor and response surface method experiment. When using ethanol solution of 60%
volume percentage, the best extraction results would be got confi rmed by experiment results, under which, the optimum extraction
conditions were determined: ultrasonic temperature of 60.60 ℃, solid-liquid ration of 1︰28.18 (g/mL), ultrasonic time of 13.82 min,
and ultrasonic power of 193.81 W. With this optimum conditions got, the product yield of black peppercorn polyphenol could reach
12.68 mg/g. Product yield of black peppercorn polyphenol could be signifi cantly increased by experiment design and results,
indicating the superiority of ultrasonic assisted extraction method.
Keywords black peppercorn polyphenol; ultrasonic extraction; ethanol volume percentage; single factor experiment; response
surface method optimization
黑胡椒（Piper nigrum Linn.），又名黑川，是胡
椒科的一种开花藤本植物，它的果实在晒干后通常可
作为香料和调味料使用；黑胡椒原产于南印度，在当
地和其他热带地区都有着广泛的种植。黑胡椒的果实
（MPN/100 mL）≤3，致病菌不得检出。
4 结论
1) 通过对山茱萸发酵乳饮料加工技术的研究，
确定最佳配方为酸牛乳37%、白砂糖10%、山茱萸汁
10%、稳定剂0.55%、柠檬酸钠0.02%，六偏磷酸钠
0.03%、柠檬酸0.1%～0.2%、香精0.08%。最适工艺
条件为料液混合温度30 ℃～40 ℃，均质压力18～20
MPa，杀菌温度120 ℃、时间15 s，在2～6 ℃条件下
存放口味较佳。
2) 产品营养丰富，同时具有保健作用，市场开发
前景广阔，对带动地域性经济发展意义重大。
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工艺技术
《食品工业》2015 年第36卷第 1 期 103
在熟透时会呈现黑红色，并包含一粒种子，果实在
晒干后会成为直径5 mm的胡椒子核果[1-3]。在中医学
中，黑胡椒子可治疗寒痰、食积、 脘腹冷痛、反胃、
呕吐清水、泄泻、冷痢，亦可用于食物中毒解毒；已
有研究表明黑胡椒子的提取物还具有显著的抗氧化活
性和抗动脉粥样硬化功能[4-8]。试验所研究的对象为云
南红河哈尼族彝族自治州绿春县产的黑胡椒子颗粒。
已有研究表明，广泛采用的黑胡椒子多酚的提取
方法主要有水提法、酶提法等，但是一直未得到很好
解决多酚提取效率低下及产品得率不高的问题；为
此，研究着力探讨一定体积比的乙醇/水溶液提取-超
声波强化萃取对多酚产品得率改善效果的影响。超声
波利用低频激烈的振荡产生的强烈空穴效应、自由基
效应、热力学和非热力学等多重效应来达到其对材料
作用的目的，是目前提取领域较为成熟的一项技术，
在植物生物活性成分的提取方面应用广泛[9-11]。
研究旨在从黑胡椒子的功能性成分的高效提取和
应用出发，采用超声技术在提取方面的优良特性，探
讨超声处理工艺条件的影响因素，并通过进一步响应
面分析优化工艺，为黑胡椒子的综合开发利用及多酚
物质的工业化生产提供应用依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 黑胡椒子样品
黑胡椒子，云南红河哈尼族彝族自治州绿春县
产。称取一定量的黑胡椒子颗粒于已烘干至恒重的称
量皿中，置于60 ℃烘箱中烘至近干，然后将烘箱温度
调至105 ℃烘至绝干，并过60目筛，备用。
1.1.2 试验试剂
无水NaCO3、无水乙醇、Folin-Ciocalteu试剂等试
剂，分均为析纯，国药集团化学试剂有限公司；超纯
水，Millipore Mill-Q超纯水系统自制。
1.2 试验仪器与设备
KQ-250DE 型台式数控超声波清洗器：昆山市超
声仪器有限公司；数显恒温水浴锅HH-2：江苏金坛
市荣华仪器制造有限公司；WFZ UV-2100 型紫外可
见分光光度计：尤尼柯公司；DHG-9140A 型电热恒
温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；J26XPI
型低温冷冻离心机：Backman公司；RV05Basic型旋转
蒸发器：IKA公司；CPA124S 型电子分析天平：德国
Sartorius公司；DELTA 320pH计：梅特勒-托利多仪器
（上海）有限公司；Biocel型Millipore Mill-Q 超纯水
系统：美国Millipore公司。
1.3 试验方法
1.3.1 提取方法
取黑胡椒子颗粒粉碎、过筛，分别精密称取
5 000.0 mg样品，根据Box-Behnken试验设计中心组合
试验设计原理，设计分别进行提取（超声波处理）。
过滤所得提取液，清洗残渣，合并洗液及滤液，浓
缩，干燥，作为黑胡椒子多酚样品。采用4因素3水平
的四元二次响应面分析方法，自变量的试验水平分别
以-1、0、1进行编码（表1），共设计29个试验点，其
中24个为析因点，5个为零点试验用以估计试验误差。
表1 超声萃取黑胡椒子多酚工艺响应面分析试验因
素与水平
水平
因素
X1 超声温度/℃
X2 料液比 /(g·mL-1)
X3 超声时间 /min
X4 超声功率/W
-1 60 1︰20 40 120
0 70 1︰30 60 180
1 80 1︰40 80 240
采用最小二乘法拟合二次多项方程表达响应值：
Y=∑A0+∑AiXi+∑AiiXij + ∑AijXiXj （1）
式中：Y-响应值（黑胡椒子多酚提取率）；A、
A0、Aii、Aij-方程系数；Xi、Xj（i≠j）-自变量编码
值。采用统计学的F值、p值及方差分析检验模型方程
多项式各系数的拟合和回归。
1.3.2 单因素考察
对预处理后的黑胡椒子颗粒，考察超声温度、
料液比、超声时间、超声功率4个因素对多酚得率的
影响。
1.3.3 标准曲线的制备及黑胡椒子多酚含量的测定
标准曲线的制备：分别取100，200，400，600，
800和1 000 μL的0.200 mg/mL的没食子酸标准溶液，
定容致1 000 μL。然后依次加入Folin-Ciocalteu显色
剂1 mL、10%碳酸钠溶液2 mL，25 ℃反应1 h。用分
光光度计测定在765 nm处吸光度（A）。以吸光度为
纵坐标，以没食子酸的质量为横坐标，建立回归方程
为：Y=0.006 2X-0.002 7（R2=0.999 2）；其中Y为吸光
度，X为没食子酸质量浓度，mg/mL。
黑胡椒子多酚含量测定：取黑胡椒子多酚提取液
1 mL，按照回归方程的方法测定，根据回归方程计算
得出黑胡椒子多酚含量。
黑胡椒子多酚得率=黑胡椒子多酚质量（mg）/所
用的干燥的黑胡椒子颗粒质量（g） （2）
2 结果与讨论
2.1 提取溶剂的选择
乙醇为植物多酚的常用提取溶剂，当样品为固体
时，纯的有机溶剂不足以破坏样品中多酚类物质与蛋
白质或其它物质的连接，多酚的得率低，但当提取剂
中水的比例过高时，糖类等水溶性杂质的浸出率也较
高。不同极性溶剂对多酚物质的提取效果有显著的影
响，如图1所示，水和纯溶剂提取黑胡椒子多酚时提
取量都比较低，乙醇体积分数在60%时多酚提取量较
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高。因此后期在进行超声波萃取试验优化是，选择体
积分数为60%的乙醇溶液作为黑胡椒子多酚的最适提
取溶剂。
图1 不同乙醇体积分数下黑胡椒子多酚的提取效果
2.2 60%乙醇提取-超声波萃取温度对黑胡椒子多酚
得率的影响
固定料液比1︰30（g/mL）、超声时间60 min、
超声功率180 W，考察不同超声热水温度（40 ℃，50
℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃和90 ℃）对黑胡椒子多酚得
率的影响，结果如图2所示。可以发现，多酚得率随
着温度的升高而增大，当温度达到70 ℃时多酚得率
最大，之后随着温度继续增高得率反而减少；可能是
由于植物多酚不易溶于低温的水；而温度过高产生的
挥发作用使得液固比降低，黑胡椒子多酚得率开始下
降；另一方面，过高的温度有可能使黑胡椒子多酚物
质的结构遭受到一定程度的破坏，从而使得多酚得率
有所下降。
图2 超声温度对60%乙醇提取-超声波萃取黑胡椒子
多酚得率的影响
2.3 60%乙醇提取-超声波萃取料液比对黑胡椒子多
酚得率的影响
固定超声温度70 ℃、超声时间60 min、超声功率
180 W，考察不同黑胡椒子颗粒热水质量体积比（1︰
10，1︰20，1︰30，1︰40，1︰50，1︰60和1︰70
（g/mL））对黑胡椒子多酚得率的影响，结果如图3
所示。研究发现，料液比在1︰10~1︰30（ g/mL）的
范围内，随着提取液水量的增加，得率显著提高；这
表明超声波将坚硬的细胞壁有效破碎，在溶出有效成
分的同时，溶出一些其他液质，而增加溶剂的比例，
可有效降低溶液的黏度，有利于多酚分子的传质扩
散。但是，料液比达到1︰30（g/mL）时，得率不再
增加，反而有所降低；这主要由于在溶剂量达到一定
程度之后，多酚类物质已经基本完全溶出，所以得率
的变化不再明显。考虑后期处理的成本因素，选择料
液比最佳值为1︰30（g/mL）。
图3 料液比对60%乙醇提取-超声波萃取黑胡椒子多
酚得率的影响
2.4 60%乙醇提取-超声波萃取时间对黑胡椒子多酚
得率的影响
固定超声温度70 ℃、料液比1︰30（g/mL）、
超声功率180 W，考察不同提取时间（20，40，60，
80，100和120 min）对黑胡椒子多酚得率的影响，结
果如图4所示。由图4可知，提取时间对多酚得率具有
显著性的影响。在20~60 min范围内，随着提取时间的
延长，多酚提取得率明显增加；说明超声波能在较短
时间内破碎细胞，使位于细胞间和细胞壁的多酚释放
出来。当超声提取时间超过60 min后多酚得率反而略
有下降。其原因可能是随着处理时间延长，超声波对
植物组织细胞的破壁作用进一步加强，黑胡椒子颗粒
组织细胞内大量不溶物及黏性物质等混入提取液中，
使溶液中杂质增多，黏度增大，从而增大了传质阻
力，影响了多酚成分的溶出；另一方面可能是随着超
声提取时间的延长，超声波所产生的空穴造成细胞结
构的局部塌陷，部分多酚在醇沉处理过程中损失掉，
从而降低了多酚的得率。由此可确定多酚的超声提取
时间在60 min为佳。
图4 超声提取时间对60%乙醇提取-超声波萃取黑胡
椒子多酚得率的影响
2.5 60%乙醇提取-超声波萃取功率对黑胡椒子多酚
得率的影响
固定超声温度70 ℃、料液比1︰30（g/mL）、
超声时间60 min，考察不同超声波功率（60，120，
180，240，300，360和420 W）对黑胡椒子多酚得率
的影响，结果如图5所示。由图5可知，在60~180 W范
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《食品工业》2015 年第36卷第 1 期 105
围内，随着超声波功率增大，多酚得率明显增加，原
因可能是随着超声功率的增加，超声波所产生的空穴
造成细胞结构的局部塌陷，使多酚大量溶出。继续增
大超声波功率，得率没有增加，说明功率过大引起局
部溶液瞬时升温过热造成部分多酚分子链的断裂而降
解。因此，试验选择180 W为最佳超声波功率。
图5 超声波功率对60%乙醇提取-超声波萃取黑胡椒
子多酚得率的影响
2.6 工艺响应面分析优化
根据单因素试验结果，以X1超声温度、X2料液
比、X3超声时间、X4超声功率进行4因素5水平的响
应面分析试验，试验结果见表2，响应面如图6~图11
所示。
表2 超声萃取黑胡椒子多酚工艺响应面分析试验结果
试验号 X1 X2 X3 X4 黑胡椒子多酚得率 /mg·g-1
1 -1 -1 0 0 11.47
2 1 -1 0 0 10.74
3 -1 1 0 0 10.77
4 1 1 0 0 9.07
5 0 0 -1 -1 10.03
6 0 0 1 -1 12.3
7 0 0 -1 1 8.72
8 0 0 1 1 8.08
9 -1 0 0 -1 11.12
10 1 0 0 -1 10.58
11 -1 0 0 1 9.17
12 1 0 0 1 4.25
13 0 -1 -1 0 10.22
14 0 1 -1 0 11.12
15 0 -1 1 0 9.49
16 0 1 1 0 11.95
17 -1 0 -1 0 11.41
18 1 0 -1 0 9.78
19 -1 0 1 0 12.4
20 1 0 1 0 11.53
21 0 -1 0 -1 8.66
22 0 1 0 -1 9.84
23 0 -1 0 1 7.06
24 0 1 0 1 7.19
25 0 0 0 0 12.68
26 0 0 0 0 12.71
27 0 0 0 0 12.69
28 0 0 0 0 12.64
29 0 0 0 0 12.72
图6 Y=f（X1，X2）响应面曲面（X3=X4=0）
图7 Y=f（X1，X3）响应面曲面（X2=X4=0）
图8 Y=f（X1，X4）响应面曲面（X2=X3=0）
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图9 Y=f（X2，X3）响应面曲面（X1=X4=0）
图10 Y=f（X2，X4）响应面曲面（X1=X3=0）
图11 Y=f（X3，X4）响应面曲面（X1=X2=0）
从表3可看出，黑胡椒子多酚得率回归方程的失
拟项检验及显著性检验都显著；从回归方程各项方差
检验可看出，方程的二次项的影响都均显著；一次
项、显著性参差不齐，交互项均不显著。
表3 回归方程方差分析
方差来源 自由度 平方和 F比率 概率＞ F 显著性
模型 16 108.920 18 10.927 2 <0.000 1 *
X1 1 8.996 008 14.440 1 0.002 5 *
X2 1 0.440 833 0.707 6 0.416 7
X3 1 1.665 075 2.672 7 0.128 0
X4 1 20.216 985 32.451 7 <0.000 1 *
X1X2 1 0.235 225 0.377 6 0.550 4
X1X3 1 0.144 400 0.231 8 0.638 9
X2X3 1 0.608 400 0.976 6 0.342 6
X1X4 1 4.796 100 7.698 6 0.016 8 *
X2X4 1 0.275 625 0.442 4 0.518 5
X3X4 1 2.117 025 3.398 2 0.090 1
X1X1 1 1.128 906 1.812 1 0.203 1
X2X2 1 12.274 085 19.702 0 0.000 8 *
X3X3 1 0.000 137 0.000 2 0.988 4
X4X4 1 50.322 470 80.776 2 <0.000 1 *
失拟 8 7.471 956 2
962.881 0 <0.000 1纯误差 4 0.003 880 0
总误差 12 7.475 836 2
R2 0.935 772 403 7
调整 R2 0.850 135 608 5
以X1超声温度、X2料液比、X3超声时间和X4超声功
率拟合的二次多项式回归方程系数如表4所示，R方及
调整R方均大于0.90，说明该拟合方程拟合效果显著，
可以用于最佳提取工艺条件的拟合及计算。整理得到
最佳工艺参数：X1=-0.940，X2=-0.182，X3=-2.309，
X4=-0.230；即黑胡椒子多酚的最佳条件为：超声温度
60.60 ℃、料液比1︰28.18（g/mL）、超声时间13.82
min、超声功率193.81 W，在此条件下得到最高的理
论提取率为12.70 mg/g。
表4 拟合的二次多项式回归方程系数
项 系数 标准误差 t比率 概率＞ |t|
截距 12.561 761 905 0.621 013 861 5 20.23 <0.000 1
X1 -0.865 833 333 0.227 849 795 -3.80 0.002 5
X2 0.191 666 666 7 0.227 849 795 0.84 0.416 7
X3 0.372 5 0.227 849 795 1.63 0.128 0
X4 -1.370 142 857 0.240 517 634 3 -5.70 <0.000 1
X1X2 -0.242 5 0.394 647 421 5 -0.61 0.550 4
X1X3 0.19 0.394 647 421 5 0.48 0.638 9
X2X3 0.39 0.394 647 421 5 0.99 0.342 6
X1X4 -1.095 0.394 647 421 5 -2.77 0.016 8
X2X4 -0.262 5 0.394 647 421 5 -0.67 0.518 5
X3X4 -0.727 5 0.394 647 421 5 -1.84 0.090 1
X1X1 -0.804 428 571 0.597 582 358 5 -1.35 0.203 1
X2X2 -1.487 857 143 0.335 201 488 6 -4.44 0.000 8
X3X3 -0.009 642 857 0.651 040 100 6 -0.01 0.988 4
X4X4 -3.012 642 857 0.335 201 488 6 -8.99 <0.000 1
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为检验响应面分析法的可靠性，采用上述最优提
取条件进行黑胡椒子多酚的提取试验，实际测得黑胡
椒子多酚提取率为12.68 mg/g，理论预测值与实测值
相近，说明该模型可以较好地反映黑胡椒子多酚提取
的条件，因此，采用响应面分析法优化得到的提取条
件参数可信，具有可行性和参考应用价值。
3 结论
采用超声温度60.60 ℃、料液比1︰28.18（g/
mL）、超声时间13.82 min、超声功率193.81 W的最佳
工艺条件进行试验，得到超声波萃取黑胡椒子多酚的
最佳得率为12.68 mg/g。超声波技术应用于黑胡椒子
颗粒的细胞破壁，可加快多酚的溶出速度，从而更为
有效的提高回收率，为黑胡椒子多酚的高效提取和应
用提供了可靠环保的工业前景。
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工艺技术
信 息
据新加坡《联合早报》报道，美国一项研究发现，常吃
快餐可能会令脑部活动放慢，从而影响学习能力。
研究人员以8 500名儿童作为研究对象，先是了解他们在
10岁时的吃快餐习惯，然后将他们三年后的学业成绩进行比
较。在进行比较时，研究人员已把其他可能影响学习成绩的
因素考虑在内。他们发现，每天吃快餐的儿童的平均科学成
绩为79分，低于从不吃快餐儿童的平均分83分。在阅读和数
学成绩方面，常吃快餐者也出现了类似的偏差。
研究人员还无法确定造成这种现象的原因，一个理论是
由于快餐饮食导致儿童缺乏铁质，从而延缓了脑部某些发展
进程。另一个理论是高脂肪和高添加糖分的饮食会对学习过
程产生有害影响。
领导该研究的俄亥俄大学科研人员珀特尔说：“过去的
研究重点一直放在儿童的饮食习惯如何加剧肥胖问题，我们
的研究则为吃快餐会导致学业成绩变差找到了证据。”
中国新闻网 2014-12-23
美国研究：儿童常吃快餐延缓脑部发育
致学习变差