全 文 ：响应曲面法优化青花椒护色工艺
张晓宁，杨 停，吕远平* (四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)
摘要 ［目的］探索青花椒护色的最佳工艺条件。［方法］选取新鲜青花椒为原料，研究了护色剂、抗氧化剂、pH和杀菌条件对护色的影
响。在单因素试验的基础上，选择 CuSO4 浓度、VC 浓度和杀菌时间 3个影响较大的因素，以色差值为指标，采用响应面试验优化新鲜青
花椒护色条件。［结果］新鲜青花椒的最佳护色工艺为 CuSO4 浓度 550 mg /L、VC 溶液浓度 1 000 mg /L、杀菌时间 20 min。在此条件下处
理后的青花椒在第 15天的色差为 10。［结论］该研究可为青花椒的护色研究提供理论和试验依据。
关键词 青花椒;响应面法;护色;优化
中图分类号 S573 + 9 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2012)32 －15877 －03
Optimization of Color Fixing for Zanthoxylum L． by Response Surface Methodology
ZHANG Xiao-ning et al (College of Light Industry，Textile and Food Engineering，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065)
Abstract ［Objective］To explore the optimum technique conditions for color fixing of Zanthoxylum L． ［Method］Selecting fresh Zanthoxylum
L． as material，effects of color fixing regent，antioxidant，pH and sterilization time on color fixing were studied． Trial conditions were optimized
by response surface methodology on basis of single factor test． Different concentrations of copper sulpHate，vitamin C and sterilization time were
used to study color fixing effects of ZanthoxylumL． ［Result］The results showed that the optimal conditions were 550 mg /L copper sulpHate，
1 000 mg /L vitamin C and sterilizing under 100 ℃ for 20 min． The color difference between fresh and treated Zanthoxylum L． could drop down
to 10 grades under these conditions． ［Conclusion］The study will provide theoretical and experimental basis for color fixing of Zanthoxylum L．
Key words Zanthoxylum L．;Response surface methodology;Color fixing;Optimization
作者简介 张晓宁(1988 － ) ，男，山东日照人，硕士研究生，研究方向:
食品科学，E-mail:zxn0114@ 126． com。* 通讯作者，副教授，
博士，硕士生导师，从事食品科学与工程研究，E-mail:
lvyuanping@ yahoo． cn。
收稿日期 2012-08-14
青花椒(Zanthoxylum L)系芸香科花椒属植物，果球颜色
为青色，密生疣状凸起的油点，具有芳香健胃、温中散寒、除
湿止痛、杀虫解毒、止痒解腥等功效，可用于治疗和缓解脾胃
虚寒，食欲减退，脘腹冷痛等。花椒主要分为花椒、野花椒、
竹叶花椒和青花椒等若干种。研究发现，汉源青花椒主要风
味成分为挥发油，化学成分为芳樟醇、柠檬烯、桧烯、月桂烯、
β-水芹烯和 4-萜品醇［1］。与红花椒相比，青花椒的麻味更浓
厚，药用价值更高［2］，因此青花椒的市场需求量更大。但由
于青花椒的季节性和不耐贮藏，采摘后的青花椒如不做处理
极易变色，造成青花椒色泽和品质的下降。现阶段国内对于
青花椒护色的研究比较少，目前市售的青花椒基本上都是干
制，其中营养成分如挥发油、麻味素以及生物碱等都有不少
损失。
笔者针对引起青花椒色泽变化的叶绿素降解［3 －7］、微生
物降解和氧化褐变［8］等因素，从不同的花椒护色剂、抗氧化
剂、盐浓度、pH和杀菌条件入手，进行花椒护色方法的研究，
探索青花椒护色的最佳试验条件。研究结果可以为青花椒
的进一步研究提供理论和试验依据。
1 材料与方法
1． 1 材料 新鲜青花椒，市售。主要试剂:CuSO4、
(CH3COO)2Cu·H2O、ZnSO4、(CH3COO)2-Zn·H2O、叶绿素
铜钠盐、维生素 C、EDTA、柠檬酸和 NaHCO3，均为分析纯。
仪器设备:FA 1604N 电子天平，上海精密科学仪器有限公
司;pHB-10型酸度计，上海虹益仪器仪表有限公司;HW·
SY11-K型电热恒温水浴锅，北京市长风仪器仪表公司;
FX70 /63旋合式异形罐半自动封口机，重庆江东机械有限责
任公司;电热恒温培养箱，上海精密仪器仪表公司;IX-
US950IS数码相机，佳能(中国)有限公司。
1． 2 花椒护色工艺流程及操作条件 工艺流程:新鲜青花
椒→护色处理→抗氧化处理→封罐→杀菌→成品。将新鲜
青花椒清理去杂，加入 500 mg /L的 CuSO4 溶液浸没青花椒，
浸泡 30 min，清水漂洗后装瓶。瓶中加入 1 000 mg /L的 VC
溶液浸没青花椒，真空封盖。于沸水中杀菌 20 min，快速冷
却至室温。
1． 3 青花椒护色条件的确定
1． 3． 1 护色剂的选择。称取 100 g 新鲜青花椒分别用 500
mg /L 的 CuSO4、(CH3-COO)2Cu· H2O、ZnSO4、(CH3CO-
O)2Zn·H2O以及叶绿素铜钠盐溶液浸泡 30 min，漂洗装瓶
后加入 1 000 mg /L的 VC 溶液，封盖后沸水杀菌 20 min，冷
却。置于 37 ℃恒温培养箱中培养，定期对其色泽进行检测，
选择适宜的护色剂。
1． 3． 2 护色剂浓度的确定。选取浓度分别为 100、300、500、
700、900、1 500 mg /L 的 CuSO4 溶液作为护色剂对青花椒进
行护色处理，选择适宜的护色剂浓度。
1． 3． 3 抗氧化剂的选择。将用 500 mg /L 的 CuSO4 溶液浸
泡的新鲜青花椒，漂洗装瓶后分别加入 1 000 mg /L 的 VC、
EDTA、VC + EDTA溶液中，杀菌冷却后进行恒温培养，定期
对其色泽进行检测，选择适宜的抗氧化剂。
1． 3． 4 抗氧化剂浓度的确定。将护色处理后的新鲜青花
椒，分别加入浓度为 300、500、700、1 000、1 200、1 500、2 000
mg /L的 VC 溶液进行处理，选择适宜的抗氧化剂浓度。
1． 3． 5 pH对护色的影响。用柠檬酸或 NaHCO3 将其 pH调
节至 4、5、6、7、8、9、10、11，加入护色处理后的新鲜青花椒，杀
菌冷却后进行恒温培养，定期对其色泽进行检测，观察 pH对
护色的影响。
1． 3． 6 杀菌条件的确定。将经过护色、抗氧化处理并已装瓶
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2012，40(32):15877 － 15879，16013 责任编辑 李菲菲 责任校对 卢瑶
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2012.32.126
的新鲜青花椒放入沸水中，分别杀菌 10、20、30、40、50 min，快速
冷却保藏，定期对其色泽进行检测，确定适宜的杀菌条件。
1． 3． 7 Box-Behnken试验设计。根据单因素试验结果，采用
Box-Behnken设计方法［9］，以 CuSO4 浓度、VC 浓度和杀菌时
间作为响应变量，分别以 A、B、C 表示，并以 － 1、0、1 分别代
表变量的水平，以色差(Y)为响应值进行响应面优化。Box-
Behnken试验因素水平设计见表 1，采用 Design Expert 软件
对试验数据进行回归分析。
表 1 Box-Behnken试验因素与水平设计
编码
水平
因素
CuSO4 浓度(A)
mg /L
VC 浓度(B)
mg /L
杀菌时间(C)
min
－1 400 900 10
0 500 1 000 20
1 600 1 100 30
1． 3． 8 色差法。以新鲜青花椒的颜色为基准值，测得恒温
培养后青花椒颜色变化的色差值大小，可直接反应护色效
果。理想的色差公式应该跟人的视觉感受基本一致，而
CIEDE2000色差公式是目前理论上和人的视觉最能够匹配
的公式［10］。CIEDE2000色差公式如下:
△E00 =
△L
KLS( )L
2
+ △
Cab
KCS( )C
2
+ △
Hab
KHS( )H
2
+ RT
△Cab
KCS( )C
2 △Hab
KHS( )H槡
2
式中，△L、△Cab、△Hab分别表示明度差、彩度差和色相差;
SL、SH和 SC称为权重函数，定义了椭圆半轴长度，允许在
CIELAB颜色空间中根据区域不同进行各的调整，以矫正该
空间的均匀性;因为在蓝色区域宽容量椭圆并不指向原点，
为了对椭圆进行旋转，引入了 RT函数;参数因子 KL、KC 和
KH是与使用条件相关的校正系数，它们是影响色差感觉的
因素。△E00为色差，是由 CIELAB色空间及色差公式改进得
到。△E00值越大，说明颜色变化程度越强，护色效果越差;
△E00值越小，护色效果越好。
2 结果与分析
2． 1 单因素试验
2． 1． 1 护色剂的选择。选用不同的护色剂对新鲜青花椒进
行护色处理并进行破坏性储藏试验，其色差变化结果见表 2。
由表 2 可以看出，用 CuSO4、(CH3COO)2Cu·H2O、ZnSO4、
(CH3COO)2Zn·H2O及叶绿素铜钠盐处理过的青花椒，其色
差变化均比对照组小，说明均有护色效果。但经 CuSO4 处理
的效果最好，破坏性储藏 30 d后，其色差变化仅为 14。金属
表 2 不同护色剂的色差变化
护色剂
储藏时间∥d
3 5 10 15 20 30
CuSO4 0 3 7 12 14 14
(CH3COO)2Cu·H2O 0 6 15 24 32 36
ZnSO4 0 8 27 42 57 60
(CH3COO)2Zn·H2O 0 11 32 53 63 67
叶绿素铜钠盐 4 17 45 67 73 78
对照组 6 21 56 78 89 92
盐的护色机理［4］是由于叶绿素分子中的 Mg2 +性质活泼，容
易脱去形成脱镁叶绿素而造成颜色变化。用金属离子
(Cu2 +、Zn2 +)替换叶绿素中活泼的 Mg2 +，形成叶绿素衍生
物，则叶绿素稳定性大大提高，保持原来的绿色。
2． 1． 2 CuSO4 浓度的确定。图 1 是不同浓度 CuSO4 处理的
青花椒色差变化情况。在 CuSO4 浓度较低的情况下，随浓度
增加，青花椒色差值减小，护绿效果越好。当浓度增加到 500
mg /L时，色差变化不再显著。因此，适宜的 CuSO4 浓度为
500 mg /L左右。
图 1 不同 CuSO4 浓度处理对色差的影响(第 15天)
2． 1． 3 抗氧化剂的选择。以 VC 和 EDTA 作为抗氧化剂进
行护色处理，青花椒色差变化情况如表 3 所示。可以看出，
抗氧化剂为 EDTA 和 VC + EDTA 的青花椒从第 5 天其色泽
开始出现变化，在第 15天已经严重褐变。而加入 VC 溶液的
青花椒，色差变化较小，依然保持绿色。色素类物质的氧化
反应是青花椒变色的另一主要原因，VC 的加入可以有效抑
制因氧化反应造成的色泽变化［6］。因此，选择抗 VC 溶液作
为氧化剂。
表 3 不同抗氧化剂的色差变化
抗氧化剂
储存时间∥d
3 5 10 15 20 30
VC 0 3 8 11 14 16
EDTA 0 5 11 20 29 37
VC + EDTA 0 3 9 17 21 24
2． 1． 4 VC 浓度的确定。从图 2 可以看出，在一定 VC 溶液
浓度的范围内，随着浓度的增加，色差值逐渐减小。当浓度
超过 1 000 mg /L时，色差逐渐增大，这可能是因为浓度过高
时，VC 自身的氧化造成颜色变化。因此，适宜的 VC 溶液浓
度为 1 000 mg /L左右。
图 2 不同 VC 浓度处理的色差变化(第 15天)
87851 安徽农业科学 2012 年
2． 1． 5 pH对青花椒护色的影响。由图 3 可知，在 pH范围
为 4 ～11 时，青花椒变色均不明显，都能保持良好的色泽。
说明 pH对经 CuSO4 浸泡处理后的青花椒护色没有明显影
响。Cu2 +替代叶绿素中的 Mg2 +，形成的叶绿素衍生物对 pH
的稳定性大大增强［4］。
图 3 pH对色差的影响(第 15天)
2． 1． 6 杀菌时间的影响。图 4 为不同杀菌时间处理的青花
椒在第 15 天的色差值。因青花椒表面密生疣状凸起的油
点，在漂烫时油点很容易遭到破坏造成风味成分，尤其是挥
发油的大量损失［4，11］。因此，该试验将漂烫和杀菌合并进
行，杀菌一方面是杀灭微生物，以保证产品有较长的保质期;
另一方面，也对青花椒进行灭酶操作，以阻止因酶促反应引
起的颜色变化。在试验结果中，未杀菌的青花椒，在第 5天其
色泽开始变化，第 10天时出现胀罐现象，并且瓶底有白色油状
沉渣，说明有微生物的繁殖。杀菌 10 min，在第 10天时开始慢
慢变色，色差逐渐变大。杀菌 20 min及以上，青花椒的色泽变
化情况不大，当杀菌超过40 min时，青花椒色泽出现较大变化，
可能是由于长时间的高温杀菌破坏了叶绿素的稳定性，加速了
其降解［4］。因此，确定杀菌时间为 20 min左右。
图 4 杀菌时间对色差的影响(第 15天)
2． 2 Box-Behnken 试验结果 Box-Behnken 试验设计及结
果见表 4。采用 Design-Expert 软件，以 CuSO4 浓度、VC 浓度
和杀菌时间为响应变量，以色差为响应值对表 4进行二次多
项式回归拟合，获得二次多项式回归模型为:Y = 12． 20 －
6． 25A － 1． 13B － 0． 63C + 0． 25BC + 5． 03A2 + 3． 28B2 +
0． 27C2。
对表 4中试验结果进行统计分析，得到的方差分析结果
如下:F模型 = 244． 63，FA = 1411． 29，FB = 45． 73，FC = 14． 11，
FAB =0，FAC = 0，FBC = 1． 13，FA2 = 480． 15，FB2 = 203． 95，FC2 =
1． 44，F失拟项 = 1． 25;P模型 = 0． 000 1，PA = 0． 000 1，PB =
0． 000 3，PC = 0． 007 1，PAB = 1． 000 0，PAC = 1． 000 0，PBC =
0． 323 3，PA2 = 0． 000 1，PB2 = 0． 000 1，PC2 = 0． 269 5，P失拟项 =
0． 402 8。由此可知，CuSO4 浓度、VC 浓度和杀菌时间在试验
过程中均起主要作用，对新鲜青花椒色泽的影响顺序为:
CuSO4浓度 ＞ VC 浓度 ＞ 杀菌时间。经方差分析得，A、B、C、
AC、A2、B2 项极显著。
整体模型的 P ＜0．000 1，表明该二次方程在差异极显著水
平，并且失拟项不显著，说明该方程对试验拟合较好。校正系
数 R2 =0． 992 8，表明 99． 28%的数据可以用此方程来解释。
表 4 Box-Behnken试验方案与结果
试验号
因素
A B C
色差(Y)
1 －1 －1 0 28
2 1 －1 0 15
3 －1 1 0 26
4 1 1 0 13
5 －1 0 －1 24
6 1 0 －1 12
7 －1 0 1 23
8 1 0 1 11
9 0 －1 －1 18
10 0 1 －1 15
11 0 －1 1 16
12 0 1 1 14
13 0 0 0 12
14 0 0 0 12
15 0 0 0 12
16 0 0 0 12
17 0 0 0 12
根据回归方程，做出响应面(图 5) ，检验拟合响应面的
形状，分析硫酸铜浓度、VC 浓度和杀菌时间对青花椒色泽的
影响。在考察的变量范围内，随着硫酸铜溶液浓度的升高，
色差逐渐减小并逐渐缓慢;当 VC 溶液浓度及杀菌时间超过
一定水平后，色差开始增大。
注:a．硫酸铜浓度和 VC 浓度对色差的影响;b．硫酸铜浓度和杀菌时间对色差的影响;c． VC 浓度和杀菌时间对色差的影响。
图 5 各因素两两交互作用对青花椒色差影响的响应面 (下转第 16013页)
9785140卷 32期 张晓宁等 响应曲面法优化青花椒护色工艺
版教材发现，如果在讲解具体技术时，将其设计原理的发现
过程向学生一并讲授，带领学生回到技术创制的时代，将创
制人的实验思路进行剖析，可以收到较好的效果。如在 PCR
技术的讲解过程中，首先向学生讲解发明人 Mullis所在的时
代背景，让学生了解 PCR技术发明前的科学技术发展情况，
带领学生一起分析 Mullis的思维方式，启发学生独立创造自
己的“PCR”反应［5］。称这种教学方法为生物技术领域的“情
景再现”。在实际教学中，学生们反映课程内容较有趣味
性，可以激发学生对于生物技术学习的兴趣和独立思考能
力，不再像以往那样跟着教师进行机械的记忆，易于形成初
步的科研思想。该方法也要注意授课内容的控制，做到突出
重点的同时帮助学生理解教学内容，完成教学任务。
4． 3 改革实验教学内容体系，突出综合能力培 在实验教
学中，主张突破原有的为理论教学服务的传统模式，将实验
教学体系作为一个相对完整独立的内容向学生讲授。在实
际教学中，将实验教学集中设置于后半学期开设，一般在生
物技术基本理论、基本方法讲授完成后统一进行。在实验课
程开始前一个月，向学生提出一个实验目的，如利用 PCR技
术克隆一个基因并进行分析，要求学生根据已有知识和学校
园艺场现有植物资源自己选取试材、选择基因、设计引物、编
写实验方案。教师对学生的实验设计进行评点并帮助修改，
随后开始试验。在试验开始前，教师着重讲解原理和安全注
意事项，并进行基本的操作演示。在实验操作环节，鼓励学
生独立完成操作，独立分析结果，发现问题。在每节实验课
结束时，教师着重点评学生操作中发现的问题，提出改进意
见，学生在此查阅资料，最后得出科学合理的方案(图 1)。
每节课程的实验结果会作为下一节课程的材料，在所有课程
结束时，要求学生形成统一的实验报告，作为最终的考核依
据。对于实验报告内容的考核，要求学生重点分析试验中所
遇到的问题，提出自己认为的合理的解决方法，鼓励学生形
成自己的思维方式，激发学生的科学研究热情。
图 1 学生参与实验设计的流程
5 结语
随着现代生物技术革命在我国农业各领域的迅猛发展，
培养一大批具备基本现代植物生物学知识的农业专业本科
毕业生变得愈加重要和紧迫。园艺植物生物技术课程自开
设以来就在农业院校课程建设中占有重要地位。通过近几
年对于园艺植物生物技术课程的研究和探索，总结了一些经
验，提高了教学质量和学生的综合素质。发现学生上课的积
极性有所提高，敢于、善于提出自己的想法和疑问;学习兴趣
高涨，旷课、迟到现象鲜有发生;不少学生通过该门课程的学
习激发了自己进行科学研究的兴趣，开始积极参加学校组织
的科技创新活动;在实验教学环节，学生的动手能力及创新
能力大大增强，常有学生主动研究、改进、优化实验方法和程
序，教学活动相当活跃。总之，园艺植物生物技术的教学改
革是必要的，我应采取积极稳健的态度，从教学模式、教学内
容、教学方法和教学手段等方面进行不懈的探索和创新，结
合该校的实际情况，不断完善和深化教学改革，以适应新世
纪对高素质、全面性、创新型农业人才的需要。
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2002．
(上接第 15879页)
通过回归模型的预测，可以得到青花椒护色最佳条件为
CuSO4 浓度 550 mg /L，VC 溶液浓度1 000 mg /L，杀菌时间20
min。此时青花椒在第 15 天的色差为 10。在此优化条件下
处理后的青花椒，经贮藏试验，在常温状态下保藏 6 个月依
然保持较好的绿色。
3 结论
研究对青花椒护色方法和工艺做了研究，通过响应曲面
法设计得到了青花椒护色的最佳工艺条件为护色剂 CuSO4，
浓度 550 mg /L，抗氧化剂 VC 溶液，浓度 1 000 mg /L;杀菌条
件为 100 ℃的水中杀菌 20 min。经过处理后的青花椒在常
温状态下保藏 6个月依然保持较好的绿色。
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