全 文 ：第 40 卷 第 2 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol． 40 No． 2
2012 年 2 月 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Feb． 2012
第一作者简介:孙海涛，男，1980 年 9 月生，通化师范学院，讲
师。
通信作者:邵信儒，通化师范学院，讲师。E－mail:shaoxinru@
126． com。
收稿日期:2011 年 7 月 3 日。
责任编辑:戴芳天。
响应面法优化超声波提取山核桃壳色素工艺
孙海涛 邵信儒
(通化师范学院，通化，134000)
摘 要 以长白山野生核桃壳为原料提取棕色素，在单因素试验的基础上，通过响应面法优化超声波提取山核
桃壳色素工艺，并建立回归模型。结果表明，V(溶液)∶ m(山核桃壳) (液料比)= 17 mL ∶ 1 g、乙醇体积分数 50%、超
声功率 152 W，山核桃壳色素吸光度的预测值为 0． 801，通过优化方案的验证实验得出色素的吸光度为 0． 799。与常
规水浴法提取山核桃壳色素相比，超声辅助法的提取效果更好。
关键词 核桃壳;色素;响应面法;超声波;提取
分类号 TS202． 3
Optimization of Ultrasonic Extraction of Pigment from Walnut Shell Using Response Surface Methodology /Sun
Haitao，Shao Xinru(Department of Pharmaceutics and Food Science，Tonghua Normal University，Tonghua 134000，P．
R． China)/ / Journal of Northeast Forestry University． －2012，40(2)． －74－77
A regressive model was obtained through optimization of ultrasonic extraction of pigment from walnut shell using the re-
sponse surface methodology，based on single factor experiments． The optimized extraction condition was obtained as solid-liquid
ratio 1 g ∶ 17 mL，alcohol concentration 50%，and ultrasonic power 152 W． The pigment absorbance was predicted to be
0． 801，while the pigment absorbance validated by experiments was 0． 799 under the optimized condition． Ultrasound-assisted
extraction of pigment from walnut shell is superior to the conventional water bath extraction．
Keywords Walnut shell;Pigment;Response surface methodology;Ultrasonic;Extraction
色素是现代食品工业不可缺少的食品添加剂之
一。目前所用的色素多为人工合成色素，虽然色泽
鲜艳、着色性好、稳定性好，但本身无任何营养价值，
有的甚至有潜在的致癌作用或其他毒副作用，因此
合成色素的安全问题越来越受人们关注［1－2］。天然
色素不仅安全性高，使食品颜色更接近新鲜食品自
然的色泽，而且有些色素还具有营养价值和医疗保
健作用［3］。随着人们崇尚天然、追求健康的意识增
强，开发天然色素将成为必然趋势。
长白山野生山核桃，又称小胡桃，生长在气候优
越、土壤肥沃、植被茂盛的长白山区，每年白露前后
成熟。其果仁是一种健康味美、营养丰富的天然绿
色食品，具有润沛强肾、降低血脂、预防冠心病之功
效，长期食用具有益寿养颜，抗衰老等作用，孕妇食
用对胎儿智力发育有神奇功效。目前关于其壳的研
究较少，常因其坚硬且不可食用而为燃料，利用价值
极低。国外的研究者主要利用核桃壳制备颗粒活性
炭和分子筛［4－5］。若能利用长白山野生山核桃壳提
取棕色素，应用于食品加工，可有效提高长白山野生
山核桃的附加值。本研究在单因素试验的基础上，
通过响应面法优化超声波提取山核桃壳色素工艺，
为长白山野生山核桃壳色素的开发提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 材料与仪器
山核桃:2010 年 9 月采摘于长白山区;95%乙
醇、浓盐酸、氢氧化钠，均为分析纯。
TV－1901 紫外可见分光光度计(北京普析通用
仪器有限责任公司) ;KQ－200KDB 型高功率数控超
声波清洗器(昆山超声仪器有限公司) ;YS－08 型小
型高速粉碎机(北京燕山正德机械设备有限公司) ;
TDL80 － 2B 离心机 (上海安亭科学仪器厂) ;
FA1604A型电子分析天平(上海精天电子仪器有限
公司) ;DHG－9245A 型电热恒温鼓风干燥箱(上海
一恒科技有限公司)。
1． 2 试验方法
1． 2． 1 山核桃壳色素吸收光谱
配制一定体积分数的山核桃壳色素溶液，在
250 ～ 500 nm 波长范围内进行光谱扫描，测定色素
的吸收光谱。由图 1 可看出，山核桃壳色素溶液的
吸收光谱在 λ = 277 nm 处有明显吸收峰。因此，可
选取 λmax = 277 nm作为测定山核桃壳色素溶液吸光
度的特定波长。
图 1 山核桃壳色素提取液的吸收光谱
1． 2． 2 山核桃壳色素的提取
工艺要点:将已筛选好的山核桃壳清洗干净，烘
干，放入高速粉碎机中粉碎，过 50 目筛，备用。称取
一定量的山核桃壳粉末，加入适量的提取剂。按要
求在超声波辅助作用下提取，提取液定容至一定刻
度，静置过滤，滤液离心(4 000 r /min，10 min) ，在
277 nm波长处测定吸光度［6］。
1． 2． 3 单因素试验
本试验中选择液料比、乙醇体积分数、超声功
率、超声温度、超声时间作为影响山核桃壳色素提取
效果的单因素，在各因素试验中采用如 1． 2． 2 所述
的方法进行色素的提取，以色素提取液吸光度的变
化作为评价指标。
液料比对色素提取效果的影响:在乙醇体积分
数为 50%，超声功率 160 w，超声温度 50 ℃，超声时
间 60 min，研究液料比分别为 5 mL ∶ 1 g、10 mL ∶ 1
g、15 mL ∶ 1 g、20 mL ∶ 1 g、25 mL ∶ 1 g、30 mL ∶ 1 g、
35 mL ∶ 1 g时对山核桃壳色素提取效果的影响。
乙醇体积分数对色素提取效果的影响:在液料
比 15 mL ∶ 1 g，超声功率 160 W，超声温度 50 ℃，超
声时间 60 min，研究乙醇体积分数分别为 10%、
20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%时对
山核桃壳色素提取效果的影响。
超声功率对色素提取效果的影响:在液料比 15
mL ∶ 1 g，乙醇体积分数为 50%，超声温度 50 ℃，超声
时间 60 min，研究超声功率分别为 80、100、120、140、
160、180、200 W时对山核桃壳色素提取效果的影响。
超声温度对色素提取效果的影响:在液料比 15
mL ∶ 1 g，乙醇体积分数为 50%，超声功率 160 W，超
声时间 60 min，研究超声温度分别为 30、40、50、60、
70、80 ℃时对山核桃壳色素提取效果的影响。
超声时间对色素提取效果的影响:在液料比 15
mL ∶ 1 g，乙醇体积分数为 50%，超声温度 50 ℃，超
声功率 160 W，研究超声时间分别为 20、40、60、80、
100、120 时对山核桃壳色素提取效果的影响。
1． 2． 4 响应曲面优化试验
在单因素试验的基础上，选取液料比、乙醇体积
分数、超声功率为自变量，山核桃壳色素的吸光度为
响应值，通过 Design Expert 7． 1． 3 软件设计 3 因素 3
水平的二次回归分析，预测山核桃壳色素提取的最
佳工艺［7］。响应面分析因素与水平见表 1。
表 1 响应面分析因素与水平
水平
因 素
X1(液料比)/mL·g－1 X2(乙醇体积分数)/% X3(超声功率)/W
1 10 ∶ 1 40 120
2 15 ∶ 1 50 140
3 20 ∶ 1 60 160
2 结果与分析
2． 1 单因素试验
2． 1． 1 液料比对提取效果的影响
液料比是提取过程的一个重要影响因素，从传
质速率的角度讲，主要表现在影响固相主体和液相
主体之间的浓度差，即传质推动力。经测定，在乙醇
体积分数、超声功率、超声温度、超声时间不变条件
下，随着液料比的增加，提取液的吸光度逐渐增大;
当液料比达到15mL ∶ 1 g时，提取液的吸光度为
0． 649，此时达到最大值;但当液料比超过 15 mL ∶ 1
g时，随着液料比的增大，色素的吸光度不断下降。
故本研究把液料比 10 mL ∶ 1 g ～ 20 mL ∶ 1 g作为响
应面法的考查范围。
2． 1． 2 乙醇体积分数对提取效果的影响
经实验得知，在液料比、超声功率、超声温度、超
声时间不变的条件下，乙醇体积分数在 10% ～ 50%
的范围内，山核桃壳色素吸光度随着乙醇体积分数
的增大不断增大，在乙醇体积分数为 50%时提取液
吸光度达到最大值 0． 644;当乙醇体积分数超过50%
时，山核桃壳色素的吸光度逐渐下降;而当乙醇体积
分数超过 80%时，吸光度急剧下降。其原因可能是
由于乙醇体积分数过大，造成色素分解。故把乙醇体
积分数 40% ～60%作为响应面法的考查范围。
2． 1． 3 超声功率对色素提取效果的影响
在液料比、乙醇体积分数、超声温度、超声时间
不变的条件下，超声功率在 80 ～ 120 W范围内，随着
超声功率的增大，提取液的吸光度明显上升;当超声
功率在 120 ～ 160 W 时，吸光度变化趋势不明显，且
在超声功率为 140 W 时，提取液吸光度达到最大值
0． 698;当超声功率达到 180 W 以上时，提取液的吸
光度下降。这可能是由于超声功率过高，超声波的
热效应导致提取溶液温度升高，造成色素不稳定而
分解。故本研究把超声功率 120 ～ 160 W 作为响应
面法的考查范围。
2． 1． 4 超声温度对色素提取效果的影响
经测定，在液料比、乙醇体积分数为、超声功率、
超声时间不变的条件下，随超声温度的升高，山核桃
壳色素吸光值呈逐渐升高的趋势，并在超声温度为
60 ℃时，提取液吸光度值达到最大值 0． 636，此时山
核桃壳色素溶出最多。这说明在超声条件下，在较
低温度下即可达到色素最大溶出量，提取温度过高
可能使色素结构发生改变。故本研究确定超声温度
为 60 ℃。
2． 1． 5 超声时间对色素提取效果的影响
在液料比、乙醇体积分数、超声温度、超声功率
57第 2 期 孙海涛等:响应面法优化超声波提取山核桃壳色素工艺
不变的条件下，当超声时间不超过 60 min 时，随着
时间的延长，山核桃壳色素吸光度呈明显增大的趋
势;但在超声时间为 60 ～ 80 min 范围内时，提取液
的吸光度值变化不明显;当超声时间达到 80 min
后，如继续延长超声时间，提取液吸光度明显下降。
这可能是由于超声时间过长，色素遭到破坏，同时考
虑工作效率等因素，不宜长时间超声提取。故本研
究确定超声提取时间为 60 min。
2． 2 响应面优化试验
2． 2． 1 模型的建立与显著性检验
根据 Box Benhnken的中心组合试验设计原理，
综合单因素试验影响结果，选择液料比(X1)、乙醇
体积分数(X2)和超声功率(X3)3 个因素，进行 3 因
素 3 水平响应面分析试验。利用 Design Expert 7． 1．
3 软件对响应面试验数据进行二次多元回归拟合，
得到山核桃壳色素吸光度与自变量 X1、X2 和 X3 的
二次回归方程:Y = 0． 79+0． 022X1 +2． 750×10
－3X2 +
0． 023X3 －1． 500×10
－3X1X2 +0． 026X1X3 －0． 010X2X3 －
0． 053X21 － 0． 045X
2
2 －0． 028X
2
3。
方差分析及显著性检验结果见表 2。结果表
明，该回归模型极显著(P=0． 003 1＜0． 01) ，回归模型
的决定系数为 R2 = 0． 927 5，失拟项 P = 0． 064＞0． 05，
失拟性检验结果不显著。这说明该模型与数据拟合
程度较高，实验误差小，可以用该模型分析和预测超
声法辅助提取山核桃壳色素的结果。此外，回归方
程各项的方差分析结果还表明，各因素中二次项对
色素提取效果的影响极显著，一次项 X1、X3 和交互
项 X1X3 对色素提取效果的影响显著。
表 2 回归方程方差分析
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 0． 037 9 4． 166×10－3 9． 95 0． 003 1 ＊＊
X1 3． 872×10－3 1 3． 872×10－3 9． 25 0． 018 8 *
X2 6． 050×10－5 1 6． 050×10－5 0． 14 0． 715 1
X3 4． 232×10－3 1 4． 232×10－3 10． 11 0． 015 5 *
X1X2 9． 000×10－6 1 9． 000×10－6 0． 021 0． 887 6
X1X3 2． 704×10－3 1 2． 704×10－3 6． 46 0． 038 6 *
X2X3 4． 410×10－4 1 4． 410×10－4 1． 05 0． 338 9
X21 0． 012 1 0． 012 28． 40 0． 001 1 ＊＊
X22 8． 394 1 8． 394 20． 05 0． 002 9 ＊＊
X23 3． 337×10－3 1 3． 337×10－3 7． 97 0． 025 7 ＊＊
残差 2． 931×10－3 7 4． 188×10－4
失拟项 2． 759×10－3 3 9． 195×10－4 21． 28 0． 064 0
净误差 1． 728×10－4 4 4． 320×10－5
总离差 0． 040 16
注:＊＊为 P＜0． 01，差异极显著;* 为 P＜0． 05，差异显著。
2． 2． 2 响应面分析
当超声时间为 60 min 时，液料比和乙醇体积分
数对山核桃壳色素提取效果的影响见图 2。可以看
出，当液料比不变时，随着乙醇体积分数的增加，山
核桃壳色素吸光度先增大，当乙醇体积分数达到一
定值后，呈逐渐下降的趋势。当乙醇体积分数在
45% ～55%范围内，液料比在 10 mL ∶ 1 g ～ 20 mL ∶
1 g范围内，山核桃壳提取液的吸光度达到最大值。
图 2 液料比和乙醇体积分数对吸光度影响的相应面图和等高线图
当乙醇体积分数为 50%，液料比和超声功率对
山核桃壳色素提取效果的影响见图 3。可以看出，
液料比和超声功率对色素吸光度的交互作用显著。
当液料比不变，随着超声功率的提高，山核桃壳色素
的吸光度逐渐增大;当超声功率达到一定值后，山核
桃壳色素吸光度逐渐下降。当超声功率恒定，液料
比在 10 mL ∶ 1 g ～ 20 mL ∶ 1 g 范围内，山核桃壳色
素吸光度先逐渐增大，达到极值后显著下降。
当超声功率为 140 W，乙醇体积分数和超声功
率对山核桃壳色素提取效果的影响见图 4。可以看
出，当超声功率不变，随着乙醇体积分数的提高，山
核桃壳色素吸光度值先增大;当乙醇体积分数达到
一定值后，山核桃壳色素吸光度值呈逐渐下降的趋
势。当乙醇体积分数恒定在 40% ～ 50%范围内，超
声功率在 120 ～ 160 W范围内，山核桃壳色素提取液
吸光度值随着超声功率的提高而增大，并达到最大
值。同时说明，二者的交互作用中超声功率相对于
乙醇体积分数而言居于主要方面。
由 Design－Expert7． 1． 3 Trial软件分析出超声波
辅助提取山核桃壳色素的最佳条件:液料比 16． 74
67 东 北 林 业 大 学 学 报 第 40 卷
mL ∶ 1 g、乙醇体积分数 49． 57%、超声功率 151． 54
W，山核桃壳色素吸光度的预测值为 0． 801。为了
进一步验证山核桃壳色素最优的超声波辅助提取工
艺，考虑到实际操作的情况，将最佳工艺条件修正为
液料比 17 mL ∶ 1 g、乙醇体积分数 50%、超声功率
152 W。采用上述条件进行了 3 次重复试验，得出色
素的平均吸光度为 0． 799，与理论预测值误差仅为
0． 3%，验证结果与预测值偏差较小，说明采用响应
面法得到的工艺参数是可行的。
图 3 液料比和超声功率对吸光度影响的相应面图和等高线图
图 4 乙醇体积分数和超声功率对吸光度影响的相应面图和等高线图
2． 3 超声辅助法与常规水浴法提取山核桃壳色素
的比较
对上述已确定的超声波辅助提取山核桃壳色素
最佳提取条件与常规水浴提取山核桃壳色素最佳提
取条件(液料比 20 mL ∶ 1 g、乙醇体积分数 50%、提
取温度 70 ℃、提取时间 120 min)进行比较，同时对
各自提取效果进行对比。试验结果表明，常规水浴
法提取山核桃壳色素得到的提取液的吸光度平均为
0． 575，超声波辅助提取得到的色素提取液平均吸光
度为 0． 799。所以，超声辅助法更有利于细胞中的
有效成分快速释放溶出，可以提高山核桃壳色素的
提取效果，同时可大大缩短提取时间。
3 结论
本研究在单因素试验的基础上，通过响应面法
优化超声辅助提取山核桃壳色素的提取工艺，建立
了超声波辅助提取山核桃壳色素多元回归模型，模
型拟合度良好。确定了山核桃壳色素的最佳提取条
件:V(溶液)∶ m(山核桃壳)= 17 mL ∶ 1 g、乙醇体
积分数 50%、超声功率 152 W，山核桃壳色素吸光度
的预测值为 0． 801，通过优化方案的验证实验得出
色素的吸光度为 0． 799。
用常规水浴法提取山核桃壳色素吸光度为 0． 575，
与其相比超声辅助提取法更为有效。其原因在于超声
的热效应使局部升温，促进了色素的溶出;另外超声波
空化时产生极大压力，有利于提高组织细胞壁的通透
性，使色素更易被提取。至于更深入的超声波对山核
桃壳色素结构和性质等的影响有待进一步研究。
参 考 文 献
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