矩阵分析法优化花椒树脂提取工艺研究

蒋凌燕，成金曦，夏 东，课净璇，侯晓艳，申光辉，王 洁，谷学权，张志清

(1.四川农业大学 食品学院，四川 雅安 625014； 2.四川圣菲伦食品有限公司，四川 绵阳 621100； 3.四川五丰黎红食品有限公司，四川 雅安 625300)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)为芸香科花椒属植物花椒树的成熟果实，是我国特有的中药材和食用香辛调料，被誉为“八大味”之一[1-2]。在我国，花椒有近3 000年的栽培和使用历史[3]，种植面积和产量均居世界首位[4]。花椒油作为花椒的主要加工产品，在生产过程中会产生大量的副产物——花椒饼粕。研究表明，花椒饼粕含有大量的多糖、蛋白质[5]，其醇提物具有较好的抑菌活性，其黄酮提取物具有良好的体外抗氧化活性[6]。据报道，国际上油脂工业总产值的2/3来源于油料榨油后的副产物[7]，而目前我国花椒饼粕大多被当作作物肥料或废料遗弃[8]，未得到充分利用。究其原因主要是花椒饼粕仍然具有较强烈的麻味，畜禽的适口性不佳，从而未能作为饲料中蛋白质和纤维补充。因此，充分利用花椒饼粕的麻味物质，可提高花椒饼粕的再利用经济价值。

香辛料树脂是采用溶剂提取法制得的具有香辛料香气及口味的提取物，提取方法主要有溶剂浸提法、超临界CO2萃取法、超声波浸提法等。相比于前两种方法，超声波浸提法以提取效率高、适用范围广等特点而被广泛运用[9-10]。目前超声波浸提法在花椒树脂提取上已有一些研究进展：仝其根等[11]通过超声波浸提法提取花椒树脂，并对提取的树脂进行了稳定性研究；曹雁平等[12]分别采用超临界CO2萃取法和超声波浸提法提取花椒树脂，通过对花椒树脂的GC-MS分析和三角评价对比，发现两者香气类型相近。

提取率、麻度等级作为评价指标优化花椒树脂提取效率，属于典型的多指标试验。以往在处理多指标试验结果时，直观分析和综合平衡法无法做到客观、严谨。而矩阵分析法[13-14]是从定性到定量的综合集成方法，引用数学方法将高维数据用矩阵学方法处理，可以快速、准确地计算出不同因素的权重，避免人为主观性带来的试验误差。因此，本研究采用矩阵分析法和综合平衡法分析超声波浸提法不同提取条件对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，以期为花椒饼粕的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

花椒饼(花椒加入初始温度为180℃的热油，热油自然降温至110℃并恒温保持10 min，滤出的花椒再经过压榨得花椒饼)，由四川五丰黎红食品有限公司提供。

无水乙醇、甲苯、无水硫酸钠，分析纯。

FW-100型高速万能粉碎机；ST16R冷冻离心机，美国赛默飞世尔科技公司；HZY-A320型电子天平，美国康州HZ电子科技有限公司；KH-300DE型数控超声波清洗器；RE-2000B旋转蒸发仪；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵。

1.2 试验方法

1.2.1 花椒树脂提取

将花椒饼粉碎，取50 g不同粒度的花椒饼于烧杯中，按一定料液比加入不同体积分数的乙醇浸提30 min，然后于40℃下超声辅助提取。提取后的滤液采用旋转蒸发仪去除溶剂，得到浸膏状的花椒树脂。

1.2.2 正交试验多指标结果的统计分析

本研究考虑不同提取条件对花椒树脂提取率及麻度等级的影响，采用矩阵分析法对工艺优化过程进行统计分析，并运用综合平衡法对照分析。

1.2.2.1 矩阵分析法优化提取工艺

运用矩阵法计算出不同因素及水平对试验结果影响的权重，根据权重大小确定花椒树脂提取工艺最优方案以及各个因素对指标值影响的主次顺序[15]。

1.2.2.2 综合平衡法优化提取工艺

采用综合平衡法先对花椒树脂提取率及麻度等级两个指标逐一进行单指标的直观分析，得到影响每个指标的因素主次顺序和最佳水平组合，然后计算各因素对两个指标的极差值，进行综合比较和分析得到较优方案[16]。

1.2.3 指标测定

1.2.3.1 花椒树脂提取率测定

参考GB 5009.3—2016测定花椒树脂的水分含量。按照下式计算花椒树脂提取率(Y1)，每个样品做3组平行。

(1)

式中：M为花椒饼质量，g；M1为圆底烧瓶质量，g；M2为旋蒸后含树脂的圆底烧瓶质量，g；X为花椒树脂水分含量。

1.2.3.2 花椒树脂麻度等级测定

1.2.3.2.1 花椒树脂提取液稀释液的制备

称取花椒树脂5 g(精确到0.01 g)溶解于75 mL无水乙醇，振荡摇匀后，20℃恒温超声提取20 min，然后过滤，滤液转移至200 mL容量瓶，沉淀再用25 mL无水乙醇清洗，重复两次，滤液定容至200 mL。

根据表1不同麻感区段对应的取样量，移取相应体积的样品提取液，纯净水稀释定容至100 mL，制备成样品提取液的稀释液(样液)。

表1 不同麻感区段对应的提取量

最小样液量的确定：移取一定体积的样液至50 mL容量瓶中，用纯净水稀释定容，经品评人员品评，确定无法识别出麻感的最小样液取样体积为最小样液量。表2规定了不同麻感区段移取的样液体积，并给出了对应的稀释倍数，即斯科维尔指数(Scoville heat units，SHU)。

表2 不同麻感区段的SHU

被检样液制备：移取最小样液量及最小样液量前后的2个连续体积的样液，分别转移到50 mL容量瓶中，用纯净水定容至刻度，编号为R、R1、R2、R3、R4作为需由评价小组进行测试的被检样品，置于30℃恒温水浴中保温备用。

空白液制备：用定量移液枪移取与最小样液量等体积的无水乙醇，至50 mL容量瓶中，加纯净水定容至刻度，置于30℃恒温水浴中保温备用。

1.2.3.2.2 评价方法

按照GB/T 12310—2012规定的成对比较检验流程，样液与空白液依据表3顺序提供给10位评价员，进行麻度有无差别检验。

表3 斯科维尔指数法样品提供顺序

1.2.3.2.3 花椒树脂麻度等级的确定

目前尚无花椒麻度的国标定义及方法。参照张璐璐等[17]的方法并稍作改动，该方法中麻度定义仅为本文优化工艺所用。根据斯科维尔指数与麻度等级的换算关系得到麻度等级，换算关系如表4所示。每个样品做3组平行。

表4 SHU与麻度等级换算关系

1.2.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2010软件整理数据，采用MATLAB 2014软件处理实验数据和统计分析，运用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 原料粒度对花椒树脂提取的影响

在料液比1∶8、乙醇体积分数75%、超声时间20 min、超声功率240 W条件下，研究原料粒度对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，结果见图1。

注：同一条曲线上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

由图1可知，随着原料粒度的增大，提取率呈现先增大后稍减小的趋势，麻度等级先增加后趋于稳定。当原料粒度达到80目时，提取率达到最大，且麻度等级趋于稳定，此时的提取率为17.43%、麻度为5级。花椒饼粉碎不够充分时，与溶剂接触的表面积相对较小，树脂难以从花椒饼中浸提，导致提取率及麻度等级都相对较低。当花椒饼粉碎过细时，提取过程中微粒的吸附作用加强，溶剂不易接触到有效物质，导致提取率下降[18]。因此，选取原料粒度为80目。

2.1.2 料液比对花椒树脂提取的影响

在原料粒度80目、乙醇体积分数75%、超声时间20 min、超声功率240 W条件下，研究料液比对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，结果见图2。

图2 料液比对花椒树脂提取的影响

由图2可知：随着料液比的增大，提取率和麻度等级逐渐上升；在料液比分别为1∶8～1∶10和1∶10～1∶16时提取率差异不显著(P>0.05)；当料液比为1∶6～1∶16时，麻度等级趋于稳定，麻度为5级。试验发现，当料液比较小时，溶液黏度较大，部分花椒饼结块，影响树脂的浸出效率。当达到一定料液比时，花椒树脂提取呈饱和状态，继续增加料液比只会造成溶剂的浪费[19-20]。因此，选用料液比为1∶8。

2.1.3 乙醇体积分数对花椒树脂提取的影响

在原料粒度80目、料液比1∶8、超声时间20 min、超声功率240 W条件下，研究乙醇体积分数对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，结果见图3。

图3 乙醇体积分数对花椒树脂提取的影响

由图3可知，当乙醇体积分数为55%时，提取率最大，为20.9%，与乙醇体积分数75%时的提取率差异显著(P<0.05)。这是因为空化效应是超声辅助提取的主要现象，受溶剂某些物理性质，如表面张力的影响，而表面张力随着乙醇体积分数的增加而降低[21]，导致空化作用减弱，从而提取率降低。乙醇体积分数为35%时，麻度为5级；随着乙醇体积分数的增加，麻度稳定在6级。因为不同体积分数的乙醇溶液具有不同的极性，根据相似相溶原理，花椒麻味有效物质的极性与高浓度的乙醇溶液相似，使得花椒树脂麻度相对较高[22]。因此，选取乙醇体积分数为55%。

2.1.4 超声时间对花椒树脂提取的影响

在原料粒度80目、料液比1∶8、乙醇体积分数55%、超声功率240 W条件下，研究超声时间对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，结果见图4。

图4 超声时间对花椒树脂提取的影响

由图4可知，随着超声时间的延长，提取率逐渐增加后趋于平缓，超声时间为10～30 min无显著差异(P>0.05)。原因是随着超声时间的延长，缩小了花椒饼与提取液的树脂浓度差，导致渗透压减小，溶液达到动态平衡，所以提取率趋于平稳[23]。麻度等级则随超声时间延长呈现先增加后减小的趋势。这是因为超声促进分子运动，提高了花椒饼中麻味有效物质的浸出率，由于酰胺类物质为热敏性物质，长时间处于高温环境时会破坏酰胺类物质的结构，导致其发生转化或降解，由此也导致花椒树脂麻度下降[24-25]。因此，选取超声时间为10 min。

2.1.5 超声功率对花椒树脂提取的影响

在原料粒度80目、料液比1∶8、乙醇体积分数55%、超声时间10 min条件下，研究超声功率对花椒树脂提取率和麻度等级的影响，结果见图5。

图5 超声功率对花椒树脂提取的影响

由图5可知，随着超声功率的增大，提取率先增加后趋于稳定，180 W后差异不显著(P>0.05)，而麻度等级呈现先增加后下降的趋势。这是因为超声功率过小，花椒饼的细胞结构破坏不完全，有效物质较少地溶入乙醇中。随着超声功率的增大，乙醇中形成更多的空穴，花椒细胞壁破裂加剧[26]，使得树脂溶出速率加快。但当超声功率超过180 W时，树脂麻度下降，是因为超声的空化效应达到饱和，加强了超声波的散射和衰减，从而抑制了超声的空化效果，使得树脂的有效成分难以提出[27-28]。因此，选取超声功率为180 W。

2.2 正交试验

2.2.1 直观法分析正交试验结果

根据单因素试验结果，以原料粒度(A)、料液比(B)、乙醇体积分数(C)、超声时间(D)、超声功率(E)为因素，以花椒树脂提取率(Y1)、麻度等级(Y2)为考察指标，设计五因素四水平正交试验L16(45)，优化花椒树脂提取工艺条件。正交试验因素与水平见表5，正交试验设计与结果见表6。

表5 正交试验因素与水平

表6 正交试验设计与结果

由表6可知，影响花椒树脂提取率的因素主次顺序为乙醇体积分数>原料粒度>料液比>超声功率>超声时间，最优工艺组合是A4B4C2D3E1。以花椒树脂麻度等级为评价指标，影响因素的主次顺序是超声功率>原料粒度=料液比=乙醇体积分数>超声时间，最优工艺组合是A4B2C3D4E3。对两个指标直观分析得到的最优工艺组合不一致，因此将采用矩阵分析法进一步分析正交试验结果。

2.2.2 矩阵分析法优化分析

2.2.2.1 建立花椒树脂提取率及麻度等级的层矩阵M

本试验考察指标均为越大越好，根据定义建立考察指标层矩阵M；M1、M2分别为花椒树脂提取率和麻度等级的层矩阵。

2.2.2.2 建立花椒树脂提取率及麻度等级的因素层矩阵F

根据因素层矩阵F的定义，本试验建立F1为花椒树脂提取率因素矩阵、F2为花椒树脂麻度等级因素矩阵。

2.2.2.3 建立花椒树脂提取率及麻度等级水平层矩阵L

根据水平层矩阵L定义，分别建立花椒树脂提取率和花椒树脂麻度等级的水平层矩阵L1、L2。

2.2.2.4 建立花椒树脂提取率及麻度等级的权矩阵β及总权矩阵Y

由矩阵分析结果可知，原料粒度A在A4条件时权重最大，料液比B为B4所占权重最大，乙醇体积分数C权重比例最大为C2，超声时间D是D4权重最大，超声功率E最大权重条件是E3。因此，花椒树脂提取最佳工艺组合为A4B4C2D4E3，且根据A4、B4、C2、D4、E3的权重值可知，影响花椒树脂提取率和花椒麻度等级的因素主次顺序为C>E>A>B>D。

在考虑2个指标的情况下，矩阵分析法分析结果显示，最优的花椒树脂提取工艺条件为原料粒度100目、料液比1∶12、乙醇体积分数55%、超声时间20 min、超声功率240 W。

2.2.3 综合平衡法优化分析(见表7)

由表7可知，在考虑两个指标的情况下，综合平衡法分析结果显示最优的树脂提取工艺组合为A4B4C2D4E3。结果表明，综合平衡法的最优工艺条件与矩阵分析法的结果一致。

表7 综合平衡法优化工艺参数

2.2.4 验证试验

通过综合平衡法和矩阵分析法对正交试验的结果分析，得到最佳工艺条件为原料粒度100目、料液比1∶12、乙醇体积分数55%、超声时间20 min、超声功率240 W，在该条件下进行3次平行试验，花椒树脂提取率为25.05%，花椒树脂麻度等级为6级。

3 结 论

以花椒饼为原料提取花椒树脂，在单因素试验的基础上进行正交试验，对正交试验结果采用矩阵分析法和综合平衡法进行分析，得到最优的花椒树脂提取工艺条件为原料粒度100目、料液比1∶12、乙醇体积分数55%、超声时间20 min、超声功率240 W，该条件下花椒树脂提取率为25.05%，花椒树脂麻度等级为6级。

对比矩阵分析法和综合平衡法对花椒树脂提取工艺优化的分析结果，两种方法最优提取工艺一致，说明矩阵分析法适用于花椒树脂提取工艺优化。矩阵分析法分析过程严谨，计算结果具有高说服力和准确性，尤其在处理多指标优化试验时，运用计算机进行编程，可以准确、快速地得到各因素对考察指标的影响程度。