側柏籽油的超聲輔助提取及其脂肪酸組成分析

麻成金，吳竹青，黃 偉，肖卓炳，黃 群

(1.林產(chǎn)化工工程湖南省重點實驗室，湖南 張家界 427000；2.吉首大學 食品科學研究所，湖南 吉首 416000)

側柏籽油的超聲輔助提取及其脂肪酸組成分析

麻成金1,2，吳竹青2，黃 偉2，肖卓炳1，黃 群2

(1.林產(chǎn)化工工程湖南省重點實驗室，湖南 張家界 427000；2.吉首大學 食品科學研究所，湖南 吉首 416000)

以環(huán)己烷為提取溶劑，采用響應面法(RSM)優(yōu)化超聲波輔助提取側柏籽油的工藝條件，在單因素試驗基礎上，選取液料比、提取時間、提取溫度、超聲波功率為影響因素，以側柏籽油提取率為響應值，應用中心組合試驗設計(central composite design，CCD)建立數(shù)學模型，進行響應面分析，并采用GC-MS測定側柏籽油的脂肪酸組成。結果表明，提取側柏籽油的優(yōu)化工藝條件為：液料比7:1(mL/g)、提取時間38min、提取溫度55℃、超聲波功率270W，在此工藝條件下，側柏籽油提取率為93.47%；GC-MS測定結果表明側柏籽油中富含不飽和脂肪酸，總含量達到84.37%，其中油酸、亞油酸和亞麻酸的含量分別為28.41%、11.40%和44.56%。

側柏籽油；超聲波輔助提??；工藝條件；響應面分析；氣相色譜-質譜分析

側柏(Biota orientalis (L.) Endl.)為柏科側柏屬常綠喬木，側柏球果每年9～10月份成熟，為闊卵形，近熟時藍綠色被白粉，種鱗木質，紅褐色，種鱗4對，熟時張開，背部有一反曲尖頭，種子脫出，種子卵形，灰褐色，無翅，有棱脊[1]。目前，國內外對側柏的研究主要集中在其生物學特性、種子的特性及發(fā)芽技術、苗木的種植技術以及葉揮發(fā)油提取和組分測定、種子脂肪酸組成初步分析等[1-2]，側柏籽油可作為功能性植物油脂或高檔化妝品加工原料，目前未見關于側柏籽油提取的文獻報道。

超聲輔助提取技術是一種新型的提取分離技術，利用超聲波的空化作用(破碎細胞)和機械作用(強化傳質)，使溶劑分子滲透到組織細胞中去，使細胞中可溶性成分與之接觸而更易釋放出來[3]，在提取植物油脂方面具有獨特的優(yōu)勢。本研究旨在探討影響超聲輔助提取側柏籽油的諸因素，通過單因素試驗和中心組合試驗設計(CCD)以及響應面分析對超聲輔助提取側柏籽油的工藝條件參數(shù)進行優(yōu)化，并對側柏籽油進行氣相色譜-質譜(GC-MS)分析，為側柏籽資源的利用提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

側柏籽：2009年9月中旬采摘于湖南省鳳凰縣臘爾山鎮(zhèn)，取出種籽干燥后密封保存；石油醚、環(huán)己烷、氫氧化鉀、無水硫酸鈉、甲醇等均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

KQ-250E超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器制造廠；RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；CDE-220E2多功能食品處理機 佛山市順德區(qū)歐科電器有限公司；HH.S精密恒溫水浴鍋 江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠；GZX-9146MBE電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；JA2003電子天平 上海民橋精密科學儀器有限公司；GCMS-QP2010氣-質聯(lián)用分析儀 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點

工藝流程：側柏果實→取籽→側柏籽→干燥→粉碎→過篩→超聲輔助提取→過濾→蒸發(fā)溶劑→干燥→側柏籽油。

將采摘的側柏果實堆放在陰涼通風處，待外殼開裂后，取出種籽，除雜，干燥后粉碎過篩，密封保存?zhèn)溆谩蚀_稱取一定量側柏籽粉，放入鋼化玻璃杯中按不同液料比加入提取溶劑環(huán)己烷，進行超聲波輔助提取，處理完后用抽濾法分離出混合液中固體，液體部分用旋轉蒸發(fā)儀分離環(huán)己烷，待環(huán)己烷基本揮發(fā)完后，將含油部分放在100℃的烘箱中干燥至質量恒定，稱質量，計算提取率[4-5]。

1.3.2 側柏籽油脂含量的測定

采用索氏提取法，按GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的測定》標準進行測定，實驗平行進行3次，結果以平均值表示。原料油脂的含量按如下公式計算：

1.3.3 單因素試驗

選用液料比(環(huán)己烷體積與側柏籽質量之比)、提取時間、提取溫度、超聲波功率作為考察因素，每次試驗側柏籽粉用量為50g，以側柏籽油提取率作為指標進行單因素試驗，探討各因素變化對側柏籽油提取率的影響[3-5]。

1.3.4 響應面優(yōu)化試驗

在單因素試驗基礎上，根據(jù)中心組合試驗設計(CCD)原理，選取液料比(X1)、提取溫度(X2)、提取時間(X3)和超聲波功率(X4)作為考察變量，以側柏籽油提取率(Y)為響應值，采用4因素5水平的響應面分析法，對側柏籽油的超聲輔助提取工藝參數(shù)進行優(yōu)化[7-20]。

1.3.5 側柏籽油的GC-MS分析

1.3.5.1 油脂的甲酯化處理

取側柏籽油0.35～0.4mL，加入1mol/L KOH甲醇溶液6mL，搖均勻，在40℃水浴中進行甲酯化處理2～3h后，加入正己烷6mL，搖勻并靜置一定時間，取上層液用二次蒸餾水洗滌2～3次，無水Na2SO4脫水，然后取樣進行GC-MS檢測分析[6-7]。

1.3.5.2GC-MS條件

GC條件：采用RTX-5MS型彈性石英毛細管柱(30m ×0.25m，0.25μm)；載氣為高純氦氣(99.999%)，柱前壓119.4kPa，柱內載氣流量1.3mL/min；升溫程序：從150℃開始，保持2min，以10℃/min升溫到220℃，220℃保持2min，以5℃/min升溫到280℃，280℃保持3min，汽化室溫度為250℃；進樣量為1μL。

MS條件：采用EI離子源，離子源溫度200℃，接口溫度270℃，溶劑延時3min，電子能量70eV，掃描范圍為40～550u，分辨率為1000。

2 結果與分析

2.1 側柏籽含油量測定

采用索氏提取法測定側柏籽的油脂百分含量，進行3組平行實驗，測定結果分別為7.28%、7.23%、7.30%，平均值7.27%，即本實驗所用側柏籽的油脂含量為7.27%。

2.2 單因素試驗

2.2.1 液料比對側柏籽油提取率的影響

在超聲波功率250W，提取時間20min，提取溫度45℃條件下，不同液料比對側柏籽油提取率的影響如圖1所示。

圖1 液料比對側柏籽油提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-to-material ratio on the yield of oil from Biota orientalis seed

由圖1可知，當液料比較小時，隨著溶劑用量的增加，側柏籽油提取率逐漸增大，當液料比達到8:1 (mL/g)時，提取率達到最大值，繼續(xù)增大液料比提取率略有下降。這可能是由于前期溶劑量越大，油脂浸出越完全，提取率也就越大；但當溶劑過大時，超聲能量對沉滯在底層的側柏籽顆粒的空化和機械等效應的強度減弱，從而影響超聲提取的效果，同時會造成溶劑和能源的浪費，并給后序的濃縮工作帶來困難[3]，故選擇液料比為8:1(mL/g)左右較適宜。

2.2.2 提取時間對側柏籽油提取率的影響

在液料比8:1(mL/g)，超聲波功率250W，提取溫度45℃條件下，不同提取時間對側柏籽油提取率的影響如圖2所示。

圖2 提取時間對油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the yield of oil from Biota orientalis seed

由圖2可知，隨著提取時間的延長，側柏籽油提取率不斷提高，當處理時間在20～40min之間時，提取率增加較快；當處理時間超過40min時，提取率基本不變。這可能是由于在提取過程開始時，提取液與物料中油脂濃度差很大，擴散驅動力大；隨著處理時間的延長，溶液體系的滲透壓達到了動態(tài)平衡，出油率也基本保持恒定[4-5]。綜合考慮，選擇提取時間為40min較適宜。

2.2.3 超聲波功率對側柏籽油提取率的影響

在液料比8:1(mL/g)，提取時間20min，提取溫度45℃條件下，不同超聲波功率對側柏籽油提取率的影響如圖3所示。

圖3 超聲波功率對提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasound power on the yield of oil from Biota orientalis seed

由圖3可知，隨著超聲波功率增加，側柏籽油提取率逐漸增大，在超聲波功率250W時達最高，然后隨著超聲功率的升高而略有下降。這可能是因為隨超聲波功率增大，空化作用和機械作用越強烈，分子擴散速度也就越大，油脂滲出就越快；當超聲功率過大時，熱效應導致油脂分解或揮發(fā)，使提取率略有減少[7]。故選取超聲波功率為250W較適宜。

2.2.4 提取溫度對油提取率的影響

在液料比8:1(mL/g)，超聲波頻率250W，提取時間20min條件下，不同提取溫度對側柏籽油提取率的影響如圖4所示。

圖4 提取溫度對提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of oil from Biota orientalis seed

由圖4可知，在較低溫度時，隨著提取溫度的升高，側柏籽油提取率有較大幅度地增加，提取溫度50℃時，提取率達到最大值，繼續(xù)提高提取溫度，提取率基本保持不變。綜合考慮，選取提取溫度50℃較適宜。

2.3 中心組合設計試驗及響應面法優(yōu)化提取工藝

2.3.1 模型的建立與顯著性檢驗

在單因素試驗基礎上，根據(jù)中心組合試驗設計原理，選取液料比(X1)、提取溫度(X2)、提取時間(X3)和超聲波功率(X4)作為考察變量，以側柏籽油提取率(Y)為響應值，設計4因素5水平試驗，試驗因素水平見表1，結果見表2。

表1 CCD中心組合試驗因素水平Table 1 Variables and levels in central composite design

利用SAS8.1軟件對表2中結果進行回歸擬合分析，可以得到側柏籽油提取率與超聲波處理各因素的二次多元回歸模型：

Y=93.27857-0.42625X1+0.777083X2+0.187917X3+ 0.32875X4-0.318705X12-0.133125X1X3-0.133125X1X4-0.462455X22-0.231875X2X3-0.728705X32-0.442455X42

表2 CCD試驗設計結果Table 2 Results of central composite design

表3 回歸統(tǒng)計分析表Table 3 ANOVA for the regression response surface model

對該模型進行方差分析，結果見表3。從表3可看出，模型回歸極顯著(P＜0.01)，即除X3X4項外，各變量因素對側柏籽油提取率的影響在該模型中都達到了顯著水平，回歸決定系數(shù)R2=0.9988，說明響應值的變化有99.88%來源于所選因素的變化，模型修正決定系數(shù)R2Adj=0.9977，說明該模型能解釋99.77%響應值的變化，失擬項不顯著(P＞0.05)，可知回歸方程擬合度很好，故可用此模型對超聲波輔助提取側柏籽油工藝條件的實驗結果進行分析和預測。

2.3.2 響應面分析及優(yōu)化

通過SAS8.1軟件分析，得到下面的響應面及等高線圖，見圖5～10所示，考察擬合響應曲面的形狀，分析液料比、超聲波功率、提取時間和提取溫度對側柏籽油提取率的影響。

比較圖5～10并結合表3可知：所選因素對響應值影響強弱次序為：提取溫度＞液料比＞超聲功率＞提取時間；圖7和圖8的等高線圖呈明顯的橢圓狀，說明對應兩因素之間的交互作用顯著，圖9和圖10的等高線圖呈一定的橢圓狀，說明對應的兩因素之間存在一定交互作用，但交互作用并不顯著。為確定最佳響應值的因素水平組合，對回歸方程求一階偏導并令其為0，整理得到方程組，方程組的解即因素對應的代碼值。根據(jù)代碼值轉化可得最佳理論工藝條件為：液料比7.21442:1 (mL/g)、提取時間37.585min、超聲功率274.4845W，提取溫度54.50358℃。在此最佳理論工藝條件下，側柏籽油提取率的理論預測值為93.78%。考慮實際操作性，將提取工藝參數(shù)修正為：液料比7:1(mL/g)、提取時間38min、超聲波功率270W，提取溫度55℃。

圖5 Y=f(X2,X3)的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plot showing the effects of extraction time and ultrasound power on the yield of oil from Biota orientalis seed

圖6 Y=f(X1,X3)的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plot showing the effects of liquidto-solid ratio and ultrasound power on the yield of oil from Biota orientalis seed

圖7 Y=f(X1,X4)的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plot showing the effects of liquidto-solid ratio and extraction temperature on the yield of oil from Biota orientalis seed

圖8 Y=f(X3,X4)的響應面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plot showing the effects of ultrasound power and extraction temperature on the yield of oil from Biota orientalis seed

圖9 Y=f(X1,X2)的響應面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plot showing the effects of liquidto-solid ratio and extraction time on the yield of oil from Biota orientalis seed

2.3.3 驗證實驗

對修正后的優(yōu)化工藝參數(shù)進行3組驗證性實驗，結果分別為93.67%、93.34%、93.41%，平均值為93.47%，與理論預測值僅相差0.31%。因此，采用響應面分析法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準確可靠，有較高的實用價值。

2.4 側柏籽油的GC-MS分析結果

側柏籽油經(jīng)甲酯化處理后進行GC-MS分析，測定脂肪酸組成，利用NIST05標準譜庫進行檢索，并逐個解析各峰相應的質譜圖，采用不做校正的峰面積歸一法確定各組分的相對含量。側柏籽油的脂肪酸甲酯GC-MS總離子流色譜圖見圖11，分析結果見表4。

圖11 側柏籽油脂肪酸甲酯總離子流色譜圖Fig.11 Total ion current chromatogram of fatty acids from Biota orientalis seed oil

表4 側柏籽油脂肪酸的組成及相對含量Table 4 Composition and relative content of fatty acids in Biota orientalis seed oil

由表4可知，側柏籽油中主要含有肉豆寇酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸、亞麻酸、硬脂酸6種脂肪酸，其中不飽和脂肪酸含量為84.37%，以油酸、亞油酸和亞麻酸為主。

3 結 論

以環(huán)己烷為溶劑，采用超聲波輔助技術提取側柏籽油，通過單因素試驗和中心組合設計(CCD)試驗以及響應面分析對提取工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得出優(yōu)化提取工藝條件為：液料比7:1(mL/g)、提取時間38min、超聲波功率270W，提取溫度55℃，在此工藝條件下，側柏籽油提取率為93.47%。并得到超聲波輔助提取側柏籽油工藝條件的二次多元回歸模型，該模型回歸極顯著，對實驗擬合較好，有一定應用價值。

GC-MS分析結果表明，側柏籽油中主要含有肉豆寇酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸、亞麻酸、硬脂酸等6種脂肪酸，其中不飽和脂肪酸含量高達為84.37%，以油酸、亞油酸和亞麻酸為主，具有一定的開發(fā)利用價值。

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Ultrasound-assisted Extraction and Fatty Acid Composition of Biota Orientalis Seed Oil

MA Cheng-jin1,2，WU Zhu-qing2，HUANG Wei2，XIAO Zhuo-bing1，HUANG Qun2
(1. Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering, Zhangjiajie 427000, China；2.Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China)

Oil in Biota orientalis seed was extracted using n-hexane with the assistance of ultrasound. Effects of liquid-to-material ratio, extraction time, extraction temperature and ultrasound power on the yield of oil were investigated by conducting single factor tests. Subsequently, a central composite design was employed and the results were analyzed by using response surface methodology. The optimal extraction conditions were as follows: liquid-to-material ratio 7:1 , extraction time 38 min, extraction temperature 55 ℃,ultrasound power 270 W. Under such conditions, the yield of the oil was 93.47%. Gas chromatography-mass spectrometry analysis indicated that the oil was abundant in unsaturated fatty acids, accounting for 84.37% of the total fatty acids and consisting of 28.4.1% of oleic acid , 11.40% of linoleic acid and 44.56% of linolenic acid.

Biota orientalis seed oil；ultrasound-assisted extraction；technical conditions；response surface analysis；GC-MS

TS224.4

A

1002-6630(2010)24-0050-06

2010-08-30

2009年林產(chǎn)化工工程湖南省重點實驗室開放基金項目(JDZ200902)

麻成金(1963—)，男，教授，碩士，研究方向為食物資源開發(fā)與利用。E-mail：machengjin368@126.com