響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油的工藝研究

李 超 王乃馨 鄭 義 陳 華 史 勇

響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油的工藝研究

李 超 王乃馨 鄭 義 陳 華 史 勇

(徐州工程學(xué)院食品工程學(xué)院，徐州 221008)

優(yōu)化了超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油的工藝參數(shù)，并利用掃描電鏡從微觀角度解釋了最佳得率的獲得，然后和其他提取方法進(jìn)行了對(duì)比，最后測(cè)定了油的理化性質(zhì)。結(jié)果表明:超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油最佳工藝參數(shù)為液料比10．4 mL/g，微波時(shí)間177 s和微波功率326 W，此時(shí)苘麻籽油得率為22．33%;超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和微波的熱效應(yīng)造成了生物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體的斷裂與破碎，這解釋了超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油效率高的原因;與其他提取方法相比，超聲波協(xié)同微波提取時(shí)間短，得率高;苘麻籽油的相對(duì)密度為0．907 8，折光指數(shù)為 1．477，皂化值為 200．74 mgKOH/g，酸值為 0．447 mgKOH/g，過(guò)氧化值為1．076 2 mmol/kg。

超聲波協(xié)同微波提取 苘麻籽油 響應(yīng)曲面法 掃描電鏡 理化性質(zhì)

苘麻(Abutilon theophrasti Medic．)屬于錦葵科苘麻屬一年生草本植物，主產(chǎn)于四川，河南，江蘇，湖北。全草味苦，性平，能解毒、祛風(fēng)，治痢疾、中耳炎、耳鳴、耳聾、關(guān)節(jié)酸痛等疾?。?］。苘麻籽性味甜，無(wú)毒，能清熱利濕、解毒、退翳，用于治療赤白痢疾、淋病澀痛、癰腫目翳、瘰疬［2－3］。苘麻籽主要有效成分之一為苘麻籽油，其傳統(tǒng)提取方法通常有索氏提取法和有機(jī)溶劑提取法等，這些傳統(tǒng)方法的最大缺點(diǎn)就是耗時(shí)長(zhǎng)，超聲波協(xié)同微波提取作為一種優(yōu)良的提取方法，具有操作簡(jiǎn)便快捷、提取時(shí)間短、提取率高等特點(diǎn)，目前己廣泛應(yīng)用在生物活性物質(zhì)的提取方面［4－6］。試驗(yàn)采用超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油，探索提取的最佳工藝參數(shù)，旨在為其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與利用提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1．1 原料與試劑

苘麻籽:安國(guó)市神禾中藥材飲片有限責(zé)任公司，粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43．6%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12．5%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6．3%。其余試劑均為分析純。

1．2 儀器與設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩:浙江上虞華美儀器紗篩廠;風(fēng)選中藥粉碎機(jī):山東省青州市精誠(chéng)機(jī)械制造有限公司;FA2104N電子分析天平:上海精密科學(xué)儀器有限公司;CW－2000型超聲－微波協(xié)同萃取儀:上海新拓分析儀器科技有限公司;SENCO R201L旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海申生科技有限公司;XMT－152電熱恒溫干燥箱:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;SHJM－1數(shù)顯恒溫?cái)嚢桦姛崽?山東省鄄城現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)儀器廠;索氏提取器;數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;SX－40掃描電子顯微鏡:日本日立公司。

1．3 方法

1．3．1 超聲波協(xié)同微波提取

苘麻籽粉碎后過(guò)80目篩，稱取約5 g置于100 mL三角瓶中，加入一定體積的提取劑，提取一定時(shí)間后加入無(wú)水Na2SO4，過(guò)濾，蒸發(fā)濃縮后稱量。提取時(shí)將超聲波處于開(kāi)始狀態(tài)。

1．3．2 工藝設(shè)計(jì)

1．3．2．1 單因素試驗(yàn)

分別以不同的提取劑種類、液料比、提取時(shí)間和微波功率對(duì)苘麻籽油得率的影響。

1．3．2．2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取液料比、微波時(shí)間和微波功率3個(gè)影響因素，采用3因素3水平的響應(yīng)曲面分析方法，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。共15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn):其中12個(gè)為析因點(diǎn)，3個(gè)為中心點(diǎn)。

表1 因素水平表

設(shè)該模型通過(guò)最小二乘法擬合的二次多項(xiàng)方程為:

1．3．3 掃描電子顯微鏡分析

取苘麻籽原樣及超聲波協(xié)同微波提取后的樣品，經(jīng)過(guò)低溫干燥，噴金，在電子掃描顯微鏡下抽真空進(jìn)行電子掃描觀察拍照。加速電壓:10．0 kV，分辨率為6 nm，放大倍數(shù)為1 200。

1．3．4 其他提取方法

1．3．4．1 索氏提取

苘麻籽粉碎后過(guò)80目篩，稱取約5 g，用濾紙包好，放入250 mL索氏提取器中，加入乙酸乙酯150 mL，在60℃水浴中恒溫6 h后加入無(wú)水Na2SO4，過(guò)濾，蒸發(fā)濃縮后稱量。

1．3．4．2 熱回流提取

苘麻籽粉碎后過(guò)80目篩，稱取約5 g，放置于500 mL圓底燒瓶中，加入乙酸乙酯200 mL，在60℃水浴中提取2 h后加入無(wú)水Na2SO4，過(guò)濾，蒸發(fā)濃縮后稱量。

1．3．5 理化性質(zhì)測(cè)定

測(cè)定最優(yōu)工藝條件下提取的瓜蔞籽油的理化指標(biāo)，具體指標(biāo)如下:折光指數(shù)，參考 GB/T 5527—1985;相對(duì)密度，參考GB/T 5526—1985;皂化值，參考GB/T 5534—2008;酸值，參考 GB/T 5530—2005;過(guò)氧化值，參考GB/T 5538—2005。

2 結(jié)果與分析

2．1 單因素試驗(yàn)

2．1．1 提取劑種類的影響

作為提取油的理想溶劑應(yīng)具有以下特性:對(duì)油的溶解性好、選擇性好，性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛。苘麻籽油的提取屬于固-液萃取過(guò)程，提取效果主要由原料顆粒度和溶劑的性質(zhì)決定。從圖1可知，乙酸乙酯的出油率最高，為20．11%;正己烷次之，為19．65%;乙醚最低，為16．27%。乙酸乙酯的出油率最高，同時(shí)其毒性較低，因此選用乙酸乙酯為苘麻籽油的提取劑。

圖1 提取劑種類對(duì)得率的影響

2．1．2 液料比的影響

由圖2可知，提取劑的增加，有利于油的溶出，這是因?yàn)槿軇┖驮祥g的濃度差越大，其提取效率就越高，目標(biāo)物質(zhì)就越容易溶出，然而在液料比增加到10之后，油的得率變化不大，表明提取基本完全，為節(jié)省后續(xù)處理時(shí)間，選擇液料比為10。

圖2 料比對(duì)得率的影響

2．1．3 微波時(shí)間的影響

圖3 微波時(shí)間對(duì)得率的影響

由圖3可知，在微波時(shí)間為180 s之前，苘麻籽油不能充分的轉(zhuǎn)移到溶液中，隨著微波時(shí)間的增加，油的含量增加，在180 s時(shí)達(dá)到峰值;之后，繼續(xù)增加時(shí)間，苘麻籽油得率明顯下降，這可能是因?yàn)殡S著微波時(shí)間的增加，溫度急劇升高，導(dǎo)致油分解或揮發(fā)所致［7］，故選擇微波時(shí)間為 180 s。

2．1．4 微波功率的影響

由圖4可知，隨著微波功率的增加，物質(zhì)的加熱程度隨著增加，油也能夠較容易地被提取出來(lái)，即得率增加;在微波功率達(dá)到350 W之后，油得率有減少的趨勢(shì)，這可能是由于高微波功率導(dǎo)致的熱效應(yīng)使油分解或揮發(fā)所致［7］，故選擇微波功率為350 W。

圖4 微波功率對(duì)得率的影響

2．2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2，利用 Design expert V7．0．0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到苘麻籽油得率對(duì)以上3個(gè)因素的2次多項(xiàng)回歸模型為:

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析結(jié)果

由該模型的方差分析表3可知:模型具有高度的顯著性(P ＜0．01)，失擬項(xiàng)(P ＞0．05)不顯著以及和 S/N(信噪比)為 14．331 遠(yuǎn)大于 4，可知回歸方程擬合度和可信度均很高，試驗(yàn)誤差較小，故可用此模型對(duì)超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油的工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。同時(shí)又由表3中p值可知:模型的1次項(xiàng) x1(P ＜0．05)和 x3(P ＜0．05)顯著、x2(P ＞0．05)不顯著;交互項(xiàng) x1x2(P ＜0．01)和x2x3(P ＜0．01)極顯著，x1x3(P ＞0．05)不顯著;2次項(xiàng)都極顯著，表明各影響因素對(duì)苘麻籽油得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。為進(jìn)一步確定最佳提取工藝參數(shù)，對(duì)所得方程進(jìn)行逐步回歸，刪除不顯著項(xiàng)，然后求一階偏導(dǎo)，并令其為0，可得最佳工藝參數(shù)為液料比 10．4 mL/g，微波時(shí)間 177 s和微波功率326 W，此時(shí)苘麻籽油得率為22．29%。為檢驗(yàn)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化出的工藝參數(shù)提取3次，實(shí)際測(cè)得的平均得率為22．33%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差約為0．2%。因此，基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的最佳工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2．3 提取前后苘麻籽細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的比較

掃描電鏡(SEM)可以揭示物質(zhì)的微細(xì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較提取前后苘麻籽細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的不同，進(jìn)而可以揭示提取的機(jī)制。圖5為未經(jīng)過(guò)任何處理苘麻籽原樣的SEM圖，圖6經(jīng)過(guò)超聲波協(xié)同微波處理的苘麻籽粕樣品的SEM圖。

顯然，經(jīng)過(guò)超聲波協(xié)同微波提取前后的苘麻籽粕細(xì)胞組織形貌差異較大。在進(jìn)行超聲波協(xié)同微波提取之前，苘麻籽粕組織細(xì)胞呈表面光滑、無(wú)折痕或裂痕(圖5)。而經(jīng)過(guò)超聲波協(xié)同微波提取處理之后的苘麻籽粕殘?jiān)砻姘l(fā)生扭曲，出現(xiàn)不規(guī)則褶皺，表面積增大，細(xì)胞呈擴(kuò)張狀態(tài)，有了層層斷裂面(圖6)，這大大加速了苘麻籽油的溶出速率，此時(shí)苘麻籽油的溶出徹底，得率達(dá)到最大值。超聲波協(xié)同微波提取破壁普遍被認(rèn)為主要是微波的熱效應(yīng)及超聲波的空化效應(yīng)，這證實(shí)了Pare等［8］提出的微波作用機(jī)理與分子水平的細(xì)胞破壁作用有關(guān)，同時(shí)也解釋了超聲波協(xié)同微波提取效率高的原因。

2．4 不同提取方法比較

由表4可知，超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油得率是索氏提取的98．98%，而比熱回流提取提高20．18%;但是超聲波協(xié)同微波提取的提取時(shí)間卻僅僅177 s，而其他提取方法則需要2 h，提取時(shí)間大大縮短。由此可知，超聲波協(xié)同微波提取是一種非常有效地提取苘麻籽油的方法。2．5 理化指標(biāo)

表4 不同提取方法得率的比較

苘麻籽油的相對(duì)密度為 0．907 8，折光指數(shù)為 1．477，皂化值為 200．74 mgKOH/g，酸值為0．447 mgKOH/g，過(guò)氧化值為 1．076 2 mmol/kg。

3 結(jié)論

3．1 利用Design-Expert試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)響應(yīng)面法建立了超聲波協(xié)同微波提取苘麻籽油的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化出最佳提取工藝參數(shù)為:液料比10．4 mL/g，微波時(shí)間177 s和微波功率326 W，此時(shí)苘麻籽油得率為22．33%。

3．2 微波的熱效應(yīng)及超聲波的空化效應(yīng)造成了苘麻籽粕殘?jiān)砻姘l(fā)生扭曲，出現(xiàn)不規(guī)則褶皺，表面積增大，細(xì)胞呈擴(kuò)張狀態(tài)，出現(xiàn)了層層斷裂面，這大大加速了苘麻籽油的溶出速率，此時(shí)苘麻籽油的溶出徹底，得率達(dá)到最大值。

3．3 通過(guò)超聲波協(xié)同微波提取與其他提取方法的比較，結(jié)果表明，超聲波協(xié)同微波提取是一種非常有效的提取苘麻籽油的方法。

3．4 苘麻籽油的相對(duì)密度為0．907 8，折光指數(shù)為1．477，皂化值為 200．74 mgKOH/g，酸值為 0．447 mgKOH/g，過(guò)氧化值為 1．076 2 mmol/kg，苘麻籽油可作為一種高品質(zhì)的食用油進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。

［1］江蘇新醫(yī)學(xué)院．中藥大辭典:上冊(cè)［M］．上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1977

［2］新疆維吾爾自治區(qū)革命委員會(huì)衛(wèi)生局．新疆中草藥［M］．烏魯木齊:新疆人民出版社，1975

［3］國(guó)家藥典委員會(huì)．中華人民共和國(guó)藥典［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005

［4］Zhang Lianfu，Liu Zelong．Optimization and comparison of ultrasound/microwave assisted extraction(UMAE)and ultrasonic assisted extraction(UAE)of lycopene from tomatoes［J］．Ultrasonics Sonochemistry，2008，15:731 －737

［5］李姣姣，李超．了哥王總黃酮的超聲波協(xié)同微波提取工藝及其抗氧化活性研究［J］．食品科學(xué)，2010，31(16):101 －105

［6］李超，王乃馨，王衛(wèi)東，等．超聲波協(xié)同微波提取丁香揮發(fā)油的研究［J］．糧油加工，2009(10):56－60

［7］蔡友華，范文霞，劉學(xué)銘，等．超聲－微波協(xié)同萃取巴西蟲(chóng)草菌絲體中甘露醇的研究［J］．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(4):348－354

［8］Pare JR J，Signomin M，Lapointe J．Microwave － assisted natural products extraction:US Patent．5002784［P］．1991 － 03－26．

Optimizationof Ultrasonic-Microwave Synergistic Extraction of Oil from Semen Abutili by Response Surface Methodology

Li Chao Wang Naixin Zheng Yi Chen Hua Shi Yong
(College of Food Engineering，Xuzhou Institute of Tech－nology，Xuzhou 221008)

Firstly the ultrasonic-microwave synergistic extraction(UMSE)parameters of oil from Semen Abutili were optimizated．And then the acquirement of the optimal extraction yield(EY)was interpreted with the scanning electron micrograph(SEM)in microscopic view．The effects of UMSE and other extraction techniques were compared．At last，physical and chemical properties of Semen Abutili oil were determined according to national standards．The result showed that the UMSE parameters were solvent to material ratio 10．4 mL/g，extraction time 177 s and microwave power 376 W and EY was 22．33%under these extraction conditions．The crack of cell wall and the disruption of tissue structure were caused by cavitation effect and mechanical effect of ultrasonic and thermal effect of microwave，which interpreted the acquirement of the optimal EY．Compared with other extraction techniques，UMSE had higher yield and shorter extraction time．The relative density of Semen Abutili oil was0．907 8，refractive indexes was 1．477，saponification value was 200．74 mgKOH/g，acid value was 0．447 mgKOH/g and peroxide value was 1．076 2 mmol/kg．

ultrasonic-microwave synergistic extraction，Semen Abutili oil，response surface methodology，scanning electron micrograph，physical and chemical properties

TS255．36

A

1003－0174(2011)07－0048－05

2010－07－20

李超，男，1978年出生，講師，博士，天然產(chǎn)物化學(xué)及食品加工