落葉松毛蟲蛹油超聲波振蕩輔助萃取方法優(yōu)化1)

馬 玲 胡禮禹

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

馬 偉

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué))

落葉松毛蟲(Dendrolimus superans(Butler))是鱗翅目(Lepidoptera)枯葉蛾科(Lasiocampidae)松毛蟲屬(Dendrolimus)的昆蟲，國內(nèi)外均有分布。幼蟲食性較廣，主要食害針葉，暴發(fā)時(shí)吃光針葉。落葉松毛蟲蛹個(gè)體較大(長40～60 mm)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，同一種昆蟲中脂肪含量以蛹、幼體和越冬期為高。許多昆蟲的蛹現(xiàn)在都已被證實(shí)是可以食用的高營養(yǎng)食物［1－3］。落葉松毛蟲是一類資源量很大的昆蟲，且其繁殖能力很強(qiáng)，長期以來對它的研究著重于防治方面。近年來，松毛蟲作為一類潛在的生物資源受到了人們的重視［4－6］。

以往對昆蟲蛹油的研究多集中在蠶蛹油的的提取方面，如溶劑萃?。?］、超臨界 CO2萃?。?－9］等。蔣艷忠［10］和張郁松［11］分別對蠶蛹油的溶劑萃取法與超臨界二氧化碳萃取法做了比較研究，結(jié)果均表明超臨界二氧化碳萃取法萃取的蠶蛹油得率和品質(zhì)均優(yōu)于溶劑萃取法，但超臨界二氧化碳萃取法對設(shè)備要求高、耗能大，工業(yè)生產(chǎn)成本較高。超聲波輔助萃取法已在許多天然產(chǎn)物提取上得到廣泛研究與應(yīng)用［12－14］，但有關(guān)東北落葉松毛蟲蛹油萃取方面的研究還未見報(bào)道。筆者利用響應(yīng)曲面法建立超聲波振蕩輔助萃取落葉松毛蟲蛹油的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化得到超聲輔助萃取蛹油的最佳萃取工藝。旨在為工業(yè)化萃取落葉松毛蟲蛹油及蛹油在儲(chǔ)存和加工方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試蟲:落葉松毛蟲蛹于2009年7月采自齊齊哈爾市甘南縣林業(yè)局的下屬林場。

蛹油的提取:挑選出個(gè)體好的蛹，去掉蛹的繭殼，放在恒溫烘箱中(60±1)℃烘干、粉碎，存于棕色瓶中備用。以萃取溶劑法在設(shè)定的條件下超聲振蕩萃法取萃取落葉松毛蟲蛹油，靜置40 min，3 000 r/min離心10 min，上清液40℃減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收溶劑，即得落葉松毛蟲粗蛹油。蛹油得率=蛹油質(zhì)量/蛹粉質(zhì)量×100%。

響應(yīng)曲面法優(yōu)化提取蛹油二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型的建立:根據(jù)單因子試驗(yàn)結(jié)果，采用Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取超聲波功率、超聲輔助提取時(shí)間、超聲提取溫度3個(gè)影響因子，在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用3因素3水平的響應(yīng)曲面分析方法，按方程Xi=(xi－X0/ΔX)對自變量進(jìn)行編碼(表 1)，其中，xi為變量的編碼值，Xi為變量的真實(shí)值，X0為試驗(yàn)中心點(diǎn)變量的真實(shí)值，ΔX為變量的變化步長，蠶蛹油得率Y為響應(yīng)值。采用多元回歸設(shè)計(jì)方法，擬合二次多項(xiàng)模型的Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波振蕩輔助萃取單因子試驗(yàn)

提取溶劑的選擇:以正己烷、石油醚、乙醚、乙酸乙酯為提取溶劑，落葉松毛蟲蛹油得率分別為25.76%、25.65% 、24.23%、25.25%?？梢?，正己烷的得率最高，其次為石油醚。雖然石油醚的得率不是很高，但是考慮到工業(yè)應(yīng)用石油醚價(jià)格更便宜，而且石油醚的回收量都比其他3種溶劑大，因此選用石油醚為提取劑。

表1 中心組合試驗(yàn)Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因子和水平

料液比對蛹油得率的影響:以石油醚為提取劑、超聲功率100 W、超聲時(shí)間20 min、超聲溫度40℃條件下，料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50時(shí)，蛹油得率分別為25.31% 、27.38% 、27.82%、28.25%、28.24%。得率隨料液比的增加而增加，當(dāng)料液比升高到1∶40以后達(dá)平衡，再增加溶劑用量只能造成浪費(fèi)，且回收成本增大，因此，選擇料液比為1∶40為宜。

超聲功率對蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲時(shí)間20 min、超聲溫度40℃的條件下，超聲功率分別為20、40、60、80、100 W 時(shí)，蛹油得率分別為 22.89%、24.49%、24.47%、24.56%、24.10%。當(dāng)超聲功率在 60 W時(shí)，蛹油得率達(dá)到最大值。蛹油得率隨超聲功率的升高先升高后降低，這可能是由于超聲功率低于60 W時(shí)增大超聲強(qiáng)度使得物料與石油醚的作用增強(qiáng)，得率增加;當(dāng)功率大于60 W時(shí)得率下降。資料顯示［15－16］，超聲波具有無選擇性的破壞作用。在高功率的條件下，空化作用不僅破碎了細(xì)胞壁，也破壞了欲提取物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，造成得率下降。

超聲時(shí)間對蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲功率60 W、超聲溫度40℃的條件下，超聲時(shí)間分別為 10、20、30、40、50 min時(shí)，蛹油得率分別為 22.83%、26.77%、31.26%、25.96%、25.84%，可見，超聲時(shí)間為 20 min 時(shí)得率最高，時(shí)間太短作用不充分，時(shí)間太長可能由于溶劑揮發(fā)較嚴(yán)重使得率降低。

超聲溫度對蠶蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲功率60 W、超聲時(shí)間20 min 的條件下，超聲溫度分別為 20、30、40、50、60 ℃時(shí) ，蛹油得率為24.29% 、25.10% 、29.53% 、27.88%、25.67%?？梢?，超聲溫度40℃時(shí)得率最高，溫度升高有利于蠶蛹油的萃取，但溫度過高，溶劑揮發(fā)嚴(yán)重，得率降低。

2.2 響應(yīng)曲面法提取蛹油的工藝參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果及其預(yù)測值

石油醚為提取溶劑、料液比為1∶40時(shí)，超聲波輔助提取蛹油的試驗(yàn)結(jié)果及其預(yù)測值見表2。利用Design－Expert7.1.6軟件對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得超聲波提取蛹油得率對自變量超聲功率(A)、超聲時(shí)間(B)和超聲溫度(C)的二次多項(xiàng)回歸模型方程為:Y=26.69 －0.30A －0.13B+0.92C －0.07AB+0.69AC+0.21BC+0.34A2－0.092B2+0.02C2，其中 Y為蛹油得率的預(yù)測值，－1、0、1 分別為 A、B、C 3 個(gè)自變量的編碼值。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3可見，二次多項(xiàng)回歸模型不顯著(P＞0.01)，失擬項(xiàng)顯著(P ＜0.05)，說明該模型是不合適的。模型的校正決定系數(shù)R2=－0.838 7，說明該模型不可以解釋響應(yīng)值的變化，相關(guān)系數(shù)R=0.442 3，說明該模型擬合程度不好，試驗(yàn)誤差大，模型不合適。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果

從表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，各項(xiàng)均不顯著。但是可以看出各因子對得率影響的由大到小順序?yàn)?超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)、超聲功率(A)。

表4 回歸方差系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析和優(yōu)化

回歸方程的響應(yīng)曲面及其等高圖見圖1－圖3。從圖1可以看出，在超聲時(shí)間為最佳值(C=30 min)時(shí)，超聲功率和超聲時(shí)間溫度2因素的交互作用不顯著。超聲功率在20～90 W時(shí)，蛹油得率變化不規(guī)則;隨著溫度的增加，得率變化也不規(guī)則。

圖2顯示了在超聲溫度為最佳值(B=40℃)時(shí)，超聲時(shí)間和超聲功率2因子交互作用不顯著。超聲功率為40～80 W時(shí)，蛹油的得率呈減少趨勢，在80～100 W時(shí)，得率突然增加，說明模型設(shè)計(jì)有問題;而隨著時(shí)間的增加，得率呈明顯的遞增趨勢。

圖1 超聲功率(A)、超聲溫度(B)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應(yīng)面和等高線

圖2 超聲功率(A)、超聲時(shí)間(C)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應(yīng)面和等高線

圖3顯示了在超聲功率為最佳值(A=60 W)時(shí)，在試驗(yàn)水平范圍之內(nèi)，超聲時(shí)間和超聲溫度2因子交互作用不顯著。溫度在30～50℃范圍內(nèi)，蛹油的得率呈減少趨勢，但變化不大;隨著時(shí)間的增加，蛹油得率呈遞增趨勢，變化也不大。

2.2.3 優(yōu)化條件下超聲波提取蛹油得率

在響應(yīng)曲面法優(yōu)化的工藝參數(shù)，即超聲功率80.8 W、超聲時(shí)間 29.9 min、超聲溫度 40.8 ℃條件下，蛹油得率的理論值為29.64%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法優(yōu)化結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件提取蛹油，考慮實(shí)際操作的便利性，將條件優(yōu)化為:超聲功率80 W，超聲時(shí)間30 min，超聲溫度40℃，在此條件下蛹油實(shí)際得率的平均值為26.81%，與理論預(yù)測值相比，其相對誤差小于1%，因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.3 超聲輔助萃取蛹油理化性質(zhì)

超聲波輔助萃取的蛹油與單純?nèi)軇┹腿》ㄝ腿〉挠加吞崛÷始捌焚|(zhì)差異見表5。與單純?nèi)軇┹腿》ㄏ啾?，超聲波輔助萃取蛹油的得率大為提高，由24.46%提高到27.17%，且提取時(shí)間由2h縮短到1 h，萃取的蛹油品質(zhì)與單純?nèi)軇┹腿》ㄝ腿〉挠加推焚|(zhì)相當(dāng)。

圖3 超聲時(shí)間(B)、超聲溫度(C)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應(yīng)面和等高線

表5 溶劑萃取法與超聲波輔助萃取法萃取的蠶蛹油差異

3 結(jié)論與討論

超聲波提取技術(shù)作為一種新的提取分離技術(shù)進(jìn)入了油脂工業(yè)，Zhang等［12］利用超聲波輔助萃取亞麻籽油，Zhang等［13］利用超聲波輔助萃取杏仁油，李林強(qiáng)等［14］利用超聲波輔助萃取華山松籽油等都取得了良好的效果。超聲波對油脂萃取分離的強(qiáng)化作用主要源于其空化效應(yīng)，而超聲空化又引起了湍動(dòng)效應(yīng)、聚能效應(yīng)、微擾效應(yīng)和界面效應(yīng)，因而超聲波可強(qiáng)化萃取分離過程的傳質(zhì)速率和效果，從而有利于油脂的提取［15－16］。本試驗(yàn)利用超聲波輔助萃取落葉松毛蟲蛹油，并利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化萃取工藝。與單純?nèi)軇┹腿》ㄏ啾?，超聲波輔助萃取法顯著提高了提取率，縮短了提取時(shí)間。原因可能是由于超聲波產(chǎn)生空化作用加快了物料界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散，使細(xì)胞中的油脂加速滲透出來，伴隨著空化作用的同時(shí)，還有機(jī)械振動(dòng)作用、擊碎作用、化學(xué)效應(yīng)等多種形式的作用，這些都十分有利于油脂的提?。?5］。超聲輔助萃取法萃取的落葉松毛蟲蛹油的酸價(jià)稍低于溶劑萃取法萃取的落葉松毛蟲蛹油酸價(jià)，可能是由于萃取時(shí)間較短，脂肪酸酸解較少的緣故［17］。

超聲波輔助萃取落葉松毛蟲蛹油比單純?nèi)軇┹腿》ㄌ崛÷拭黠@提高，提取時(shí)間顯著縮短，所提油脂品質(zhì)良好。經(jīng)RMS優(yōu)化的工藝條件為:超聲功率80 W，超聲時(shí)間30 min，超聲溫度40℃，在此條件下蛹油實(shí)際得率的平均值為26.81%。

［1］毛平生，吳繁強(qiáng)，杜賢明，等.蠶蛹綜合利用綜述［J］.蠶桑茶葉通訊，2007(4):1－4.

［2］Riediger N D，Othman R A，Suh M，et al.A systemic review of the roles of n-3 fatty acids in health and disease［J］.American Dietetic Association，2009，109(4):668 －679.

［3］Loria R M，Padgett D A.α-Linolenic acid prevents the hypercholesteremic effects of cholesterol addition to a corn oil diet［J］.Nutritional Biochemistry，1997，8(3):140 －146.

［4］李林強(qiáng)，李建科.華山松籽油的成分分析及其抗氧化的研究［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2003，23(10):1788 －1791.

［5］Liu G Q，Zhang K C，Wang X L.Advances in insects as food resources in China［C］//In The 5th international conference on food science＆ technology proceedings(Volume II).Beijing:Chinese Books Press，2003:263 －266.

［6］劉高強(qiáng)，魏美才，王曉玲.松毛蟲資源開發(fā)及其資源化管理的初步設(shè)想［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(4):119 －123.

［7］張迎慶，余東霞，鐘曉凌，等.溶劑萃取法提取蠶蛹油研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2003(8):47－49.

［8］羅倉學(xué)，張廣棟，顏澤勤.蠶蛹油超臨界二氧化碳萃取研究［J］.糧食與油脂，2005(10):18 －19.

［9］王浩，鄭明珠，劉景圣，等.超臨界CO2萃取蠶蛹油工藝條件的研究［J］.食品科學(xué)，2007，28(7):109 －111.

［10］蔣艷忠.蠶蛹油的提取研究［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2008，37(7):46 －48，50.

［11］張郁松.蠶蛹油超臨界萃取與有機(jī)溶劑萃取的比較研究［J］.糧油加工，2009(2):45－46.

［12］Zhang Zhenshan，Wang Lijun，Li Dong，et al.Ultrasound-assisted extraction of oil from flaxseed［J］.Separation and Purification Technology，2008，62(1):192 －198.

［13］Zhang Qingan，Zhang Zhiqi，Yue Xuanfeng，et al.Response surface optimization of ultrasound-assisted oil extraction from autoclaved almond powder［J］.Food Chemistry，2009，116(2):513－518.

［14］李林強(qiáng)，李建科，劉迎利.超聲波處理提取華山松籽油的研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，31(5):115－117.

［15］胡愛軍，丘泰球，劉石生，等.物理場強(qiáng)化油脂浸出技術(shù)［J］.中國油脂，2002，27(3):10 －13.

［16］郭孝武.超聲波技術(shù)在油脂加工提取中的應(yīng)用［J］.中國油脂，1996，21(5):36 －37.

［17］吳曉霞，李建科，張研宇.蠶蛹油超聲波輔助萃取及其抗氧化穩(wěn)定性［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43(8):1677 －1687.