響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取火麻仁油

鄧仕任，夏林波，郭 瑩

（遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，遼寧大連116600）

響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取火麻仁油

鄧仕任，夏林波*，郭 瑩

（遼寧中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，遼寧大連116600）

采用超聲波輔助溶劑提取法提取火麻仁油，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度與火麻仁油得率之間的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)該模型的響應(yīng)面分析，得出超聲波提取火麻仁油的最佳條件為：料液比1∶17（g/mL）、超聲時(shí)間27min、超聲溫度20℃，在此條件下，火麻仁油得率為33.34%。

火麻仁油，超聲波提取，響應(yīng)面法

火麻仁又名大麻仁、麻子仁，為?？浦参锎舐椋–annabis sativa L.）的干燥成熟果實(shí)[1]，是一味亦藥亦食的潤(rùn)下藥，具有潤(rùn)燥滑腸、活血之功效?；鹇槿食司哂泻芨叩乃幱脙r(jià)值以外，火麻仁中的油脂還具有很高的食用價(jià)值?；鹇槿手兄居秃考s30%，其中不飽和脂肪酸含量更是高達(dá)80%，且以兩種必需脂肪酸亞油酸和α-亞麻酸為主[2]。這些不飽和脂肪酸則被認(rèn)為具有抗氧化、清除人體內(nèi)自由基、降低低密度脂蛋白膽固醇、減少高血壓、心臟病及中風(fēng)等疾病的發(fā)病率、延緩衰老等功能[3-4]，對(duì)人類健康非常有益。美國(guó)HEMPNUT公司已將火麻仁制成高檔食用油，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。響應(yīng)面分析法（response surface analysis，RSA）是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，可用于確定各因素及其交互作用在工藝過程中對(duì)指標(biāo)（響應(yīng)值）的影響，在食品、藥品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。本實(shí)驗(yàn)以廣西巴馬地區(qū)的火麻仁為原料，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波溶劑提取火麻仁油的工藝參數(shù)，為深層次地開發(fā)利用火麻仁資源及火麻仁油的工業(yè)化生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火麻仁 產(chǎn)地為廣西壯族自治區(qū)巴馬縣；石油醚（沸程60～90℃）、正丁醇、95%乙醇、乙酸乙酯、三氯甲烷 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

AR2140電子分析天平 奧豪斯公司；舒美KQ-300DV超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華儀器有限公司；RE-52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；DZK-6020電熱真空干燥箱 金壇宏華儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 火麻仁油的超聲制備方法 將火麻仁置于50℃真空干燥箱干燥至恒重，用粉碎機(jī)粉碎過40目篩備用。精密稱取一定量的火麻仁粉末樣品，放入錐形瓶中，加入適量的溶劑進(jìn)行超聲波處理，抽濾，所得濾液50℃真空減壓濃縮，殘液置于50℃真空干燥箱干燥至恒重，得到火麻仁油，置于4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 火麻仁油得率的計(jì)算

1.2.3 火麻仁粗脂肪的含量測(cè)定 精密稱取干燥的火麻仁樣品粉末約2g，置于索氏提取器中，以無水乙醚為提取溶劑，于80℃水浴中回流提取8h。收集提取液，減壓回收溶劑，殘液置于50℃真空干燥箱干燥至恒重，得到火麻仁粗脂肪。該測(cè)定過程平行測(cè)定3次，取其平均值計(jì)算粗脂肪的含量。

1.2.4 超聲法提取火麻仁油的單因素實(shí)驗(yàn) 稱取3.0g的火麻仁粉末以51mL石油醚作為提取溶劑，浸泡2h后在超聲功率300W的條件下，選取料液比、超聲時(shí)間及超聲溫度作為影響超聲提取火麻仁油得率的研究對(duì)象，對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行6個(gè)水平的單因素實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選最佳提取工藝參數(shù)。

1.2.5 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)，運(yùn)用Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇對(duì)火麻仁油得率影響顯著的3個(gè)因素，料液比（A）、超聲時(shí)間（B）和超聲溫度（C），做三因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 火麻仁粗脂肪的含量測(cè)定結(jié)果

3次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，火麻仁中粗脂肪含量為36.30%，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 火麻仁粗脂肪含量測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of hemp seed fat content

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

表3 不同溶劑的火麻仁油得率Table 3 Different solvent on hemp seed oil yield

2.2.1 提取溶劑的選擇 稱取3.0g的火麻仁粉末，分別采用51mL石油醚、正丁醇、95%乙醇、乙酸乙酯、三氯甲烷作為提取溶劑，浸泡2h后，在超聲溫度25℃、料液比1∶17（g/mL）、超聲時(shí)間30min、超聲功率300W的條件下，考察提取溶劑對(duì)火麻仁油提取率的影響。從表3可以看出，同等條件下采用石油醚作為溶劑，火麻仁油的提取率最高，乙醇效果最差。溶劑的極性對(duì)超聲波提取是關(guān)鍵的因素之一，合適的溶劑極性不僅能夠使細(xì)胞在超聲情況下容易破碎，還可以使提取的有效成分能夠更好地溶解在溶劑中。以下實(shí)驗(yàn)均采用石油醚作為火麻仁油的提取溶劑。

2.2.2 超聲功率的選擇 稱取3.0g的火麻仁粉末，采用51mL石油醚作為提取溶劑，浸泡2h后，在超聲溫度25℃、料液比1∶17（g/mL）、超聲時(shí)間30min的條件下，考察超聲功率120、180、240、300W對(duì)火麻仁油得率的影響。從表4可以看出，在同等提取條件下，超聲功率越大，火麻仁油的得率越高。以下的實(shí)驗(yàn)均采用300W的超聲功率進(jìn)行提取研究。

表4 不同超聲功率的火麻仁油得率Table 4 Different ultrasonic power on hemp seed oil rate

2.2.3 料液比對(duì)火麻仁油得率的影響 提取條件同1.2.4法，分別考察料液比為1∶5、1∶10、1∶12、1∶15、1∶18、1∶20時(shí)火麻仁油的得率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著料液比的增大，火麻仁油得率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1∶15時(shí)，提取率最高，隨后開始有所下降，綜合考慮原料和效能，選用料液比為1∶15較為適宜。

圖1 料液比對(duì)得率的影響Fig.1 Effect of ratio of solid to liquid on yield

2.2.4 超聲時(shí)間對(duì)火麻仁油得率的影響 提取條件同1.2.4法，分別考察超聲時(shí)間為10、20、30、40、50、60min時(shí)火麻仁油的得率，結(jié)果見圖2。由圖2可知，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30min時(shí)，火麻仁油得率達(dá)到最高，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，提取率反而有所下降，因此超聲時(shí)間選用30min較為適宜。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on yield

2.2.5 超聲溫度對(duì)火麻仁油得率的影響 提取條件同1.2.4法，分別考察超聲溫度為5、10、20、30、40、60℃時(shí)火麻仁油的得率，結(jié)果見圖3。由圖3可知，當(dāng)超聲溫度為20℃時(shí)，火麻仁油得率達(dá)到最高，升高或降低提取溫度，均會(huì)導(dǎo)致提取率的下降，因此超聲溫度選用20℃較為適宜。

圖3 超聲溫度對(duì)得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on yield

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化火麻仁油提取工藝

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表5 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of response surface experiments

根據(jù)表5方案進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，在17個(gè)實(shí)驗(yàn)中，1～12是析因?qū)嶒?yàn)，13～17是中心實(shí)驗(yàn)，用來估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，回歸方程方差分析見表6。

表6 回歸方程的方差分析Table 6 Analysis results of regression and variance

由表6方差分析可以看出，A、B、A2、B2為顯著性影響因素。在各影響因素中，超聲時(shí)間（B）對(duì)火麻仁油得率的影響最大，其次是料液比（A）及超聲溫度（C）。在總的作用因素中，一次項(xiàng)和平方項(xiàng)的影響較大，而交互項(xiàng)的影響較小。經(jīng)回歸擬合后，實(shí)驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值的影響可用回歸方程表示為：

Y=33.17+0.48A-0.62B+0.13C-0.22AB-0.60AC-0.28BC-0.86A2-1.02B2-0.41C2

由表5可見，整體模型的顯著性水平P=0.0179＜0.05，表明該二次方程模型達(dá)到顯著水平；同時(shí)，失擬項(xiàng)P=0.0561＞0.05，表明差異不顯著，說明殘差均由隨機(jī)誤差引起；R2為0.8753，說明響應(yīng)值（得率）的變化有87.53%來源于所選變量，即料液比、超聲時(shí)間和超聲溫度；相關(guān)系數(shù)R為0.936，表明實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值高度相關(guān)。因此，回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該回歸方程確定最佳提取工藝條件。上述結(jié)果說明所建立模型能夠反映響應(yīng)值的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合較好。

圖4 料液比與超聲時(shí)間對(duì)火麻仁油得率的影響Fig.4 Effect of ratio of solid to liquid and ultrasonic time on hemp seed oil yield

圖5 料液比與超聲溫度對(duì)火麻仁油得率的影響Fig.5 Effect of ratio of solid to liquid and ultrasonic temperature on hemp seed oil yield

圖6 超聲時(shí)間與超聲溫度對(duì)火麻仁油得率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic time and ultrasonic temperature on hemp seed oil yield

2.3.2 響應(yīng)面法分析各因子對(duì)火麻仁油得率的影響 利用Design Expert 7.0軟件，繪制各影響因素對(duì)火麻仁油得率的響應(yīng)面圖，結(jié)果見圖4～圖6。由圖可知，超聲時(shí)間是影響火麻仁油提取率的主要因素，料液比稍次之，超聲溫度對(duì)其影響則較小。另外，從等高線圖均接近圓形可知，各影響因素兩兩之間交互作用不顯著[8]。

2.3.3 火麻仁油最佳提取工藝條件的確定 通過軟件Design Expert 7.0求解方程，在模型濃度范圍內(nèi)計(jì)算出最優(yōu)超聲提取火麻仁油的工藝條件為：料液比1∶16.72（g/mL）、超聲時(shí)間27.18min、超聲溫度20.19℃，此時(shí)火麻仁油的得率可達(dá)33.38%。考慮到實(shí)際操作的可行性，將火麻仁油的提取工藝條件修正為料液比1∶17（g/mL）、超聲時(shí)間27min、超聲溫度20℃。為檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用修正后的提取條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出火麻仁油的實(shí)際平均得率為33.34%，與理論預(yù)測(cè)值33.38%吻合較好。結(jié)合火麻仁粗脂肪含量為36.30%，可知經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化后，超聲法對(duì)火麻仁油的提取較為完全，提取率可達(dá)到92%，這也證明了火麻仁油超聲提取工藝的可行性。

3 結(jié)論

利用Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法，借助Design-Expert 7.0軟件對(duì)火麻仁油的超聲波提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，所建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蚍从稠憫?yīng)值的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合較好。結(jié)果顯示，火麻仁油的提取工藝為：料液比1∶17（g/mL）、超聲時(shí)間27min、超聲溫度20℃，在此條件下火麻仁油得率為33.34%。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction of hemp seed oil using response surface analysis

DENG Shi-ren，XIA Lin-bo*，GUO Ying
（College of Pharmacy，Liaoning University of Traditional Chinese Medicine，Dalian 116600，China）

The purpose was to establish an optimal ultrasonic-assisted extraction of hemp seed oil.Based on the single factor analysis，a 3-factor，3-level Box-Behnken experimental design was taken to evaluate the effects of the three factors，including ratio of material to liquid，ultrasonic time，ultrasonic temperature.The interactions of each factor on the extraction yield were investigated with response surface analysis（RSA）. Results indicated that the optimal extracting conditions were as follows：ratio of material to liquid was 1∶17（g/mL），ultrasonic time was 27min，ultrasonic temperature was 20℃，and under these conditions the extraction yield was 33.34%.

hemp seed oil；ultrasonic-assisted extraction；response surface analysis（RSA）

TS225.1+9

B

1002-0306（2012）05-0243-04

2011-05-20 *通訊聯(lián)系人

鄧仕任（1979-），男，博士，副教授，研究方向：中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化。

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2008450）；遼寧中醫(yī)藥大學(xué)優(yōu)秀青年藥學(xué)人才基金（yxrc0912）。