響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲提取樟樹籽油的工藝

熊建華 吳 琴 林麗萍 李世傳 湯凱潔

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330045）

樟樹（Cinnamomum Camphora）為樟科屬常綠喬木植物，主要生長在熱帶和亞熱帶地區(qū)。果期8～11月，是樟屬植物中經(jīng)濟(jì)價值最大的樹種之一。是天然樟腦、芳香油、油脂的重要資源，其木材、根、葉、果實(shí)皆含精油［1－3］，以往主要是對根、莖、葉進(jìn)行利用與加工，近年來對樟樹籽的研究增多，樟樹籽，又名樟梨、吞樟大木姜子、樟子等，扁球形，富含油脂，含油率達(dá)40%左右，油脂中以癸酸、月桂酸等中碳鏈脂肪酸為主，癸酸（C10）已應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)合成魚腥草素等消炎藥，主含癸酸的樟樹籽脂肪油已被試制中碳酸三甘酯用于治療脂肪代謝紊亂病癥，并能降血脂及膽固醇，樟樹籽是一種極具開發(fā)價值的植物資源［4－5］。

超聲波輔助技術(shù)作為一種先進(jìn)的提取方法，具有操作簡便快捷、提取溫度低、提取率高、提取物的結(jié)構(gòu)不被破壞等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取方面［6－7］，本研究采用超聲波法提取樟樹籽油，并利用響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化其工藝參數(shù)，希望為開發(fā)利用樟樹資源及工業(yè)化生產(chǎn)樟樹籽油提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

樟樹籽：2011年11月采摘于江西南昌，55～60℃烘箱干燥，粉碎，貯存于干燥器中，備用。

101－4－BS型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；FLB－100型粉碎機(jī)：上海菲力博食品機(jī)械有限公司；KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；RE3000A 04087型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；Shz－Ⅲ循環(huán)水真空泵：鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司；DL－1020低溫冷卻液循環(huán)泵：寧波江南儀器廠。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1 樟樹籽油提取

在250 mL三角瓶中，準(zhǔn)確稱取烘干至恒重適量的樟樹籽粉，按一定的液料比加入提取溶劑，置于超聲波提取器中，于設(shè)定功率超聲提取一定時間后，真空抽濾，濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收提取溶劑，（100±5）℃烘箱干燥，除去殘余溶劑，直至前后2次質(zhì)量差不超過0.001 g，得到樟樹籽油。按下式計算樟樹籽油提取率：

樟樹籽油提取率 ＝（樟樹籽油質(zhì)量／樟樹籽粉質(zhì)量）×100%

1.2.2 樟樹籽油提取的單因素試驗(yàn)

分別以不同的提取溶劑（石油醚、丙酮、正己烷、乙醚），液料比（mL／g）（5、10、15、20、25、30），提取時間（10、20、30、40、50、60 min）及提取功率（75、90、105、120、135、150 W）為單因素，考察各因素對樟樹籽油提取得率的影響。

1.2.3 樟樹籽油提取工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Box－Behnken設(shè)計方法，以液料比、提取時間和超聲功率為響應(yīng)變量，分別以X1、X2和X3表示，并以 －1、0、1分別代表變量的水平，以樟樹籽油提取率（Y）為響應(yīng)值，通過響應(yīng)曲面分析（response surface analysis，RSA）進(jìn)行提取條件的優(yōu)化。Box－Behnken設(shè)計試驗(yàn)因素和水平見表1，采用SASV8軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析［8－9］。

表1　響應(yīng)面分析因子及水平表

2　結(jié)果與分析

2.1　單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 提取劑對樟樹籽油提取率的影響

不同溶劑對樟樹籽油提取率的影響如圖1所示。由圖1可知，石油醚對樟樹籽油的提取效果最佳，丙酮次之，正己烷與乙醚效果均不太理想。因此選擇石油醚做為提取溶劑。

圖1　溶劑對樟樹籽油提取率的影響

2.1.2 液料比對樟樹籽油提取率的影響

采用石油醚作為提取溶劑，考查不同液料比對樟樹籽油提取率的影響，結(jié)果如圖2。由圖2可以看出，提取率隨著液料比的增加而增加，當(dāng)液料比達(dá)到15 mL／g時，樟樹籽油提取率最高，當(dāng)料液比再增加時，提取率變化不明顯。最佳液料比為15 mL／g，因此選擇10、15、20 mL／g為優(yōu)化時料液比的3個水平。

圖2　料液比對提取率的影響

2.1.3 提取時間對樟樹籽油提取率的影響

固定液料比，石油醚作提取劑條件下，不同提取時間對樟樹籽油提取率的影響如圖3所示。由圖3可以看出，隨著提取時間的延長，樟樹籽油提取率顯著提高，但提取時間超過30 min后，樟樹籽油提取率反而下降，可能是由于提取時間過長，部分脂肪水解或揮發(fā)所致。最佳提取時間為30 min，因此選擇20、30、40 min為優(yōu)化時提取時間的3個水平。

圖3　時間對提取率的影響

2.1.4 超聲功率對樟樹籽油提取率的影響

固定液料比，石油醚作提取劑條件下，不同超聲功率對樟樹籽油提取率的影響如圖4所示。由圖4可以看出，樟樹籽油提取率隨超聲功率的增多而增加，當(dāng)超聲功率大于135W后，樟樹籽油提取率有所降低，但功率為120 W時與135 W時相近，為節(jié)約能源，選擇105、120、135 W為優(yōu)化時超聲功率的3個水平。

圖4　功率對提取率的影響

2.2　Box－Behnken設(shè)計試驗(yàn)

2.2.1 模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)，選擇液料比、超聲時間、超聲功率3因素3水平，進(jìn)行Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計和響應(yīng)面分析，以確定樟樹籽油超聲提取的最佳工藝條件，試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計方案及試驗(yàn)結(jié)果

以樟樹籽油提取率（Y）為響應(yīng)值，應(yīng)用 SAS RSREG程序進(jìn)行進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，得到擬合方程：Y＝36．69－0．7363X1＋0．3550X2＋0．2488X3－0．1125X1X2－0．3100X1X3－0．0675X2X3－1．3100X12－2．0875X22－1．5100X32

回歸方程中各變量對響應(yīng)值影響的顯著性由F檢驗(yàn)來判定，概率“P＞F”值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高?！癙＞F”＜0.01時，影響為極顯著，“P＞F”＜0.05時，影響顯著。對表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到的方差分析結(jié)果如表3所示。

表3　回歸分析結(jié)果

由表3可知，料液比、提取時間和超聲功率3個因素對樟樹籽油提取率的影響順序?yàn)椋毫弦罕龋咎崛r間＞超聲功率。經(jīng)方差分析得到：X1、X12、X22、X32影響極顯著，X2項顯著，總體來說一次項和二次項的影響是極顯著，因而，各具體試驗(yàn)因子對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，但各種因素的交互作用的影響均不顯著，說明各因素之間的交互作用很小。

整體模型的P＜0.01，表明該二次方程對試驗(yàn)擬合較好。相關(guān)系數(shù)R2為0.9883，說明模型響應(yīng)值（樟樹籽油提取率）的變化98.83%來自所選因變量，即提取液料比、提取時間和超聲功率值，因此，回歸方程可以較好地描述隨機(jī)因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系。

根據(jù)回歸方程，做出響應(yīng)曲面圖及其等高線圖（圖5～圖7），所擬合的響應(yīng)曲面和等高線圖能比較直觀的反應(yīng)各因素和各因素間的交互作用。3個圖中的等高線均為比較圓的形狀，同時在兩個因子中一個因子低編碼值和高編碼值時，響應(yīng)值Y隨著另一因子的變化趨勢相同。說明兩因子交互效應(yīng)不顯著，這與方差分析的結(jié)果相吻合。圖5～圖7顯示，3個響應(yīng)曲面均為開口向下的凸形曲面，同時等高線最小圓的中心在所選的－1～1范圍內(nèi)，說明響應(yīng)值（樟樹籽油提取率）在3個因子設(shè)計的范圍內(nèi)存在最大值。

圖5　Y＝f（X1，X2）的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖6　Y＝f（X1，X3）的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖7　Y＝f（X2，X3）的響應(yīng)面圖和等高線圖

2.2.2 最佳工藝條件的預(yù)測與檢驗(yàn)

為確定各因素的最佳取值，利用SAS軟件進(jìn)行嶺脊分析，得出回歸模型存在最大值點(diǎn)，Y的最大估計值為 36.83%，此時（X1，X2，X3）的代碼值為（－0.298 055，0.091 268，0.110 923）。與之對應(yīng)的實(shí)際值為料液比（X1）＝13.51，時間（X2）＝30.91，功率（X3）＝121.66 W。為實(shí)際操作方便，選取料液比X1＝14 mL／g，X2＝31 min，X3＝120 W，在此優(yōu)化條件下共進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果樟樹籽油提取率為37.45%與預(yù)測值36.83%是非常接近的，相對誤差1.68%。

表4　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果（n＝3）

2.3　樟樹籽油的質(zhì)量指標(biāo)

本試驗(yàn)提取得到的油脂具有樟樹籽油特有的芳香氣味，無異雜味，淺棕黃色，澄清透亮，經(jīng)檢測分析，理化指標(biāo)及脂肪酸組成見表5和表6。

表5　樟樹籽油主要理化性質(zhì)

表6　樟樹籽油脂肪酸組成

3　結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計及響應(yīng)面分析方法，對超聲提取樟樹籽油的工藝進(jìn)行優(yōu)化，最佳工藝條件為液料比14 mL／g、超聲時間31 min、超聲功率 120 W，測得的實(shí)際提取率為37.45%，與預(yù)測值相對誤差為1.68%，并得到樟樹籽油提取率與超聲處理各因素變量的二次回歸方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗(yàn)擬合較好。

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