烏桕籽粗脂肪提取工藝條件的優(yōu)化

劉旭輝，甘譽靜，楊燕麗，蘇盛，牟光福

(河池學院 化學與生物工程學院，廣西 宜州 546300)

烏桕(Sapium sebiferum)為我國原生樹種，分布廣，品種多，樹形優(yōu)美，經(jīng)濟價值高，其根、莖、葉均可入藥，可治療多種疾病[1－3];種子含油量高，是我國四大木本油料植物之一[4－6]。我國栽培利用烏桕已有1500多年的歷史[3]，因其材質(zhì)好，為高檔建筑、造船、家具、雕刻和精密模具的優(yōu)質(zhì)材料。

烏桕籽即成熟的烏桕種子。目前，對烏桕籽的研究主要是利用其梓油制備生物柴油[7－8]，以烏桕脂為原料提取類可可脂[9]。植物油是提煉生物柴油的主要原料[10]，而制造生物柴油的關(guān)鍵問題是原料和制備方法問題。與化石燃料相比，從生物質(zhì)中獲取的燃料，其最大優(yōu)點是來源廣泛及可再生。烏桕是一種常見的木本油料植物，烏桕籽油脂用途廣泛，既可制作生物柴油，也可作為其他化工原料，綜合利用價值高[11]。因此，烏桕籽的開發(fā)利用引起了人們越來越多的關(guān)注。對烏桕籽粗脂肪提取工藝條件的優(yōu)化及深入探討，可以為烏桕的合理開發(fā)利用提供更豐富的資料和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

2013年12月10日至15日，選擇晴朗的天氣，在河池學院西校區(qū)采摘樹齡約30 a的成熟烏桕果實，把果皮和種子分開，將烏桕籽放入60℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干，置陰涼處密封保存。實驗前，選出飽滿、無蟲蛀烏桕種子，用粉碎機粉碎，過20目標準篩，烘干至恒重，密封保存，備用。

1.2 儀器與試劑

儀器:SZC－101型自動脂肪測定儀(上海纖檢儀器有限公司)，F(xiàn)Z102型微型植物粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)，AL204型電子天平(梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司)，XMTD－8222型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)。

試劑:無水乙醇(天津市北聯(lián)精細化學品開發(fā)有限公司)，石油醚(沸程30～60)(天津市福晨化學試劑廠)，正己烷、乙酸乙酯(廣州新建精細化工廠)，乙醚(四川西隴化工有限公司)。以上試劑均為分析純。

1.3 烏桕籽粗脂肪提取的方法及工藝流程

1.3.1 提取方法

目前，粗脂肪的提取方法主要有水劑法[10]、超聲提取法[12]、超臨界 CO2萃取法[13]、快速脂肪提取法[14]、壓榨法、離子液體提取法、超臨界流體提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法[15]、索氏浸泡抽提法、Tecator索氏脂肪提取儀法[16]等。本實驗對烏桕籽粗脂肪的提取采用索氏抽提法，因自動脂肪測定儀集樣品浸泡、粗脂肪抽提、加熱、冷凝、溶劑回收、脂肪烘干于一體，具有操作方便、省時、省力等優(yōu)點，故選用該法。

1.3.2 工藝流程

烏桕籽粗脂肪提取的工藝流程比較簡單，具體步驟如下:

樣品稱重→置于折疊好的濾紙筒中→浸泡－提取→回流→烘干→干燥器中冷卻至室溫→稱重→105℃烘0.5 h→冷卻至室溫→稱重，最后兩次質(zhì)量差不超過0.0002 g[17]。

1.4 計算方法

粗脂肪提取率(%)=(烏桕籽粗脂肪質(zhì)量/烏桕籽質(zhì)量)×100%

1.5 單因素試驗

考察了溶劑種類、溶劑濃度、提取時間、提取溫度、料液比等因素對烏桕籽粗脂肪提取率的影響，每個實驗均做3個重復(fù)。具體實驗步驟如下:

1.5.1 溶劑對烏桕籽粗脂肪得率的影響

準確稱取15份質(zhì)量為2.0000 g的烏桕籽樣品，分別用80 mL的正己烷、無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚和乙醚做提取劑，在55℃溫度下浸泡90 min，80℃溫度下提取90 min，105℃烘干2 h，稱重，再烘0.5 h，再稱重，如此反復(fù)直至恒重，考察不同溶劑對烏桕籽粗脂肪提取率的影響。

1.5.2 乙醇濃度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

選定乙醇做提取劑，準確稱取15份質(zhì)量為2.0000 g的烏桕籽樣品，分別用80 mL濃度為75%、80%、85%、90%、100%的乙醇溶液，在55℃溫度下浸泡90 min，80℃提取90 min，105℃溫度下烘干2 h，稱重，再烘0.5 h，再稱重，如此反復(fù)直至恒重，考察不同乙醇濃度對烏桕籽粗脂肪提取率的影響。

1.5.3 提取時間對烏桕籽粗脂肪得率的影響

準確稱取15份質(zhì)量為2.0000 g的烏桕籽樣品，用80 mL無水乙醇做提取劑，在55℃溫度下浸泡90 min，80 ℃溫度下，分別提取 30 min、60 min、90 min、120 min、150 min，105 ℃烘干2 h，稱重，再烘0.5 h，再稱重，如此反復(fù)直至恒重，考察不同提取時間對烏桕籽粗脂肪提取率的影響。

1.5.4 溫度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

準確稱取15份質(zhì)量為2.0000 g的烏桕籽樣品，用80 mL無水乙醇在55℃溫度下浸泡90 min，然后分別在80℃、85℃、90℃、95℃、100℃溫度下提取90 min，在105℃下烘干2 h，稱重，再烘0.5 h，再稱重，如此反復(fù)直至恒重，考察不同提取溫度對烏桕籽粗脂肪提取得率的影響。

1.5.5 料液比對烏桕籽粗脂肪得率的影響

準確稱取 15 份質(zhì)量為 2.0000 g 的烏桕籽樣品，以無水乙醇為提取劑，按 1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40(g/mL)的料液比，分別在55℃溫度下浸泡90 min，在80℃溫度下提取90 min，考察料液比對烏桕籽粗脂肪提取率的影響。

1.6 正交試驗設(shè)計

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，篩選最佳的提取劑，選擇提取劑濃度、提取時間、提取溫度和料液比作為考察因素，每個因素設(shè)計3個水平，以烏桕籽粗脂肪提取率為考察指標，設(shè)計L9(34)正交實驗[17－18]，確定其最佳提取工藝條件。

1.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理用Microsoft Excel 2003、Origin 7.0和正交設(shè)計助手Ⅱ等軟件進行，實驗設(shè)3個重復(fù)，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 不同溶劑對烏桕籽粗脂肪提取得率的影響

不同溶劑提取烏桕籽粗脂的得率大小排序為:乙醇＞乙酸乙酯＞正己烷＞石油醚＞乙醚(見圖1)。由此可見，以乙醇作為烏桕籽粗脂肪的提取劑效果比較好。

圖1 不同溶劑對烏桕籽粗脂肪得率的影響

2.1.2 乙醇濃度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

不同濃度乙醇(75% ～100%)提取烏桕籽粗脂肪的得率見圖2。由此可知，隨著乙醇濃度的增加，粗脂肪的提取率逐步增大。75%乙醇的提取率最低(8.76%)，無水乙醇的提取率最高(37.82%)，兩者相差甚大。

圖2 乙醇濃度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

2.1.3 提取時間對烏桕籽粗脂肪得率的影響

從圖3可以看出，隨著提取時間的延長(30～90 min)，烏桕籽粗脂肪得率逐步增加，提取時間為90 min達到最大值(37.53%)，之后，隨著提取時間的延長(90～150 min)，粗脂肪得率緩慢降低。

圖3 提取時間對烏桕籽粗脂肪得率的影響

2.1.4 提取溫度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

從圖4中可以看出，烏桕籽粗脂肪的得率隨提取溫度的升高(80～100℃)而提高，但是結(jié)果變化不明顯。

圖4 提取溫度對烏桕籽粗脂肪得率的影響

2.1.5 料液比對烏桕籽粗脂肪得率的影響

從圖5可以看出，在提取初期，烏桕籽粗脂肪的得率隨料液比增大(1∶20～1∶35)而提高，料液比為1∶35時，其得率達到了最大(37.32%)，之后，隨著料液比的增加(1∶35～1∶40)其得率反而降低。

圖5 料液比對烏桕籽粗脂肪得率的影響

2.2 正交試驗

正交試驗方案見表1，正交試驗結(jié)果見表2。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果

由表2可以看出，第6個實驗方案(A2B3C1)烏桕籽粗脂肪提取率最大，但是該實驗方案卻不是最佳的提取工藝條件。對表2中的極差(R)進行分析結(jié)果表明，對烏桕籽粗脂肪提取得率影響最大的因素是提取溫度，其次是提取時間，影響最小的是料液比，即三個因素對烏桕籽粗脂肪提取率影響大小順序為:A＞B＞C。因此，在做粗脂肪提取實驗時，特別要注意把握好提取溫度和提取時間。從對表2中Ki和ki數(shù)值的比較分析中可知，烏桕籽粗脂肪提取的最佳工藝為A3B3C1，即提取溫度為100℃，提取時間為120 min，料液比為 1∶25。

2.3 工藝的驗證實驗

為了考察上述工藝條件的穩(wěn)定性，按該工藝的最佳條件A3B3C1，即在溫度為100℃，提取時間為120 min，料液比為1∶25的條件下進行5組(共15次)重復(fù)性實驗，分別提取烏桕籽的粗脂肪，計算其得率，再計算其RSD值。結(jié)果見表3。

由表3可知，在此工藝條件下，烏桕籽粗脂肪的平均得率為43.28%，與正交試驗中的最大得率相差甚小，RSD為0.112%，說明該工藝穩(wěn)定。

3 討論

在單因素試驗中，之所以最后選擇乙醇作為提取劑，不僅是因為乙醇作為提取劑時烏桕粗脂肪的得率最高，而且乙醇是一種無毒、價廉的溶劑。從實驗結(jié)果可以看出，隨著乙醇濃度的增大，烏桕籽粗脂肪提取的得率也逐漸提高，說明在料液比不變時，高濃度的提取劑對粗脂肪提取更為有利。從提取時間對烏桕粗脂肪提取得率的影響來看，并非時間越長越好，其原因可能是隨著提取時間的增加，提取劑(乙醇)會有一定的損失，從而導(dǎo)致粗脂肪得率降低。在粗脂肪提取的過程中，隨著提取溫度的增高，分子的熱運動不斷加快，從而加快了傳質(zhì)運動，使得烏桕籽粗脂肪的提取率也逐漸提高。濃度差作為脂肪浸出的主要推動力，在料液比較低的時候，溶劑不能完全浸泡烏桕籽，因而粗脂肪的提取率比較低;隨著料液比的逐漸增大，烏桕籽樣品逐漸被溶劑浸泡，使得兩相中目標成分濃度差不斷增大，擴散推動力不斷加強，提取率自然提高;當料液比為1∶35時，烏桕籽粗脂肪的提取率最高(37.32%)，但隨著料液比的進一步加大，粗脂肪的得率反而降低，其原因有待研究。

運用索氏回流法提取烏桕籽粗脂肪的正交試驗中，可選擇的因素很多，實驗中常常采用乙醇、乙醚或石油醚等溶劑作為浸提劑，因乙醇使用方便，比較安全，對環(huán)境無污染，易于回收再利用，因此普遍選用乙醇作為提取劑。大量的相關(guān)研究表明，提取溫度、提取時間和料液比會對脂肪的提取產(chǎn)生一定的影響。因此，本實驗將提取溫度、提取時間和料液比這3個因素作為正交試驗的影響因子。

在正交試驗中，KA1、KA2、KA3是不相等的，說明A因素的水平變動對試驗的結(jié)果是有影響的。因此，根據(jù)KA1、KA2、KA3的大小可判斷出A1、A2、A3對試驗指標的影響大小。由于試驗指標為烏桕籽粗脂肪提取得率，而KA3＞KA2＞KA1，所以A3為A因素的優(yōu)水平。同理可得B3、C1分別為B、C因素的優(yōu)水平，因此本試驗的最優(yōu)水平組合為:A3B3C1。

4 結(jié)論

根據(jù)以上試驗結(jié)果及分析討論，可以初步得到以下結(jié)論:利用無水乙醇作為烏桕籽粗脂肪的提取劑，最佳的提取工藝條件為:提取溫度100℃，提取時間為120 min，料液比為1∶25，烏桕籽粗脂肪的提取得率為43.28%，此提取工藝條件穩(wěn)定性，重復(fù)性好。

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