微波輔助溶劑法提取橡膠籽油工藝*

仵緣，蔣丹，3，包瑛，楊志達(dá)，劉宇，黃耀江

1(中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京，100081)

2(北京市食品環(huán)境與健康工程技術(shù)研究中心，北京，100081)

3(遼寧出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，遼寧大連，116001)

4(內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，內(nèi)蒙古通遼，029100)

橡膠籽(rubber seed)為大戟科橡膠樹(shù)的有性繁殖器官，呈卵圓形，褐色并帶有銀灰色斑紋，由種殼和種仁組成，種仁在種殼內(nèi)部，外表包有柔軟的薄膜層，是天然橡膠種植業(yè)的副產(chǎn)品之一，主要分布在我國(guó)的云南、海南等?。?］。其中橡膠籽仁作為一種獨(dú)特的熱帶木本植物油料，含油量很高，為38%～52%，其中含有飽和脂肪酸25.24%，不飽和脂肪酸74.52%［2］。研究者發(fā)現(xiàn)，利用橡膠籽油制備的生物柴油，其潤(rùn)滑性優(yōu)于石化柴油，燃燒性能好而且具有綠色環(huán)保資源可再生等優(yōu)點(diǎn)。史亞亞等研究將樟樹(shù)籽油通過(guò)酯交換法制備的生物柴油效率較高［3］。我國(guó)現(xiàn)有橡膠種植面積約49.3萬(wàn)hm2，橡膠籽資源豐富［4］。據(jù)推測(cè)，我國(guó)橡膠籽年產(chǎn)量高達(dá)80萬(wàn)t以上，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生橡膠籽油35萬(wàn)t［5］。隨著我國(guó)橡膠籽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，橡膠籽油將成為一種新型的植物油源。

本文采用響應(yīng)面法優(yōu)化橡膠籽油的提取工藝，結(jié)合有機(jī)溶劑與微波提取的優(yōu)勢(shì)，以橡膠籽仁為油脂提取原料，石油醚為溶劑，探究提取溫度、提取時(shí)間、液料比以及微波功率四因素對(duì)橡膠籽油得率的影響，從而優(yōu)化工藝條件，并采用氣相色譜法分析橡膠籽油脂肪酸的組成以及相對(duì)含量。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

橡膠籽，產(chǎn)于海南省，除雜、去殼、干燥、粉碎并通過(guò)20目以下備用。

XH100B微波萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司;R系列旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀器，上海申生科技有限公司;SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;ST-02A高速多功能粉碎機(jī)，北京京創(chuàng)泰寧偉業(yè)科技發(fā)展有限公司;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲波儀器有限公司;Agilent6890氣相色譜儀，HP-INNOWAX毛細(xì)管柱(30 m×0.32mm);22種脂肪酸甲酯混合標(biāo)品(由北京市理化測(cè)試中心提供)。

無(wú)水乙醇溶液，乙醚溶液，異辛烷溶液，石油醚溶液，甲醇溶液，三氟化硼甲醇溶液，正己烷溶液，NaOH，NaCl，無(wú)水 Na2SO4:均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微波輔助提取橡膠籽油

稱取橡膠籽粉末于燒瓶中，按一定的液料比加入石油醚溶液，放入微波反應(yīng)器中，在一定的微波功率和溫度下，提取一定時(shí)間后，取出冷卻至室溫后倒出提取液，用石油醚分次洗滌燒瓶殘?jiān)?，合并提取液，最后進(jìn)行抽濾使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收石油醚，減壓蒸餾后得到橡膠籽油，稱重。

1.2.2 橡膠籽油提取率的計(jì)算公式

式中:m1為橡膠籽粉末的質(zhì)量;m2為提取橡膠籽油質(zhì)量。

1.2.3 響應(yīng)面法試驗(yàn)

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用4因素3水平的響應(yīng)面分析方法，分別用A、B、C、D代表變量的因素，以+1、1、-1分別代表變量的水平。橡膠籽油得率Y為響應(yīng)值(表1)。

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

1.2.4 橡膠籽油脂肪酸成分的測(cè)定

1.2.4.1 油的衍生化處理

利用三氟化硼-甲醇快速甲酯化法［6］，稱取150 mg橡膠籽油置于50 mL的燒瓶中，添加4 mL NaOH甲醇溶液及沸石于燒瓶中，然后接上冷凝器，通入氮?dú)庠?0～80℃水浴中回流至油滴消失。用移液管從冷凝器頂部加入5 mL三氟化硼甲醇溶液與沸騰的溶液里，繼續(xù)煮沸3 min，從冷凝器頂部加入10 mL的異辛烷溶液于沸騰的混合溶液里。取下冷凝器，拿出燒瓶，立即加入20 mL的飽和NaCl溶液，塞住燒瓶，猛烈振搖15s，繼續(xù)加入飽和NaCl溶液至燒瓶頂部，靜置分層，吸取1～2 mL上層異辛烷溶液與玻璃瓶中，加入適量無(wú)水Na2SO4去除溶液中痕量的水，最后進(jìn)行氣相測(cè)定分析。

1.2.4.2 氣相色譜條件

色譜柱型HP-INNOWAX(length:30 m，ID:0.32 mm);檢測(cè)器FID，檢測(cè)器溫度為260℃。采用程序升溫，首先保持柱溫50℃(2 min)，然后以10℃/min升溫至160℃保持柱溫2 min，以2.5℃/min升溫至195℃保持2 min，以3℃/min升溫至210℃保持30 min;進(jìn)樣口溫度為230℃，分流比50∶1，尾吹氣流量30 mL/min，進(jìn)樣量 1.0 μL。

1.2.4.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用峰面積歸一化法分析橡膠籽油中脂肪酸的種類及其各成分的相對(duì)百分含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)及其分析

2.1.1 溶劑的選擇

溶劑對(duì)橡膠籽油的提取影響很大，本實(shí)驗(yàn)用無(wú)水乙醇、乙醚、石油醚(60～90℃)等溶劑提取橡膠籽油，首先考慮溶劑對(duì)油脂組分的選擇性和黏度，其次選擇成本低，效率高，無(wú)毒無(wú)污染及易回收的溶劑。

稱取20目的橡膠籽粉末15 g，在反應(yīng)溫度80℃，提取時(shí)間2 h，液料比7∶1工藝條件下，考察不同提取溶劑對(duì)得率的影響。由表2可知，石油醚溶液提取的橡膠仔油得率最高，乙醚次之，無(wú)水乙醇提取的得率最低，由于低碳醇易與H2O互溶，結(jié)合緊密，不易于揮發(fā)，溶液中殘留較多溶劑;同時(shí)，由于石油醚溶液回收率最高，乙醚沸點(diǎn)較低易于揮發(fā)，不易回收，存在安全隱患。因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，操作安全性，產(chǎn)品成本及環(huán)境保護(hù)等因素，石油醚溶液作為橡膠籽油提取實(shí)驗(yàn)中最佳的提取溶劑。

表2 溶劑對(duì)橡膠籽油得率的影響Table 2 Effect of reaction factors on extraction yield of rubber seed oil

2.1.2 提取溫度對(duì)橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為提取溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在微波功率500 W，液料比7∶1，提取時(shí)間為2 h的條件下，探討提取溫度對(duì)得率的影響。

由圖1可知，隨著溫度的升高，橡膠籽油的得率也逐漸提高，溫度達(dá)至 80℃時(shí)，橡膠籽油得率39.83%，達(dá)到最高。由于溫度升高加快了分子的熱運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)其擴(kuò)散，從而有利于橡膠籽油更好地溶解在石油醚中，但隨著溫度的升高，石油醚的蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致參與反應(yīng)的石油醚量減少，減少了溶劑與物料的接觸面積，降低了擴(kuò)散速率［7］;另外，石油醚變?yōu)檎魵庑鑾ё叽罅康臒崃?，冷卻回流下來(lái)的石油醚需要從體系中吸收熱量，這需要一個(gè)過(guò)程，因此橡膠籽油的得率有所下降。同時(shí)高溫會(huì)導(dǎo)致橡膠籽油的組分分解，因此橡膠籽油提取的最佳溫度為80℃。

圖1 提取溫度對(duì)橡膠籽油提取率的影響Fig.1 Effects of extraction temperature on extraction rate

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為橡膠籽油提取的溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在提取溫度80℃，液料比7∶1，微波功率500 W的條件下，研究提取時(shí)間對(duì)得率的影響。

圖2 時(shí)間對(duì)橡膠籽油提取率的影響Fig.2 Effects of extraction time on extraction rate

由圖2可知，隨著時(shí)間的增加，橡膠籽油的得率上升比較明顯，2 h之后，橡膠籽油得率開(kāi)始下降。這是由于索式抽提是利用溶劑濃度差的原理，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。當(dāng)體系未達(dá)到平衡時(shí)，延長(zhǎng)提取時(shí)間可以提高橡膠籽油的得率。直到體系達(dá)到平衡，此時(shí)橡膠籽油在石油醚中達(dá)到飽和狀態(tài)。然而，提取時(shí)間不能太長(zhǎng)，提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成橡膠籽中的其他物質(zhì)被提取出來(lái)，影響油脂含量以及油脂的品質(zhì)，并且降低橡膠籽油的得率，造成污染和資源的浪費(fèi)。因此，考慮能耗及成本因素，最佳提取時(shí)間2 h。

2.1.4 液料比對(duì)橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為提取溶劑，20目的橡膠籽粉末15g，在提取溫度80℃，提取時(shí)間為2 h，微波功率500 W的條件下，探討液料比對(duì)得率的影響。如圖3所示，由于滲入細(xì)胞內(nèi)的溶劑迅速升溫，使細(xì)胞內(nèi)壓急劇增大，導(dǎo)致細(xì)胞破裂，使溶劑更容易將橡膠籽油帶出。但隨著液料比的增大，橡膠籽油的得率上升的較快。這是因?yàn)殡S著液料比的增加，增加了橡膠籽油與石油醚的接觸機(jī)會(huì)，接觸面積增大，并且擴(kuò)大了固液濃度差，提高油脂分子的傳質(zhì)速率以及擴(kuò)散速度。但是隨著液料比進(jìn)一步增加，提取率下降，同時(shí)增加能耗和時(shí)間，液面厚度可能一定程度上影響了微波的吸收。因此，最佳液料比7∶1。

圖3 液料比對(duì)橡膠籽油提取率的影響Fig.3 Effects of ratio of material to Petroleumether on extraction rate

2.1.5 微波功率對(duì)橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為橡膠籽油提取的溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在提取溫度80℃，時(shí)間2 h，液料比為7∶1的條件下，探討微波功率對(duì)橡膠籽油得率的影響。

圖4 微波功率對(duì)橡膠籽油提取率的影響Fig.4 Effects of extraction microwave power on extraction rate

由圖4可知，功率較低時(shí)，橡膠籽油得率較低，隨著微波功率的增加，加熱程度隨著增加，橡膠籽粉末分子運(yùn)動(dòng)加劇，加快橡膠籽油提取效率，在微波功率達(dá)到500 W之后，橡膠籽油得率逐漸的減少?？赡苡捎诟呶⒉üβ蕦?dǎo)致的熱效應(yīng)對(duì)提取物而言可能是一種損害，加速了提取物在提取劑中的降解和揮發(fā)，破環(huán)了橡膠籽油的成分，影響提取物的提取效果。所以，微波提取橡膠籽油的最佳功率約為500 W。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，本實(shí)驗(yàn)以橡膠籽油得率為響應(yīng)值，利用該軟件設(shè)計(jì)了4因素3水平的響應(yīng)面法試驗(yàn)，共有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為析因點(diǎn)，用于考察4個(gè)因素對(duì)橡膠籽油得率的影響是否顯著;5個(gè)為中心點(diǎn)，用于估計(jì)試驗(yàn)誤差。因素水平如表1所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)面分析因素水平表Table 3 Variable and level in response surface design

以橡膠籽油得率為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)4個(gè)因素在3個(gè)水平上進(jìn)行回歸擬合，得到橡膠籽油得率與各因素之間的二次回歸方程。回歸方程方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 4 Process variable and levels in response surface design arrangement and experimental response values

由表5模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可知，提取功率一次項(xiàng)呈顯著性水平，二次項(xiàng)提取溫度、提取時(shí)間、液料比、提取功率呈極顯著性水平。由F值可知影響橡膠籽油提取率的因素依次是微波功率＞液料比＞時(shí)間＞溫度。此外方差分析結(jié)果中R2=0.825 5.R2Adj=0.898 5說(shuō)明該模型擬合較好;由失擬檢驗(yàn)P=0.932 8可以進(jìn)一步說(shuō)明該模型擬合較好。

利用軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析后得到模型的二次多項(xiàng)回歸方程為:

Y/%=42.09+0.24A+0.24B+0.39C+1.97D+1.27AB-0.67AC+0.49AD+0.03BC-0.63BD-0.90CD-2.62A2-2.64B2-3.59C2-3.57D2

表5 回歸模型方差分析Table 5 Analysis of variance for regression equation

2.2.2 響應(yīng)面法分析結(jié)果

利用Design-Expert 8.0.6軟件得到響應(yīng)面直觀圖可以反映出各個(gè)因素的交互作用，該軟件得到的響應(yīng)面分析的結(jié)果見(jiàn)圖5～圖10。等高線可以直觀的反映出變量之間的交互作用，圓形表示2個(gè)變量之間的交互作用不明顯，橢圓形則表示交互作用明顯［8］。

圖5為液料比(7∶1)，功率(500 W)，提取溫度與時(shí)間交互作用的等高線和3D圖。由圖5可知，在提取時(shí)間一定的條件下，隨著溫度的升高，橡膠籽油得率變化不明顯;當(dāng)溫度達(dá)到一定時(shí)(75～85℃))隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠籽油得率呈逐漸增加的趨勢(shì)，最后慢慢減少。從等高線圖上看，提取時(shí)間與溫度的交互作用顯著性明顯。

圖5 提取溫度和時(shí)間對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面Fig.5 Response surface and contour plots of effect of tempera-ture and time on the extraction yield of rubber seed oil

圖6為時(shí)間(2 h)，功率(500 W)，提取溫度與液料比交互作用的等高線和3D圖。由圖6可知，在提取液料比一定的條件下，隨著溫度的升高，橡膠籽油得率變化不明顯，當(dāng)溫度達(dá)到一定(75～85℃)，橡膠籽油得率先升高再降低。從等高線圖上看，溫度和液料比交互作用顯著性明顯。

圖6 提取溫度和液料比對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface and contour plots of effect of temper-ature and material to solvent ratio on the extraction yield of rubber seed oil

圖7為時(shí)間(2 h)，液料比(7∶1)，提取溫度與微波功率交互作用的等高線和3D圖。由圖7可知，當(dāng)微波功率在一定條件下，隨著溫度的提高，橡膠籽油得率逐漸升高最后開(kāi)始減少;當(dāng)提取溫度達(dá)到一定時(shí)(75～85℃)，隨著微波功率的增大，橡膠籽油得率變化非常明顯，先增大后減小。從等高線圖上看，溫度與微波功率的相互作用一般。

圖8為溫度(80℃)，微波功率(500 W)，提取時(shí)間與液料比交互作用的等高線和3D圖。由圖8可知，當(dāng)液料比在一定條件下，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠籽油得率緩慢的增加，然后慢慢的減少;當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到一定條件(1～3h)，隨著液料比的增加橡膠籽油的得率逐漸的減少。從等高線圖上看，提取時(shí)間與液料比交互作用顯著性不明顯。

圖7 提取溫度和微波功率對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面Fig.7 Response surface and contour plots of effect of temperature and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

圖8 提取時(shí)間和液料比對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面Fig.8 Response surface and contour plots of effect of time and material to solvent ratio on the extraction yield of rubber seed oil

圖9為溫度(80℃)，液料比(7∶1)，提取時(shí)間與微波功率交互作用的等高線和3D圖。由圖9可知，當(dāng)微波功率達(dá)到一定條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠籽油得率逐漸升高，保持不變;當(dāng)時(shí)間達(dá)到一定條件時(shí)(1～3h)，隨著微波功率的增大，橡膠籽油的得率逐漸增大。從等高線圖上看，提取時(shí)間與微波功率交互作用一般。

圖10為溫度(80℃)，時(shí)間(2 h)，液料比與微波功率交互作用的等高線和3D圖，由圖可知當(dāng)微波功率達(dá)到一定條件下，隨著液料比的增加，橡膠籽油得率先增加后減少;當(dāng)液料比達(dá)到一定條件時(shí)(6～8)，隨著微波功率的增加，橡膠籽油得率一直增加，然后保持不變。從等高線圖上看，液料比與微波功率的交互作用顯著性明顯。

從圖5～圖10的等高線響應(yīng)面圖可以看出，溫度與時(shí)間、溫度與液料比、液料比與微波功率有顯著性交互作用。但是，溫度與微波功率、時(shí)間與液料比、時(shí)間與微波功率的交互作用不明顯。通過(guò)對(duì)以上圖形和方差分析的結(jié)果表明，功率是影響橡膠籽油得率的主要因素，其次是液料比，最后是時(shí)間和溫度。

圖9 提取時(shí)間和微波功率對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面Fig.9 Response surface and contour plots of effect of time and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

圖10 提取液料比和微波功率對(duì)橡膠籽油得率影響的等高線與響應(yīng)面Fig.10 Response surface and contourplots of effect of material to solvent ratio and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件分析，微波輔助溶劑法提取橡膠籽油的最佳提取工藝是提取溫度為80.4℃，提取時(shí)間為2 h，提取液料比為7∶1，微波功率為555.5 W，在此條件下理論提取率的預(yù)測(cè)值為42.38%，考慮到實(shí)際情況，最佳提取工藝是提取溫度80℃，提取時(shí)間為2 h，提取料液比為7∶1，微波功率為555W，在此條件下，重復(fù)3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所得到的橡膠籽油的得率為41.32%，真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的誤差為2.5%。兩者誤差吻合較好，說(shuō)明模型可行。因此采用響應(yīng)面法優(yōu)化的提取工藝參數(shù)能為橡膠籽油資源開(kāi)發(fā)利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

2.3 橡膠籽油脂肪酸成分的分析

將脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品和橡膠籽油樣品在上述色譜條件下分離，其分離效果好，根據(jù)各脂肪酸甲酯出峰規(guī)律確定每種脂肪酸相對(duì)保留時(shí)間，并且根據(jù)保留時(shí)間對(duì)橡膠籽油成分定性。

圖11 脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品氣相色譜圖Fig.11 Gas chromatogram of Fatty acid standard substance

根據(jù)圖11、圖12和表6可以看出，橡膠籽油中油脂的脂肪酸組成主要分布在C16～C18之間，其中含量約占總量的98%，橡膠籽油由9種脂肪酸組成，與普通植物油相似。飽和脂肪酸包括:肉豆蔻酸(0.115 74%)、花生酸(0.244 23%)、硬脂酸(6.609 85%)、棕櫚酸(9.645 46%)，占橡膠油總量的16.615 28%，其中不飽和脂肪酸包括:棕櫚油酸(0.288 59%)、亞油酸(40.911 7%)、α-亞麻酸(18.403 1%)、油酸(23.632 4%)、二十碳烯酸(0.1489 2%)占橡膠籽油總量83.384 72%。因此可以采用高溫氣相酯化-酯交換方法對(duì)橡膠籽油進(jìn)行改性制備生物柴油［9］。

圖12 橡膠籽油氣相色譜圖Fig.12 Gas chromatogram of rubber seed oil acid

表6 橡膠籽油的脂肪酸成分Table 6 The constituent of rubber seed oil acid

3 結(jié)論

(1)本文采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化微波輔助溶劑法提取橡膠籽油的工藝，影響橡膠籽油得率的主次因素依次是:微波功率＞液料比＞時(shí)間＞溫度;確定最優(yōu)的工藝條件為:提取溫度80℃，提取時(shí)間2 h，液料比7∶1，微波功率555W，在此條件下，橡膠籽油得率為41.32%。

(2)微波輔輔助石油醚法提取的橡膠籽油中脂肪酸組成與含量基本一致，采用氣相色譜法對(duì)橡膠籽油脂肪酸成分進(jìn)行分析，共測(cè)定出9種脂肪酸，均主要含有棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和α-亞麻酸;因此微波輔助溶劑法是一種綠色、高效和安全的提取油脂方法，具有潛在的應(yīng)用前景。

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