響應面法優(yōu)化紫蘇餅粕殘油的提取條件

李曉君 韓飛燕 李會珍 陳 鐵 張志軍 孫子文

（中北大學化工與環(huán)境學院1，太原 030051）（忻州師范學院2，忻州 034000）

響應面法優(yōu)化紫蘇餅粕殘油的提取條件

李曉君1韓飛燕2李會珍1陳 鐵1張志軍1孫子文1

（中北大學化工與環(huán)境學院1，太原 030051）（忻州師范學院2，忻州 034000）

以紫蘇餅粕為原料，對紫蘇餅粕殘油的有機溶劑浸提法提取工藝進行了研究。采用單因素試驗方法，對其提取溶劑、顆粒度、液固比、提取溫度、提取時間和提取次數(shù)進行篩選，并采用Box－Benhnken中心組合設計和響應面法對其最佳提取工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明，紫蘇餅粕殘油的最佳提取工藝條件為：原料顆粒度為60目，提取溶劑為石油醚（60～90℃），液固比為6∶1，提取溫度為66.7℃，提取時間為4.6 h，提取次數(shù)為2次，提取率可達11.38%。

紫蘇餅粕 殘油 響應面法 提取工藝

紫蘇（Perilla frutescens）系唇形科紫蘇屬一年生草本植物，為我國傳統(tǒng)的藥食、油料作物，作為多用途的經(jīng)濟植物在我國已有2000余年的栽培歷史［1－3］。紫蘇是衛(wèi)生部第一批規(guī)定的既是藥物又是食品的60種作物之一，其適應性強，耐貧瘠耐寒，非常適于土壤干旱和貧瘠地區(qū)的大面積種植。國內(nèi)外研究表明，紫蘇籽油具有降血脂、提高記憶力、抗衰老、抗過敏性炎癥等眾多生理功能［4－8］，而且具有高碘值、高干性、高不飽和性的“三高”特性［9－11］，所以紫蘇籽油既是一種理想的保健用油，又是一種品質(zhì)較高的工業(yè)用油。目前紫蘇籽油的生產(chǎn)主要為壓榨法，其產(chǎn)生的餅粕含有粗脂肪、粗蛋白、多糖、單寧和植酸等多種有效成分［12－14］，尤其是壓榨后殘留的油脂成分，如果采用合適的方法進行提取，不僅有利用其他活性成分的提取和延長餅粕的保藏期，而且提取的殘油可以用于保健用油和工業(yè)用油，所以開發(fā)利用紫蘇餅粕殘油具有廣闊的市場前景和研究意義。

紫蘇餅粕殘油的提取工藝受到多因素的影響，各因素之間還存在著交互作用。通過改變提取溫度、時間、液固比等相關(guān)條件，可以引起殘油提取率的顯著改變，所以通過優(yōu)化提取條件使得提取率達到最大化，在紫蘇餅粕殘油的提取研究中顯得尤為重要。鑒于此，本試驗以Box－Benhnken中心組合設計原理和響應面法，對紫蘇餅粕殘油提取工藝進行優(yōu)化，以期獲得殘油提取的最佳工藝，為紫蘇餅粕殘油的開發(fā)和應用提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和主要儀器

紫蘇餅粕（紫蘇籽經(jīng)螺旋式榨油機冷壓榨紫蘇油后獲得，粗脂肪質(zhì)量分數(shù)12.5%），由中北大學生物資源化工研究所提供。

GC－7900氣相色譜儀：上海天美科學儀器有限公司。

1.2 提取工藝

將紫蘇餅粕干燥、粉碎，根據(jù)各種因素進行浸提，收集合并提取液，將提取液真空濃縮回收溶劑，經(jīng)過真空干燥后即得殘油，計算提取得率（式1），并采用氣相色譜法測定α－亞麻酸含量［15］。

殘油得率＝殘油質(zhì)量／餅粕質(zhì)量×100% （1）

1.3 試驗設計

1.3.1 單因素試驗

對提取溶劑、原料顆粒度、提取次數(shù)、液固比、提取時間、提取溫度進行單因素試驗，分別考察這幾個因素對紫蘇餅粕殘油提取率的影響，從試驗結(jié)果分析確定考察區(qū)間，以此作為中心組合設計試驗方案的基礎。

1.3.2 響應面法優(yōu)化提取工藝

采用Box－Bohnken中心組合設計原理和響應面法優(yōu)化紫蘇餅粕殘油的提取工藝。在單因素試驗的基礎上，采用顆粒度為60目的紫蘇餅粕為原料，石油醚（60～90℃）為提取溶劑，提取次數(shù)為2次，以提取率為響應值（Y），以液固比（X1）、提取溫度（X2）和提取時間（X3）分別為自變量，共設計17個處理組。

1.4 紫蘇餅粕殘油理化性質(zhì)測定

測定提取得到的紫蘇餅粕殘油理化性質(zhì)，指標和方法分別為：相對密度 GB／T 5526—1985，煙點 GB／T 17756—1999附錄 B，水分及揮發(fā)物 GB／T 5528—2008，酸值 GB／T 5530—2005，碘值 GB／T 5532—1995，過氧化值 GB／T 5538—2005，皂化值 GB／T 5534—2008。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取溶劑的影響

以經(jīng)過60℃烘干至恒重的紫蘇餅粕為原料，粉碎后過40目篩，稱取100 g（下同）分別以正己烷、石油醚（沸程30～60℃）、石油醚（沸程60～90℃）、乙酸乙酯、丙酮為提取溶劑，在液固比5∶1（單次，下同），提取溫度60℃，提取時間3 h的情況下，提取2次，分別得到5種提取溶劑的提取物，以產(chǎn)物得率和α－亞麻酸含量比較分析5種不同溶劑的提取效果（見表1）。

由表1可知殘油提取率由高到低為丙酮＞乙酸乙酯＞石油醚（60～90℃）＞石油醚（30～60℃）＞正己烷，但是α－亞麻酸含量由高到低為石油醚（60～90℃）＝石油醚（30～60℃）＞正己烷 ＞乙酸乙酯＞丙酮。由于乙酸乙酯和丙酮的極性較大，提取物中不僅有殘油，還包括一些其他的物質(zhì)，導致其提取率較高，但提取物的色澤較差，α－亞麻酸的含量也偏低，這將給后續(xù)工藝帶來麻煩，所以綜合考慮選擇石油醚（60～90℃）為試驗的提取溶劑。

2.1.2 原料顆粒度的影響

以粉碎分別過 20、40、60、80、100目篩子后的紫蘇餅粕為原料，在液固比5∶1，提取溫度60℃，提取時間3 h，提取2次的條件下，以產(chǎn)物得率和α－亞麻酸含量比較不同顆粒度原料的效果（見表1）。試驗結(jié)果表明，原料的顆粒度大小對提取率的影響較大，隨著粒度的減小提取率先增加后減小，在60目時達到最大值，但α－亞麻酸含量變化不明顯。綜合考慮試驗成本，提取原料的顆粒度應采用60目。

2.1.3 提取次數(shù)的影響

以顆粒度為60目的紫蘇餅粕為原料（下同），在液固比5∶1，提取溫度60℃，提取時間3 h的條件下，分別提取1、2、3、4次，以產(chǎn)物得率和α－亞麻酸含量比較提取次數(shù)的效果（見表1）。試驗結(jié)果表明，紫蘇餅粕殘油的提取率隨著提取次數(shù)的增加而增大，但在提取2次后變化趨于平緩，而且α－亞麻酸含量在2次提取以后有所下降，這說明當提取次數(shù)達到2次后，雖然提取產(chǎn)物有所增加，但是有效成分已經(jīng)基本提取完全，所以含量有所下降，增加提取次數(shù)對于試驗的成本和后處理都帶來不利影響。綜合考慮試驗需求，后者提取試驗均采用2次提取。

表1 提取因素對紫蘇餅粕殘油提取率和α－亞麻酸含量的影響

2.1.4 提取時間的影響

液固比5∶1，提取溫度60℃，提取2次的條件下，考察提取時間對產(chǎn)物得率和α－亞麻酸含量的影響（見表1）。由表1可知，隨著提取時間的延長提取物的得率有所增加，但繼續(xù)延長到4 h以后時，提取物得率和α－亞麻酸含量基本無變化，說明已經(jīng)提取完全。綜合考慮考察指標和試驗需求，提取時間考查水平值定位為4 h。

2.1.5 提取溫度的影響

在液固比5∶1，提取時間3 h，提取2次的條件下，以殘油得率和α－亞麻酸含量比較分析提取溫度對試驗的影響（見表1）。由表1可知，隨著提取溫度的增加，提取率先增加后減小，在60℃達到最大值，而α－亞麻酸含量無明顯變化，綜合考慮提取溫度的考查水平值定為60℃。

2.1.6 液固比的影響

提取溫度60℃，提取時間3 h，提取2次的條件下，液固比對殘油得率和α－亞麻酸含量的影響同樣見表1。隨著液固比的增大，提取物得率在5∶1和6∶1時達到最大值，繼續(xù)增大液固比，提取率反而有所下降，α－亞麻酸含量也略有降低。綜合考慮，以5∶1為響應面設計試驗的中心水平因素。

2.2 響應面分析

2.2.1 試驗設計及結(jié)果

從單因素試驗結(jié)果看，在提取溶劑、顆粒度和提取次數(shù)一定情況下，各試驗測定得到的α－亞麻酸含量指標都集中在60.0%～60.7%，所以在中心組合設計試驗中僅以紫蘇餅粕殘油的得率為考察目標。在單因素試驗結(jié)果的基礎上，確定以顆粒度為60目的紫蘇餅粕為原料，石油醚（60～90℃）為提取溶劑，提取次數(shù)為2次，分別以提取時間、提取溫度和液固比為考察因素，根據(jù)Box－Bohnken中心組合設計原理，設計三因素三水平的響應面分析試驗，17個試驗點的結(jié)果見表2。

表2 試驗方案及結(jié)果

2.2.2 方差分析及二次回歸模型的擬合

通過Design－Expert 8.0數(shù)據(jù)分析軟件對試驗結(jié)果進行分析，方差分析如表3所示。在一次項中，液固比和提取溫度對提取物得率的影響達到顯著性水平（P＜0.05），在二次項中，提取溫度和提取時間達到顯著性水平（P＜0.05），這表明3個因素對殘油的提取率有直接關(guān)系，是主要的限制因子，其較小的變化可引起提取率相當大的改變。由于各因素對紫蘇餅粕殘油提取率的影響不是簡單的線性關(guān)系，為了更明確各因子對其的影響，因此采用軟件對殘油的提取率進行二次回歸模型擬合，回歸方程如下：

方程的顯著性分析得F＝8.967 967，相應的概率值P＜0.05，表明該方程模型是顯著的。失擬項值為0.001 3沒有達到顯著水平，表明非試驗因素對試驗結(jié)果的影響不大，說明該模型較適合紫蘇餅粕殘油提取條件的篩選。

表3 回歸模型的方差分析

2.2.3 響應因子水平的優(yōu)化

響應面圖形是響應值Y對應于試驗因素X1、X2、X3所構(gòu)成的三維空間的曲面圖，其可以直觀的反映各因素及它們之間的交互作用對響應值的影響。為了更直觀地表現(xiàn)2個因素同時對殘油提取率的影響，令其他因素水平值為0，僅考慮這2個因素對提取率的影響，繪出相應的響應面圖。由圖1可知，當其中2個變量取最佳值，響應面的最高點在另一項的設計取值范圍內(nèi)，說明響應面各變量設計良好，可以求解響應值最高點。用Design－Expert8.0軟件中的Box－Benhnken模塊對試驗模型進行典型性分析，以獲得最優(yōu)的提取條件，可進一步得到紫蘇餅粕殘油提取的最優(yōu)工藝條件：以顆粒度為60目的紫蘇餅粕為原料，石油醚（60～90℃）為提取溶劑，液固比6∶1，提取溫度66.7℃，提取時間4.6 h，提取2次，紫蘇餅粕殘油得率為11.46%。為了驗證響應面法的可行性，采用得到的最佳提取工藝進行紫蘇餅粕殘油提取試驗，共進行5次重復，結(jié)果依次為：11.4%、11.3%、11.4%、11.4%、11.4%，平均值為（11.38±0.04）%。結(jié)果表明，紫蘇餅粕殘油在優(yōu)化后的提取率與最大提取率的預測值很接近，預測值與實測值之間具有良好的擬合性，表明所建模型的有效性，說明回歸方程能較真實地反映各因素對紫蘇餅粕殘油提取率的影響。

表4 紫蘇餅粕殘油的理化性質(zhì)

圖1 三維響應面分析

2.3 紫蘇餅粕殘油的理化性質(zhì)

紫蘇餅粕殘油的理化性質(zhì)測定結(jié)果見表4。由表4可知，與大豆油和菜籽油的國標相比，煙點、水分及揮發(fā)物含量、酸值和過氧化值都符合標準。碘值和皂化值比大豆油和菜籽油要偏高，說明紫蘇餅粕殘油的不飽和脂肪酸的含量高和甘油酯的相對分子質(zhì)量小。

3 結(jié)論

通過單因素試驗研究了提取溶劑、餅粕顆粒度、提取次數(shù)、液固比值、提取溫度和提取時間對紫蘇餅粕殘油提取率的影響。在此基礎上，采用 Box－Benhnken中心組合設計原理和響應面法，建立了紫蘇餅粕殘油提取率的模型，所得回歸方程顯著，可以進行提取率的預測。應用響應面設計法獲得最優(yōu)的提取條件為：原料顆粒度為60目，提取溶劑為石油醚（60～90℃），液固比為6∶1，提取溫度為66.7℃，提取時間為4.6 h，提取次數(shù)為2次，紫蘇餅粕殘油得率為11.46%。對該優(yōu)化條件進行試驗驗證，殘油得率為（11.38±0.04）%，為工業(yè)化提取紫蘇餅粕殘油提供了技術(shù)依據(jù)。

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Extraction Conditions of Residual Oil from Perilla Seed Meal by Response Surface Methodology

Li Xiaojun1Han Feiyan2Li Huizhen1Chen Tie1Zhang Zhijun1Sun Ziwen1
（Institute of Chemical and Environmental Engineering，North University of China1，Taiyuan 030051）（Xinzhou Teachers University2，Xinzhou 034000）

The residual oil extraction process from perilla seed meal by the organic solvent method was studied.Effects of different solvents，particle size，liquid to solid ratio，extraction temperature，extraction time and extraction times were discussed by single factor tests.Central composite design and response surface methodology were used to investigate the effects of three independent variables，including liquid to solid ratio，extraction temperature and extraction time and on the yield of extract product.The results showed that the optimum conditions were particle size 60 mesh，extraction solvent petroleum ether（60～90℃），extraction time 4.6 h，extraction temperature 66.7℃，liquid to solid 6∶1 and extracting two times，and the extraction yield of residual oil was 11.38%.

perilla seed meal，residual oil，response surface methodology，extraction technology

TS225.1

A

1003－0174（2015）04－0067－05

山西省回國留學人員科研資助（2013－080），山西省國際科技合作項目（2013081004）

2013－12－10

李曉君，男，1983年出生，博士，植物資源開發(fā)與利用

張志軍，男，1973年出生，教授，植物資源開發(fā)與利用