響應(yīng)面優(yōu)化超聲波提取梔子油脂工藝研究＊

袁源見(jiàn)，羅光明，魏春華，饒雅琪，龔雨虹

（江西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 南昌 330004）

響應(yīng)面優(yōu)化超聲波提取梔子油脂工藝研究＊

袁源見(jiàn)，羅光明＊＊，魏春華，饒雅琪，龔雨虹

（江西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 南昌 330004）

目的：本研究采用響應(yīng)面優(yōu)化超聲波提取梔子中油脂的提取工藝。方法：通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，確定提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)為影響因子，采用響應(yīng)面法分析3個(gè)因素對(duì)梔子油脂提取率的影響。結(jié)果：最佳提取條件為提取時(shí)間為28.7 min，液料比為11.62：1，提取次數(shù)為3.36次，在此條件下，做3次平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到梔子油脂的提取率為13.50%，與模型預(yù)測(cè)值之間擬合性較好。結(jié)論：超聲波提取有效的提高梔子油脂的提取率，為梔子油脂的開(kāi)發(fā)利用提供了一定的依據(jù)。

梔子油脂 超聲波提取 響應(yīng)面分析 提取工藝

梔子為茜草科植物梔子Gardenia jasminoides Ellis的干燥成熟果實(shí)，是我國(guó)傳統(tǒng)常用中藥材，為歷版中華人民共和國(guó)藥典所收載。功效為清熱利濕，瀉火除濕，涼血解毒；外用消腫止痛?，F(xiàn)代藥理研究表明梔子具有抗氧化作用[1，2]、抗炎鎮(zhèn)痛作用[3]、抗微生物作用[4]、保肝利膽作用[5-7]、降血糖作用[8]等。梔子油占梔子果實(shí)的12%以上，富含亞油酸，是一種很好的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，現(xiàn)代藥理表明梔子油脂具有鎮(zhèn)靜、催眠、抗驚厥以及促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶的作用[9]。

孟陸麗等[10]以梔子油為原料,通過(guò)響應(yīng)面法得到梔子油乙酯化的最佳工藝條件為醇油摩爾比6.7：1，反應(yīng)溫度75 ℃，催化劑用量為梔子油質(zhì)量的1.65%，反應(yīng)時(shí)間 2.5 h，在此工藝條件下乙酯化反應(yīng)產(chǎn)物的羥基值為146.62 mg·g-1。楊云等[11]通過(guò)索氏提取法得到梔子油脂，并利用氣相色譜-質(zhì)譜-計(jì)算機(jī)聯(lián)用分析方法測(cè)定梔子油脂中的脂肪酸含量。楊曉紅等[12]研究表明梔子中含有豐富的油脂，且梔子中亞油酸的含量較高，油脂的成分簡(jiǎn)單。甘輝等[13]通過(guò)索氏提取法，提取梔子果油，并研究梔子果油的理化性質(zhì)和果油中脂肪酸的種類(lèi)和含量。李煒[14]應(yīng)用索氏提取法確定，當(dāng)顆粒度為40目，溫度為85 ℃，提取時(shí)間為8 h，料液比為1：4時(shí)，梔子果實(shí)的出油率最高。楊冀艷等[15]采用石油醚為提取溶劑，應(yīng)用超聲波提取鮮梔子濕果種籽中的梔子油，油脂產(chǎn)率較高的提取條件為：液料比為10：1，超聲處理提取時(shí)間為45 min，提取次數(shù)為3次/h。以上方法都是研究梔子油脂的提取工藝，但基本上都是通過(guò)單因素的方法來(lái)確定油脂的提取條件，并不能確定油脂的最佳提取工藝。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)單因素分析和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化工藝條件，為梔子油脂的開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

梔子由江西省九江市湖口縣提供，經(jīng)鑒定為梔子的果實(shí)，經(jīng)干燥粉碎后過(guò)20目篩。石油醚分析純（西隴化工股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-250型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；RE 52-99旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；予華牌循環(huán)水真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；GZX-9070MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥器（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；二兩裝高速中藥粉碎機(jī)（浙江瑞安市永歷制藥機(jī)械有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 梔子果實(shí)油脂的提取

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的梔子粉末置于錐形瓶中，加入一定量的石油醚溶液。將錐形瓶置于超聲波清洗器中進(jìn)行提取，控制超聲波清洗器提取時(shí)間和提取次數(shù)，取出提取液冷卻，過(guò)濾，提取液轉(zhuǎn)入圓底燒瓶中，將溶劑旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)完全，精密稱(chēng)取餾分為梔子油脂的質(zhì)量。

1.3.2 梔子油脂提取率的計(jì)算

在錐形瓶中加入一定量的梔子粉末，加入石油醚，超聲提取，冷卻，過(guò)濾，旋蒸，得到梔子油脂，測(cè)出梔子油脂的質(zhì)量，從而計(jì)算出提取率。

1.3.3 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取梔子粉末一定量，以液料比為12：1，提取次數(shù)為3次，分別考察不同提取時(shí)間的油脂提取率，重復(fù)3次，求3次的平均值。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案因素水平

圖1 提取時(shí)間對(duì)梔子油脂提取率的影響

1.3.4 液料比對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量梔子粉末，提取次數(shù)為3次，提取時(shí)間為上述實(shí)驗(yàn)所選的結(jié)果，選擇不同料液比，觀察其對(duì)梔子油脂提取率的影響，重復(fù)3次，求3次的平均值。

1.3.5 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量梔子粉末，提取時(shí)間和液料比為上述實(shí)驗(yàn)所選的結(jié)果，分別考察提取次數(shù)對(duì)提取率的影響，重復(fù)3次，求3次的平均值。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，確定提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)這三個(gè)因素，為了考察提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)對(duì)梔子油脂的提取率的交互影響，采用Box-Behnken[16，17]中心組合進(jìn)行三因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以梔子油脂提取率（Y）為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法進(jìn)行分析，試驗(yàn)因素及水平安排見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

在液料比為12：1，提取次數(shù)為3次的超聲波條件中，考察超聲提取時(shí)間為15、20、25、30、35、40和45 min時(shí)，梔子油脂的提取率，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以得出，梔子油脂的提取率先是隨著提取時(shí)間的增加而升高，30 min梔子油脂的提取率達(dá)到最高，而后逐漸降低，過(guò)長(zhǎng)的超聲提取時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致梔子油脂顆粒破裂分散，從而降低油脂的提取率，因此，梔子油脂提取率最佳的提取時(shí)間為30 min。

2.2 液料比對(duì)提取率的影響

當(dāng)提取時(shí)間為30 min，提取次數(shù)為3次時(shí)，分別考察液料比為8：1、9：1、10：1、11：1、12：1、13：1時(shí)，梔子油脂的提取率，見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，油脂提取率隨著液料比的增加而升高，提取溶劑石油醚使用量的增大，濃度差也增大，使得提取率升高。而在液料比為12：1后，液料比反而限制了油脂的提取率，這是因?yàn)闂d子粉末在液相中有更大的空間，使超聲波相同的時(shí)間內(nèi)，作用到梔子粉末的概率減小，故提取效率降低，因此，液料比為12：1時(shí)是提取率最佳的條件。

2.3 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

當(dāng)提取時(shí)間為30 min，液料比為12：1時(shí)，考察提取次數(shù)對(duì)提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著提取次數(shù)的增加，梔子油脂的提取率也升高，當(dāng)提取次數(shù)為3次時(shí)，提取率達(dá)到最高，此后提取率略微下降，考慮到提取的成本以及其他因素，因此選擇提取次數(shù)為3次。

圖2 液料比對(duì)梔子油脂提取率的影響

圖3 提取次數(shù)對(duì)梔子油脂提取率的影響

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)單因素試驗(yàn)，確定提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)這三個(gè)因素的基礎(chǔ)上, 采用Box-Behnken中心組合進(jìn)行三因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2。

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，所得回歸擬合方程為：Y=13.45-0.13X1-0.13X2+0.26X3+0.32X1X2-0.23X1X3-0.28X2X3-0.65X12-0.41X22-0.60X32。對(duì)回歸擬合模型方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

由表3可知，模型影響顯著（P＜0.05），而失擬項(xiàng)不顯著，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間有較好的相關(guān)性，因此，采用響應(yīng)面分析法進(jìn)行梔子油脂的提取試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的回歸模型是有效的。X12對(duì)應(yīng)的P值小于0.01，說(shuō)明其對(duì)梔子油脂的提取率影響極顯著，X32所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05，說(shuō)明其對(duì)梔子油脂提取率的影響顯著，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X22對(duì)梔子油脂提取率的影響不顯著。綜合各方面考慮，各因素對(duì)梔子油脂提取率的影響為：提取次數(shù)＞提取時(shí)間＞液料比。

2.4.2 響應(yīng)面圖分析

圖4 提取時(shí)間和液料比交互影響對(duì)梔子油脂提取率的等高線和響應(yīng)曲面圖

圖5 提取時(shí)間和提取次數(shù)交互影響對(duì)梔子油脂提取率的等高線和響應(yīng)曲面圖

各因素交互作用的等高趨勢(shì)線及響應(yīng)面圖分別見(jiàn)圖4-6。圖4-6是根據(jù)回歸方程所做出的響應(yīng)曲面和等高線圖，各圖形能夠直觀的反應(yīng)出各因素之間的交互作用以及各因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，等高線呈圓形表示兩因素交互作用不顯著，而呈橢圓形或馬鞍形則表示兩因素交互作用顯著[18]，由圖5和圖6可以看出，提取時(shí)間（A）和提取次數(shù)（C）、液料比（B）和提取次數(shù)（C）等高線圖呈明顯的橢圓形，表明兩因素間交互作用較顯著。相比之下，提取時(shí)間（A）和液料比（B）等高線圖呈圓形，表明兩因素間交互作用不明顯。由圖4可知，當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，梔子油脂的提取率受液料比的影響較小，隨著液料比的增大均先增大而后有所下降，而當(dāng)液料比一定時(shí)，提取時(shí)間對(duì)提取率的影響較大，提取率隨著提取時(shí)間的增大而增大，當(dāng)提取時(shí)間增大到一定的程度，隨著提取時(shí)間的增大提取率逐漸降低。由圖5可以得出：梔子油脂提取率隨著提取時(shí)間的變化，呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，提取次數(shù)也是一樣，在提取時(shí)間為30 min，提取次數(shù)為3次時(shí)梔子油脂的提取率最高。由圖6可以看出，在液料比為12：1，提取次數(shù)為3次時(shí)提取率最佳，液料比變化曲面不如提取次數(shù)變化曲面陡 ，說(shuō)明液料比對(duì)梔子油脂的提取率不如提取次數(shù)對(duì)油脂提取率的影響大，與方差分析的結(jié)果一致，從等高線圖可以看出，提取次數(shù)軸向等高線密集，說(shuō)明提取次數(shù)對(duì)油脂提取率的影響較大，而液料比軸向等高線相對(duì)稀疏，說(shuō)明液料比對(duì)油脂提取率影響較小[19]。

圖6 液料比和提取次數(shù)交互影響對(duì)梔子油脂提取率的等高線和響應(yīng)曲面圖

2.4.3 最佳工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)得到梔子油脂提取率的最佳工藝條件為：超聲提取時(shí)間為28.7 min，液料比為11.62：1，提取次數(shù)為3.36次，測(cè)得梔子油脂提取率為13.54%?？紤]到實(shí)際試驗(yàn)，將提取時(shí)間改為29 min，液料比為12：1，提取次數(shù)為3次，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得油脂提取率為13.50%，與理論值相近。

3 結(jié)論

本文對(duì)梔子油脂的超聲提取工藝做了較為全面的研究，首先通過(guò)提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)三個(gè)單因子對(duì)梔子油脂的提取率進(jìn)行研究，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲提取梔子油脂工藝，利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立提取時(shí)間、液料比和提取次數(shù)的回歸模型，并對(duì)該模型進(jìn)行擬合，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠預(yù)測(cè)梔子油脂的提取率，X12對(duì)應(yīng)的P值小于0.01，說(shuō)明其對(duì)梔子油脂的提取率影響極顯著，X32所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05，說(shuō)明其對(duì)梔子油脂提取率的影響顯著，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X22對(duì)梔子油脂提取率的影響不顯著，從而發(fā)現(xiàn)三個(gè)單因子之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此采用響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝的方法是可行的。得到最佳的提取工藝：提取時(shí)間為28.7 min,液料比為11.62：1，提取次數(shù)為3.36次，測(cè)得梔子油脂提取率為13.54%。對(duì)工業(yè)上大批量提取梔子油脂提供一定的參考依據(jù)。

響應(yīng)面法考慮實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)誤差，而傳統(tǒng)的優(yōu)化方法對(duì)實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)誤差不進(jìn)行考慮。響應(yīng)面法將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，用簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，使計(jì)算簡(jiǎn)便。當(dāng)然，響應(yīng)面設(shè)計(jì)也存在著一些不足，當(dāng)變量較多或模型是線性關(guān)系時(shí)，需要考慮的問(wèn)題也較多，簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式擬合就不能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，因此必須用其它的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其在食品工業(yè)、化學(xué)工藝、生物學(xué)等都應(yīng)用比較廣泛，因此應(yīng)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化梔子油脂的提取工藝可行性高，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)梔子油脂奠定基礎(chǔ)。

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Optimizing the Ultrasonic Extraction of Gardenia Oils from Gardenia Jasminoides Ellis by Response Surface Methodology

Yuan Yuanjian, Luo Guangming, Wei Chunhua, Rao Yaqi, Gong Yuhong
(School of Pharmacy, Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004, China)

This study aimed to optimize the ultrasonic extraction of gardenia oils from Gardenia jasminoides Ellis. by response surface analysis methodology (RSM). The duration of extraction, ratio of liquid to materials and extracting times were selected as impact factors based on single-factor experiment. RSM was adopted to learn the effects of the three factors on the extraction rate of Gardenia oil from Gardenia jasminoides Ellis. As a result, it was found that the duration of extraction was 28.7 min, while the ratio of liquid to materials was 11.62：1, and the number of extracting times were 3.36. Under this extracting condition, the average extraction rate of the oil was 13.5% according to three validation experiments, fitting the predicted value well. In conclusion, it was demonstrated that the ultrasonic extraction method effectively improved the extraction rate of gardenia oil, providing a certain basis for the development and utilization of gardenia oil.

Gardenia oil, ultrasonic extraction, response surface analysis, extraction process

（責(zé)任編輯：姜月瀅，責(zé)任譯審：朱黎婷）

10.11842/wst.2016.07.021

R282

A

2016-03-04

修回日期：2016-04-29

＊ 國(guó)家中醫(yī)藥管理局國(guó)家公益性科研專(zhuān)項(xiàng)（201507002）：梔子藥材優(yōu)良品種選育方法及種植質(zhì)量控制技術(shù)研究，負(fù)責(zé)人：羅光明；江西省教育廳2015 年研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)（YC2015-S346）：基于AHP 的模糊綜合評(píng)判在梔子區(qū)劃中的研究，負(fù)責(zé)人：袁源見(jiàn)。

＊＊ 通訊作者：羅光明，博士，教授，主要研究方向：中藥資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。