響應面法優(yōu)化超聲波輔助水酶法提取牡丹籽油工藝研究

江連洲，王海晴，陳 思，隋曉楠，張巧智，李 楊（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

響應面法優(yōu)化超聲波輔助水酶法提取牡丹籽油工藝研究

江連洲，王海晴，陳 思，隋曉楠，張巧智，李 楊*
（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

以牡丹籽為原料，應用超聲輔助法對牡丹籽油提取工藝進行優(yōu)化。在單因素實驗基礎(chǔ)上，應用中心組合實驗設(shè)計原理，以牡丹籽油得率為響應值，對影響牡丹籽油得率的3個主要因素（超聲功率、超聲時間和超聲處理時間）進行響應面優(yōu)化。確定超聲輔助法最佳工藝條件：超聲功率400 W，超聲溫度40℃，處理時間45 min。在最優(yōu)條件下，牡丹籽油得率可達2.02%±0.05%。對比水酶法（得率20.34%）、溶劑法（得率24.58%）與超聲輔助水酶法（得率22.13%）提取的牡丹籽油，發(fā)現(xiàn)超聲輔助法不僅提高牡丹籽油提油效率，且所提取的牡丹籽油的酸值低、游離脂肪酸少，油脂品質(zhì)高。

牡丹籽，超聲波輔助提取，酶，響應面分析，得率

牡丹，毛茛科芍藥屬灌木［1］，年產(chǎn)量高達萬噸。牡丹籽油（含量約27%，質(zhì)量分數(shù)）富含不飽和脂肪酸（90%），特別是α-亞麻酸。作為新資源食品，牡丹籽油是食用油和營養(yǎng)供應的最佳來源［2］，具有很高的開發(fā)價值。但目前關(guān)于牡丹籽油的提取方法還不夠成熟，常見的方法是溶劑浸出法，劉建華等［3］用正己烷回流提取得到牡丹籽油；周海梅等［4］用石油醚-乙酸乙酯回流提取得到牡丹籽油。雖然浸出法制油出油率高，卻存在溶劑回收和溶劑殘留等問題。

隨著人們對食品安全意識的提高，考慮到環(huán)境、經(jīng)濟和安全等多方面的因素，應用水酶法提取植物油的技術(shù)得到廣泛的關(guān)注及應用［5］。與傳統(tǒng)工藝相比，水酶法提油不僅提高了出油效率，工藝簡單，還符合可持續(xù)發(fā)展的節(jié)能、環(huán)保的原則［6］。超聲輔助法作為一種快速、高效的生物活性分子提取新技術(shù)，越來越受到科技工作者的重視。超聲輔助法不僅提高了總蒽醌類得率，減少溶劑用量和時間［7-8］，還增加了油和酚類物質(zhì)得率［9-10］。與傳統(tǒng)溶劑浸提法相比，超聲波強化提取方法時間短，效率高［11］。研究表明，應用超聲輔助水酶法提取可以提高油得率，同時保持其物理化學性質(zhì)［12］。

本實驗通過研究超聲功率、超聲溫度及超聲處

理時間等因素與牡丹籽油得率的關(guān)系，應用響應面分析法，對超聲輔助法提取牡丹籽油工藝進行優(yōu)化，確定其最佳工藝條件，在此基礎(chǔ)上對比溶劑法、水酶法及超聲輔助水酶法提取牡丹籽油的得率及性質(zhì)，以求獲得高效的牡丹籽油提取方法，為牡丹籽油產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牡丹籽 2014年產(chǎn)自河南洛陽；纖維素酶（活力為150000 U/g） 無錫酶制劑總廠；其他化學試劑均為分析純。

FA2004型電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；JY92-IIN型超聲波細胞粉粹機 寧波新芝生物科技股份有限公司；HZQ-X100振蕩培養(yǎng)箱 哈爾濱市東聯(lián)電子科技開發(fā)有限公司；FW-100型高速萬能粉碎機 紹興市科宏儀器有限公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海精科實業(yè)有限公司；HHW型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州丹瑞實驗儀器設(shè)備有限公司金壇市雙捷實驗儀器廠；索氏提取儀 洛陽化學試劑與儀器廠；WGL-45B型電熱恒溫鼓風干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司。

1.2 超聲輔助水酶法提取牡丹籽油

1.2.2 單因素實驗設(shè)計 為考察各因素（固定水平：超聲功率350 W、超聲溫度45℃及處理時間40 min）對牡丹籽油得率的影響，首先進行單因素實驗，以超聲功率（200、250、300、350、400 W）、超聲溫度（35、40、45、50、55℃）、處理時間（20、30、40、50、60 min）作為考察因素，以牡丹籽油得率作為實驗指標。

1.2.3 響應面實驗設(shè)計 在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用中心組合（Box-Behnken）實驗設(shè)計方案，以超聲功率（A）、超聲溫度（B）、處理時間（C）為考察變量，以牡丹籽油得率Y1（%）為響應值設(shè)計響應面實驗。自變量因素水平編碼見表1。

表1 超聲輔助法提取牡丹籽油響應面分析因素水平編碼表Table1 Coded values of corresponding actual values of independent variables in response surface design

1.3 牡丹籽油得率的測定

在響應面實驗的基礎(chǔ)上，應用最佳超聲條件處理牡丹籽溶液（液固比10∶1），超聲后加入3000 U/g的纖維素，加酶前，用0.5 g/L NaOH和0.5 g/L HCl調(diào)節(jié)溶液pH（pH4.8～5.2），反應液在50℃水浴酶解3 h，90℃滅酶，混合物在8000×g室溫離心20 min。離心后溶液分層（殘渣、水解液、乳狀液、油），用滴管小心吸取上層的油，干燥、稱量。

1.4 超聲輔助水酶法與其他實驗方法的比較

水酶法提取工藝：將未經(jīng)過超聲處理的牡丹籽溶液按上述操作步驟進行酶解，干燥，得到水酶法提取的牡丹籽油。

溶劑法提取工藝：為測定總含油量，對牡丹籽進行索氏提取。將去雜后破碎的牡丹籽粉（25 g）用300 mL正己烷提取8 h。提取結(jié)束后，在50℃條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸發(fā)正己烷。將平底燒瓶放到烘箱（90℃）內(nèi)烘干殘留溶劑，直至前后兩次平底燒瓶重量不變?yōu)橹梗ā?.2%），得到溶劑法提取的牡丹籽油。

1.5 牡丹籽油的主要理化指標測定

水分含量測定方法參考GB 50093-2010；酸值參考AOCS標準方法；碘值參考AOCS標準方法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

應用Origin 8.5軟件繪制單因素實驗數(shù)據(jù)的趨勢曲線圖。為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，所有實驗重復3次，取數(shù)據(jù)的平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲輔助法對牡丹籽油得率的影響

2.1.1 超聲功率對牡丹籽油得率的影響 從圖1可以看出，當超聲溫度為45℃，處理時間為40 min時，隨著超聲功率的增加，牡丹籽油得率不斷增加，最后趨向平穩(wěn)。當超聲功率在200～250 W時，超聲功率對牡丹籽油得率的影響不大。當超聲功率大于250 W時，大量超聲波通過溶液，產(chǎn)生大量泡沫，泡沫破碎后產(chǎn)生局部瞬間壓力，形成沖擊波，該能量使細胞破裂從而破壞細胞壁［13］。因此，從牡丹籽中釋放油的效率得到改善。在超聲功率350 W時，牡丹籽油得率最高。當超聲功率超過350 W時，牡丹籽油得率下降，這可能是由于自由基導致油的降解［14］。當超聲功率為350 W時，牡丹籽油的得率最大，為2.25%。

圖1 超聲功率對牡丹籽油得率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment power on extraction yield of peony seed oil

2.1.2 超聲溫度對牡丹籽油得率的影響 在超聲功率為350 W，超聲處理時間為40 min條件下，超聲溫度對牡丹籽油得率的影響見圖2。當溫度從35℃上升到45℃時，牡丹籽油得率從1.35%增加到1.91%。45℃

后，牡丹籽油得率呈下降趨勢。這是由于超聲處理溫度能影響料液中生成的氣泡數(shù)量。高溫下的蒸汽壓有助于形成氣泡，含有蒸汽的氣泡破裂產(chǎn)生緩沖效應［14］，削弱了空化效應，因此當升高至一定溫度后，得率保持不變。當超聲溫度為45℃時，牡丹籽油得率最大。

圖2 超聲溫度對牡丹籽油得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment temperature on extraction yield of peony seed oil

2.1.3 處理時間對牡丹籽油得率的影響 當超聲功率為350 W，超聲處理溫度為45℃的條件下，超聲處理時間對牡丹籽油得率的影響如圖3。當處理時間為20～40 min時，牡丹籽油得率逐漸增加，40 min后，隨著時間增加得率降低。這是由于超聲波從牡丹籽外部向內(nèi)部擴散，擴散區(qū)域減少，距離增加，擴散率相應減少［15］。因此，當達到一定超聲處理時間后，牡丹籽油得率增加不顯著。利用超聲輔助提取亞麻籽［16］和茶籽［17］中的油也得到相同的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理時間小于40 min時，與牡丹籽油得率成正比，超過40 min后提取的牡丹籽油得率呈下降趨勢，故選擇超聲處理時間為40 min。

圖3 超聲處理時間對牡丹籽油得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on extraction yield of peony seed oil

2.2 回歸方程的建立與分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對表2中的實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表3（p＜0.05為顯著）。通過對超聲輔助法提取牡丹籽油的影響因素的實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到牡丹籽油得率對自變量超聲功率（A）、超聲溫度（B）和處理時間（C）的回歸方程為：

Y1=1.84+0.24A-0.080B+0.23C-0.23AB+0.013AC+0.065BC-0.23A2-0.18B2-0.26C2

表2 超聲輔助法提取牡丹籽油響應面分析實驗設(shè)計及結(jié)果Table2 Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

表3 方差分析表Table3 Analysis of variance table

由表3可知，用上述回歸方程描述各變量與指標（響應值）之間的關(guān)系時，其因變量和自變量之間的線性關(guān)系顯著，該模型回歸顯著（p＜0.05），失擬項不顯著（p＞0.05），說明上述回歸方程對實驗擬合較好。此外，由表3還可看出，各因素對牡丹籽油得率影響的大小依次為超聲功率（A）、處理時間（C）、超聲溫度（B）。

根據(jù)回歸方程，做出響應面，考察擬合響應面曲線的形狀，分析超聲功率、超聲溫度和處理時間對牡丹籽油得率的影響，見圖4～圖6。由圖4可以看出，超聲功率和超聲溫度的交互作用顯著，相比較而言，其他因素間交互作用較小。

圖4 超聲功率與超聲溫度交互影響對牡丹籽油得率的響應面圖Fig.4 Response surfaces of interactive effects between ultrasonic treatment power and ultrasonic treatment temperature on extraction yield of peony seed oil

圖5 超聲功率與處理時間交互影響對牡丹籽油得率的響應面圖Fig.5 Response surfaces of interactive effects between ultrasonic treatment power and ultrasonic treatment time on extraction yield of peony seed oil

圖6 超聲功率與處理時間交互影響對牡丹籽油得率的響應面圖Fig.6 Response surfaces of interactive effects between ultrasonic treatment power and ultrasonic treatment temperature on extraction yield of peony seed oil

表4 不同方法提取牡丹籽油比較Table4 Comparison of peony seed oil by different extraction methods

根據(jù)響應面實驗的結(jié)果，得到最佳超聲優(yōu)化組合：超聲功率396.65 W，超聲溫度41.10℃，超聲處理時間43.70 min，此時，牡丹籽油得率為2.03%。為驗證響應面所得結(jié)果的可靠性，根據(jù)上述結(jié)果進行驗證實驗，考慮到實際操作的便利，將提取工藝參數(shù)修正為：超聲功率400 W，超聲溫度40℃，超聲處理時間45 min，此條件下實際測得的牡丹籽油得率為2.02% ±0.05%，與預測值擬合性良好，表明響應面法得到的回歸方程可以很好地反映超聲功率、超聲溫度及超聲處理時間與牡丹籽油得率之間的關(guān)系，說明優(yōu)化結(jié)果具有可靠性。

2.3 不同提取方法的比較

為考察不同提取方法對牡丹籽油得率及其品質(zhì)的影響，采用溶劑法、水酶法、超聲輔助水酶法對牡丹籽油進行提取，比較所得的牡丹籽油的性質(zhì)。實驗結(jié)果見表4。

由表4可知，牡丹籽的水分含量為6.9%±0.2%，溶劑浸提法的碘值（175.4 g/100 g）比其他兩種方法高，說明不飽和脂肪酸含量高，與易軍鵬等［18］研究結(jié)果相符，但溶劑提取法存在破壞牡丹籽油生物活性成分的缺點。超聲輔助水酶法得到的牡丹籽油酸值較低，說明其游離脂肪酸少，油的品質(zhì)比其他兩種方法得到的油質(zhì)量好。水酶法是近幾年新興的經(jīng)濟、環(huán)保的技術(shù)方法，它能在提油的同時，高效回收油料中的其他營養(yǎng)物質(zhì)。對比經(jīng)超聲處理（超聲功率400 W、超聲溫度40℃、處理時間45 min）后再酶解（酶解時間3 h，pH5.0，酶解溫度50℃）的牡丹籽（22.13%）與未經(jīng)超聲處理直接酶解的牡丹籽（20.34%），發(fā)現(xiàn)超聲輔助法可提高牡丹籽油得率。

3 結(jié)論

3.1 采用超聲輔助提取技術(shù)對牡丹籽油進行提取，通過單因素及響應面分析得到超聲輔助法提取牡丹籽油最佳工藝條件，超聲功率400 W、超聲溫度40℃，處理時間45 min，在此工藝條件下，牡丹籽油得率為2.02%±0.05%。

3.2 相比水酶法，超聲輔助水酶法提高了牡丹籽油的得率（從20.34%上升到22.13%）。相比水酶法、溶劑法，超聲輔助水酶法提取的牡丹籽油效率高，酸值低，游離脂肪酸少，牡丹籽油品質(zhì)有所改善。最大程度利用資源，減少資源浪費，為以后工業(yè)化生產(chǎn)應用提供理論依據(jù)。

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Optimization of aqueous enzymatic ultrasonic-assisted extraction of oil from paeonia seeds

JIANG Lian-zhou，WANG Hai-qing，CHEN Si，SUI Xiao-nan，ZHANG Qiao-zhi，LI Yang*
（Northeast Agricultural University，College of Food Science，Harbin 150030，China）

The ultrasonic-assisted aqueous enzymatic extraction technology was used to extract oil from paeonia seeds.Based on Box-Benhnken central combination design，effects of three crucial factors（ultrasonic power，ultrasonic temperature and extraction time）on extraction yield of peony oil were investigated by response surface analysis.The optimal technological condition of oil extraction was determined as follows：the ultrasonic power was 400 W，the ultrasonic temperature was 40℃and the extraction time was 45 min.Under such condition，the total oil extraction rate was 2.02%±0.05%.Compared the ultrasonic assisted aqueous enzymatic oil extraction （extraction rate 22.13%）with directly enzymatic hydrolysis（extraction rate 20.34%）and solvothermal method （extraction rate 24.58%），the result indicated that ultrasonic assisted method could enhance the extraction efficiency，reduce the free fatty acid and low the acid value，therefore the oil property could be improved.

peony seed；ultrasonic assisted extraction；enzyme；response surface analysis；extraction yield of oil

TS201.1

B

1002-0306（2016）08-0247-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.043

2015－09－08

江連洲（1960-），男，博士，教授，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程，E-mail：jlzname@163.com。

*通訊作者：李楊（1981-），男，副教授，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程，E-mail：liyanghuangyu@163.com。

國家自然科學基金（31571876、31301501）；高等學校博士生學科點專項科研基金（20132325110013）；農(nóng)業(yè)部崗位科學家（CARS-04-PS25）；國家科技支撐計劃課題（2014BAD22B00）；國家“863”計劃（2013AA1021）；黑龍江省自然科學基金項目（ZD201302）。