基于響應(yīng)面法對(duì)油樟籽油超聲波提取工藝的優(yōu)化

胡文杰 許樟潤(rùn) 李冠喜

(井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，吉安 343009) (連云港農(nóng)業(yè)科學(xué)院2，連云港 222006)

基于響應(yīng)面法對(duì)油樟籽油超聲波提取工藝的優(yōu)化

胡文杰1許樟潤(rùn)1李冠喜2

(井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，吉安 343009) (連云港農(nóng)業(yè)科學(xué)院2，連云港 222006)

為了提高油樟籽油的提油率和品質(zhì)，通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波提取油樟籽油工藝。采用單因素試驗(yàn)方法，對(duì)其提取溶劑、提取時(shí)間、料液比及提取功率進(jìn)行篩選，并利用響應(yīng)面試驗(yàn)中的 Box-Benhnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，模擬得到的二次多項(xiàng)式回歸方程擬合性好，油樟籽油提取的最佳工藝條件為：以石油醚為溶劑，提取時(shí)間44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，提取率可達(dá) 37.54%；油樟籽油各項(xiàng)理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果，碘值 5.354 gI/100 g、酸值 0.168 mgKOH/g、皂化值 285.73 mgKOH/g、折光指數(shù) 1.439 1和相對(duì)密度 0.924 0 g/cm3；其脂肪酸的成分含有油酸(1.15%)、亞油酸(0.83%)、亞麻酸(0.18%)、癸酸(56.03%)、月桂酸(36.08%)、肉豆蔻酸(1.05%)、棕櫚酸(0.24%)和硬脂肪酸(0.71%)；油樟籽油的理化性質(zhì)、脂肪酸組成符合用作生物柴油、醫(yī)藥和功能性油脂生產(chǎn)的原料。

油樟籽油 超聲波 響應(yīng)面法 提取工藝

樟樹(shù)(CinnamomumCamphora)是屬于樟科樟屬的常綠性喬木，在我國(guó)分布廣泛[1]。樟樹(shù)按照枝葉精油主成分的不同，可分為油樟(主含桉葉油，下同)、芳樟(芳樟醇)、腦樟(樟腦)、龍腦樟(右旋龍腦)和異樟(異-橙花叔醇) 5種化學(xué)型[2]。油樟是樟樹(shù)5種化學(xué)型之一，其全身都是寶，尤其是油樟的種子，可榨油供制皂、作潤(rùn)滑油等用途，是一種極具開(kāi)發(fā)價(jià)值的植物資源。但由于目前對(duì)油樟籽的開(kāi)發(fā)利用不夠，每年秋末冬初，大量的油樟籽散落于城鄉(xiāng)各地，不僅浪費(fèi)資源而且還污染環(huán)境[3]。為了有效利用油樟籽的資源，減少環(huán)境污染，提高其加工產(chǎn)品附加值，因此研究油樟籽的提取工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前有關(guān)油樟的研究主要集中在化學(xué)成分分析[4-6]、抑菌[7-10]、生理生態(tài)[11]及油細(xì)胞結(jié)構(gòu)[12]方面。但油樟籽油提取工藝的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。超聲波法提取與傳統(tǒng)的提油法相比具有速度快、抽提溫度低、常壓提取、提取效率高、能耗少、無(wú)副產(chǎn)物，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，是一種較為理想的提取方法。響應(yīng)面法具有使用簡(jiǎn)便、精度高、預(yù)測(cè)性好的優(yōu)點(diǎn)，能解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法[15]。本研究以油樟籽為原料，探討各因素對(duì)超聲波提取油樟籽油的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化了提取工藝，并且測(cè)定了油樟籽油理化性質(zhì)和脂肪酸的組成，旨在為油樟籽的綜合開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

油樟果實(shí)于2014年11月采自江西吉安。

RE-52 A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠； GZX-9140 MBE 數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠； FW 117中草藥粉碎機(jī)：天津泰斯特儀器有限公司；HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司；BS 24 S電子天平：賽多利斯北京公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)JY88-11型：寧波新芝生物科技有限公司；LD 5-10型離心機(jī)：北京京立離心機(jī)有限公司；GCMS-QP 2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本島津公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油樟籽油的提取

油樟果實(shí)采集后，用清水將油樟果實(shí)洗凈，浸泡24 h時(shí)，剝?nèi)ス?，將油樟籽放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)60 ℃ 烘干，冷卻至常溫后，用粉碎機(jī)粉碎，密封放入干燥器中備用。油樟籽含油為44.85%。

以油樟籽粉為原料，加入提取溶劑，設(shè)定提取工藝參數(shù)進(jìn)行超聲波提取，提取兩次，合并提取液，離心濾液，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器去除有機(jī)提取劑，(100±5) ℃烘箱干燥，除去殘余溶劑，直至前后2次質(zhì)量差不超過(guò)0.001 g，得到油樟籽油。按下式計(jì)算油樟籽油提取率：提取率=(油樟籽油質(zhì)量/油樟籽粉質(zhì)量)×100%。

1.2.2 油樟籽成分的測(cè)定

水分測(cè)定：參照GB/T 5009.3—2003；粗脂肪：索氏提取法，參照GB/T 5009.6—2003；果膠的測(cè)定：采用重量法；粗蛋白：凱氏定氮法，參照GB/T 5009.5—2003；灰分測(cè)定：參照GB/T 5009.4—2003；總糖含量測(cè)定：酸水解-直接滴定法。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將分別以不同的提取溶劑(乙醚、石油醚、正己烷、丙酮)、提取時(shí)間(20、30、40、50、60 min)、料液比 (1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL)及提取功率 (50、100、150、200 W)為單因素，考察各因素對(duì)油樟籽油提取率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇提取時(shí)間、料液比及提取功率為考察對(duì)象，以油樟籽油提取率為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)曲面分析(RSA)進(jìn)行了提取條件的優(yōu)化。Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

1.2.5 油樟籽油理化性質(zhì)的測(cè)定

測(cè)定提取得到的油樟籽油理化性質(zhì)，指標(biāo)和方法分別為：碘值 GB/T 5532—1995；酸值 GB/T 5530—2005；皂化值 GB/T 5534—2008；相對(duì)密度 GB/T 5526—1985；折光指數(shù) GB/T 5527—2010。

1.2.6 樣品的甲酯化

稱取0.2 g 油樟籽油于20 mL 試管中，加入0.5 mol/L的氫氧化鉀-甲醇溶液2 mL，60 ℃ 水浴中加熱30 min至油珠完全消失，冷卻后加入25%的三氟化硼甲醇溶液3 mL，于60 ℃水浴酯化25 min，冷卻后加入2 mL正己烷，振搖，加入2 mL飽和氯化鈉溶液，搖勻，靜置，取上層(正己烷層)溶液進(jìn)行GC-MS分析，面積歸一化法定量。

1.2.7 脂肪酸組成測(cè)定

GC條件：色譜柱為30 m×0.25 mm×1.25 μm的DB-5 MS柱，程序升溫：初始溫度80 ℃保持2 min，以10 ℃/min 升至160 ℃，保持8 min，再以8 ℃/min升至280 ℃保持5 min；進(jìn)樣口溫度280 ℃，載氣為He，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量0.1 μL，分流比80∶1。

MS條件：EI離子源，發(fā)射電流：0.3 mA，電離能量：70 eV，離子源溫度：250 ℃，掃描范圍(m/z)：30～550。

2 結(jié)果與分析

2.1 油樟籽的化學(xué)成分分析

油樟籽中含有水分8.73%，總灰分3.59%，總糖4.92%，果膠2.48%，另外，還含有較高含量的粗脂肪59.37%和粗蛋白10.16%。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 提取溶劑對(duì)油樟籽油提取率的影響

采用4種不同溶劑分別提取油樟籽油，提取率結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，石油醚對(duì)油樟籽油的提取效果最好，為35.57%；其次是丙酮，正己烷提取率最低。可見(jiàn)，石油醚與油樟籽油的極性最為相近，因此，石油醚適用于提取油樟籽油。

圖1 提取溶劑對(duì)油樟籽油提取率的影響

2.2.2 提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響

采用石油醚作為提取溶劑，設(shè)定料液比為1∶20 g/mL，提取功率為150 W，考查不同提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖2可知，提取時(shí)間在20～40 min之間，油樟籽油的提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷地增加，40 min時(shí)提取率達(dá)到最大，隨著超聲波提取時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，油樟籽油的提取率反而下降，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超聲作用使得油樟籽油部分分解或揮發(fā)所致，因此，提取時(shí)間選擇40 min最為合適。

圖2 提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響

2.2.3 料液比對(duì)油樟籽油提取率的影響

在以石油醚為提取溶劑、提取時(shí)間40 min及提取功率為150 W的條件下，考查不同料液比對(duì)油樟籽油提取率的影響，結(jié)果如圖3，從圖3 可知，隨著料液比的增加，油樟籽油提取率先逐漸升高后略有降低，當(dāng)料液比為1∶20 g/mL時(shí)油樟籽油提取率達(dá)到最大值，之后隨著料液比增大，油樟籽油提取率變化較平緩且有所降低的趨勢(shì)。這可能溶劑量越大，體系滲透壓也越大，油脂越容易滲透出來(lái)，但也存在一個(gè)最適濃度，超過(guò)了這個(gè)濃度，籽油提取率反而有所降低。因此，為了保證油樟籽油的完全提取且有效節(jié)約成本，綜合考慮，選擇1∶ 20 g/mL為最適料液比。

圖3 提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響

2.2.4 提取功率對(duì)油樟籽油提取率的影響

在以石油醚為提取溶劑、提取時(shí)間40 min及料液比為1∶20 g/mL的條件下，考查不同提取功率對(duì)油樟籽油提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4，根據(jù)圖4可知，隨著提取功率的增大，油樟籽油提取率也隨著增加，當(dāng)提取功率增加至150 W時(shí)，油樟籽油提取率也達(dá)到37.14%，隨后增加提取功率，油樟籽油提取率有所下降的趨勢(shì)，這可能提取功率越大，其空化作用越強(qiáng)，空化現(xiàn)象越劇烈，媒質(zhì)粒子的速度和加速也越大，界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散就越快，油脂滲透出來(lái)的速度就越大，但提取功率超過(guò)一定值時(shí)，籽仁內(nèi)外滲透壓達(dá)到平衡，隨著提取功率進(jìn)一步增大，籽油提取率反而下降。為了節(jié)約能源和成本，因此選擇提取功率為150 W最為合適。

圖4 提取功率對(duì)提取率的影響

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合單因素試驗(yàn)，選擇提取時(shí)間、料液比和提取功率三因素三水平(見(jiàn)表1)，進(jìn)行Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析，以優(yōu)化油樟籽油的超聲波提取工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

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

以油樟籽油提取率(Y)為響應(yīng)值，通過(guò) RSA 程序?qū)Ρ?3 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，得到二次多項(xiàng)回歸模型方程如下:

Y=37.28+1.41X1+0.86X2+0.68X3+0.17X1X2+0.72X1X3-0.51X2X3-2.14X12-2.18X22-1.93X32

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表 3。

由表 3 可知，整體模型影響因素與回歸方程的關(guān)系達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表明二次方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好，相關(guān)系數(shù)R2=0.993 9，說(shuō)明模型符合度達(dá)到了99.39%，能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析實(shí)際情況。響應(yīng)值(油樟籽油提取率)的變化來(lái)自所選的因變量，即提取時(shí)間、料液比和提取功率。因此可以用該方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響最顯著，然后是液料比和提取功率。X1、X2、X3、X1X3、X12、X22、X32影響極顯著；交互項(xiàng)X2X3對(duì)油樟籽油提取率的影響影響極顯著；而交互項(xiàng)X1X2影響不顯著，表明X1X2的交互作用較小。

表3 多元回歸分析結(jié)果

注：*表示P<0.05水平顯著，**表示P<0.01水平極顯著。

2.4 交互作用項(xiàng)等高線圖和響應(yīng)面分析

在響應(yīng)面分析法中，通常用響應(yīng)面圖和等高線的形狀來(lái)直觀地反映兩個(gè)因素交互效應(yīng)的大小。圓形表示交互作用不顯著，橢圓形則表示交互作用顯著[16]。

由圖 5 可知，提取時(shí)間與料液比的交互項(xiàng)的等高線的形狀呈圓形，而等高線的形狀反映交互效應(yīng)強(qiáng)弱的大小，圓形表示兩因素交互作用未達(dá)顯著水平。且等高線沿時(shí)間軸方向變化相對(duì)密集，說(shuō)明提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響比料液比大，這與方差分析的結(jié)果相吻合。

從圖6可以看出，提取時(shí)間與提取功率的交互項(xiàng)的等高線圖顏色對(duì)比強(qiáng)烈，說(shuō)明交互作用極顯著，等高線的形狀反映交互效應(yīng)強(qiáng)弱的大小，橢圓形表示兩因素交互作用極顯著。此外，沿時(shí)間軸方向的等高線密度變化略高于提取功率方向的變化，說(shuō)明提取時(shí)間對(duì)油樟籽油提取率的影響要大于提取功率。

由圖7可知，料液比與提取功率的交互項(xiàng)呈比較典型的橢圓形，說(shuō)明兩因素交互作用顯著。此外，沿料液比軸方向的等高線密度變化略高于提取功率方向的變化，說(shuō)明料液比對(duì)油樟籽油提取率的影響要大于提取功率。

2.5 最優(yōu)條件的確定及試驗(yàn)驗(yàn)證

采用 Design-Expert 8.5 b分析試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可得出最大響應(yīng)值(Y)時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼值為：X1=0.37，X2=0.19，X3=0.22。根據(jù)編碼值與非編碼值的轉(zhuǎn)換式解得響應(yīng)面法對(duì)油樟籽油提取條件的最佳工藝條件為：提取時(shí)間(X1)=43.7 min，料液比(X2)=1∶20.95 g/mL，提取功率(X3)=161 W，在此工藝條件下，其最大籽油提取率理論值為37.70%。為了方便該模型的實(shí)際生產(chǎn)操作，將油樟籽油的提取工藝參數(shù)修正為提取時(shí)間44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，在此條件下共進(jìn)行5次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到油樟籽油的平均提取率為37.54%，與預(yù)測(cè)值37.70%是非常接近的，相對(duì)誤差0.42%。與史亞亞[17]采用溶劑法提取樟樹(shù)籽油的結(jié)果(提取溫度60 ℃、液料比10、提取時(shí)間8 h，在此條件下，樟樹(shù)籽油提油率為36.97%)相比較，本試驗(yàn)采用超聲波提取籽油的提取率比其溶劑法高1.97%，且超聲波比溶劑法提取時(shí)間更短，從生產(chǎn)成本上考慮，是一種短時(shí)高效的的提取方法。因此采用修正后的方法得到的提取參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定實(shí)用價(jià)值。

圖5 Y=f(X1,X2)的等高線圖和響應(yīng)面圖

圖6 Y=f(X1,X3)的等高線圖和響應(yīng)面圖

圖7 Y=f(X2,X3)的等高線圖和響應(yīng)面圖

2.6 油樟籽油的主要理化性質(zhì)及脂肪酸組成分析

2.6.1 油樟籽油的主要理化性質(zhì)

從表4可以看出，本試驗(yàn)所測(cè)的主要理化性質(zhì)為碘值5.354 gI/100 g、酸值0.168 mgKOH/g、皂化值285.73 mg KOH/g、折光指數(shù)1.439 1、相對(duì)密度0.924 0 g/cm3。與史亞亞[17]采用溶劑法萃取的樟樹(shù)籽油的主要理化性質(zhì)分析結(jié)果有所差異，本試驗(yàn)除了酸值比其所測(cè)的低外，碘值、相對(duì)密度和皂化值差異不大，這可能與樟樹(shù)的化學(xué)型、環(huán)境、提取工藝等因素有關(guān)。但本試驗(yàn)所測(cè)的主要理化性質(zhì)結(jié)果與鄧丹雯[18 ]采用超臨界CO2萃取的籽油所測(cè)的相近。從超聲波提取油樟籽油的酸值低來(lái)看，其籽油品質(zhì)比較適用于作生物柴油、醫(yī)藥和功能性油脂生產(chǎn)的原料。

表4 油樟籽油的主要理化指標(biāo)

2.6.2 油樟籽油脂肪酸組成

從表 5 可以看出，油樟籽油中含有油酸、亞油酸、亞麻酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂肪酸。與史亞亞[17]采用溶劑法萃取的樟樹(shù)籽油脂肪酸組成有較大差異，僅有5種共有成分，分別為油酸、亞油酸、癸酸、月桂酸和肉豆蔻酸。除此之外，本試驗(yàn)還檢測(cè)到3 種脂肪酸，分別為亞麻酸、棕櫚酸和硬脂酸；而文獻(xiàn)報(bào)道的辛酸和軟脂酸在本試驗(yàn)中尚未檢測(cè)到。這些籽油品質(zhì)的差異可能與原料產(chǎn)地、氣候、提取條件等有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。此外，油樟籽油以飽和脂肪酸為主，總量達(dá)到94.11%，其中癸酸和月桂酸占了 92.11%，主要含有癸酸的油樟籽脂肪油可被試制成癸酸甘油脂，用于治療脂肪代謝紊亂病癥。

表5 油樟籽油脂肪酸組成

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了提取時(shí)間、料液比和提取功率對(duì)油樟籽油提取率的影響。在此基礎(chǔ)上，采用 Box-Benhnken 中心組合設(shè)計(jì)原理和響應(yīng)面分析法，對(duì)超聲波提取油樟籽油的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，最佳工藝條件為提取時(shí)間44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，測(cè)得的實(shí)際為37.54%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差0.42%。

3.2 油樟籽油脂肪酸含有油酸(1.15%)、亞油酸(0.83%)、亞麻酸(0.18%)、癸酸(56.03%)、月桂酸(36.08%)、肉豆蔻酸(1.05%)、棕櫚酸(0.24%)和硬脂肪酸(0.71%)；理化性質(zhì)為碘值5.354 gI/100 g、酸值0.168 mgKOH/g、皂化值285.73 mg KOH/g、折光指數(shù)1.439 1和相對(duì)密度0.924 0 g/cm3，符合作生物柴油、醫(yī)藥和功能性油脂生產(chǎn)的原料，具有很好的開(kāi)發(fā)利用前景。

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Optimization for Ultrasonic Extraction Technology of Cinnamomum Longepaniculatum Seed Oil Based on Response Surface Methodology

Hu Wenjie1Xu Zhangrun1Li Guanxi2

(College of Life Sciences, Jinggangshan University1, Ji′an 343009) (Lianyungang Academy of Agricultural Sciences2, Lianyungang 222006)

In order to improve oil extraction rate and quality of cinnamomum longepaniculatum seed oil, response surface methodology was applied to optimize techniques of ultrasonic extraction of cinnamomum longepaniculatum seed oil. Single factor experiment was used, extraction solvent, extraction time, ratio of material and solution and extraction power were screened, and the extraction techniques were optimized by Box-Behnken experiment design in response surface experiment. The results showed that fitting of quadratic polynomial regression equation gained by simulation was good and the optimal technological conditions were petroleum ether serving as solvent, extraction time being 44 min, ratio of material and solution being 1∶21 g/mL and extraction power being 161 W, and the extraction yield of cinnamomum longepaniculatum seed oil could reach 37.54%. The various physicochemical properties of the cinnamomum longepaniculatum seed oil were as follows: iodine value of 5.354 gI/100 g, acid value of 0.168 mgKOH/g, saponification value of 285.73 mgKOH/g, refractive index of 1.439 1 and relative density value of 0.924 0 g/cm3. The fatty acids contained oleic acid (1.15%), linoleic (0.83%), linolenic acid (0.18%), capric acid (56.03%), lauric acid (36.08%), myristic acid (1.05%), palmitic acid (0.24%) and stearic acid (0.71%). physicochemical property and composition of fatty acid of cinnamomum longepaniculatum seed oil met the raw material of biodiesel standards, medicine and functional oil production.

cinnamomum longepaniculatum seed oil, ultrasonic, response surface methodology, extraction technology

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151278)，井岡山大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(JZB1309)

2015-07-18

胡文杰，男，1974年出生，講師，植物資源開(kāi)發(fā)與利用

李冠喜，男，1970年出生，研究員，生物資源開(kāi)發(fā)與利用

TS201.1

A

1003-0174(2017)02-0109-07