同時(shí)蒸餾萃取法提取辣木籽油工藝的優(yōu)化及其化學(xué)成分分析

張 靜, 王淑培, 王昕岑, 李 棟

(1.武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.中國(guó)烏龍茶產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 武夷山 354300)

辣木(Moringaoleifera)為辣木科(Moringaceae)辣木屬(Moringa)多年生木本植物，又稱鼓槌樹，在商業(yè)中被稱為奇樹(miracle tree).它最早來(lái)源于印度西北部的喜馬拉雅山南麓[1-2]，最近幾年在我國(guó)海南、云南、廣東等省份陸續(xù)被引進(jìn)并開始了大面積的種植.辣木籽中含有高價(jià)值的辣木籽油[3-4]，稱為“本油”或“貝昂油”[5-6].目前，從辣木籽中提取辣木籽油的常用方法有壓榨法[7]、溶劑浸提法[8]、超聲波輔助提取法[9]、水酶法[10-11]、亞臨界及超臨界萃取法[12-16].其中，亞臨界和超臨界萃取法的萃取率最高[17]，但是所需設(shè)備昂貴，操作要求高，適合大批量提取.目前利用同時(shí)蒸餾萃取法萃取辣木籽油的研究還未見(jiàn)報(bào)道.同時(shí)蒸餾萃取法可以用少量試劑對(duì)辣木籽進(jìn)行有效提取，既提高萃取效率，也可以縮短溶劑提取法中揮發(fā)溶劑所需的高溫加熱時(shí)間[18-19]，可以較大程度保留有效成分，操作簡(jiǎn)單.本研究擬通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化辣木籽油的萃取工藝，并利用GC-MS對(duì)提取的辣木籽油進(jìn)行成分分析，為辣木籽油的開發(fā)利用提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試原料

辣木籽市售；中性蛋白酶的酶活性為1×105U·g-1；石油醚(60～90 ℃)為分析純.

1.2 儀器

PW80超微粉碎機(jī)由天津市泰斯特儀器有限公司提供；GC-14C島津氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀由日本島津公司提供；改進(jìn)型同時(shí)蒸餾萃取裝置由北京朝龍玻璃儀器廠提供.

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理 將辣木籽去殼后放入超微粉碎機(jī)粉碎，備用.

1.3.2 辣木籽油的提取 準(zhǔn)確稱量5.00 g辣木籽粉，加入同時(shí)蒸餾萃取儀器的物料瓶中，再加入適量的蒸餾水、玻璃珠數(shù)粒及適量的中性蛋白酶，輕輕搖晃物料瓶后將其放置在加熱套上；同時(shí)在蒸餾瓶中加入適量的石油醚，連接儀器，置于80 ℃的恒溫水浴鍋中加熱，物料瓶保持微沸，萃取一段時(shí)間；最后將萃取溶液移入磨口三角瓶中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)萃取溶液中的石油醚，計(jì)算萃取率.

1.3.3 提取工藝的優(yōu)化 選定萃取時(shí)間、萃取溫度、石油醚添加量及蒸餾水添加量4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各因素對(duì)萃取率的影響；再通過(guò)響應(yīng)面法確定最佳提取工藝.

1.3.4 GC-MS分析 采用GC-MS法對(duì)同時(shí)蒸餾萃取法所提取的辣木籽油的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果采用歸一化法進(jìn)行分析.色譜柱為HP-5 ms；載氣為高純氦氣，流速為1.0 mL·min-1.MS條件：電子轟擊離子源，電子能量70 eV，質(zhì)量掃描范圍 40～450 u.進(jìn)樣口溫度240 ℃.升溫程序：起始溫度40 ℃，以4 ℃·min-1升溫到80 ℃，再以2 ℃·min-1升溫到220 ℃，保持2 min，然后以5 ℃·min-1升溫到240 ℃[20-26].

1.3.5 數(shù)據(jù)分析 采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、作圖，采用Design Expert軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取時(shí)間對(duì)辣木籽油萃取率的影響 在蒸餾水用量100 mL、石油醚用量15 mL、萃取溫度80 ℃的萃取條件下，考察不同萃取時(shí)間(2、3、4、5、6 h)對(duì)辣木籽油萃取率的影響，結(jié)果如圖1所示.從圖1可以看出：隨著萃取時(shí)間的增加，辣木籽油的萃取率也隨之提高；當(dāng)萃取時(shí)間為3 h時(shí)，辣木籽油萃取率達(dá)到最大值，為24.38%；繼續(xù)增加萃取時(shí)間，辣木籽油的萃取率變化不大.因此，最佳萃取時(shí)間為3 h.

2.1.2 萃取溫度對(duì)辣木籽油萃取率的影響 在蒸餾水用量100 mL、石油醚用量15 mL、萃取時(shí)間3 h的萃取條件下，考察不同萃取溫度(80、85、90、95、100 ℃)對(duì)辣木籽油萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖1 萃取時(shí)間對(duì)辣木籽油萃取率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the extraction rate of M.oleifera oil

從圖2可以看出：辣木籽油的萃取率隨著萃取溫度的增加而提高；較低溫度下，溫度升高加快了溶劑對(duì)辣木籽油的萃取效率；萃取溫度達(dá)90 ℃時(shí)，辣木籽油的萃取率達(dá)到24.65%；超過(guò)90 ℃時(shí)，石油醚的揮發(fā)損失較大，引起辣木籽油的部分揮發(fā)，萃取率有降低趨勢(shì).因此，最佳萃取溫度為90 ℃.

2.1.3 石油醚添加量對(duì)辣木籽油萃取率的影響 在蒸餾水用量100 mL、萃取溫度90 ℃、萃取時(shí)間3 h的萃取條件下，考察不同石油醚添加量(5、10、15、20、25 mL)對(duì)辣木籽油萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3.從圖3可知：隨著石油醚添加量的增加，辣木籽油的萃取率也隨之提高；當(dāng)石油醚添加量大于15 mL，萃取率趨于穩(wěn)定.這是由于石油醚添加量增大時(shí)，石油醚對(duì)蒸餾水中辣木籽油的萃取含量趨于飽和，且添加過(guò)多的石油醚會(huì)增大成本.因此，最佳的石油醚添加量為15 mL.

2.1.4 蒸餾水添加量對(duì)辣木籽油萃取率的影響 在石油醚用量15 mL、萃取溫度90 ℃、萃取時(shí)間3 h的萃取條件下，考察不同蒸餾水添加量(90、120、150、180、210 mL)對(duì)辣木籽油萃取率的影響，結(jié)果如圖4.

圖3 石油醚添加量對(duì)辣木籽油萃取率的影響Fig.3 Effect of petroleum ether on the extraction rate of M.oleifera oil

從圖4可以看出：隨著蒸餾水添加量的變化，辣木籽油的萃取率先增大后減小，在蒸餾水添加量為150 mL時(shí)，辣木籽油的萃取達(dá)到最大值,為24.93%.因此，選擇蒸餾水添加量為150 mL進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平及編碼Table 1 Factor level and coding of Box-Behnken experiment design

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝

選取萃取溫度、萃取時(shí)間、石油醚添加量作為考察辣木籽油萃取率變化程度的3個(gè)因素，運(yùn)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平響應(yīng)面試驗(yàn)[27-30]，結(jié)果見(jiàn)表1、2.

2.2.1 模型建立及顯著性檢驗(yàn) 采用Design-Expert 軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，結(jié)果見(jiàn)表3，其中萃取溫度、萃取時(shí)間、石油醚量3個(gè)因素對(duì)萃取率影響的二次多項(xiàng)回歸模型為:

Y=26.24+0.76A+0.91B+0.59C-0.59AB-0.62AC-0.50BC-1.08A2-1.09B2-0.99C2

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Results of response surface experiment

模型的方差分析見(jiàn)表3.從表3可以看出，回歸模型的F值為17.83，P值<0.000 1，說(shuō)明所選的模型差異極顯著，而誤差項(xiàng)差異不顯著，表明該回歸模型有較好的擬合度.各因素對(duì)萃取率的影響極顯著(P<0.000 1).相關(guān)系數(shù)R2值為0.958 2，表明響應(yīng)值變化95.82%.

2.2.2 最優(yōu)工藝條件的確定 采用Design-Expert軟件做出萃取溫度(A)、萃取時(shí)間(B)和石油醚添加量(C)兩兩之間的響應(yīng)面圖(圖5).

表3 方差分析表1)Table 3 Variance analysis table

1)**表示差異達(dá)到極顯著水平.

圖5 各因素交互作用對(duì)辣木籽油萃取率的影響Fig.5 Interaction effects of various factors on the extraction rate of M.oleifera oil

從圖5a中可以看出，當(dāng)萃取時(shí)間一定時(shí)，水浴溫度為88～92 ℃時(shí)，辣木油萃取率隨溫度的升高而提高；當(dāng)溫度超過(guò)92 ℃時(shí)，辣木油萃取率略微有所降低；當(dāng)水浴溫度一定時(shí)，隨著萃取時(shí)間的增加，辣木油萃取率先升高后趨于平穩(wěn)；兩因素之間的相互作用對(duì)辣木油萃取率的影響比較顯著.圖5b表明，當(dāng)溶劑的量一定時(shí)，水浴溫度為88～92 ℃，辣木油萃取率隨溫度的升高而提高；當(dāng)溫度超過(guò)92 ℃時(shí)，辣木油萃取率略微有所降低；當(dāng)水浴鍋溫度一定時(shí)，隨石油醚的量的增加，辣木油萃取率先增大后趨于平穩(wěn)；兩因素之間的相互作用對(duì)辣木油萃取率的影響比較顯著.圖5c顯示，當(dāng)溶劑的量一定時(shí)，隨著萃取時(shí)間的增加，辣木油萃取率先升高后趨于平穩(wěn)；當(dāng)萃取時(shí)間一定時(shí)，隨溶劑的量的增加，辣木油的萃取率先緩慢升高后趨于平穩(wěn)；兩因素之間的相互作用對(duì)辣木油萃取率的影響比較顯著.

圖6 辣木籽油GC-MS總離子流圖Fig.6 Total ion flow diagram of M.oleifera oil by GC-MS

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 采用響應(yīng)面法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)模型預(yù)測(cè)得到辣木籽油的最佳萃取的工藝條件為：水浴溫度90.44 ℃，萃取時(shí)間3.16 h，溶劑的量15.29 mL.在這個(gè)工藝條件下辣木籽油的萃取率最高，為26.513 5%.因考慮到實(shí)際操作的方便，將萃取辣木籽油的最佳工藝條件修正為：水浴鍋溫度90 ℃，萃取時(shí)間3.2 h，溶劑的量15 mL.在該條件下進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的辣木籽油萃取率為25.12%，與預(yù)測(cè)值吻合度較高.說(shuō)明該模型能較好地預(yù)測(cè)同時(shí)蒸餾萃取辣木籽油的最佳工藝參數(shù).

2.3 辣木籽油組成分析

對(duì)優(yōu)化工藝下產(chǎn)出的辣木籽油的的成分進(jìn)行GC-MS分析，得到辣木籽油的總離子流圖及化學(xué)組成(圖6、表4).

GC-MS分離出的化合物有30種(表4)，其中脂肪酸類含量最豐富，總含量約為73.16%，油酸占61.53%;其次,有16.41%的醛類物質(zhì);有少量烴類(9.48%)、酮類(0.31%)、醇類(0.34%)、酯類(0.18%);還有0.12%的成分未鑒定出.

表4 辣木籽油的GC-MS分析結(jié)果Table 4 Results of GC-MS analysis of M.oleifera oil

3 小結(jié)

利用響應(yīng)面法優(yōu)化同時(shí)蒸餾萃取辣木籽油的提取工藝，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得到最優(yōu)萃取工藝條件：水浴溫度90 ℃，萃取時(shí)間3.2 h，石油醚添加量15 mL.在該條件下，辣木籽油的提取率最高，為25.12%.對(duì)萃取的辣木籽油進(jìn)行GC-MS分析，結(jié)果表明采用同時(shí)蒸餾萃取法得到的辣木籽油脂肪酸類含量最高，總含量約為73.16%，其中油酸占61.53%.

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