響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取洋蔥精油的工藝研究

李淑紅,劉智鈞,姚莉

(廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院，廣州 510430)

洋蔥(AlliumcepaL.)，別名圓蔥、球蔥、荷蘭蔥、皮牙子，屬于百合科蔥屬，二年生草本植物，是一種典型的食藥兩用蔬菜，被譽(yù)為“菜中皇后”，深受我國人民的喜愛[1,2]。洋蔥除直接烹制食用外，也可加工成洋蔥粉、洋蔥油、洋蔥醬、洋蔥飲料及洋蔥精油等產(chǎn)品[3]。洋蔥精油含有洋蔥風(fēng)味及生理活性成分，具有明顯的降血糖、降血脂、降膽固醇、抑制血小板凝集、抑菌、鎮(zhèn)咳平喘、抗癌、抗衰老、改善動脈粥樣硬化等藥理作用[4,5]，廣泛用于食品、保健品、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)，近年來已成為國內(nèi)外供不應(yīng)求的產(chǎn)品[6,7]。

目前，洋蔥精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑提取法、微波提取法等[8,9]。閆偉考察洋蔥精油的不同提取方法[10]，發(fā)現(xiàn)水蒸氣蒸餾、有機(jī)溶劑提取與超臨界萃取得率相差不大，但是水蒸氣蒸餾精油中硫化合物含量低于其他兩種提取方法。王展華比較了水蒸氣蒸餾法和微波-同時蒸餾法[11]，發(fā)現(xiàn)后者具有節(jié)約溶劑、節(jié)省蒸餾時間、提高精油得率和避免揮發(fā)性芳香成分損失等優(yōu)點。趙華等對磁力攪拌法、索氏提取法、 微波提取法提取洋蔥精油進(jìn)行了比較[12], 結(jié)果表明微波萃取法有明顯的優(yōu)點，其萃取溫度低、萃取時間明顯縮短、提油率高，微波萃取的精油色澤好、香氣濃。曹紅等研究發(fā)現(xiàn)離子液體-微波法提取的洋蔥精油得率最高[13]，其次是微波輔助萃取法，超聲波法略低于微波法，而溶劑法提取的洋蔥精油得率最低。微波提取是利用微波能加熱洋蔥組織內(nèi)部極性分子，加速洋蔥精油的提取，顯著縮短提取時間，降低能耗，提高提取效率，目前已經(jīng)在中草藥植物各種活性成分的提取中廣泛應(yīng)用。

我國洋蔥資源豐富，對其進(jìn)行深加工，可以增加洋蔥附加值，提高農(nóng)民的收入，同時解決“三農(nóng)”問題，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具有廣闊的前景[14]。

由于洋蔥精油中所含的含硫化物呈弱極性，能夠與水形成氫鍵而呈乳濁液，新鮮洋蔥的水分含量高，不利于精油提取，故本研究采用洋蔥粉為原料，采用響應(yīng)面優(yōu)化法，對微波輔助提取洋蔥精油過程進(jìn)行優(yōu)化，以期為洋蔥的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供一定依據(jù)[15]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅皮洋蔥：購于本地菜市場，去皮、洗凈后放入60 ℃的恒溫干燥箱中干燥4 h；無水乙醇：重慶玻化試劑有限公司；無水亞硫酸鈉：西隴化工股份有限公司。

1.2 儀器

DHG-9145A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；ORW1.5S-2E微波動態(tài)萃取設(shè)備 南京澳潤微波科技有限公司；YP電子天平 湖北好美佳儀器設(shè)備有限公司；家用小型粉碎機(jī) 永康市展帆工貿(mào)有限公司； RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上?？茐緝x器設(shè)備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 洋蔥精油的提取

將干燥后的洋蔥用粉碎機(jī)粉碎，過篩，稱取200 g洋蔥粉末，按液料比8∶1(mL/g)加入適量無水乙醇后，在微波功率500 W、50 ℃條件下處理6 min。通過抽濾從萃取液中分離出殘渣，萃取液置于60 ℃的水浴鍋中減壓蒸餾濃縮，然后加入無水硫酸鈉脫水處理，過濾，稱重，計算提取率。

洋蔥精油提取率=洋蔥精油質(zhì)量/洋蔥質(zhì)量×100%。

1.3.2 單因素實驗

單因素實驗按1.3.1步驟進(jìn)行實驗，分別以不同液料比(2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1，12∶1)、微波功率(200，300，400，500，600，700 W)、萃取時間(2，4，6，8，10 min)、萃取溫度(20，30，40，50，60，70 ℃)為單因素，考察單因素對洋蔥精油提取的影響，實驗重復(fù)3次。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

以單因素的實驗結(jié)果為依據(jù)，采用Box-Behnken實驗設(shè)計對洋蔥精油提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，實驗設(shè)計見表1，實驗重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 液料比對洋蔥精油提取率的影響

按1.3.1所述的方法，分別以液料比2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1，12∶1加入無水乙醇進(jìn)行實驗，考察液料比對洋蔥精油提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 液料比對洋蔥精油提取率的影響Fig.1 Effect of liquid to solid ratio on extraction rate of onion essential oil

由圖1可知，隨著液料比的增加，洋蔥精油提取率不斷增大，當(dāng)液料比達(dá)到8∶1時，洋蔥精油提取率達(dá)到最大(0.283%)；當(dāng)液料比為10∶1～12∶1時，洋蔥精油提取率有所下降。這是因為隨著液料比增大，傳質(zhì)速率增大，提取率增加，當(dāng)液料比過高時溶劑對微波吸收損耗增加，同時溶出雜質(zhì)也增加，因此，選擇液料比8∶1較為合適。

2.1.2 微波功率對洋蔥精油提取率的影響

按1.3.1所述的方法，分別以液料比8∶1加入無水乙醇，考察不同微波功率(200，300，400，500，600，700 W)對洋蔥精油提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 微波功率對洋蔥精油提取率的影響Fig.2 Effect of microwave power on extraction rate of onion essential oil

由圖2可知，隨著微波功率的增加，洋蔥精油提取率逐漸升高，當(dāng)微波功率為400 W時，洋蔥精油提取率達(dá)到最高(0.297%)，隨后洋蔥精油提取率出現(xiàn)下降。這是因為隨著微波功率增加，分子運(yùn)動加劇，提取率增加；微波功率過大時，局部升溫過快，容易造成洋蔥精油的降解和揮發(fā)，使提取率下降，因此，選擇微波功率400 W為宜。

2.1.3 萃取溫度對洋蔥精油提取率的影響

按1.3.1所述的方法，分別以液料比8∶1加入無水乙醇，分別設(shè)置萃取溫度20，30，40，50，60，70 ℃，在400 W條件下萃取6 min，考察萃取溫度對洋蔥精油提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 萃取溫度對洋蔥精油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of onion essential oil

由圖3可知，洋蔥精油提取率隨萃取溫度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，萃取溫度為40 ℃時，洋蔥精油的提取率最高，達(dá)到0.312%。這是因為溫度升高，有利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行，但是溫度過高會造成洋蔥精油的揮發(fā)加快，因此，選擇提取溫度40 ℃較為適宜。

2.1.4 萃取時間對洋蔥精油提取率的影響

按1.3.1所述的方法，分別以液料比8∶1加入無水乙醇，400 W、30 ℃條件下，分別萃取2，4，6，8，10 min，考察萃取時間對洋蔥精油提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 萃取時間對洋蔥精油提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of onion essential oil

由圖4可知，萃取時間為2～6 min時，洋蔥精油提取率快速增加，6 min時提取率達(dá)到0.320%，之后隨著萃取時間延長，洋蔥精油提取率開始下降。這是因為隨著萃取時間增加，洋蔥精油不斷溶出，但是萃取時間過長，萃取的精油小于降解和揮發(fā)的精油，從而導(dǎo)致洋蔥精油的提取率下降，因此，選擇萃取時間6 min較佳。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

以單因素實驗結(jié)果為依據(jù)，以液料比8∶1、微波功率400 W、萃取溫度40 ℃、萃取時間6 min為中心點，提取率為響應(yīng)值，對洋蔥精油提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，實驗方案設(shè)計與結(jié)果見表1。

表1 洋蔥精油提取的Box-Behnken實驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 1 Experimental design scheme and results of Box-Behnken for onion essential oil extraction

續(xù) 表

2.2.2 模型的建立及方差分析

應(yīng)用Design Expert 8.0軟件對響應(yīng)值和各因素進(jìn)行回歸擬合，得洋蔥精油提取工藝中提取率(Y)與液料比(A)、微波功率(B)、萃取溫度(C)、萃取時間(D)這4個因素之間的二次回歸方程：

Y=-1.12600+4.95833E-003A+2.23333E-004B+0.043967C+0.19375D-7.50000E-006AB+2.50000E-004AC+5.50000E-003AD+4.40000E-005BC-1.25000E-004BD+3.00000E-004CD-2.73958E-003A2-1.73333E-006B2-8.23333E-004C2-0.017458D2。

以提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表1實驗結(jié)果，應(yīng)用Design Expert 8.0軟件對洋蔥精油提取工藝的模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表2。

表2 洋蔥精油提取二次多項式模型的方差分析Table 2 ANOVA of quadratic polynomial model for onion essential oil extraction

續(xù) 表

注：“**”表示差異極顯著(p<0.01)，“*”表示差異顯著(p<0.05)。

由表2可知，回歸模型P<0.0001，說明構(gòu)建的模型極顯著。失擬項P>0.05，失擬不顯著，說明建立的方程可以很好地描述各提取工藝條件和洋蔥精油提取率的關(guān)系。該模型決定系數(shù)R2=0.9782，表明該模型可以解釋響應(yīng)面中97.82%的可變性，可以用于洋蔥精油提取工藝的優(yōu)化。模型中自變量B，D，AD，BC，BD，A2，C2，D2對洋蔥精油提取率的影響最為顯著(P<0.0001)，C和B2的對洋蔥精油提取率的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，且各影響因素和影響值之間不是線性關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面及等高線分析結(jié)果

對構(gòu)建的回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，考察了各因素間交互作用與響應(yīng)值之間的響應(yīng)曲面圖，結(jié)果見圖5。

圖5 各因素交互效應(yīng)對洋蔥精油提取率的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface diagram of the interaction of various factors on the extraction rate of onion essential oil

由圖5可知，等高線的中心區(qū)域，洋蔥精油提取率最高，由中心向邊緣逐漸降低。液料比與萃取時間的交互作用最為陡峭，說明兩者之間交互作用對洋蔥精油提取率的影響最為顯著。固定液料比或萃取時間，洋蔥精油提取率和另一個因素呈非線性變化，說明二者交互作用極顯著，微波功率與萃取溫度之間關(guān)系也類似于液料比與萃取時間。微波功率與萃取時間的交互曲面較為陡峭，等高線呈橢圓，固定微波功率，洋蔥精油提取率隨著萃取時間呈先升高后下降的趨勢，固定萃取時間，洋蔥精油提取率隨著微波功率的升高呈非線性下降，且變化較為明顯，這表明二者交互作用顯著，這與表中回歸分析結(jié)果是一致的。

對回歸方程進(jìn)行偏導(dǎo)求解，得出提取率最高，即洋蔥精油的最佳提取條件：液料比8.01∶1、微波功率350 W、萃取溫度38.18 ℃、萃取時間5.91 min，此時洋蔥精油提取率的預(yù)測值達(dá)到最大，為0.336%。

2.3 驗證實驗

為檢驗實驗的可靠性，同時方便實驗操作，對上述最優(yōu)提取工藝條件進(jìn)行微調(diào)：液料比8∶1、微波功率350 W、萃取溫度38 ℃、萃取時間6 min，進(jìn)行3次驗證實驗，得到洋蔥精油提取率平均值為0.334%，與模型預(yù)測值接近，證明該模型描述洋蔥精油提取工藝是可行的。

3 結(jié)論

本研究采用單因素實驗和響應(yīng)面法對微波輔助提取洋蔥精油的工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到的響應(yīng)面模型效果極顯著(P<0.0001)，由回歸方程確定的最佳工藝條件為：液料比8∶1、微波功率350 W、萃取溫度38 ℃、萃取時間6 min。通過實驗驗證，該工藝條件下洋蔥精油提取率達(dá)到0.334%。

洋蔥精油屬于中等極性，使用二氯甲烷作為萃取劑回收率高、能耗低，因而廣泛用于洋蔥精油的提取研究。但是二氯甲烷具有一定的毒性，在洋蔥精油中的殘留可能會帶來安全性方面的影響，從而限制其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究采用無水乙醇作為提取劑，少量殘留也是無害的，這為洋蔥精油在高檔產(chǎn)品中的應(yīng)用提供了一定的解決途徑。