紫蘇籽油超聲提取工藝及其理化性質(zhì)的研究

李占君　高金輝　郭興　祖元?jiǎng)偂罘杲?/p>

摘?要：為研究紫蘇籽油超聲提取工藝及其理化性質(zhì)，采用超聲提取工藝，應(yīng)用RSM設(shè)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)二次多項(xiàng)式模型對(duì)超聲提取工藝予以優(yōu)化，并對(duì)所得油脂進(jìn)行理化性質(zhì)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，提取溶劑為無(wú)水乙醇，預(yù)浸提30 min，超聲時(shí)間 40 min，溫度40 ℃，超聲功率100 W，液料比 11∶1 ml/g， 紫蘇籽油實(shí)際提取率為46.83% 與預(yù)期理論值46.93% 吻合度較好。理化性質(zhì)研究可知：該種紫蘇籽油比重為0.912 5 g/ml，酸值為2.859 mg/g，碘值為0.197 6 mg/g，皂化值KOH為190.7 mg/g，折光值為190.7（n20），顏色褐黃色，含油率為49.31%。結(jié)論： 響應(yīng)面能夠較好的模擬和預(yù)測(cè)超聲提取紫蘇籽油工藝。

關(guān)鍵詞：紫蘇籽油;超聲提取;響應(yīng)面優(yōu)化;最佳工藝參數(shù)：理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)：TQ654.2;TS205.4?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1006-8023（2019）04-0076-06

Research on the Ultrasonic Extraction Process and Physicochemical

Properties of Perilla Seed Oil

LI Zhanjun1，2， GAO Jinhui1， GUO Xing1， ZU Yuangang2， YANG Fengjian2*

（1.Heilongjiang Province Yichun Academy of Forestry， Yichun 153000;

2.Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：In order to research the ultrasonic extraction process and physicochemical properties of perilla seed oil， ultrasonic extraction technology was applied; RSM design method was used to evaluate the experimental factors. The correlation analysis of mathematical-regression models indicated that quadratic polynomial model could be employed to optimize the ultrasonic extraction， and the physicochemical properties were analyzed. The experimental results showed that absolute alcohol was used as the extraction solvent， ultrasonic pre-invasion treatment time was 30 min， ultrasonic time was 40 min， temperature was 40 ℃， ultrasonic power was 100 W， and liquid-solid ratio was 11∶1 ml/g. The actual yield was 46.83%， which well matched with the predicted value of 46.93%. The physicochemical properties analysis showed that， the density was 0.9125 g/ml， acid value was 2.859 mg/g， iodine value was 0.1976 mg/g， saponification value was 190.7 mg/g， refractive index was 190.7（n20）， color was brown yellow， oil content was 49.31%. Conclusion： the results showed that the method of response surface optimization could simulate and predict the extraction of oil from perilla seed assisted with ultrasonic well.

Keywords：Perilla seed oil; ultrasonic extraction; response surface optimization; optimum parameters; physicochemical properties

0?引言

紫蘇Perilla frutescens（L.） Britt.，亦稱赤蘇、紅紫蘇、紅蘇，為唇形科蘇屬，一年生草本植物[1-3]。紫蘇作為經(jīng)濟(jì)作物在我國(guó)具有2 000多年的種植栽培歷史，具有食用價(jià)值、藥用價(jià)值，紫蘇籽含油率可達(dá)到46%以上，不飽和性脂肪酸和α-亞麻酸含量分別可達(dá)到總脂肪酸含量90 %、64.41%，維生素E總含量為500.9 mg /kg，其醇溶性物質(zhì)包括：紫蘇醛、紫蘇醇、丁香酚、總黃酮、多酚，是一種高營(yíng)養(yǎng)、高功能性天然植物油[4-5]。

現(xiàn)階段紫蘇籽油在食藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[6-7]。與傳統(tǒng)提取方式相比，超聲提取具有高強(qiáng)度、高頻率、短時(shí)性、低能耗、低溫性和高效性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)植物活性資源物質(zhì)的分離純化方面的研究[9-10]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)超聲提取紫蘇籽油工藝參數(shù)予以優(yōu)化，針對(duì)紫蘇籽油理化性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究與分析，為紫蘇籽油食、藥性的綜合研究與開發(fā)提供了理論數(shù)據(jù)上的參考。

1?實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1?實(shí)驗(yàn)材料與提取試劑

實(shí)驗(yàn)材料：紫蘇籽，2018年9月份選購(gòu)于黑龍江省伊春市，鐵力林業(yè)局茂林河林場(chǎng)， 顆粒干燥、品質(zhì)優(yōu)良。

實(shí)驗(yàn)藥品：無(wú)水乙醇，超純水等。

1.2?實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平（型號(hào)：UH620H，日本SHIMADZU島津）;臺(tái)式數(shù)控超聲波清洗器（型號(hào)：KQ-100DE，昆山市超聲儀器有限公司）;微型中藥粉碎機(jī)（型號(hào)：HC-250T，浙江河城工貿(mào)有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（型號(hào)：RE-52AA，上海亞榮）;理化干燥箱（型號(hào)：LG100B，上海儀器總廠）;循環(huán)水式多用真空泵（型號(hào)：SHB-IV雙A， 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）;冰箱（型號(hào)：TCL BCD-519WEZ50，TCL集團(tuán)股份有限公司）;超純水機(jī)（型號(hào)：CMPL-TP-40L，成都優(yōu)越科技有限公司）;其它儀器玻璃器皿（天津化學(xué)玻璃儀器廠）。

2?實(shí)驗(yàn)方法

2.1?紫蘇籽的預(yù)處理

低溫烘干紫蘇籽，低速粉碎（40目），再經(jīng)二次烘干控水≤5%，留存?zhèn)溆肹11-12]。

2.2?紫蘇籽油的提取

將紫蘇籽粉末混合溶液至于超聲提取環(huán)境中，提取過(guò)程通過(guò)改變影響因素的水平，對(duì)各影響因素予以研究和分析（n=3）。提取完畢冷卻至室溫，通過(guò)負(fù)壓抽濾實(shí)現(xiàn)固液分離，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)油脂與溶劑的分離[13-14]。紫蘇籽油提取率計(jì)算公式如下：

Y= （M1-M2）/ M1×100% 。

式中：M1為紫蘇籽粉末樣重，g;M2為實(shí)驗(yàn)后的粕重，g。

2.3?單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1?溶劑

紫蘇籽粉末10 g，液料比10∶1 ml/g，室溫預(yù)浸提30 min，超聲水浴40 ℃，超聲時(shí)間30 min，超聲功率100 W，同時(shí)選取丙醇、異丙醇、無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、石油醚和丙酮進(jìn)行單因素溶劑篩選實(shí)驗(yàn)。

2.3.2?超聲功率

無(wú)水乙醇為溶劑，紫蘇籽粉末10 g，液料比10∶1 ml/g，室溫預(yù)浸提30 min，超聲水浴40 ℃，超聲時(shí)間30 min，同時(shí)選取40、60、80、100 W進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

2.3.3?超聲時(shí)間

無(wú)水乙醇為溶劑，紫蘇籽粉末10 g，液料比10∶1 ml/g，室溫預(yù)浸提30 min，超聲水浴40 ℃，超聲功率100 W，同時(shí)選取10、20、30、40、50 min進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

2.3.4?液料比

無(wú)水乙醇為溶劑，紫蘇籽粉末10 g，室溫預(yù)浸提30 min，超聲水浴40 ℃，超聲時(shí)間30 min，超聲功率100 W，同時(shí)選取液料比8∶1、10∶1、12∶1、14∶1、16∶1 ml/g進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

2.4?RSM因素水平的建立

應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)顯著性影響因素功率（W）、時(shí)間（min）和液料比（ml/g）進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5?理化性質(zhì)的測(cè)定

比重：本試驗(yàn)比重測(cè)定參照比重瓶法“中國(guó)油脂植物”測(cè)定。

酸值：本實(shí)驗(yàn)測(cè)定參照酸堿滴定法GB5530-85測(cè)定。

碘值：本試驗(yàn)碘值參照韋氏法GB5532-85測(cè)定。

皂化值KOH：本試驗(yàn)皂化值參照酸堿反滴定法GB5534-85測(cè)定。

折光值：本試驗(yàn)折光值參照阿貝折射儀法GB5527-85測(cè)定。

含油率：本試驗(yàn)含油率的測(cè)定參照索氏提取法GB2906-82測(cè)定。

3?結(jié)果與討論

3.1?單因素實(shí)驗(yàn)

3. 1. 1?溶劑

對(duì)圖1分析可知，在相同影響條件下丙醇、異丙醇、無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、石油醚和丙酮這6種有機(jī)溶劑對(duì)紫蘇籽油的提取率、色澤、流動(dòng)性、氣味以及環(huán)保毒害方面具有不同程度的影響。丙醇：提取率較高，油脂顏色澄清透明、流動(dòng)性好、溶劑刺激性異味重、毒害;異丙醇：提取率相對(duì)較低，油脂顏色半透明，乳濁性物質(zhì)析出，附著于懸蒸瓶?jī)?nèi)壁，流動(dòng)性較差，溶劑刺激性異味重、毒害;無(wú)水乙醇：提取率相對(duì)較高，油脂顏色透明金黃、流動(dòng)性好、無(wú)刺激性異味、無(wú)毒害、容易獲得;乙酸乙酯：提取率較高，油脂透明度不高，有白色物質(zhì)析出，附著于旋蒸瓶?jī)?nèi)壁，流動(dòng)性不佳，溶劑刺激性異味重，毒害;石油醚：提取率相對(duì)較低，油脂金黃色，極度澄清透明，流動(dòng)性極好，有刺激性氣味，毒害;丙酮：提取率較好，油脂半透明，流動(dòng)性較好，有刺激性氣味，毒害，管制性溶劑不易獲得。因此，在考慮實(shí)驗(yàn)整體效果與多方面影響的情況下，選擇無(wú)水乙醇作為最佳提取溶劑。

由圖2可知，超聲功率對(duì)紫蘇籽油提取率有影響，一定范圍內(nèi)油脂提取率會(huì)因超聲功率的加強(qiáng)而得到提升。這主要是因?yàn)槌暛h(huán)境下能夠?yàn)樘崛》磻?yīng)混合溶液體系提供高強(qiáng)度、高頻率的超聲環(huán)境，混合溶液內(nèi)部會(huì)在“空化效應(yīng)”的作用下產(chǎn)生氣泡性波動(dòng)，對(duì)細(xì)胞壁的破裂，提取溶液的往復(fù)穿梭，溶液與底物的接觸程度等方面具有積極的促進(jìn)性作用，最終達(dá)到提高提取率的目的。由于混合溶液內(nèi)部對(duì)油脂的溶解處于非飽和狀態(tài)，同時(shí)80 W為提取率突變的節(jié)點(diǎn)，所以選擇60～100 W區(qū)間范圍進(jìn)行下一步的研究。

3.1.3?超聲時(shí)間

由圖3所示，超聲時(shí)間對(duì)紫蘇籽油提取率有影響，油脂提取率會(huì)因超聲時(shí)間的加強(qiáng)而有所提升。這主要因?yàn)槌晻r(shí)間對(duì)細(xì)胞破裂，混合體系內(nèi)有機(jī)溶劑的浸入、穿透有一定的促進(jìn)性作用。當(dāng)超聲時(shí)間小于30 min時(shí)，反應(yīng)溶液體系內(nèi)部油脂濃度較低，因此超聲時(shí)間的增加會(huì)使得混合溶液中有機(jī)溶劑對(duì)油脂的溶解作用得到較大幅度的提升;當(dāng)超時(shí)時(shí)間為30 min時(shí)，提取率增長(zhǎng)幅度最大;當(dāng)超聲時(shí)間大于30 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的增加，此時(shí)混合溶液體系對(duì)能量吸收、油脂的溶解趨于飽和狀態(tài)，提取率增長(zhǎng)幅度變小，紫蘇籽油的提取率變化也變得相對(duì)平穩(wěn)。因此，選擇20～40 min進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

3.1.4?液料比

由圖4可知，紫蘇籽油提取率會(huì)因液料比的增加而得到提升，當(dāng)液料比小于10∶1時(shí)，紫蘇籽粉末內(nèi)所含油脂未被混合溶液充分提取，此時(shí)適度增加液料比，會(huì)使得混合溶液體系內(nèi)部的不飽和程度加強(qiáng)，這樣有利于混合溶液中的有機(jī)溶劑在紫蘇籽粉末間的浸入與穿梭，以實(shí)現(xiàn)提取率的提升。當(dāng)液料比大于10∶1時(shí)，由于超“空穴效應(yīng)”所產(chǎn)生的能量因提取混合溶液體系體積過(guò)大，部分會(huì)被吸收，造成能量損耗使得提取率增長(zhǎng)幅度變小，因此選擇8∶1～12∶1區(qū)間進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

3.2?優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.2.1?優(yōu)化方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用RSM對(duì)影響紫蘇籽油提取率較為顯著的功率（W）、時(shí)間（min）以及液料比（ml/g）3因素進(jìn)行模型模擬優(yōu)化，同時(shí)對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間參數(shù)優(yōu)化。表2為數(shù)據(jù)參數(shù)優(yōu)化探究實(shí)驗(yàn)，Y為紫蘇籽油提取率的響應(yīng)值，擬合所得模型回歸方程為：

Yield =+45.65+1.58A+0.59B+0.19C-0.28A·B+0.38A·C-0.50B·C-

0.54A2-0.92B2-1.06C2

對(duì)表3數(shù)據(jù)方差分析得知，提取率（響應(yīng)值Y）受到方程中各變量因素顯著性影響，F(xiàn)值與因素影響程度二者呈正相關(guān)，各因素影響程度與趨勢(shì)可參照F值進(jìn)行判斷。

各因素影響程度：A超聲功率（W） > B超聲時(shí)間（min）> C液料比（ml/g），其中A超聲功率（W） 和 B超聲時(shí)間（min）對(duì)提取率的交互性影響程度顯著性更好。A2、B2、C2最為顯著。表中總數(shù)據(jù)模型P value < 0.000 1表明不同影響條件下該模型具有差異性極顯著;而Lack of Fit > 0.05，表明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各影響因素之間互擾性不顯著。由表4得知，Adj. R2=0.914 6，表明數(shù)據(jù)分析模型擬合度較高，同時(shí)超聲功率與超聲時(shí)間，超聲時(shí)間與液料比，超聲功率與液料比對(duì)紫蘇籽油提取率均具有顯著性的影響，能夠?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程中3因素進(jìn)行合理性的分析、預(yù)測(cè)。

圖5至圖7分別為響應(yīng)面對(duì)超聲功率與超聲時(shí)間、超聲功率與液料比，超聲時(shí)間與液料比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)傘壯圖，得出最佳工藝參數(shù)：無(wú)水乙醇為提取溶劑，預(yù)浸提30 min，超聲時(shí)間 40 min，溫度40 ℃，超聲功率100 W，液料比11∶1 ml/g，預(yù)期理論提取率46.93%。

3.2.2?工藝驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

以優(yōu)化所得實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)際平均提取率46.83%，與預(yù)期理論值46.93% 吻合度較好，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)優(yōu)化合理有效，模型模擬、預(yù)測(cè)性較高。

3.3?紫蘇籽油理化特性分析

理化特性實(shí)驗(yàn)每組重復(fù)3次取其算數(shù)平均值，由表5得知，該種紫蘇籽油色澤為褐黃色透明澄清，且香氣濃郁，比重為0.912 5 g/ml，酸值為2.859 mg KOH/g，其值小于4說(shuō)明超聲提取過(guò)程對(duì)油脂的脫酸作用很明顯，油脂的酸值較低、碘值較高表明紫蘇籽油的不飽和脂肪酸程度較高，干燥能力較強(qiáng)屬于干性油。皂化值適中，說(shuō)明脂肪酸平均分子量適中，親水性適中，該種紫蘇籽含油率為49.31 %。

4?結(jié)論

本研究在超聲單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)影響紫蘇籽油提取率顯著性因素予以模型擬合優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明響應(yīng)面法在紫蘇籽油提取實(shí)驗(yàn)優(yōu)化過(guò)程中，其預(yù)見性、可行性較高。影響因素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，得出實(shí)驗(yàn)因素配置為：提取溶劑為無(wú)水乙醇，預(yù)浸提30 min，超聲時(shí)間 40 min，溫度40 ℃，超聲功率100 W，液料比11：1 ml/g，其紫蘇籽油實(shí)際提取率為46.83 %，與預(yù)期理論提取率46.93 % 吻合度較高，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)優(yōu)化合理有效。理化特性分析可知：該種紫蘇籽油色澤為褐黃色透明澄清，且香氣濃郁，比重為0.9125 g/ml，酸值為2.859 mg KOH/g，其值小于4說(shuō)明超聲提取過(guò)程對(duì)油脂的脫酸作用很明顯，油脂的酸值較低、碘值較高表明紫蘇籽油的不飽和程度較高，干燥能力較強(qiáng)屬于干性油。皂化值適中，說(shuō)明脂肪酸平均分子量適中，親水性適中，該種紫蘇籽含油率為49.31%。

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