響應(yīng)面優(yōu)化紫蘇籽油超聲提取工藝研究

李占君 劉運(yùn)偉 馬珂 高金輝 郭興 楊逢建

摘 要：? 為了進(jìn)一步研究紫蘇籽油提取工藝，在非預(yù)浸提的情況下，應(yīng)用超聲提取法，對(duì)影響紫蘇籽油提取率的顯著性因素進(jìn)行響應(yīng)面Box-Behnken分析與優(yōu)化。研究得出最優(yōu)條件為：溶劑為體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，時(shí)間為34.66 min，功率為80.93 W，水浴溫度為59.92 ℃，實(shí)際平均提取率為23.78 %±0.014 %。結(jié)果表明，超聲提取紫蘇籽油合理有效，響應(yīng)面優(yōu)化該種提取工藝現(xiàn)實(shí)可靠。

關(guān)鍵詞： 紫蘇籽油; 非預(yù)浸提;超聲提取;響應(yīng)面;因素優(yōu)化

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（2020）02-0067-06

Research on Ultrasonic Extraction Technology of ?Perilla ?Seed Oil by Response Surface

LI Zhanjun1， LIU Yunwei1， MA Ke1， GAO Jinhui1， GUO Xing1， YANG Fengjian2*

（1. Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Yichun 153000， China; 2. Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education（Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China）

Abstract：? In order to further research the extraction process of Perilla seed oil， non-pre-extraction ultrasonic extraction method was applied. And the response surface Box-Behnken analysis optimizations were carried out for the significant affecting factors of the Perilla seed oil extraction yield. The optimal conditions as follows： Ethanol solution with volume fraction of 70% as solvent， solid liquid ratio of 1∶ 10 （g / mL）， time of 34.66 min， power of 80.93 W， water bath temperature of 59.92℃. Actual average extraction yield was 23.78% ± 0.014%.

The result indicated that the ultrasonic extraction of Perilla seed oil was reasonable and effective， response surface optimization of the extraction process was practical and reliable.

Keywords： Perilla seed oil; non-pre-extraction; ultrasonic extraction; response surface; factor optimization

收稿日期： 2019-11-11

基金項(xiàng)目： 黑龍江省伊春市重點(diǎn)科技項(xiàng)目（G2018-17）

第一作者簡介： 李占君，碩士，工程師。研究方向：植物天然產(chǎn)物分離及鑒定。E-mail：lizhanjun.1@163.com

*通信作者： 楊逢建，博士，教授。研究方向：植物資源。E-mail：yangfj@nefu.edu.cn

引文格式： 李占君，劉運(yùn)偉，馬珂，等. 響應(yīng)面優(yōu)化紫蘇籽油超聲提取工藝研究[J].森林工程，2020，36（2）：67-72.

LI Z J， LIU Y W， MA K， et al. Research on ultrasonic extraction technology of perilla seed oil by response surface [J]. Forest Engineering，2020，36（2）：67-72.

0 引言

紫蘇（Perilla frutescens （L.） Britt.）為唇形科蘇屬草本植物，生長周期一年，又被叫做赤蘇[1-3]。我國的紫蘇資源具有久遠(yuǎn)的發(fā)展歷史，在食品、藥品等領(lǐng)域具有廣泛性的應(yīng)用，紫蘇全身可利用性較高，特別是種子——紫蘇籽。紫蘇籽中油脂含油率和營養(yǎng)程度處于較高水平，紫蘇籽油在降低人體血脂、減緩機(jī)體衰老、抗過敏治療、抗癌保健和保護(hù)肝臟等方面具有非常重要的作用，特別是其脂肪酸構(gòu)成中高含量的α-亞麻酸對(duì)健腦益智、保護(hù)視力也具有重要的意義[4-7]。

現(xiàn)階段油脂化學(xué)工藝領(lǐng)域常用到的提取方式有索氏提取法、超聲提取法、微波提取法和超臨界CO2流體提取法[8-9]。其中超聲提取法因其高效、環(huán)保、低溫和物質(zhì)穩(wěn)定不被破壞等優(yōu)勢(shì)，在食品、質(zhì)檢、藥品研發(fā)、檢測、提取純化和理化實(shí)驗(yàn)等諸多領(lǐng)域得到廣泛性認(rèn)可與應(yīng)用[10-12]。

該研究過程中應(yīng)用超聲提取法，在非預(yù)浸提條件下對(duì)各項(xiàng)影響因素予以分析、研究和優(yōu)化，為油脂化學(xué)工藝研究領(lǐng)域提供現(xiàn)實(shí)、有效的參考依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料

優(yōu)質(zhì)紫蘇籽：2019年9月份選購于黑龍江省伊春市鐵力林業(yè)局茂林河林場;乙醇（無水），超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平（型號(hào)：UH 620 H，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-250 T，浙江河城工貿(mào)有限公司）;轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（型號(hào)：RE-52 AA，上海亞榮）;理化干燥箱（型號(hào)：LG 100 B，上海儀器總廠）等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 紫蘇籽粉末的前期制備

紫蘇籽粉末（點(diǎn)式低速粉碎，不分粒徑全部使用），60 ℃恒溫通風(fēng)烘箱干燥脫水小于等于5%[13-16]。

2.2 材料制備與提取

將前期制備紫蘇籽粉末按照一定參數(shù)條件與溶劑混合置于超聲震蕩環(huán)境中，分析、研究各影響因素之間的關(guān)系（n=3）。

待超聲提取完成，將混合反應(yīng)溶液自然冷卻至室溫，分別使用布氏漏斗、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀完成固液分離和脂液分離[17-19]，最終提取率計(jì)算如下：

Y=M2 / M1×100% 。

式中：M2為提取所得油脂質(zhì)量，g;M1為初始種子粉末質(zhì)量，g。

2.3 單因素分析

2.3.1 反應(yīng)溶液體積分?jǐn)?shù)

種子粉末為10 g，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，時(shí)間為30 min，功率為100 W，乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)為50%、60%、70%、80%、90%。

2.3.2 時(shí)間

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，功率為100 W ，在此條件下研究提取時(shí)間為10、20、30、40、50 min的影響。

2.3.3 功率

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，時(shí)間為30 min，研究40、60、80、100 W對(duì)提取的影響。

2.3.4 溫度

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，時(shí)間為30 min，功率為100 W，研究溫度為30、40、50、60、70 ℃的對(duì)提取影響。

2.4 優(yōu)化因素設(shè)計(jì)

應(yīng)用Design Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件，依據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)顯著性影響因素時(shí)間（min）、功率（W）和溫度（℃）進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析處理，因素水平表見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素分析

3.1.1 反應(yīng)溶液體積分?jǐn)?shù)

由圖1可知，當(dāng)混合溶液中乙醇體積分?jǐn)?shù)低于70%時(shí)，提取率會(huì)因其體積分?jǐn)?shù)的增加而得到提升;體積分?jǐn)?shù)70%時(shí)，提取率的變化率提升至最大值。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)，混合溶液中因水分比例過低，使得種子粉末在混合溶液中得不到較好的溶脹，混合溶液會(huì)因乙醇含量過高而發(fā)生爆沸、溶劑揮發(fā)，致使提取效果不佳，提取率提高幅度降低。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1.2 時(shí)間

圖2分析可知，當(dāng)提取時(shí)間少于30 min時(shí)，提取率會(huì)因其提取時(shí)間的延長而得到提升，30 min時(shí)，此時(shí)提取率提高幅度最大。當(dāng)提取時(shí)間長于30 min時(shí)，混合溶液體系內(nèi)部油脂溶解性會(huì)隨著提取時(shí)間的延長，逐漸趨于飽和，使得混合溶液內(nèi)部提取率提高幅度受到影響，效率降低，所以選擇30 min進(jìn)行研究。

3.1.3 功率

由圖3可知，當(dāng)提取功率低于80 W時(shí)，提取率會(huì)因其提取功率的加強(qiáng)而得到顯著性提升;當(dāng)功率為80 W時(shí)，此時(shí)提取率提高幅度最大。當(dāng)功率高于80 W繼續(xù)加強(qiáng)到100 W時(shí)，大功率超聲會(huì)使混合溶液體系內(nèi)部發(fā)生過度激烈的“空化效應(yīng)”致使溶劑大量揮發(fā);混合溶液內(nèi)部提取率提高幅度下降，不利于提取的進(jìn)行，所以選擇80 W進(jìn)行研究。

3.1.4 溫度

如圖4所示，40～80 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)超聲水浴溫度低于60 ℃時(shí)，提取率會(huì)因其溫度的升高而得到顯著性提升;當(dāng)混合溶液內(nèi)部體系溫度為60 ℃時(shí)，提取率提高幅度最大。說明在一定范圍內(nèi)，適度提升反應(yīng)環(huán)境溫度有利于混合溶液體系內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、能量的釋放，進(jìn)而促進(jìn)溶劑在種子粉末與溶液體系之間的穿梭與滲透。當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，溫度過高使得混合溶液體系過于沸騰、溶劑大量揮發(fā)逸出，導(dǎo)致提取率提高幅度降低，故選擇60 ℃進(jìn)行研究。

3.2 因素優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以響應(yīng)面為研究方法，對(duì)表1影響因素水平表中的3個(gè)因素時(shí)間（A）、功率（B）和溫度（C）的進(jìn)行分析、優(yōu)化。表2為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中變量因素編碼表，表中Y為提取率對(duì)應(yīng)響應(yīng)值，其優(yōu)化分析所得回歸方程如下：

Y=24.54+0.098 A+0.42 B-0.13 C-0.33 A·B+

0.13 A·C+0.000B·C -0.70 A2-1.22 B2-0.51 C2

由表3分析可知，影響因素A、B、C 都對(duì)提取率對(duì)應(yīng)響應(yīng)值Y具有互擾、顯著性影響，根據(jù)F值可得出各因素影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋築、C、A，顯著性強(qiáng)弱順序?yàn)锳2、B2、C2，其中超聲時(shí)間A與超聲功率B 二者之間交互影響程度最好。實(shí)驗(yàn)過程中總優(yōu)化數(shù)據(jù)模型P為0.000 3 < 0.01說明該模型差異性極顯著，失擬誤差為0.332 9 > 0.05，表明各影響因素在實(shí)驗(yàn)過程中互擾性不顯著。

由表4分析可知，因調(diào)整決定系數(shù)R2 = 0.927 2，說明優(yōu)化模型具有較高的擬合度;R2 = 0.968 2 說明優(yōu)化過程中各影響因素、各響應(yīng)值之間具有96.82%可解釋度，能夠?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行合理有效的優(yōu)化、預(yù)期，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中傘狀圖如圖5—圖7所示。

響應(yīng)面優(yōu)化提取實(shí)驗(yàn)AB、AC和BC傘狀圖，最終得出最佳優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：體積分?jǐn)?shù)70 %乙醇溶液，固液比為1∶ 10 （g/mL），時(shí)間為34.66 min，功率為80.93 W，水浴溫度為59.92 ℃，理論期望提取率為24.03%。

3.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

按照優(yōu)化所得實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)際提取率平均值為23.78%與24.03%±0.014%，具有較高的 重現(xiàn)性和吻合度，說明模型正確，優(yōu)化所得預(yù)期方案合理有效。

4 結(jié)論

本研究以非預(yù)浸提為實(shí)驗(yàn)前提，超聲提取為研究手段，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)影響紫蘇籽油提取因 素參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面研究、優(yōu)化和分析。得出最佳合理?xiàng)l件：體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液，固液比為1∶ 10 （g/mL）， 時(shí)間為34.66 min，功率為80.93 W，超聲水浴溫度為59.92 ℃。在最 佳條件下，實(shí)際平均提取率為23.78%，與理論預(yù)測值24.03%偏差± 0.014%，吻合較好，為油脂化學(xué)工藝研究領(lǐng)域提供現(xiàn)實(shí)、有效的參考依據(jù)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]? 李占君，高金輝，郭興，等.紫蘇籽油超聲提取工藝及其理化性質(zhì)的研究[J].森林工程，2019，35（4）：76-81.

LI Z J， GAO J H， GUO X， et al. Research on the ultrasonic extraction process and physicochemical properties of Perilla seed oil[J]. Forest Engineering， 2019， 35（4）： 76-81.

[2]? 魏長玲，郭寶林.紫蘇葉揮發(fā)油的不同化學(xué)型及研究進(jìn)展[J].中國中藥雜志，2015，40（15）：2937-2944.

WEI C L， GUO B L. Advances in research of volatile oil and its different chemotypes in leaves of Perilla frutescens[J]. China Journal of Chinese Materia Medic， 2015， 40（15）： 2937-2944.

[3]? 沈奇，王仙萍，楊森，等.紫蘇籽主要營養(yǎng)成分含量分析[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019， 32（8）：1904-1909.

SHEN Q， WANG X P， YANG S， et al. Content of main nutrients in Perilla frutescens seeds[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2019， 32（8）：1904-1909.

[4]? 李會(huì)珍，劉艷，李曉君，等.不同品種紫蘇種子營養(yǎng)成分及脂肪酸組分分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30（3）：276-280.

LI H Z， LIU Y， LI X J， et al. Analysis of nutritional components and fatty acid components of different varieties of perilla seed[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2014， 30（3）： 276-280.

[5]? 趙曉玲.紫蘇籽主要營養(yǎng)成分分析[J].中國食物與營養(yǎng)，2015，21（3）：63-67.

ZHAO X L. Analysis on main nutritional components in basin seed[J]. Food and Nutrition in China， 2015， 21（3）： 63-67.

[6]? 張國財(cái)，趙博，劉春延，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波—微波協(xié)同提取富硒蛹蟲草硒多糖工藝[J].食品科學(xué)，2016，37（12）：33-39.

ZHANG G C， ZHAO B， LIU C Y， et al. Optimization of ultrasound-microwave assisted extraction of selenium-containing polysaccharides from se-enriched Cordyceps militaris by response surface methodology[J]. Food Science， 2016， 37（12）： 33-39.

[7]? 李占君，祖元?jiǎng)?，楊逢?響應(yīng)面優(yōu)化紫蘇籽油微波提取參數(shù)的研究[J].林業(yè)科技，2019，44（3）：29-32.

LI Z J， ZU Y G， YANG F J. Research on optimization of microwave extraction parameters of Perilla seeds oil by response surface methodology[J]. Forestry Science & Technology， 2019， 44（3）： 29-32.

[8]? 喻世濤，熊國璽，程華，等.不同提取方法對(duì)紫蘇葉揮發(fā)性成分的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，45（1）：108-111.

YU S T， XIONG G X， CHENG H， et al. Influence of different extraction methods on Perilla frutescens leaf volatile components[J]. Journal of Southern Agriculture， 2014， 45（1）： 108-111.

[9]? 李占君，張志環(huán)，張厚良，等.紫蘇籽精油提取工藝及其脂肪酸構(gòu)成的研究[J].森林工程，2019，35（1）： 36-41.

LI Z J， ZHANG Z H， ZHANG H L， et al. Extraction process of essential oil from Perilla frutescens and fatty acid composition analysis[J]. Forest Engineering， 2019， 35（1）： 36-41.

[10]? 李占君，張琳，祖元?jiǎng)偅?二氧化碳超臨界提取塔拉籽油及其品質(zhì)分析[J].植物研究，2015，35（3）：467-470.

LI Z J， ZHANG L， ZU Y G， et al. Tara oil extraction by supercritical carbon dioxide and its quality[J]. Bulletin of Botanical Research， 2015， 35（3）： 467-470.

[11]? 李鈺，吳衛(wèi)，蘇華，等.響應(yīng)面法優(yōu)化紫蘇籽粕超聲輔助提取原花青素工藝[J].食品科學(xué)，2014，35（4）：50-54.

LI Y， WU W， SU H， et al. Optimization of ultrasound-assisted extraction of proanthocyanidins from Perilla frutescens using response surface methodology[J]. Food Science， 2014， 35（4）： 50-54.

[12]? CHEN F L， ZHANG Q， GU H Y， et al. An approach for extraction of kernel oil from Pinus pumila using homogenate-circulating ultrasound in combination with an aqueous enzymatic process and evaluation of its antioxidant activity[J]. Journal of Chromatography A， 2016， 1471： 68-79.

[13]? 王鵬旭，成傳香，馬亞琴，等.超聲聲學(xué)效應(yīng)在果蔬酚類化合物提取中的研究進(jìn)展[J].食品科學(xué)，2019，40（17）：338-347.

WANG P X， CHENG C X， MA Y Q， et al. A literature review of ultrasonic effects in extraction of phenolic compounds from fruits and vegetables[J]. Food Science， 2019， 40（17）： 338-347.

[14]? 劉婷，金瑞.超聲波法提取西洋參多糖的工藝研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，29（3）：174-177.

LIU T， JIN R. Technology of ultrasonic wave assisted extraction of polysaccharides from Panax quinque folium[J]. Journal of Northwest Forestry University， 2014， 29（3）：174-177.

[15]? CHEN F L， ZHANG Q， LIU J L， et al. An efficient approach for the extraction of orientin and vitexin from Trollius chinensis flowers using ultrasonic circulating technique[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2017， 37： 267-278.

[16]? 裴斐，陶虹伶，蔡麗娟，等.響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化辣木葉多酚超聲輔助提取工藝及其抗氧化活性[J].食品科學(xué)，2016，37（20）：24-30.

PEI F， TAO H L， CAI L J， et al. Optimization of polyphenols from Moringa oleifera Lam. leaves by ultrasound-assisted extraction using response surface methodology and their antioxidant activities[J]. Food Science， 2016， 37（20）： 24-30.

[17]? 魏文愷，郝建平，王峰，等.響應(yīng)面法優(yōu)化野葛葉中葉綠素超聲波提取工藝[J].食品工業(yè)科技，2015，36（11）：202-206.

WEI W K， HAO J P， WANG F， et al. Optimization of ultrasonic-assisted extraction process of chlorophyll from Pueraria lobata using response surface methodology[J]. Science and Technology of Food Industry， 2015， 36（11）： 202-206.

[18]? 李武強(qiáng)，黃曉鵬，馬嘉偉，等.響應(yīng)面法優(yōu)化桔梗切片遠(yuǎn)紅外干燥工藝[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2019，47（8）：47-51.

LI W Q，HUANG X P，MA J W，et al. Optimization of far infrared drying process of platycodon grandiflorum slice by response surface methodology[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment，2019，47（8）：47-51.

[19]? 羅磊，張冰潔，朱文學(xué)，等.響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超聲輔助提取金銀花葉黃酮工藝及其抗氧化活性[J].食品科學(xué)，2016，37（6）：13-19.

LUO L， ZHANG B J， ZHU W X， et al. Ultrasonic-assisted extraction and antioxidation of flavonoids from Lonicera japonica Thunb. leaves： Process optimization by response surface methodology and antioxidant activity evaluation[J]. Food Science， 2016， 37（6）： 13-19.