響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助提取葡萄籽油脂的工藝研究

尹佳，黃志鴻，李繼鋒

(吉林化工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

葡萄籽占鮮果質(zhì)量的4%～7%，其中含有豐富的脂類、多酚類和蛋白質(zhì)類化學(xué)物質(zhì)，具有抗腫瘤、抗氧化、抗輻射和保護(hù)心血管等藥理學(xué)活性功能[1]。葡萄籽中的粗油脂含量可達(dá)14%左右，是極其優(yōu)質(zhì)的油脂資源。葡萄籽油不僅具有降低血脂、軟化血管、預(yù)防血管硬化、降低血壓、降低血液粘度和防止血栓形成等各種生物學(xué)功效的價(jià)值，還可用于產(chǎn)生、維持上皮與神經(jīng)細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)功能及抗氧化、抗衰老、保護(hù)視力、促進(jìn)兒童生長(zhǎng)發(fā)育等各種生理作用價(jià)值[2]。因此, 葡萄籽油是一種理想的膳食用油，可作為調(diào)味品在食品行業(yè)中應(yīng)用。

葡萄籽油是葡萄籽開(kāi)發(fā)的主要產(chǎn)品[3]。目前，從原料中提取油脂的方法有壓榨法、溶劑提取法、超臨界流體萃取法、水酶法提取、超聲波輔助提取技術(shù)[4,5]。其中超聲波輔助提取法作為一種優(yōu)良的提取方法，具有操作簡(jiǎn)單快捷、提取率高和不破壞提取物結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[6,7]。本研究以葡萄籽為原材料，利用響應(yīng)面法協(xié)同超聲波提取葡萄籽油脂，研究了提取時(shí)間、提取溫度、料液比和超聲頻率對(duì)葡萄籽中油脂得率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面法得到超聲波輔助提取葡萄籽油脂的最優(yōu)工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄籽、無(wú)水乙醇、甲醇、石油醚(60～90 ℃)、乙酸乙酯、蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

YP600電子天平 天津天馬衡基儀器設(shè)備有限公司；DDL-5M 4000 r/min離心機(jī) 濟(jì)南博鑫生物技術(shù)有限公司；HWS24電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器有限公司；FW80型高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 葡萄籽油脂提取工藝

將原料葡萄籽篩選，除去變質(zhì)、癟殼、表皮殘破的個(gè)體，浸泡，清洗，除去葡萄籽表面的果汁黏液，置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干。葡萄籽用粉碎機(jī)粉碎后過(guò)60目篩，密封好后置于-20 ℃冷凍備用[8]。

稱取1.0 g葡萄籽粉，提取溶劑選擇乙醇溶液，在設(shè)定的提取時(shí)間、超聲頻率、提取溫度、料液比下恒溫?cái)嚢杞帷＝嵬戤吅?，?000 r/min下高速離心10 min，取上清液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到葡萄籽油；再將沉淀烘干后分別在以上條件下浸提2次，并將3次所得葡萄籽油相加即得提取葡萄籽油總質(zhì)量。

1.3.2 葡萄籽油脂提取率計(jì)算[9]

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

由圖1可知，隨著提取時(shí)間的增加,葡萄籽油提取率變化顯著。這是由于提取時(shí)間越長(zhǎng)，超聲波對(duì)物料作用越充分。但是提取時(shí)間大于60 min后，提取效果的增加趨勢(shì)不太明顯，這是由于提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使葡萄籽油脂中某些成分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，使得提取率下降[10]。因此，提取時(shí)間為60 min 時(shí)較適宜。

圖1 提取時(shí)間對(duì)葡萄籽油提取率的影響Fig.1 Effect of extraction time on extraction rate of grape seed oil

2.1.2 超聲波頻率對(duì)提取率的影響

由圖2可知，葡萄籽油提取率隨著超聲頻率的增大而增大。但是，當(dāng)頻率達(dá)到一定值時(shí)，葡萄籽內(nèi)外滲透壓將達(dá)到平衡，油脂的滲出率也將趨于恒定[11]。因此，提取頻率應(yīng)選80 kHz為宜。

圖2 超聲頻率對(duì)葡萄籽油提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on extraction rate of grape seed oil

2.1.3 提取溫度對(duì)提取率的影響

由圖3可知，在提取溫度為 20～40 ℃范圍內(nèi)，隨著提取溫度的升高，葡萄籽油提取率也隨之增大，這是由于升高溫度提高了提取溶劑分子和油脂分子的動(dòng)能，促進(jìn)擴(kuò)散作用的進(jìn)行[12]；在40 ℃以上對(duì)提取率影響不明顯, 可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高導(dǎo)致溶劑揮發(fā),而且高溫會(huì)導(dǎo)致油脂酸敗現(xiàn)象的發(fā)生[13]。因此，提取溫度選擇40 ℃。

圖3 提取溫度對(duì)葡萄籽油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of grape seed oil

2.1.4 料液比對(duì)提取率的影響

由圖4可知，當(dāng)料液比在1∶5～1∶25的范圍內(nèi)，隨著料液比的增加，即有機(jī)溶劑添加量的增加，使葡萄籽顆粒與有機(jī)溶劑接觸面的濃度差增大，從而使葡萄籽中的油脂更容易被滲透出來(lái)[14]；當(dāng)料液比達(dá)到1∶15以后，因?yàn)槠咸炎阎械挠椭坑邢?提取率趨向于恒定。所以, 料液比應(yīng)取1∶15為宜。

圖4 料液比對(duì)葡萄籽油提取率的影響Fig.4 Effect of ratio of solid to liquid on extraction rate of grape seed oil

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

按照單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及Box-Behnken設(shè)計(jì)的自變量，以葡萄籽油脂提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行提取條件優(yōu)化的研究。響應(yīng)面分析的因素及水平表見(jiàn)表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 The coding table of factors and levels

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Response surface test plan and results

通過(guò)擬合回歸處理數(shù)據(jù)，建立多元二次響應(yīng)面回歸模型為：

Y=-0.444+7.383×10-3A+2.773×10-3B+8.013×10-3C+6.25×10-5D+0.025AB-1.2×10-5AC-1.2×10-5BC-6.25×10-6BD-6.25×10-6CD-3.35×10-4A2-2.328×10-5B2-4.0×10-5C2- 3.6875×10-5D2。

續(xù) 表

由表3可知，函數(shù)模型R2= 96.28%，說(shuō)明模型計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值擬合度程度高，能很好地對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)[15]。一次項(xiàng)B，C表現(xiàn)為極顯著，A為顯著, 二次項(xiàng)A2、B2、C2和D2皆表現(xiàn)為極顯著。由F檢驗(yàn)可以得到影響因素主次排序?yàn)椋禾崛r(shí)間(B)>提取溫度(C)>料液比(A)>超聲波頻率(D)。AB、CD的交互作用影響極顯著,見(jiàn)圖5和圖6。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance results

圖5 料液比和時(shí)間的交互作用對(duì)油脂提取率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface diagram of the interaction between solid-liquid ratio and time on oil extraction rate

圖6 溫度和頻率的交互作用對(duì)油脂提取率影響的響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)論

本研究在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用響應(yīng)面法優(yōu)化了超聲波輔助提取葡萄籽油脂的工藝。通過(guò)回歸數(shù)學(xué)模型得到最優(yōu)工藝條件為：提取時(shí)間73.97 min，超聲頻率81.42 kHz，提取溫度33.48 ℃，料液比1∶12.42 (g/mL)。在最優(yōu)工藝條件下，葡萄籽油脂的得率為 20.26%，為今后葡萄籽的深加工和系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)，最終提高了產(chǎn)品的附加值。