超聲波輔助提取黃刺玫籽油及其理化性質(zhì)研究

殷春燕，李伶俐，張獻忠，李丹，陳江魁，穆談航

1. 邯鄲學院生命科學與工程學院（邯鄲 056005）；2. 中紡糧油（日照）有限公司（日照 276826）

黃刺玫又稱馬茹子，拉丁學名為Rosa xanthina，是薔薇科薔薇屬黃刺玫種的野生灌木，廣泛分布于中國北方山地地區(qū)[1]。文獻指出，黃刺玫果實含有大量維生素、萜類、皂苷、黃酮物質(zhì)，具有抗氧化、延長凝血酶原時間等作用[1-3]。黃刺玫籽約為果實質(zhì)量的一半，含油率在11%左右。黃刺玫籽油中含有豐富的脂肪酸，維生素A、E和Fe、Zn、Mn等多種微量元素，其中不飽和脂肪酸質(zhì)量分數(shù)為94.89%，具有較高的食用價值[4]。因此黃刺玫籽油具有較高的開發(fā)價值。但由于相關(guān)研究較少，導致黃刺玫籽尚未得到有效開發(fā)利用。

常見的植物油提取方法有壓榨法、溶劑法、水酶法、超聲輔助法、超臨界CO2萃取法等。超聲輔助法因具有提取時間短、效率高、出油率高等優(yōu)點，在植物油的提取方面得到廣泛應用[5-6]。關(guān)于黃刺玫籽油的提取方法還不成熟，僅宋高林等[7]、王曉燕等[4]分別采用溶劑法和CO2萃取法對黃刺玫籽油的提取進行研究。關(guān)于超聲波輔助提取法在黃刺玫籽油提取中的應用還鮮有報道。因此，以超聲波輔助作為提取方法，石油醚作為提取溶劑，采用單因素試驗分析料液比、超聲功率、超聲時間和超聲溫度對黃刺玫籽油提取率的影響，并在單因素基礎(chǔ)上選出影響較大的因素，利用響應面Box-Behnken設計建立模型，對黃刺玫籽油提取工藝條件進行優(yōu)化，確定超聲波輔助提取黃刺玫籽油的最佳工藝。與溶劑法、水酶法提取得到的黃刺玫籽油進行理化性質(zhì)和營養(yǎng)成分比較，以期得到高效的黃刺玫籽油提取方法，從而為黃刺玫籽油的合理利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

黃刺玫籽（市售）；石油醚、冰乙酸、三氯甲烷、碘化鉀、硫代硫酸鈉、無水硫酸鈉、可溶性淀粉、重鉻酸鉀、乙醚、異丙醇、百里香酚酞、氫氧化鈉等（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 主要儀器與設備

FA2104N電子分析天平（上海精密科學儀器有限公司）；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；GRX-200型電熱恒溫鼓風干燥箱（西安禾普生物科技有限公司）；N-1100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海愛朗儀器有限公司）；WAY阿貝折光儀（上海精密科學儀器有限公司）；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 超聲輔助法提取黃刺玫籽油工藝

黃刺玫籽→挑選正常無霉爛的→于60 ℃烘干30 min→粉碎過0.250 mm孔徑篩→加入石油醚混合→超聲提取→抽濾取濾液→減壓濃縮→干燥→黃刺玫籽油

1.3.2 提取率的計算

黃刺玫籽油提取率的計算按式（1）計算[8]。

式中：m1為提取后黃刺玫籽油質(zhì)量，g；m0為黃刺玫籽粉質(zhì)量，g。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 料液比

準確稱取一定質(zhì)量的黃刺玫籽粉，超聲溫度40 ℃，超聲功率300 W，超聲時間30 min。料液比選擇1∶4，1∶6，1∶8，1∶10和1∶12（g/mL）。

1.3.3.2 超聲溫度

準確稱取一定質(zhì)量的黃刺玫籽粉，料液比1∶8（g/mL），超聲功率300 W，超聲時間30 min，超聲溫度選擇30，40，50和60 ℃。

1.3.3.3 超聲功率

準確稱取一定質(zhì)量的黃刺玫籽粉，料液比1∶8（g/mL），超聲溫度40 ℃，超聲時間30 min，超聲功率選擇200，300，400和500 W。

1.3.3.4 超聲時間

準確稱取一定質(zhì)量的黃刺玫籽粉，料液比1∶8（g/mL），超聲溫度40 ℃，超聲功率300 W，超聲時間選擇20，30，40，50，60和70 min。

1.3.4 響應面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取3個對提取率影響較大的因素，以黃刺玫籽油提取率為評價指標，采用Box-Behnken法進行三因素三水平響應面試驗設計，對超聲波輔助黃刺玫籽油的提取工藝進行優(yōu)化。

1.3.5 溶劑萃取法提取黃刺玫籽油

黃刺玫籽→挑選正常無霉爛的→于60 ℃烘干30 min→粉碎過0.250 mm孔徑篩→以料液比1∶8（g/mL）加入石油醚→于80 ℃提取2 h→抽濾取濾液→減壓濃縮→干燥→黃刺玫籽油

1.3.6 水酶法提取黃刺玫籽油

黃刺玫籽→挑選正常無霉爛的→于60 ℃烘干30 min→粉碎過0.250 mm孔徑篩→以料液比1∶8（g/mL）加入水→調(diào)節(jié)pH 6.0，溫度50 ℃→以復合酶（W纖維素酶∶W中性蛋白酶=1∶1）為提取用酶，酶添加量3.20%→酶解5 h→于95 ℃保溫10 min滅酶→離心→取上層油脂→干燥→黃刺玫籽油

1.3.7 黃刺玫籽油品質(zhì)的測定

折光指數(shù)的測定參照GB/T 5527—2010；水分及揮發(fā)物的測定參照GB 5009.236—2016；過氧化值的測定參照GB 5009.227—2016；酸價的測定參照GB/T 5009.229—2016；碘值的測定參照GB/T 5534—2008。VA和VE的測定參考GB/T 5009.82—2016。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

所有單因素試驗均做3次平行試驗，結(jié)果以“均值±標準差”表示，采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行方差分析，Origin 8.0進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

根據(jù)前期研究結(jié)果，在無水乙醇、丙酮、石油醚、正丁烷4種有機溶劑中，石油醚為最適合提取黃刺玫籽油的有機溶劑[9]，故在超聲波輔助黃刺玫籽油工藝中選用提取溶劑為石油醚。

2.1.1 料液比的選擇

圖1為黃刺玫籽油提取率隨料液比改變時的變化情況。結(jié)果表明，初始時隨著提取溶劑石油醚用量增大，黃刺玫籽油提取率也逐漸提高，提取率在料液比1∶10（g/mL）時到達最大值，為6.83%±0.08%。這是由于增加提取溶劑用量，使得黃刺玫籽油在溶劑與黃刺玫籽粉中的濃度差增大，有利于提高傳質(zhì)速率[10]。之后隨著石油醚用量繼續(xù)增加，黃刺玫籽油提取率不再發(fā)生顯著變化（p＞0.05）。但與料液比1∶8（g/mL）的提取率相比，提高料液比至1∶10（g/mL）時，提取率并未顯著增加（p＞0.05）。因此從經(jīng)濟角度和提取率兩方面考慮，最佳料液比為1∶8（g/mL），此時提取率為6.68%±0.10%。

圖1 料液比對黃刺玫籽油提取率的影響

2.1.2 超聲溫度的選擇

圖2為超聲溫度改變時，黃刺玫籽油提取率的變化情況。結(jié)果表明，黃刺玫籽油提取率隨超聲溫度升高而逐步增加，在50 ℃時達到最大值，40 ℃和50 ℃時的提取率沒有顯著差異（p＞0.05）。隨著溫度繼續(xù)升高至60 ℃，提取率開始下降。初始提取率增加是由于隨著溫度升高，分子間的運動加速，加快石油醚與黃刺玫籽粉末的接觸。同時提取體系黏度下降，利于黃刺玫籽油擴散至石油醚中[10]。提取率在60 ℃時下降可能是由于提取溫度達到石油醚的沸點（60～90 ℃），導致石油醚蒸發(fā)速率加快。此外，溫度過高可能使得黃刺玫籽油中油脂結(jié)構(gòu)或熱敏性成分受到破壞，從而導致提取率降低[11]。綜合考慮，最適超聲溫度選擇40 ℃。

圖2 超聲溫度對黃刺玫籽油提取率的影響

2.1.3 超聲功率的選擇

圖3為超聲功率改變時，黃刺玫籽油提取率的變化情況。結(jié)果表明，超聲功率在200～300 W之間，黃刺玫籽油提取率增長迅速，超聲功率300 W時，提取率達到最高值。這是由于超聲功率提高，在液體中產(chǎn)生更強烈的空化及壓力作用，加強對細胞壁的破壞作用，提高了提取率[12]。超聲功率大于300 W后，提取率呈現(xiàn)下降趨勢?？赡苁怯捎诔暪β蔬^大，產(chǎn)生的氣泡過多，使得傳質(zhì)效果降低，這與王文靜等[13]的研究結(jié)果一致。因此，最適的超聲功率選擇300 W。

圖3 超聲功率對黃刺玫籽油提取率的影響

2.1.4 超聲時間的選擇

由圖4可知，黃刺玫籽油提取率隨超聲時間延長呈現(xiàn)先增長后不變的趨勢。提取率在超聲時間50 min時達到最大，為7.06%±0.06%。這是由于隨著超聲時間增加，在超聲波的空化作用下石油醚和黃刺玫籽粉的接觸越充分，浸出的黃刺玫籽油越多，直至油脂在石油醚和黃刺玫籽中的濃度達到平衡。在50 min之后，黃刺玫籽油的提取率不再顯著增加。在超聲輔助提取烏桕籽油[13]、香根草油[14]時也得到同樣的結(jié)果。但由于超聲時間為40 min和50 min時的提取率沒有顯著差異（p＞0.05），綜合考慮，超聲時間選擇40 min為宜。

圖4 超聲時間對刺玫籽油提取率的影響

2.2 響應面優(yōu)化試驗

2.2.1 響應面模型的建立

在單因素試驗基礎(chǔ)上，固定條件料液比1∶8（g/mL），以超聲溫度、超聲功率、超聲時間3個因素進行Box-Behnken響應面試驗設計，對提取工藝條件進行優(yōu)化。響應面試驗因素水平如表1所示。

表2為響應面試驗設計及結(jié)果。對表2中試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，模型為提取率y=-13.0045+0.4082A+ 0.0513B+0.1044C-0.00007AB-0.000035AC+0.000055BC- 0.0047A2-0.000085B2-0.00108C2。由方差分析結(jié)果（表3）可知，模型p=0.0005及失擬項p=0.1042＞0.05，說明模型極顯著，可反映實際情況[15]。3個因素及二次項A2、B2均顯著影響黃刺玫籽油提取率（p＜ 0.05）。由F值可知，3個因素對黃刺玫籽油提取率的影響依次為超聲功率＞超聲溫度＞超聲時間。模型中交互項AB、AC、BC及二次項C2對黃刺玫籽油的提取率均沒有顯著影響。

表2 響應面試驗設計與結(jié)果

表3 方差分析

2.2.2 各因素交互作用的響應面圖

不同因素交互作用對黃刺玫籽油提取率的三維響應曲面圖如圖5所示。圖5（a、b、c）的響應曲面均存在最高峰，說明所選擇的因素水平范圍合理，在水平范圍內(nèi)存在極值[16]。從圖5可以直觀看出各因素對提取率的影響。響應曲面越陡峭說明該因素對提取率的影響越顯著[17]。

圖5（a）為超聲時間40 min時，超聲功率和溫度對黃刺玫籽油提取率的影響。超聲時間不變時，隨著超聲功率和溫度增加，提取率均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。超聲功率對提取率的響應曲面更陡峭。同樣，由圖5（b和c）可知，超聲功率和溫度不變時，隨超聲時間延長，提取率變化較小，超聲時間對提取率的響應曲面比較平緩。綜合來看，3個因素中超聲功率的響應曲面最陡峭，其次為超聲溫度和超聲時間。說明超聲功率對黃刺玫籽油提取率的影響最顯著，這與方差分析中的結(jié)論一致。

圖5 因素交互作用對提取率影響的響應面圖

2.2.3 驗證試驗結(jié)果分析

由回歸方程求得超聲輔助提取黃刺玫籽油的最優(yōu)工藝：超聲溫度44.82 ℃、超聲功率340.01 W、超聲時間40.75 min，提取率預測為7.02%。做3組平行試驗作為驗證試驗。從實際操作條件考慮，將工藝條件調(diào)整為超聲溫度45 ℃、超聲功率350 W、超聲時間40 min，此時提取率為7.12%±0.14%，與預測值相差1.42%，表明該回歸模型可以較好地反映黃刺玫籽油提取率與超聲功率、超聲時間、超聲溫度的關(guān)系。

2.3 不同提取方法對黃刺玫籽油品質(zhì)的影響

為考察不同提取方法對黃刺玫籽油品質(zhì)的影響，分別采用溶劑法、超聲輔助溶劑法、水酶法對黃刺玫籽油進行提取，比較黃刺玫籽油的理化性質(zhì)和維生素質(zhì)量分數(shù)。

由表4可知，所選用的3種提取方法對黃刺玫籽油的折光指數(shù)、碘值沒有顯著影響，對水分及揮發(fā)物質(zhì)量分數(shù)、酸價、過氧化值和維生素質(zhì)量分數(shù)影響顯著。碘值表示油脂中脂肪酸的不飽和程度[18]，結(jié)果表明3種提取方法對黃刺玫籽油中不飽和脂肪酸的保留沒有顯著差異。超聲輔助法得到的黃刺玫籽油水分及揮發(fā)物質(zhì)量分數(shù)最低，而水酶法提取的黃刺玫籽油水分及揮發(fā)物質(zhì)量分數(shù)最高。提取過程中加熱溫度及提取時間長短均會影響油脂的酸價和過氧化值[19-20]。所得黃刺玫籽油的酸價大小依次為溶劑萃取法＞超聲輔助法＞水酶法。溶劑萃取法得到的黃刺玫籽油過氧化值最高，超聲輔助法和水酶法沒有顯著差異。可能是由于溶劑萃取法在相對較高溫度和長時間下提取，長時間加熱導致油脂水解，高溫加速油脂的氧化，最終導致溶劑萃取法得到的黃刺玫籽油酸價和過氧化值最高。

表4 不同提取方法制備黃刺玫籽油的理化指標及營養(yǎng)成分質(zhì)量分數(shù)

從營養(yǎng)成分來看，超聲輔助法提取得到的黃刺玫籽油中VA和VE質(zhì)量分數(shù)最高，其次為溶劑萃取法，水酶法最低，可能是由于超聲輔助法和溶劑萃取法所用的有機溶劑能夠更有效提取出脂溶性VA和VE。綜合來看，超聲輔助法得到的黃刺玫籽油品質(zhì)較好。

3 結(jié)論

以超聲輔助法提取黃刺玫籽油，以石油醚作為提取溶劑，采用單因素試驗分別探討料液比、超聲溫度、超聲時間、超聲功率4個因素對黃刺玫籽油提取率的影響。利用Box-Behnken響應面設計對工藝條件進行優(yōu)化，建立提取率與超聲溫度、時間、功率的二次回歸模型。結(jié)果表明，最佳工藝條件為料液比1∶8（g/mL）、超聲溫度45 ℃、超聲功率350 W、超聲時間40 min，在此條件下提取率為7.12%±0.14%。3個因素對黃刺玫籽油提取率的影響依次為超聲功率＞超聲溫度＞超聲時間。與溶劑萃取法和水酶法相比，超聲輔助提取得到的黃刺玫籽油具有較低的水分及揮發(fā)物質(zhì)量分數(shù)、酸價和過氧化值，VA和VE質(zhì)量分數(shù)最高。超聲輔助法更適用于黃刺玫籽油的提取，從而為有效利用黃刺玫籽，將黃刺玫籽油開發(fā)成新型油脂資源提供理論依據(jù)。