模型優(yōu)化色木槭籽油的超聲提取工藝

孫思全 李姣 張慶芬 楊逢建

摘要：為研究色木槭籽油的超聲提取工藝，以色木槭籽為原料，采用超聲輔助提取技術(shù)，對(duì)料液比、超聲時(shí)間、超聲功率和超聲溫度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝并進(jìn)行驗(yàn)證，得出最佳提取工藝為，料液比1∶17.50 g/mL，超聲時(shí)間62 min，超聲功率350 W，實(shí)際操作得油率為30.00%，與預(yù)期得油率30.48%基本一致。對(duì)比分析超聲輔助提取與索氏提取所得色木槭籽油的脂肪酸構(gòu)成和理化性質(zhì)。結(jié)果表明，提取方式對(duì)籽油脂肪酸構(gòu)成無(wú)影響，色木槭籽油脂肪酸類型19種，不飽和脂肪酸占比92%，代表性不飽和脂肪酸為亞油酸（42.4%）。色木槭籽油屬于半干性油，干燥性和氧化穩(wěn)定性較好，油脂各項(xiàng)指標(biāo)均滿足食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。該研究證實(shí)超聲輔助提取能夠?qū)崿F(xiàn)色木槭籽油的高效提取，在不影響籽油脂肪酸構(gòu)成的基礎(chǔ)上，對(duì)其品質(zhì)有所改善，為色木槭籽油的制備提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：色木槭籽油；超聲提取；響應(yīng)面優(yōu)化；脂肪酸；理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)：TS225.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2023）02-0121-11

Model Optimization of Ultrasonic Extraction Process

of Acer mono Maxim Seed Oil

SUN Siquan1，2，3，4，5， LI Jiao1，2，3，4，5， ZHANG Qingfen1，2，3，4，5， YANG Fengjian1，2，3，4，5*

（1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.College of Chemistry， Chemical Engineering and Resource Utilization， Northeast Forestry University， Harbin 150040，

China; 3.Engineering Research Center of Forest Bio-preparation， Ministry of Education， Northeast Forestry University，

Harbin 150040， China; 4.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Ecological Utilization of Forestry-based Active

Substances， Harbin 150040， China; 5.National Engineering Laboratory of BioResource EcoUtilizaiton，

Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：To study the ultrasonic extraction technology of Acer mono Maxim seed oil， the single factor tests of solid-liquid ratio， ultrasonic time， ultrasonic power and ultrasonic temperature were carried out with Acer mono Maxim seed as raw material by ultrasonic assisted extraction technology. According to the experimental results， the Box-Behnken response surface method was designed to optimize the extraction process and verified， the optimal extraction process was as follows： solid-liquid ratio of 1∶17.50 g/mL， ultrasonic time of 62 min， ultrasonic power of 350 W， the actual oil yield of 30.00%， which was basically consistent with the expected oil yield of 30.48%. The fatty acid composition and physicochemical properties of Acer mono Maxim seed oil obtained by ultrasonic-assisted extraction and Soxhlet extraction were compared and analyzed. The results showed that the extraction method had no effect on the fatty acid composition of seed oil. There were 19 types of fatty acids in Acer mono Maxim seed oil and the proportion of unsaturated fatty acids accounted for 92%， the representative unsaturated fatty acid was linoleic acid （42.4%）. The oil of Acer mono Maxim seed was a semi-dry oil with good desiccation and oxidation stability. All the indexes of oil met the hygienic standard of edible vegetable oil. This experiment confirmed that ultrasound-assisted extraction could achieve the efficient extraction of Acer mono Maxim seed oil， without affecting the fatty acid composition of the seed oil， and improve its quality， which provided data reference for the preparation of Acer mono Maxim seed oil.

Keywords：Acer mono Maxim seed oil; ultrasonic extraction; response surface optimization; fatty acid; physical and chemical properties.

收稿日期：2022-06-16

基金項(xiàng)目：黑龍江省林業(yè)科技項(xiàng)目（GB21B104-8）

第一作者簡(jiǎn)介：孫思全，碩士研究生。研究方向?yàn)橹参镔Y源學(xué)。 Email： 2893858298@qq.com

*通信作者：楊逢建，博士，教授。研究方向?yàn)橹参镔Y源學(xué)。Email： yangfj@nefu.edu.cn

引文格式：孫思全，李姣，張慶芬，等.模型優(yōu)化色木槭籽油的超聲提取工藝[J].森林工程，2023，39（2）：121-131.

SUN S Q， LI J， ZHANG Q F， et al. Model optimization of ultrasonic extraction process of Acer mono Maxim seed oil[J]. Forest Engineering，2023，39（2）：121-131.

0引言

色木槭（Acer mono Maxim.）又名五角楓，是槭樹科（Aceraceae）槭屬（Acer）的落葉喬木，主要分布于長(zhǎng)江流域各省以及東北、華北地區(qū)[1-2]。色木槭樹干、樹皮、種子及枝葉等，均具有較高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值[3-4]。色木槭籽富含優(yōu)質(zhì)蛋白和油脂，油脂中微量元素、維生素和脂肪酸等物質(zhì)含量豐富且構(gòu)成合理，其籽油是一種優(yōu)質(zhì)的植物油，相比于傳統(tǒng)食用油對(duì)人類具有更多益處[5]。此外，色木槭籽油對(duì)腫瘤細(xì)胞具有抑制作用，對(duì)人體細(xì)胞的修復(fù)具有積極作用，還可以作為一種脂質(zhì)體，用作研制新藥物的載體，具有廣泛的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于油脂提取方法的摸索運(yùn)用已較為成熟，包括壓榨法、溶劑浸提法、CO2超臨界萃取法[7]、水酶法[8]、超聲輔助提取法[9]及多種提取方法偶聯(lián)[10]等。其中超聲輔助提取法是利用超聲波的空化作用、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)等加速細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的溶解、擴(kuò)散和釋放，從而提高提取效率，具有成本低、溫度低、效率高及有效成分不被破壞等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊[11-12]。

本研究以色木槭籽為原料，采用超聲輔助提取法，以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)Box-Behnken三因素三水平響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝并進(jìn)行驗(yàn)證。將超聲輔助提取與索氏提取所得到的色木槭籽油進(jìn)行脂肪酸構(gòu)成和理化性質(zhì)的對(duì)比分析，為色木槭籽油的深度開發(fā)利用提供理論參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

色木槭翅果購(gòu)買于黑龍江省伊春市。石油醚、乙酸乙酯、正丁醇及環(huán)己烷購(gòu)買于天津富宇精細(xì)化工有限公司；氫氧化鉀和硫代硫酸鈉購(gòu)買于天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；碘化鉀購(gòu)買于天津天力化學(xué)試劑有限公司；可溶性淀粉購(gòu)買于天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2儀器與設(shè)備

高速粉碎機(jī)（QE-100，浙江屹立工貿(mào)有限公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DGH-9145A，上海-恒科科技有限公司）； 數(shù)控超聲波清洗器（KQ-500DB，昆山超聲儀器有限公司）；醫(yī)用離心機(jī)（H1650，長(zhǎng)沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機(jī)器有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（R-205，上海申勝生物技術(shù)有限公司）；氣相色譜（GC-2010Plus，島津公司）；磁力攪拌水浴鍋（SHJ-6AB，常州金壇良友儀器有限公司）。

1.3方法

1.3.1樣品的制備

（1）色木槭翅果剝殼去皮后放入烘箱干燥（低溫，60 ℃，48 h）。

（2）色木槭籽研磨過(guò)篩后再次放入烘箱干燥（60目粉末，60 ℃，含水率≤5%）備用[13]。

1.3.2提取溶劑篩選

本試驗(yàn)選取石油醚、甲醇、乙醇、正丁醇、乙酸乙酯及丙酮（均為分析純）6種有機(jī)溶劑作為色木槭籽油的提取溶劑。稱取60目干燥色木槭種籽粉末2.00 g，在料液比1∶12 g/mL，超聲時(shí)間40 min，超聲功率300 W，室溫條件下進(jìn)行超聲輔助提取，分析不同有機(jī)溶劑對(duì)色木槭籽油的得油率及物理性質(zhì)的影響。

1.3.3得油率測(cè)定

色木槭籽油的得油率為

Y=M1M2×100%。（1）

式中：Y為得油率，%；M1為提取所得籽油質(zhì)量，g；M2為提取所用籽粉質(zhì)量，g。

1.3.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

采用Origin 2018和Design Expert 8.0.6 Trial軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理。

1.3.5GC-MS檢測(cè)油脂脂肪酸組成

本試驗(yàn)氣相色譜分析條件參照GB 5009.168—2016[14]，具體詳情見表1。

1.3.6油脂理化性質(zhì)的測(cè)定

相關(guān)理化性質(zhì)的測(cè)定方法如下：比重參照GB 5526—1985[15]；水分及揮發(fā)物參照GB 5009.236—2016電熱干燥箱法[16]；酸值參照GB 5009.229—2016冷溶劑指示劑滴定法[17]；碘值參照GB/T5532—2008[18]；皂化值參照GB 5534—2008[19]；過(guò)氧化值參照GB 5009.227—2016滴定法[20]；硫代巴比妥值參照GB/T35252—2017[21]。

1.4單因素試驗(yàn)

精確稱取色木槭種籽粉末2.00 g，室溫條件下，超聲時(shí)間40 min，超聲功率250 W，研究料液比為1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g/mL時(shí)對(duì)得油率影響；種籽粉末2.00 g，室溫條件下，料液比1∶16 g/mL，超聲功率250 W，研究超聲時(shí)間為10、20、40、60、80、100 min時(shí)對(duì)得油率的影響；種籽粉末2.00 g，室溫條件下，料液比1∶16 g/mL，超聲時(shí)間40 min，研究超聲功率為200、250、300、350、400、450 W時(shí)對(duì)得油率的影響；種籽粉末2.00 g，料液比1∶16 g/mL，超聲時(shí)間40 min，超聲功率250 W，研究超聲溫度為15、20、25、30、35、40 ℃時(shí)對(duì)得油率的影響。

2結(jié)果與分析

2.1有機(jī)溶劑的篩選

不同有機(jī)溶劑提取色木槭籽油的得油率及物理性質(zhì)見表2。

澄清透明結(jié)果表明，得油率從高到低依次為：石油醚、乙酸乙酯、甲醇、正丁醇、丙酮、乙醇，范圍為15%～20%。石油醚、丙酮及乙醇提取所得油脂顏色為淺黃色，澄清透明；甲醇和正丁醇提取所得油脂顏色均為棕色，乙酸乙酯提取所得油脂顏色為黃色，三者均為半透明狀態(tài)。其中石油醚提取所得油脂得油率高且質(zhì)量好，因此，選取石油醚作為色木槭籽油的提取溶劑，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2單因素試驗(yàn)分析

2.2.1料液比對(duì)得油率的影響

由圖1（a）可知，色木槭籽油得油率隨著溶劑體積的增大，呈上升趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1∶16 g/mL時(shí)，達(dá)到最大值26%，而隨著溶劑體積的繼續(xù)增大，得油率開始下降。這是由于一定質(zhì)量的色木槭種籽粉末，隨著溶劑體積的增大，使得種籽粉末與提取溶劑的接觸率大大增加，料液質(zhì)量濃度差增大，傳質(zhì)速率提高，得油率增大；但當(dāng)溶劑體積過(guò)大時(shí)，單位體積物料接收到的超聲能量降低，使得油脂溶出速率降低，得油率減小[22-23]。此外還會(huì)造成溶劑浪費(fèi)及增加后期工業(yè)濃縮成本，故選取料液比1∶12～1∶20 g/mL進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.2超聲時(shí)間對(duì)得油率的影響

由圖1（b）可知，色木槭籽油得油率隨著時(shí)間的增加不斷增高，而后呈下降趨勢(shì)，在60 min時(shí)達(dá)到最高值28.5%。原因是超聲時(shí)間較短時(shí)，料液質(zhì)量濃度差大，油脂浸出的驅(qū)動(dòng)力大，得油率顯著升高，而超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得色木槭籽油油脂顆粒破裂分散，導(dǎo)致得油率降低[24]。故選取超聲時(shí)間40～80 min進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.3超聲功率對(duì)得油率的影響

由圖1（c）可知，色木槭籽油得油率隨著超聲功率的增加不斷增加，在350 W時(shí)達(dá)到最大值29%，隨后下降。這是因?yàn)殡S著超聲功率增大，空化、乳化和粉碎等作用加強(qiáng)，界面層分子擴(kuò)散速度加快，使得色木槭籽中的脂肪浸出速度加快，但功率過(guò)大可能破壞脂肪分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，導(dǎo)致得油率下降[25]。故選取超聲功率300～400 W進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.4超聲溫度對(duì)得油率的影響

由圖1（d）可知，色木槭籽油得油率隨著超聲溫度的增加呈先升高后下降的趨勢(shì)，在25～30 ℃時(shí)達(dá)到最大值27.5%。超聲溫度對(duì)色木槭籽油得油率影響較小，并且石油醚具有強(qiáng)揮發(fā)性，隨著超聲溫度的升高，石油醚揮發(fā)，導(dǎo)致油脂浸出減少，得油率降低。故不選取該因素進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3響應(yīng)面優(yōu)化

2.3.1優(yōu)化編碼水平表

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取料液比、超聲時(shí)間、超聲功率為自變量，以得油率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)三因素三水平Box-Behnken Design優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)化編碼水平表見表3。

2.3.2響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

以色木槭籽油得油率（Y）作為響應(yīng)值，料液比（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲功率（C）為響應(yīng)變量，進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。利用Design Expert 8.0.6 Trial軟件對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算各項(xiàng)回歸系數(shù)，建立數(shù)學(xué)回歸模型，最終得到色木槭籽油得油率的二次多項(xiàng)回歸方程：Y=30.30+0.81A+0.25B+0.31C+0.12AB+0.25AC+0.13BC-1.15A2-1.28B2-1.90C2。

分析表5數(shù)據(jù)可知，色木槭籽油得油率模型差異極顯著（P<0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P>0.05），表明模型擬合度良好。在各影響因素中，一次項(xiàng)料液比（A）對(duì)得油率的影響極顯著，超聲時(shí)間（B）與超聲功率（C）對(duì)得油率的影響顯著。組合因素中，AB、AC、BC的P>0.05，說(shuō)明對(duì)得油率的影響均為不顯著。二次項(xiàng)A2、B2、C2的P<0.01，說(shuō)明對(duì)得油率影響均為極顯著。且由F大小可知，不同因素對(duì)得油率Y的影響程度由大到小為：料液比（A）、超聲功率（C）、超聲時(shí)間（B）[26]。由表6數(shù)據(jù)分析可知，模型決定系數(shù)R2= 0.987 2，調(diào)整系數(shù)R2Adj=0.970 7，預(yù)測(cè)系數(shù)R2Pred=0.908 9，均大于0.9，進(jìn)一步表明模型擬合度良好，響應(yīng)面適合后續(xù)試驗(yàn)優(yōu)化分析。

2.3.3響應(yīng)面圖及等高線圖分析

圖2為響應(yīng)面優(yōu)化過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的3D傘狀圖和2D等高線圖，3D傘狀圖可確定影響因素的中間值和極值，2D等高線圖是在二維平面中顯示三維關(guān)系，更直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度。結(jié)合數(shù)據(jù)和模型，響應(yīng)值 （Z軸） 與其他2個(gè)影響因素 （X軸和Y軸） 建立RSM擬合模型，并將其中一單因素設(shè)置定量為0。

由圖2（a）中可看出，料液比（A）與超聲時(shí)間（B）間的交互作用為料液比的曲面陡峭程度高于超聲時(shí)間，表明單因素對(duì)得油率的影響程度為料液比大于超聲時(shí)間，即A>B，同理，由圖2（b）和圖2（c）中分別可看出，料液比大于超聲功率，超聲功率略大于超聲時(shí)間，即A>C，C >B，綜上可得出3組因素對(duì)得油率的影響程度由大到小為：料液比（A）、超聲功率（C）、超聲時(shí)間（B），與表5 F驗(yàn)證結(jié)果一致。3D傘狀圖中可看出，3種因素對(duì)得油率的影響均是先增加后降低的趨勢(shì)，3組響應(yīng)面圖都呈凸型曲面，表明色木槭籽油得油率在這3因素設(shè)計(jì)范圍內(nèi)存在最大值，說(shuō)明此模型可用。

2.3.4驗(yàn)證試驗(yàn)

綜合上述模型，優(yōu)化得到最佳提取工藝參數(shù)為料液比1∶17.48 g/mL，超聲時(shí)間62.43 min，超聲功率355.55 W?？紤]到試驗(yàn)的可操作性，調(diào)整參數(shù)為料液比1∶17.50 g/mL，超聲時(shí)間62 min，超聲功率350 W，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證，色木槭籽油得油率為30.00%，與預(yù)期得油率30.48%基本一致，表明優(yōu)化工后的工藝條件切實(shí)可行。

2.4GC-MS分析脂肪酸組成

圖3與表7為超聲輔助提取法與索氏提取法提取所得色木槭籽油的GC-MS總離子流圖以及脂肪酸構(gòu)成對(duì)比分析表。索氏提取采用常規(guī)方法為料液比1∶17 g/mL，石油醚為提取溶劑，循環(huán)回流提取4～6 h。分析可知，2種方法提取所得油脂脂肪酸種類及含量近乎無(wú)差異，表明這2種提取方法對(duì)油脂脂肪酸構(gòu)成基本無(wú)影響，但超聲輔助提取法所得不飽和脂肪酸含量略高于索氏提取法，改良了油脂品質(zhì)。GC-MS檢測(cè)色木槭籽油脂肪酸類型19種，不飽和脂肪酸占比高達(dá)92%，按含量由多到少排序?yàn)椋簛営退?、油酸、芥酸、?11-二十碳烯酸、神經(jīng)酸、γ-亞麻酸、順式-11，14-二十碳二烯酸、花生酸、順-13，16-二十二碳二烯酸、棕櫚油酸、花生四烯酸。其中代表性不飽和脂肪酸為亞油酸，占比42.4%。

2.5理化性質(zhì)

測(cè)定超聲輔助提取法與索氏提取法提取所得色木槭籽油的各項(xiàng)理化指標(biāo)，結(jié)果見表8。色木槭籽油與大豆油、花生油一致，碘值較高，屬于半干性油（碘值為100～130），皂化值適中，酸值、過(guò)氧化值較低，說(shuō)明籽油中不飽和脂肪酸含量較高，脂肪酸分子量較小，酸敗程度低，品質(zhì)好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[27]。超聲輔助提取所得油脂與索氏提取相比，酸值、過(guò)氧化值、皂化值均略低，碘值略高。這是因?yàn)槭覝貤l件下，超聲輔助提取不會(huì)破壞色木槭籽中某些具有熱不穩(wěn)定，易分解或氧化的成分。結(jié)果表明，超聲輔助提取所得籽油質(zhì)量更好，該方法更適用于色木槭籽油的制備。

3結(jié)論與討論

本研究對(duì)色木槭籽油的超聲輔助提取工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，對(duì)比分析6種有機(jī)溶劑對(duì)色木槭籽油得油率及所得油脂品質(zhì)的影響，結(jié)果表明石油醚對(duì)色木槭籽油提取效果最好。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化分析，確定最佳工藝條件為：料液比1∶17.50 g/mL，超聲時(shí)間62 min，超聲功率350 W，此條件下色木槭籽油得油率30.00%，與預(yù)期得油率30.48%基本一致。此方法遠(yuǎn)高于高文博[28]用超臨界CO2法提取色木槭籽油的7.13%得油率。GC-MS檢測(cè)超聲輔助提取與索氏提取所得色木槭籽油，分析得出色木槭籽油脂肪酸類型19種，代表性脂肪酸為亞油酸，其相對(duì)含量可達(dá)42.4%，不飽和脂肪酸含量高達(dá)92%，且超聲輔助提取法所得不飽和脂肪酸含量略高于索氏提取法。測(cè)定籽油理化性質(zhì)可知，色木槭籽油屬于半干性油，油脂脂肪酸分子量小、易吸收、酸敗程度低、品質(zhì)好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，屬于優(yōu)質(zhì)植物油。

綜上所述，色木槭籽油品質(zhì)優(yōu)良，超聲輔助提取法在色木槭籽油的提取過(guò)程中具有高效、節(jié)能、省時(shí)、操作簡(jiǎn)單以及改良油脂品質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，為色木槭籽油的制備提供數(shù)據(jù)參考。

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