響應(yīng)面優(yōu)化百香果籽油的提取工藝優(yōu)化

連文綺，馮雅蓉，樊 迎

（晉中信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

百香果籽的營養(yǎng)成分十分豐富，是十分優(yōu)質(zhì)的榨油原料，含有較高的脂肪酸、膳食纖維、碳水化合物維生素，以及蛋白質(zhì)、鈣、磷、鐵、灰分等含量較低的營養(yǎng)物質(zhì)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計調(diào)查，在我國每年約有4 300 t 果籽被零散丟棄或和其他農(nóng)作物一起添加至飼料中被家禽食用，致使百香果籽不僅未得到充分的利用，造成資源的極大浪費，還產(chǎn)生了許多不良的環(huán)境問題[4-5]。

現(xiàn)階段，我國大部分企業(yè)還是以物理壓榨及化學(xué)壓榨為主要油脂提取方式。物理壓榨是靠機械力將油脂分離出來，無添加、無污染、不破壞成分，但其出油率較低，且植物中殘油較多，同時對原料的含油量有一定的要求[6]。用化學(xué)方式提取油脂，出油率比物理壓榨高，但需經(jīng)過多道化學(xué)處理，且易有溶劑殘留，油脂中的部分天然物質(zhì)被破壞，無法保持植物原有的風(fēng)味[7]。

近些年新出現(xiàn)的超聲波輔助溶劑法是一種利用超聲預(yù)處理配合以表面活性劑作為溶劑來提取植物油脂的方法，通過使用超聲波機械，對液體介質(zhì)進行振動，從而產(chǎn)生空穴效應(yīng)來強化萃取效果。該方法不僅提高了生產(chǎn)安全度、減少環(huán)境污染，還較好地提高了油脂提取率，具有綠色、環(huán)保、高效的顯著優(yōu)勢[8-10]。并且，超聲波輔助溶劑法和傳統(tǒng)工藝相比，其技術(shù)設(shè)備更加安全、操作簡單，也使其出油率大大提升，降低了高溫對油脂的損害，也使提取后的油脂所含的營養(yǎng)素含量更高、更易于之后的油脂精煉[11-15]。此外，劉松奇等人[16]研究了水酶法萃取百香果籽油的工藝，說明了水酶法和超聲輔助萃取法一樣具有出油率高、操作條件溫和的優(yōu)點，但也有學(xué)者認為水酶法成本高、時間長，工業(yè)化生產(chǎn)難度大[17]，且會降低油中維A、維E 的含量。

因此，試驗通過單因素設(shè)計Box-behnken 模型，利用響應(yīng)面法分析超聲輔助萃取百香果籽油的工藝條件，以期評價百香果籽油的抗氧化作用能力，并為相關(guān)行業(yè)和相關(guān)研究提供出一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：百香果籽、花生油，均為市售。

試劑：無水乙醇（分析純）、Tris-HCl 緩沖液（分析純，pH 值8.4）、蒸餾水（分析純）。

1.2 儀器設(shè)備

BSA334S 型電子天平，杭州萬特衡器有限公司產(chǎn)品；DGG-9070A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、MP-501A 型數(shù)顯恒溫水浴箱，上海一恒儀器公司產(chǎn)品；DSSONIC-D500 型超聲波清洗器，，無錫鼎實電子科技有限公司產(chǎn)品；RE-2000A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海霓玥儀器有限公司產(chǎn)品；GC112N 型氣相色譜儀，上海儀器分析儀器有限公司產(chǎn)品；30B-X 型萬能粉碎機，江陰瑞利和機械制造有限公司產(chǎn)品；UV-1600 T6 型紫外可見分光光度計，上海精密科學(xué)有限公司產(chǎn)品。

1.3 工藝流程

百香果籽→清理除雜→清洗干燥（50 ℃）→粉碎（80～200 目）→加無水乙醇混合→調(diào)節(jié)超聲功率、調(diào)節(jié)超聲溫度、調(diào)節(jié)超聲時間→高速離心→吸取上層油層→烘干去除殘留溶劑→計算油脂提取率[18]。

式中：W——籽油提取率，%；

m——被提取籽油的總質(zhì)量，g；

M——百香果籽粉的總質(zhì)量，g。

1.4 試驗方法

1.4.1 單因素試驗

（1）測定料液比的最優(yōu)范圍。準確稱取10 g 百香果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，配比出1∶4，1∶8，1∶12，1∶16，1∶20 的料液比，并放入設(shè)定為160 W 的超聲波清洗器中，在40 ℃的條件下反應(yīng)30 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優(yōu)的料液比。

（2）測定超聲功率的最優(yōu)范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，將超聲波清洗器分別調(diào)節(jié)功率至120，140，160，180，200 W，在40 ℃的條件下反應(yīng)30min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優(yōu)的超聲功率。

（3）測定超聲時間的最優(yōu)范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，并放入設(shè)定為160 W 的超聲波清洗器中，在40 ℃的條件下分別反應(yīng)10，20，30，40，50 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優(yōu)的超聲時間。

（4）測定超聲溫度的最優(yōu)范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，并放入設(shè)定為160 W 的超聲波清洗器中，分別以30，35，40，45，50 ℃的溫度條件下進行反應(yīng)30 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優(yōu)的超聲溫度。

1.4.2 響應(yīng)面設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以百香果籽油提取率為指標，以超聲萃取因素料液比、超聲功率、超聲時間、超聲溫度為因素，設(shè)計Box-behnken 試驗。

響應(yīng)面因素與水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面因素與水平設(shè)計

1.4.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 和Design expert 軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果分析

料液比對百香果籽油提取率的影響見圖1，超聲功率對果籽油提取的影響見圖2，超聲時間對百香果籽油提取率的影響見圖3，超聲溫度對百香果籽油提取率的影響見圖4。

圖1 料液比對百香果籽油提取率的影響

圖2 超聲功率對百香果籽油提取率的影響

圖3 超聲時間對百香果籽油提取率的影響

圖4 超聲溫度對百香果籽油提取率的影響

由圖1 可看出，隨著料液比的增加，提取率逐漸增大，這是由于料液比增加后使固相和液相之間的濃度差變大，進而浸出組分的驅(qū)動力逐漸加強，有利于百香果籽中的油脂從固相擴散至液相，以達到釋放效果。當(dāng)料液比達到1∶16（g∶mL）時，提取率呈現(xiàn)平緩趨勢，與1∶20（g∶mL）料液比時的油脂提取率差異不顯著，這是由于在此條件下，果籽油已經(jīng)得到充分提取，再增加溶劑，不僅無法大幅提高籽油提取率，還會浪費溶劑，加大回收困難[19]。因此，選擇適宜的料液比為1∶16（g∶mL）。

由圖2 可看出，油脂提取率在160 W 時達到最大值22.5%。在120～160 W 時提油率呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這是由于超聲波的功率值越大，對果實種子的空化侵蝕越明顯，其作用和機械作用也就越明顯，粒子間的運動速度也就越快，一方面有利地促進了細胞壁的破碎；另一方面也增加了油脂分子和溶劑間碰撞的可能性，提高了油脂提取率。當(dāng)超聲波的功率大于160 W 時，提取率呈現(xiàn)出明顯的降低，這是由于當(dāng)超過最優(yōu)功率時，溶液中產(chǎn)生出的氣泡量增多，阻止超聲波在液體中進行擴散，導(dǎo)致空化作用強度降低，從而削弱了對籽油的浸提效果[20]。

由圖3 可看出，在10～30 min 時，隨著時間的延長，提取率也在加大，并在30 min 時達到最高，30 min 后趨于平緩狀態(tài)，這是由于在溶劑的作用下，油脂持續(xù)滲透出來，溶劑和百香果果籽中脂肪的濃度差異不斷減小，并在30 min 時達到動態(tài)平衡。超過30 min 后，由于提取油脂的溶劑逐漸損耗揮發(fā)，導(dǎo)致其夾帶作用能力下降，使得百香果籽油的提取率有輕微下降趨勢。

由圖4 可看出，提取率為40 ℃時達到最高值21%，持續(xù)增溫便有所下降。當(dāng)溶液處在低溫狀態(tài)時，溶液中的溶劑分子和油脂分子的運動速度較慢，導(dǎo)致試驗反應(yīng)進行得不徹底。持續(xù)升高溫度，溶液中的溶劑分子和油脂分子的運動速度也逐漸加快，傳質(zhì)阻力減小，顯著提高了出油率。當(dāng)溶液的溫度超過最適超聲溫度時，提取率數(shù)值下降，降低的原因有：①萃取溶劑的蒸發(fā)量隨時間的延長而增加，導(dǎo)致料液比降低；②表面飽和蒸氣壓的加強對超聲波的空化作用產(chǎn)生了抑制效果；③表面張力變小，抑制了油脂的浸出。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

試驗以百香果籽油提取率為響應(yīng)值，以料液比、超聲功率、超聲時間、超聲溫度為因素進行Boxbehnken 試驗。

Box-behnken 試驗設(shè)計及結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

表2 Box-behnken 試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2.2 回歸模型方程及方差分析結(jié)果

應(yīng)用Design Expert V 8.0.6 軟件對表2 中的百香果籽油提取率結(jié)果進行回歸擬合統(tǒng)計分析，得到百香果籽油提取率方程：

由表3 可看出，模型的p＜0.000 1，表明模型顯著，失擬項p＞0.05，差異不顯著，表明回歸方程擬合度良好，用該模型分析預(yù)測百香果籽油的萃取率結(jié)果真實可靠。模型R2Adj=0.995 1，表明此模型可解釋99.51%百香果籽油提取率的變化，且R2與R2Adj相差不大，說明該模型擬合程度高，誤差小[21]。

此外，A、B、C、D、AB、AC、A2、B2、C2、D2對籽油提取率差異影響極顯著（p＜0.01）；AD、BC對籽油提取率差異影響顯著（p＜0.05），BD、CD交互項對籽油提取率差異影響不顯著（p＞0.05）。4 個因素對籽油提取率影響程度的大小為超聲溫度（D）＞料液比（A）＞超聲功率（B）＞超聲時間（C）。

2.2.3 響應(yīng)面試驗中交互項作用分析

交互項對百香果籽油提取率影響的響應(yīng)面圖見圖5。

圖5 交互項對百香果籽油提取率影響的響應(yīng)面圖

比較6 個曲面圖可以看出，超聲溫度的曲線最陡峭，說明其對百香果籽油的提取率影響最顯著；比較6 個等高線圖發(fā)現(xiàn)，AB、AC、BC等高線圖密集且呈橢圓，AD等高線比起AB、AC、BC稀疏，BD、CD等高線比AD稀疏且未呈橢圓，說明AB、AC、BC交互作用對籽油提取率影響大于AD，AD交互作用對籽油提取率影響大于BD、CD，且BD、CD這2 組交互作用不顯著，這與表4 方差分析結(jié)果相一致。

2.2.4 工藝優(yōu)化條件驗證

通過對模型方程求導(dǎo)，得到方程的最優(yōu)解即百香果籽油的預(yù)測提取率的最大值為26.26%，此時的最優(yōu)工藝條件為料液比1∶15.5（g∶mL），超聲功率162.5 W，超聲時間30.6 min，超聲溫度45 ℃。但考慮到實際操作的方便可行性，把最佳工藝條件最終調(diào)整為料液比1∶15（g∶mL），超聲功率162 W，超聲時間30 min，超聲溫度45 ℃。且3 次平行試驗驗證得到百香果籽油的提取率為26.28%±0.12%，試驗結(jié)果表明此提取工藝實測值與預(yù)測值相近，具有一定的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

建立了百香果籽油超聲萃取的Box-behnken 模型，同時通過響應(yīng)面分析并結(jié)合實際操作條件，確定了萃取最佳工藝參數(shù)為料液比1∶15（g∶mL），超聲功率162 W，超聲時間30 min，超聲溫度45 ℃。研究結(jié)果說明了超聲萃取是一種出油率較高的榨油技術(shù)，可為百香果籽資源的開發(fā)利用提供工藝方面的技術(shù)支持。但未對萃取籽油的成分進行分析，今后，可利用色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對其成分分析，同時確定其抗氧化成分和機理。