超聲波輔助提取杜氏鹽藻油脂工藝研究

李秀霞 孫協軍 韓魯佳

超聲波輔助提取杜氏鹽藻油脂工藝研究

李秀霞1孫協軍1韓魯佳2

(渤海大學生物與食品科學學院1，錦州 121013)
(中國農業大學工學院2，北京 100083)

對杜氏鹽藻油脂的超聲波提取工藝進行了研究，采用響應面分析法分析了液固比、超聲時間和超聲溫度對鹽藻油脂得率的影響，并建立了相應的預測模型。方差分析的結果表明，液固比、超聲溫度和超聲時間對油脂得率都有顯著影響(P＜0．005)，液固比的二次方項(P＜0．005)和超聲溫度的二次方項(P＜0．01)對油脂得率有顯著影響，并且超聲溫度和時間存在交互作用(P＜0．05)，考慮到提取效率、成本和可行性，利用約束復合形法對結果進行優化，得到的最佳工藝參數為:在選用丙酮為提取溶劑的條件下，液固比29∶1 mL/g、超聲時間47 min、超聲溫度48℃。在最佳工藝參數下，鹽藻油脂得率為16．03%，與預測結果相符。

鹽藻 超聲波輔助提取 油脂得率

杜氏鹽藻(Dunaliella salina)俗稱鹽藻，是一種廣泛分布于海洋和鹽湖等鹽度較高地區的綠藻，為單細胞的浮游植物，屬于綠藻門、綠藻綱、團藻目、多毛藻科、杜氏藻屬，是杜氏藻屬中最具代表性的藻種［1］。鹽藻脂肪含量較高，富含ω－3和ω－6多不飽和脂肪酸，不僅可作為植物油的替代品，還可作為生物柴油的原料油使用［2－4］。微藻油脂的提取方法主要有碾磨法、酸水解法、索氏抽提法和加熱回流法等［5］，由于鹽藻沒有細胞壁，細胞外只有一層彈性膜［1］，所以超聲波空化作用可起到很好的傳質作用，加速油脂的提取效率。本試驗的研究目的是采用超聲波輔助提取的方法，通過單因素和正交試驗對鹽藻油脂的提取工藝進行優化。

1 材料與方法

1．1 材料

鹽藻粉:大連豐源達餌料有限公司。

1．2 主要試劑和儀器

37種脂肪酸甲酯標品(30 mg/mL):美國Restek公司;三氟化硼乙醚溶液、丙酮、乙醚均為分析純。

2014C氣相色譜儀:島津儀器蘇州有限公司;HGT－300E氮、氫、空氣發生器:北京匯龍公司;KQ－500DV型數控超聲波清洗器:昆山超聲儀器有限公司;DZKW－D型恒溫水浴鍋:河北黃驊市航天儀器廠;RE－52A型旋轉蒸發儀:上海亞榮生化儀器廠;SHB－3循環水式多用真空泵:河南鄭州長城儀器廠。

1．3 試驗方法

1．3．1 超聲波提取方法

準確稱取鹽藻粉樣品1 g于100 mL具塞錐形瓶中，按試驗要求加入一定的提取溶劑，超聲處理一定時間后減壓抽濾，旋轉蒸發回收溶劑，然后將提取物放入105℃烘箱干燥至恒重，計算油脂得率。

1．3．2 色譜條件

色譜柱:Rt－2560，100 m ×0．25 mm ×0．2 μm;升溫程序:初始溫度 100℃，以 4℃/min升至240℃，保持35 min;入口壓力135．5 kPa，載氣氮氣，總流量 28．1 mL/min，柱流量 0．49 mL/min，線速度11．9 mL/min，進樣量1 μL，分流比50∶1，汽化室溫度225℃，檢測器溫度250℃。

1．3．3 數據處理

試驗數據采用Excel、SPSS及Matlab數學軟件進行分析，以油脂得率為考查指標。

其中油脂得率按下式計算:

2 結果與分析

2．1 提取溶劑的選擇

分別采用丙酮(超聲溫度50℃)、乙醚(超聲溫度30℃)、石油醚(沸程 60～90℃，超聲溫度50℃)、正己烷(超聲溫度50℃)、乙酸乙酯(超聲溫度50℃)和石油醚/乙醚(1∶1，V/V;超聲溫度50℃)為提取溶劑，在超聲功率420 W和液固比5∶1(mL/g)條件下超聲提取10 min，比較不同溶劑對得率的影響，結果見圖1。

圖1 不同溶劑對鹽藻油脂得率的影響

由圖1可知，丙酮作為提取溶劑的得率最高，乙酸乙酯的得率次之，正己烷的得率最低，綜合考慮提取效率和成本因素，選擇丙酮作為單因素和正交試驗的提取溶劑。

2．2 單因素試驗結果與分析

2．2．1 超聲波功率的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，固定超聲溫度30℃和液固比5∶1，在不同的超聲波功率下超聲提取10 min，比較不同超聲波功率對鹽藻油脂得率的影響，結果見圖2。

圖2 超聲波功率對鹽藻油脂得率的影響

由圖2可知，超聲波功率在360 W時，油脂得率達到峰值。超聲波功率對油脂得率沒有顯著影響(P＞0．05)，這是因為只有很小一部分超聲波能夠傳遞到提取介質而發揮作用［6］。超聲波功率提高，空化作用加強，同時水溫升高加快，油脂從物料到溶劑中的滲透作用加強，油脂得率提高，但當超聲波功率達到一定數值時，藻粉內外滲透壓達到平衡，油脂的得率趨于穩定，因此，固定超聲波功率為360 W。

2．2．2 超聲溫度的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5∶1，在不同超聲溫度下提取10 min，比較不同超聲溫度對油脂得率的影響，結果見圖3。

圖3 超聲溫度對鹽藻油脂得率的影響

由圖3可知，超聲溫度對鹽藻油脂得率有顯著影響(P＜0．05)，超聲溫度在35～50℃范圍內的油脂得率顯著高于20～30℃范圍內的油脂得率(P＜0．05)，在20～40℃范圍內，隨著超聲溫度的升高，鹽藻油脂得率也隨之增大，在超聲溫度超過40℃后，溶劑的損失較大，油脂得率也不再相應增加，選擇40℃作為合適的超聲溫度進行下一步試驗。

2．2．3 超聲時間的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5∶1進行超聲提取試驗，比較不同超聲時間對油脂得率的影響，結果見圖4。

圖4 超聲時間對鹽藻油脂得率的影響

由圖4可知，超聲時間30 min時，油脂得率達到峰值。超聲時間對鹽藻油脂得率有顯著影響，其中，超聲時間5 min的油脂得率顯著低于其他各組的油脂得率(P＜0．05)，選擇30 min為合適的提取時間進行以下試驗。

2．2．4 液固比的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，在不同液固比下超聲提取，比較不同液固比對油脂得率的影響，結果見圖5。

圖5 液固比對鹽藻油脂得率的影響

由圖5可知，隨著液固比的增加，鹽藻油脂得率有增加的趨勢，當液固比達到20∶1時，油脂得率達到峰值，并顯著高于液固比為5∶1時的油脂得率(P＜0．05)，取液固比20∶1進行以下試驗。

2．2．5 提取次數的影響

提取次數對鹽藻油脂得率的影響見圖6，由圖6可知，油脂得率隨著提取次數的增加而增大，在提取2次以后，油脂得率隨提取次數增加的趨勢變緩，選擇提取2次進行正交試驗。

圖6 提取次數對鹽藻油脂得率的影響

2．3 正交試驗

通過單因素試驗，發現超聲波功率和提取次數對鹽藻油脂得率影響不大，因此固定功率為360 W，提取次數確定為2次，選取超聲時間(X1)、超聲溫度(X2)和液固比(X3)進行3因素3水平的3次通用旋轉組合試驗，正交試驗設計的因素和水平見表1，試驗結果見表2。用Excel對試驗結果進行回歸分析，得到鹽藻油脂得率的回歸方程如下:Y=15．77+0．18X1+0．11X2+0．18X3－ 0．01X1X2－ 0．03X1X3+0．08X2X3－0．14X1X1－0．01X2X2－0．09X3X3。

表1 正交試驗的水平及因素

表2 提取正交試驗結果及分析

對回歸方程做顯著性檢驗與方差分析，結果見表3。從表3可知，回歸方程的復相關指數R2=0．94，說明回歸方程適合用于超聲提取鹽藻油脂的理論預測。對回歸方程一次項和二次項系數的t檢驗結果見表4，由表4可知，除X1X2、X1X3和X2X2項不顯著外，其他各項都有不同程度的顯著性，剔除不顯著項后的回歸方程如下:Y=15．77+0．18X1+0．11X2+0．18X3+0．08X2X3－0．14X1X1－0．09X3X3。

表3 回歸方程的方差分析

表4 回歸系數的t檢驗結果

各因素對鹽藻油脂油脂得率影響的主次順序為:超聲溫度＞液固比＞超聲時間。

2．3．1 交互作用分析

超聲時間和超聲溫度間存在交互作用見圖7，由圖7可知，超聲時間和超聲溫度對油脂得率均有較大影響，隨著超聲溫度的增加，油脂得率逐漸增加;超聲溫度水平越高，油脂得率達到最大值所需的時間越短。隨超聲溫度的增加，油脂得率先提高后降低，低溫長時間可起到與高溫短時間相同的作用。

圖7 超聲時間和超聲溫度對鹽藻油脂得率的影響

2．3．2 最優提取工藝參數的優化

用約束復合形法對工藝參數進行優化，所得優化工藝為:液固比為29∶1、超聲時間47 min、超聲溫度48℃，在此組合條件下鹽藻油脂的油脂得率最高為16．20%。在優化工藝條件下超聲提取鹽藻油脂，油脂得率為16．03%，相對誤差為1%，與預測結果相符。

2．4 鹽藻油脂脂肪酸組成分析

對鹽藻油脂的脂肪酸分析結果見圖8，由圖8可知，鹽藻油脂主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等。

圖8 鹽藻脂肪酸氣相色譜圖

3 結論

建立了超聲提取鹽藻油脂的數學模型，以油脂得率為響應值，各因素影響的主次順序為:超聲溫度＞液固比＞超聲時間。通過對提取過程工藝的研究，確定了超聲波提取鹽藻中油脂的最佳工藝參數為:液固比29∶1、超聲時間47 min、超聲溫度48℃，該工藝的油脂得率為16．03%，與預測結果相符。鹽藻油脂主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等脂肪酸。

［1］Ettl H．Taxono mische Bemerkungen zuden phytononadina［J］．Nova Hedvigia，1983，35:731 －736

［2］王銘，劉然，徐寧，等．13種微藻的脂肪酸組成分析［J］．生態科學，2006，25(6):542 －544

［3］蔣霞敏，鄭亦周．14種微藻總脂含量和脂肪酸組成研究［J］．水生生物學報，2003，27(3):243 －247

［4］王明清，遲曉元，秦松，等．海洋微藻總脂含量和脂肪酸組成的測定［J］．中國油脂，2008，33(11):67 －70

［5］Lee SJ，Yoon B D，Oh H M．Rapid method for the determination of lipid from the green alga Botryococcus braunii［J］．Biotechnol，1998，12(7):553 －556

［6］Hemwimol S，Pavasant P，Shotipruk A．Ultrasound － assisted extraction of anthraquinones from roots of Morinda citrifolia［J］．Ultrason Sonochem，2006，13:543 －548．

Optimization of Ultrasound Assisted Extraction Tech－nology of Oil from Dunaliella Salina

Li Xiuxia1Sun Xiejun1Han Lujia2
(College of Biology and Food Science，Bohai University1，Jinzhou 121013)
(College of engineering，China Agricultural University2，Beijing 100083)

Tech－nology for ultrasound assisted extraction of oil from Dunaliella salina was investigated．Response surface methodology was used to optimize some operating parameters on the effects of ultrasound assisted extraction of oil from Dunaliella salina on the extracting ratio of oil．Three independent variables tested were ratio of liquid to solid，ultrasonic time，and ultrasonic temperature．The T－test and p－value indicated that quadratic liquid－to－solid ratio(P ＜0．005)，and the three variables(P ＜0．005)，followed by the quadratic of ultrasonic temperature were important linear variables affecting the total oil extracting ratio(P ＜0．01)，and the interactive effect between ultrasonic temperature and ultrasonic time was also significant(P ＜0．05)．Considering the efficiency，the economic of materials and the feasibility of experiment，the technique parameters were optimized by the constrained complex method．The optimal conditions were obtained as follows:the ratio of liquid to solid，ultrasonic temperature，and ultrasonic time were 29∶1 mL/g，47 min，and 48 ℃ respectively．The highest total oil extracting ratio was predicted as 16．03%when Dunaliella salina powder was extracted under the optimal condition，which was consistent with the predicted value by RSM．

Dunaliella salina，ultrasound assisted extraction，oil extracting ratio

TS219

A

1003－0174(2011)10－0075－05

博士后科學基金(20090460422)

2010－11－28

李秀霞，女，1973年出生，副教授，博士，食品科學與工程

韓魯佳，女，1964年出生，教授，博士生導師，生物質資源開發與利用