八角金盤籽油超聲提取工藝優化及脂肪酸組成分析

蔣新龍 蔣益花

(浙江樹人大學生物與環境工程學院，杭州 310015)

八角金盤(Fatsiajaponica)為五加科八角金盤屬常綠灌木。原產我國臺灣和日本，現長江流域以南地區廣泛分布。其根、葉、花和種子均具有一定的藥用價值，許多學者對其中的成分及其提取工藝進行了研究。八角金盤根、葉、花和種子中含多種三萜皂苷，苷元有齊墩果酸、常春藤苷元和刺囊酸等，還有角鯊烯、長鏈脂肪酸及甲酯[1-3]，梁志遠等[4]用GC-MS分析了八角金盤莖、葉、花(果實)中精油的化學成分，衛強等[5]對八角金盤葉化學成分及其抗腫瘤活性做了研究，黃建丹等[6]初步研究了八角金盤花黃酮提取工藝優化及其氧化活性。目前，關于八角金盤籽油的研究鮮見報道。為了科學、充分地利用八角金盤籽油資源，采用響應面實驗設計方法(RSD)對影響籽油出油率的關鍵因素進行條件優化，通過氣相色譜(GC)分析其脂肪酸組成，為其進一步開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

八角金盤籽：市售，選取顆粒飽滿、無霉爛變質的為試材，經干燥、揀選、去殼、粉碎后制成40～60目籽粉，備用。37種脂肪酸混合標準品(Sigma Aldrich)；其他試劑均為分析純。

Agilent 7890A氣相色譜儀；KQ5200DE型超聲波清洗器；UV-1600型紫外/可見分光光度計；RE-52A型旋轉蒸發器。

1.2 八角金盤籽油超聲提取條件的優化

1.2.1 提取方法

八角金盤籽→除雜→烘干→粉碎(→過篩→稱重→加石油醚→超聲波輔助萃取→抽濾→濃縮→八角金盤籽油。

準確稱取5.000 0 g粉碎成40目的的八角金盤籽粉，裝入燒瓶中用石油醚于設置的條件下超聲回流提取，超聲結束后進行減壓抽濾，濾液用旋轉蒸發器濃縮，濃縮物放恒溫鼓風干燥箱干燥，直到恒重，每組實驗重復3次，取平均值。按公式計算八角金盤籽油的出油率。

式中：m為八角金盤籽的質量/g；m2為空瓶質量/g；m1為空瓶和八角金盤籽油的質量/g。

1.2.2 提取優化實驗

理想提取溶劑的確定：分別以石油醚(60～90 ℃)、正己烷、無水乙醇、丙酮作為提取溶劑，在超聲溫度50 ℃，超聲時間15 min，超聲功率160 W，液料比8 mL/g的條件下進行萃取，以出油率、油脂品質、溶劑毒性、溶劑價格為綜合考察指標，確定理想的提取溶劑。

單因素實驗：采用1.2.1超聲波輔助提取法，提取條件為：超聲溫度30 ℃、超聲功率200 W、液料比5 mL/g，考察超聲時間(10、15、20、25、30 min)對出油率的影響；超聲時間20 min、超聲功率200 W，液料比5 mL/g，考察超聲溫度(30、40、50、60、70 ℃) 對出油率的影響；超聲溫度50 ℃、超聲時間20 min，液料比5 mL/g，考察超聲功率(80、100、120、140、160、200 W)對出油率的影響；超聲溫度50 ℃、超聲時間20 min、超聲功率200 W，考察液料比(1、2、4、6、8、10 mL/g)對出油率的影響。

響應面實驗：根據超聲處理溫度、超聲處理時間、超聲功率以及液料比4個單因素實驗結果，確定響應面實驗因素水平，見表1。用Design-Expert軟件設計響應面實驗，選用Box-Behnken實驗設計，做四因素三水平共 29個實驗點(5個中心點)的響應面分析實驗。

表1 響應面實驗因素水平

1.3 八角金盤籽油理化性質分析

密度測定參考GB/T 5526—1985；折光率測定參考GB/T 5527—2008；苯并(α)芘測定參考GB/T 22509—2008；酸價測定參考GB/T 5530—2005；過氧化值測定參考GB/T 5538—2005；碘值測定參考GB/T 5532—2008。平行測定3次，取平均值。

1.4 八角金盤籽油的GC成分分析

用Agilent 7890A氣相色譜儀，脂肪酸組成測定參照 GB/T 5009.168—2016的內標法氣相色譜分析。

GC分析條件：色譜柱：CNW CD-2560(100 m×0.25 mm×0.20 μm)；檢測器類型：FID；檢測器溫度：260 ℃；進樣口溫度：250 ℃；進樣量：1 μL；升溫程序：130 ℃保持5 min，再以4 ℃/min的速率升溫至240 ℃并保持30 min；分流比：10∶1；載氣流速：0.5 mL/min。

1.5 統計方法及分析軟件

指標均重復測定3次并取平均值，利用Origin 8軟件作圖；應用SPSS20.0軟件進行數據統計，并用Duncan多重比較(SSR法)檢驗各處理平均數之間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 提取優化實驗

2.1.1 提取溶劑的選擇

溶劑的極性對油脂的提取率有顯著影響。表2為不同有機溶劑對八角金盤籽油提取質量的影響，依據相似相溶原理，因為油脂屬非極性或極性小的物質，所以提取溶劑應為非極性或極性較小的有機溶劑。結果表明極性最小的正己烷提取率最高，符合相似相溶規律。從提取的油脂品質考慮，正己烷和石油醚提取的油脂雜質少、色澤淺、澄清度高，但正己烷的毒性相對較高[7]。綜合各方面考慮選用石油醚(60～90 ℃)作為提取溶劑。

表2 不同有機溶劑對提取的比較

2.1.2 單因素實驗

提取溫度的影響：溫度不僅影響溶劑和油脂的分子運動，而且還會引起油脂分子結構的改變。由圖1可知，隨超聲溫度的升高八角金盤籽油出油率先升高后降低，在50 ℃時出油率達到最大值。在較低的溫度時，溫度的提高使分子運動加劇，同時溶劑和油脂的黏度降低，使出油率增大；當溫度接近石油醚的沸點時，溶劑揮發加快，減少了溶劑與八角金盤籽粉的有效接觸面積，而且隨溫度的升高，還會使八角金盤籽油脂分子的結構發生改變，從而使出油率下降。因此50 ℃為較理想的提取溫度。

提取時間的影響：有效濃度差是超聲波輔助溶劑法提取油脂的主要推動力。剛開始時，有效成分濃度差較大，隨著油脂的不斷溶出，溶劑中的油脂與八角金盤籽粉末中的油脂濃度差不斷減小，達到平衡后，提取溶劑的損耗揮發和油脂夾帶作用也會造成油脂的損失；另外超聲波具有較強的機械剪切作用，長時間的作用會使大分子的脂肪斷裂[8]，圖1可知，超聲時間20 min較為適宜。

超聲波功率的影響：隨超聲波功率的增加，其產生的機械作用和空化作用越劇烈，界面擴散層上的分子擴散就越快，油脂滲透出來的速度就越快[9]。但超聲波功率過高，超聲波較強的機械剪切作用也會使大分子的脂肪斷裂[9]。由圖1可知，超聲波功率160 W較為適宜。

液料比的影響：提取溶劑用量的增加相當于降低了油的濃度，增加了溶劑與八角金盤籽細胞中油脂的濃度差，增加了傳質推動力，從而提高了油脂在提取劑中的擴散速度。當溶劑用量增大到一定程度后，八角金盤籽中油脂含量逐漸減少，再增加溶劑用量，出油率也基本保持不變，繼續增加溶劑用量，出油率趨向穩定，而且溶劑用量過大，會造成溶劑回收困難和生產成本增加。由圖1可知，液料比8 mL/g較為適宜。

圖1 超聲波輔助提取八角金盤籽油單因素實驗結果

2.1.3 響應面實驗

2.1.3.1 實驗結果

表3 響應面實驗數據

2.1.3.2 方差分析

采用Designexpert程序對所得數據進行回歸分析，回歸分析結果見表4。從表4中可以看出，液料比(D)的P值小于0.01，說明液料比對八角金盤油的提取影響極顯著；超聲溫度(A)、超聲時間(B)和超聲功率(C)的P值都大于0.05，說明這3個因素對八角金盤油的提取影響都不顯著，方差分析說明各個實驗因素對八角金盤油的提取影響由大到小的順序依次為：液料比(D)、超聲時間(B)、超聲功率(C)、超聲溫度(A)。方差分析也說明各個具體實驗因素與響應值都不是簡單的線性關系。

表4 方差分析

注：* 表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。

2.1.3.3 擬合模型的建立

對響應面測試數據進行回歸擬合，確立回歸方程：Y=34.82+0.093A+0.23B+0.19C+0.77D-0.29AB+1.000E-002AC+0.00AD+0.13BC+0.32BD+0.12CD-0.41A2-0.21B2-0.073C2-0.75D2

由于該方程的二次項系數都為負值，所以方程代表的拋物面的開口向下，有極大值。由表4 可以看出，模型的P<0.05(顯著)，失擬項檢驗的P=0.084 9(不顯著)，表明模型充分擬合實驗數據，該方程是八角金盤油的提取率與提取工藝參數的合適數學模型。方差分析說明各個具體實驗因素與響應值都不是簡單的線性關系。

2.1.3.4 交互作用分析

在超聲溫度、液料比、超聲功率、超聲時間4個因素中任取兩個作為X和Y，以提取率作為Z，作出相應的三維曲面圖。相比而言，超聲時間(B)與液料比(D)的交互作用較大，如圖2所示，表現為曲線比較陡，這與回歸分析的結果吻合。

2.1.3.5 最優工藝驗證

利用軟件繪出回歸模型的等值線(見圖2)，并確定模型的極大值點，預測所得最大出油率為35.60%。利用軟件得出油提取的最優條件為超聲溫度(47.73 ℃)、超聲時間(30.00 min)、超聲功率(200 W)和液料比(9.62 mL/g)。結合實際實驗條件，得到最優條件為超聲溫度48 ℃、超聲時間30.00 min、超聲功率200 W和液料比9.6 mL/g 。根據實際最優工藝進行驗證實驗，在此條件下測定出油率，平行測定3次，得最大出油率為35.55%。根據預測最優條件進行驗證實驗，實驗結果與預測值無顯著差異。

圖2 三維曲面和回歸模型等值線

2.2 八角金盤籽油理化性質

由表5可知，八角金盤籽油的酸值(KOH)為 2.88 mg/g，低于3.00 mg/g，符合食用植物油國家標準。過氧化值是衡量油脂被氧化的程度，數值越高，油品越差，八角金盤籽油的過氧化值為6.63 mmol/kg，八角金盤籽油的過氧化值低于食用植物油國家標準。碘值是判斷油脂脂肪酸不飽和程度的指標，八角金盤籽油的碘值為97.23 g/100 g，屬于非干性油，說明八角金盤籽油不飽和程度較低。此外，八角金盤籽油相對密度為 0.892 8，所制八角金盤籽油為澄清透明的淺黃色液體。因此，以測定的理化指標判斷，八角金盤籽油達到食用植物油國家標準。

表5 八角金盤籽油理化特性

注：GB / T 2716—2005標準要求酸值/ (mgKOH/g) ≤ 3；過氧化值/ (gI/100 g)≤ 0.25，1 mmol/kg=39.4 gI/100 g。

2.3 八角金盤籽油脂肪酸組成及含量分析

根據1.4方法，對八角金盤籽油進行GC分析，八角金盤籽油的脂肪酸組成分析結果見圖3和表6。油酸加熱溫度為150 ℃時開始發生順反異構化轉化反應[10]。由表6可見，反油酸可能是由GC分析預處理過程中油酸轉變而成的，該組分實際為油酸，這與鄭聯合等[11]的研究結果一致。由表6可知，從八角金盤籽油中共鑒定出15種脂肪酸，主要脂肪酸為油酸(87.02%)、亞油酸(7.00%)、順-10-十五烯酸(3.08%)、硬脂酸(0.86%)，4種主要脂肪酸質量分數占97.96%。其中不飽和脂肪酸質量分數為97.10%，尤其以油酸為主。盡管以油酸為主的八角金盤籽油不飽和脂肪酸含量很高，因為油酸是單不飽和脂肪酸，所以不飽和程度并不高，這與2.2碘值分析結果一致，八角金盤籽油屬于非干性油。油酸抗氧化穩定性好，有助于降低人體血液中低密度脂蛋白膽固醇含量，同時維持高密度脂蛋白膽固醇水平，具有營養保健和藥療功效[12]，營養界把油酸稱為“安全脂肪酸” ，油酸的含量多少，是評定食用油品質的重要標志[13]。所以八角金盤籽油可作為高血脂、冠狀動脈粥樣硬化、心血管病人的長期食療保健油品，具有很好的開發應用前景。

圖3 八角金盤籽油脂組份分析色譜圖

序號脂肪酸保留時間/min相對質量分數/%1C15.1(順-10-十五烯酸) 28.5463.080 72C16.0(棕櫚酸) 29.3210.127 13C16.1(棕櫚油酸 ) 29.6180.116 44C17.0(十七烷酸 ) 30.5130.031 45C17.1(順-10-十七烯酸 ) 31.2820.013 26C18.0(硬脂酸 ) 31.7370.863 17C18.1n9t(反油酸) 32.49787.024 48C18.2n6t(反亞油酸) 33.5650.020 89C18.2n6c(亞油酸 ) 33.8366.980 310C18.3n6(γ-亞麻酸 ) 35.2410.061 011C18.3n3(α-亞麻酸 ) 35.8480.274 212C20.3n6(順-8,11,14-二十碳三烯酸 ) 38.3210.017 213C22.1n9(芥酸) 38.5000.040 114C23.0(二十三碳酸 ) 39.7850.252 615C22.6n3(順式-4,7,10,13,16,19-二十二碳六烯酸 ) 44.8140.235 8

3 結論

在單因素實驗的基礎上，運用響應面設計的理論與方法，確定了最佳提取工藝：石油醚為提取劑，超聲時間30 min，超聲功率200 W，超聲溫度48 ℃，液料比為9.6 mL/g。在此條件下，八角金盤籽油出油率為35.55%。經方差分析和響應面結果得知，在本實驗范圍內，各因素對八角金盤籽油提取率的影響作用大小順序為液料比>超聲時間>超聲功率>超聲溫度，且液料比對八角金盤油的提取影響極顯著，而它們之間的交互影響卻不顯著。響應面分析法可以有效地優化超聲波輔助提取法提取八角金盤籽油的工藝條件。本實驗建立的優化模型對八角金盤籽油的開發利用具有指導意義。

八角金盤籽油色澤淺，以測定的理化指標判斷，八角金盤籽油達到食用植物油國家標準。GC 分析得到八角金盤籽油主要成分有油酸、亞油酸、順-10-十五烯酸、硬脂酸，以單不飽和脂肪酸油酸為主，不飽和脂肪酸占97.10%。八角金盤籽油具有較高的利用價值，可作為優質食用油源和功能性食用油開發利用。