微波輔助提取薏苡仁油工藝優(yōu)化

劉 帥,高麗莉,潘丹陽,黎李平,劉高強,*

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林業(yè)生物技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南長沙 410004;2.甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林工程系,甘肅蘭州 730020)

薏苡仁(Coix seed),別名薏米,為禾本科植物薏苡的干燥成熟種仁[1],有美白肌膚、利水滲濕、益肺排膿、降血糖和抗腫瘤等之功效[2-3]。薏苡仁油為薏苡仁中特有的活性成分,主要組成為中性油脂和甘油三酯,其中含薏苡仁酯、薏苡內(nèi)酯等多種酯類[4]。薏苡仁油有多種生理功效,具有抗氧化[5]、增強免疫力[6]、益氣養(yǎng)陰、消郁散結(jié)、抗炎消腫[7]和抗腫瘤[8-9]等功能,適用于多種肺癌及原發(fā)性肝癌,配合放、化療有一定的增效作用,且對中晚期癌癥患者具有一定的止痛作用[10],且其為天然化學(xué)產(chǎn)物,副作用小[11],薏苡仁油作為一種新興藥物受到越來越多的關(guān)注。薏苡仁油對肝癌、肺癌、胰腺癌、腎癌、白血病、乳腺癌、S180肉瘤、鼻咽癌等多種惡性腫瘤均有抑制作用[12-18]。薏苡仁油制備的注射劑不但在國內(nèi)上市和應(yīng)用于臨床治療腫瘤多年,近年也被美國FDA批準(zhǔn)進入臨床研究之中。

微波提取技術(shù)是目前應(yīng)用非常廣泛的一種提取分離技術(shù),在許多提取油脂的工藝中常常用到[19-21]。本實驗使用新型設(shè)備高通量密閉微波消解系統(tǒng),此設(shè)備相比于微波爐的優(yōu)點在于可以嚴(yán)格控制提取體系內(nèi)的溫度,避免傳統(tǒng)微波爐功率過高造成的爆沸現(xiàn)象,樣品耗損較小。從工業(yè)化應(yīng)用方面來分析,首先把無水乙醇作為有機溶劑,毒性較低,保證了薏苡仁油的安全性,其次所用設(shè)備可以嚴(yán)格控制溫度,避免傳統(tǒng)微波爐功率過高造成的爆沸現(xiàn)象,減少損失,且微波輔助提取法具有提取速度快、周期短等優(yōu)點。

本文通過單因素實驗,研究了提取液料比、微波提取溫度、微波提取時間、微波提取功率對薏苡仁油得率的影響,并結(jié)合響應(yīng)面分析法,對薏苡仁油的提取工藝進行優(yōu)化,以期得到微波輔助提取的最佳工藝參數(shù),為今后進一步規(guī)模化提取薏苡仁油奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薏苡仁 購于中南林業(yè)科技大學(xué)東門步步高超市;無水乙醇、丙酮 分析純,湖南匯虹試劑有限公司。

FA1004型精密電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;FS200型固體樣品粉碎機 萬科儀器(常州)有限公司;R系列旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 無錫星海王生化設(shè)備有限公司;SHB-ⅢG型循環(huán)水多用真空泵 鄭州長城科技工貿(mào)有限公司;HP-1510型高通量密閉微波消解系統(tǒng) 上海衡平儀器儀表廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 薏苡仁油提取工藝 薏苡仁→干燥→粉碎→乙醇微波提取→離心過濾→濾液減壓濃縮→薏苡仁油脂

稱取5.00 g薏苡仁粉末,粉碎至80目,按照實驗要求的液料比,加入一定量的提取溶劑無水乙醇,置于高通量密閉微波消解系統(tǒng)內(nèi),在一定溫度和功率下,微波提取至設(shè)定時間,取出,在8000 r/min離心25 min,過濾取上清液,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將濾液蒸干后,用適量丙酮溶解,將丙酮轉(zhuǎn)移至已稱重過的干燥瓶中,自然揮干丙酮液,用減質(zhì)量法計算所得薏苡仁油的質(zhì)量及得率。

薏苡仁油得率(%)=[m(提取出的薏苡仁油質(zhì)量)]/[m(薏苡仁藥材質(zhì)量)]×100

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 不同液料比對薏苡仁油得率的影響 稱取5.00 g薏苡仁粉末,無水乙醇與薏苡仁粉末的液料比分別為3∶1、6∶1、9∶1、12∶1、15∶1 mL/g,在微波65 ℃下600 W提取20 min。離心后過濾,濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在80 ℃下減壓濃縮揮干后用丙酮溶解,將丙酮轉(zhuǎn)移至已稱重過的干燥瓶中,自然揮干丙酮液,稱重計算油脂的得率。

1.2.2.2 不同微波提取溫度對薏苡仁油得率的影響 稱取5.00 g薏苡仁粉末,無水乙醇與薏苡仁粉末的液料比為9∶1 mL/g,在微波功率600 W提取20 min,溫度分別設(shè)置為50、55、60、65和70 ℃,其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.3 不同微波提取時間對薏苡仁油得率的影響 稱取5.00 g薏苡仁粉末,無水乙醇與薏苡仁粉末的液料比為9∶1 mL/g,在微波功率600 W,微波溫度65 ℃下提取,微波提取時間分別設(shè)置為2、5、10、15和20 min,其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.4 不同微波提取功率對薏苡仁油得率的影響 稱取5.00 g薏苡仁粉末,無水乙醇與薏苡仁粉末的液料比為9∶1 mL/g,在微波溫度65 ℃下提取20 min,微波功率分別設(shè)置為300、400、600、800和1000 W,其他操作同1.2.2.1。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 以上述4個因素液料比、微波提取溫度、微波提取時間及微波提取功率為自變量,以油脂提取率Y1為響應(yīng)值,用Box-Behnken試驗設(shè)計,進一步進行4因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗,各因素及水平見表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計因素水平表Table 1 Variables and levels table of Box-Behnken design

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0軟件和Design-Expert V8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)分析和方差分析。所有試驗數(shù)據(jù)重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 液料比對薏苡仁油得率的影響 由圖1可知,當(dāng)液料比小于6∶1 mL/g時,液料比太小,提取體系對微波能的傳遞和吸收無法充分發(fā)揮,而且提取溶劑少,使得體系內(nèi)濃度較高,不利于物質(zhì)傳遞。當(dāng)液料比大于6∶1 mL/g小于12∶1 mL/g時,提取率趨于穩(wěn)定上升。但是當(dāng)液料比大于12∶1 mL/g時反而呈現(xiàn)下降趨勢,原因可能是,過多的有機溶劑會吸收部分微波能,導(dǎo)致輻射到樣品的微波能減少;且液料比太大會給后續(xù)處理過程,如濃縮等增加處理液體積。因此選擇液料比為12∶1 mL/g。

圖1 液料比對薏苡仁油得率的影響

2.1.2 微波提取溫度對薏苡仁油得率的影響 由圖2可知,提取溫度由50 ℃升至60 ℃時,薏苡仁油得率逐漸升高,主要是隨著溫度升高加快了分子熱運動,提取體系內(nèi)的壓力也會逐漸升高,從而提高了溶質(zhì)的擴散速度;當(dāng)提取溫度超過60 ℃后,薏苡仁油得率變化幅度較小,且呈下降趨勢,主要是因為提取率在增加的過程中,體系內(nèi)雜質(zhì)的溶解度也相應(yīng)增加,薏苡仁油得率就不會增高,反而影響有效成分的溶出。因此,綜合考慮各因素,選擇提取溫度為60 ℃。

圖2 微波提取溫度對薏苡仁油得率的影響

2.1.3 微波提取時間對薏苡仁油得率的影響 由圖3可知,隨著微波提取的時間延長,薏苡仁油的得率逐漸增高,當(dāng)微波提取時間達到15 min以上時,提取效率下降。理論上當(dāng)微波提取時間越長,薏苡仁顆粒接受到的微波能時間越長,則細(xì)胞破裂越徹底,薏苡仁油的提取率會越高,但事實上達到一定的輻射時間時,細(xì)胞已經(jīng)大部分被破碎,而繼續(xù)延長時間,不僅對薏苡仁油的提取效率沒有太大影響,反而會破壞薏苡仁油中某些活性成分。因此,選擇微波提取時間為15 min。

圖3 微波提取時間對薏苡仁油得率的影響

2.1.4 微波提取功率對薏苡仁油得率的影響 由圖4可知,當(dāng)微波功率低于600 W時,薏苡仁油得率隨微波功率的增加逐步增加,當(dāng)功率高于600 W時,得率明顯下降,當(dāng)微波功率為600 W時,薏苡仁提取效果最佳。當(dāng)功率低時,微波能不足以使薏苡仁細(xì)胞壁破裂,微波的主要作用就是微波擾動,使提取體系中的物質(zhì)傳遞得到加強。而當(dāng)微波功率逐漸升高時,體系內(nèi)會產(chǎn)生很高的壓力使細(xì)胞壁破裂,進而使得細(xì)胞內(nèi)的油脂得到充分釋放,在這個階段提取率上升很快。當(dāng)功率超過600 W時,體系內(nèi)的大部分薏苡仁油已經(jīng)被提取出來,過高的功率反而使提取體系內(nèi)活性成分受損[22-23]。因此提取功率選擇600 W最佳。

圖4 微波提取功率對薏苡仁油得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

2.2.1 Box-Behnken中心組合設(shè)計試驗結(jié)果 在上述單因素試驗基礎(chǔ)上,以液料比、微波提取溫度、微波提取時間及微波提取功率四個因素對薏苡仁油得率的影響,采用四因素三水平的響應(yīng)面分析方法。按照表3中的Box-Behnken試驗方案進行29組實驗,各組薏苡仁油得率見表3。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

采用Design-Expert V 8.0.6分析軟件對表3所示試驗結(jié)果進行二次多項回歸擬合分析和方差分析[24],結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

由上述回歸擬合及檢驗分析得到多元回歸方程為:Y=9.34+0.53A+0.094B+0.27C+0.33D-0.30AB-0.015AC-0.38AD-0.040BC-0.17BD-0.16CD-1.84A2-0.59B2-1.31C2-1.22D2。

如表4所示,p(Pr>F)<0.0001,表明模型效應(yīng)極顯著,且擬合度良好。且模型R2=99.17%,說明該模型可解釋絕大部分實驗數(shù)據(jù)。此外,失擬項F值相對于絕對誤差不顯著(p>0.05),綜合考慮該回歸模型是合理的,可用此方程預(yù)測不同條件下的薏苡仁油的得率。由F值可以看出,影響薏苡仁油微波提取工藝的各因素主效關(guān)系為液料比(A)>微波提取功率(D)>微波提取時間(C)>微波提取溫度(B),且四個因素的影響均顯著(p<0.05)。A、C、D、A2、B2、C2對響應(yīng)值的影響極顯著(p<0.01),B對響應(yīng)值的影響顯著(p<0.05),液料比與微波提取溫度、液料比與微波提取功率交互作用對響應(yīng)值的影響極顯著(p<0.01),微波提取溫度與微波提取功率交互作用對響應(yīng)值的影響顯著(p<0.05),液料比與微波提取時間、微波提取溫度與微波提取時間、微波提取時間與微波提取功率交互作用對響應(yīng)值的影響不顯著(p>0.05)。

2.2.2 各因素交互作用分析 A、B、C、D四個因素之間的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和對應(yīng)的等高線圖如圖5～圖10所示,在所選的兩因素范圍內(nèi)響應(yīng)面圖存在最高點,即薏苡仁油得率極值,可以通過考察響應(yīng)面的形狀分析各因素間交互作用對提取工藝的影響。

圖5 液料比與微波提取溫度的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖6 液料比與微波提取時間的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖7 液料比與微波提取功率的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖8 微波提取溫度與微波提取時間的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖9 微波提取溫度與微波提取功率的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖10 微波提取時間與微波提取功率的交互作用對薏苡仁油得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

由圖5可知,微波提取溫度55～65 ℃、液料比9∶1～15∶1 mL/g范圍內(nèi),薏苡仁油得率先增大后減少,微波提取溫度60 ℃、液料比12∶1 mL/g的附近值對薏苡仁油得率有重要影響,且等高線圖呈橢圓形,說明兩因素之間的交互作用顯著。由圖6可知,微波提取時間10～20 min、液料比9∶1～15∶1 mL/g范圍內(nèi),薏苡仁油得率先增大后減少,微波提取溫度15 min、液料比12∶1 mL/g的附近值對薏苡仁油得率有重要影響,但等高線圖橢圓不明顯,說明兩因素之間的交互作用對響應(yīng)值的影響不顯著。由圖7可知,微波提取功率400～800 W、液料比9∶1～15∶1 mL/g范圍內(nèi),薏苡仁油得率先增大后減少,微波提取功率600 W、液料比12∶1 mL/g的附近值對薏苡仁油得率有重要影響,且等高線圖呈橢圓形,說明兩因素之間的交互作用對響應(yīng)值的影響顯著。由圖8～圖10可同分析出上述結(jié)論,與p值結(jié)果相一致。

據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型進行參數(shù)最優(yōu)分析,得到預(yù)測最佳工藝條件:液料比12.39∶1 mL/g、微波提取溫度60.14 ℃、微波提取時間15.48 min(928.8 s)、微波提取功率621.07 W,此時薏苡仁油得率可達到9.41%。考慮到實際操作條件,將工藝條件修正為微波提取溫度60 ℃,微波提取時間920 s,微波提取功率621 W,此條件下薏苡仁得率為9.31%±0.10%,與預(yù)測值接近。

3 結(jié)論

本文研究了薏苡仁油微波提取的條件,通過單因素實驗和響應(yīng)面實驗,得到最佳提取工藝為:液料比12.39∶1 mL/g,微波溫度60 ℃,微波提取時間920 s,微波功率621 W。在該條件下進行驗證實驗,實際測得薏苡仁油得率為9.31%±0.10%,與預(yù)測值相對誤差較小,得到的工藝參數(shù)具有較高的可靠度,從而也證明了用響應(yīng)面實驗法確定薏苡仁油提取條件的可行性。