響應(yīng)面法優(yōu)化辣木籽油超聲輔助提取工藝及其脂肪酸組成

李美萍，李彩林，張生萬，張金才

(1.山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，太原030006； 2.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，太原030006)

辣木屬于辣木科辣木屬的熱帶落葉木本蔬菜及油料植物，其葉子、花、嫩芽、籽實均可直接食用[1-2]，用其根磨成的粉是制作咖喱粉的原料之一，辣木樹亦被稱為“奇跡之樹”。辣木籽和葉子中含有豐富的營養(yǎng)成分，可改善各種疾病，如降低血糖、改善睡眠、清腸及促進人體新陳代謝等[3-4]，此外辣木籽還被廣泛用于化妝美容行業(yè)[5-6]。

近年來人們采用不同的方法對辣木籽油進行提取，如壓榨法[7]、超臨界CO2流體萃取法[8-9]、微波輔助提取法[10-11]、超聲輔助溶劑提取法[12-13]等。但壓榨法提油率低，超臨界CO2流體萃取法和微波輔助提取法提取率雖高，但設(shè)備昂貴，而超聲輔助溶劑提取法具有縮短提取時間、提高提取效率等優(yōu)點。本文對超聲輔助正己烷高效提取辣木籽油工藝進行了研究，通過響應(yīng)面分析法對提取工藝條件進行了優(yōu)化，對比了超聲輔助正己烷提取和直接正己烷浸提條件下提取時間、料液比和提取溫度對辣木籽出油率的影響，并通過GC-MS聯(lián)用技術(shù)對辣木籽油中脂肪酸組成進行了分析鑒定，為更好地開發(fā)和利用辣木資源提供了一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

辣木籽，購于云南。將辣木籽脫殼后取籽仁，干燥、粉碎過40目篩后得到辣木籽粉，置于干燥器中備用。

正己烷、甲醇、無水硫酸鈉、氫氧化鉀，分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

九陽粉碎機，40目標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩，BS124S電子分析天平，KQ3200DA型數(shù)控超聲波清洗器，SHB-IIIA循環(huán)水式多用真空泵，RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，數(shù)顯恒溫水浴鍋，安捷倫7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 辣木籽含油率的測定

參照GB/T 14488.1—2008方法測定。

1.2.2 辣木籽油的提取

稱取恒重的辣木籽粉5 g于250 mL磨口三角瓶中，按比例加入一定量的正己烷，置于超聲波清洗器中，在一定超聲功率、提取溫度下提取一定時間，提取結(jié)束后抽濾，減壓蒸除濾液中溶劑，60℃下干燥至恒重得到辣木籽油，稱重并按下式計算辣木籽出油率，相同條件下平行測定3次，取其平均值。

辣木籽出油率=辣木籽油質(zhì)量/辣木籽粉質(zhì)量×100%

1.2.3 辣木籽油脂肪酸組成分析

1.2.3.1 樣品的甲酯化

參照丁鵬霞等[13]的方法。取辣木籽油0.2 g置于6 mL正己烷中，加入1.4 mL 2 mol/L的KOH-CH3OH溶液，充分振蕩2 min后于室溫下放置20 min，再加入2 mL蒸餾水搖勻后待其分層，取上清液并加入適量無水硫酸鈉，得到的樣液待GC-MS分析。

1.2.3.2 GC-MS分析條件

GC條件：Rtx-Wax毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣為氦氣，流速1.0 mL/min；分流比10∶1；進樣口溫度250℃；程序升溫為初始溫度50℃，保持2 min，以5℃/min升溫至140℃，保持10 min，再以1℃/min升溫至160℃，保持10 min，接著以1℃/min升溫至180℃，保持10 min，再以1℃/min升溫至200℃，保持10 min，接著以1℃/min升溫至220℃，保持10 min，最后以2℃/min升溫至230℃，保持17 min。

MS條件：電子電離源(EI)；電子電離能量70 eV；離子源溫度230℃；四級桿溫度150℃；質(zhì)量掃描范圍(m/z)30～500，質(zhì)譜庫為NIST11；掃描模式為全掃描。

1.2.3.3 定性和定量分析

按1.2.3.2中的分析條件對提取的辣木籽油進行GC-MS測定，質(zhì)譜圖經(jīng)人工解析并與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫NIST11進行對照來確定脂肪酸結(jié)構(gòu)，利用峰面積歸一化法計算各脂肪酸的相對含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 辣木籽含油率

經(jīng)測定，辣木籽含油率平均值為37.40%。

2.2 辣木籽油提取的單因素試驗

2.2.1 料液比對辣木籽出油率的影響

在提取時間30 min、提取溫度30℃的條件下，一組在超聲功率60 W下提取，另一組直接浸提，考察不同料液比對辣木籽出油率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同料液比對辣木籽出油率的影響

由圖1可知，超聲輔助正己烷提取辣木籽的出油率明顯高于直接浸提法，說明超聲有助于辣木籽油的提取，且隨著料液比增加，兩種方法辣木籽出油率均呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)兩者的料液比為 1∶9 時辣木籽出油率均達到最大。這是因為適當(dāng)?shù)牧弦罕仁乖辖莩浞謴亩鴮⒃现械挠椭浞秩艹鯷14]，但當(dāng)溶劑量達到一定值時，辣木籽中油脂含量逐漸減小，增大料液比已不能提高辣木籽出油率。因此，選取料液比為1∶9。

2.2.2 提取溫度對辣木籽出油率的影響

在提取時間30 min、料液比1∶9的條件下，一組在超聲功率60 W下提取，另一組直接浸提，考察不同提取溫度對辣木籽出油率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同提取溫度對辣木籽出油率的影響

由圖2可知，超聲輔助正己烷提取辣木籽的出油率明顯高于直接浸提法，隨著提取溫度的升高，兩種方法辣木籽出油率均呈先上升后下降的趨勢。這是因為隨著溫度的升高，溶劑分子和油脂分子運動速度加快，從而增大了出油率，但當(dāng)溫度過高時溶劑揮發(fā)速度過快，減少了與樣品的接觸，從而導(dǎo)致出油率下降。因此，選取提取溫度為35℃。

2.2.3 提取時間對辣木籽出油率的影響

在提取溫度35℃、料液比1∶9的條件下，一組在超聲功率60 W下提取，另一組直接浸提，考察不同提取時間對辣木籽出油率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同提取時間對辣木籽出油率的影響

由圖3可知，超聲輔助正己烷提取辣木籽的出油率明顯高于直接浸提法，隨著提取時間的延長，辣木籽的出油率增加，但當(dāng)提取時間達到40 min后兩者的出油率均變化緩慢。這是由于當(dāng)提取時間達40 min時，辣木籽中的油脂幾乎完全溶出，延長提取時間已不能明顯提高出油率，因此選取提取時間為40 min。

2.2.4 超聲功率對辣木籽出油率的影響

在提取溫度35℃、料液比1∶9、提取時間40 min條件下，考察不同超聲功率對辣木籽出油率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同超聲功率對辣木籽出油率的影響

由圖4可知，隨著超聲功率的增加，辣木籽出油率總體呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)超聲功率為120 W時，辣木籽出油率達到最大。這是由于隨著超聲功率增加，超聲波產(chǎn)生高速、強烈的空化效應(yīng)和攪拌作用，破壞了油脂細胞，使溶劑滲透到油脂細胞中將油脂溶出，當(dāng)超聲功率達到一定值時油脂細胞內(nèi)外滲透壓達到平衡，增大功率反而不利于油脂的溶出，因此選取超聲功率為120 W。

2.3 辣木籽油提取的響應(yīng)面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken模型，選取料液比(A)、提取時間(B)、提取溫度(C)、超聲功率(D)為自變量，以出油率(Y)為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗，響應(yīng)面試驗因素水平、響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果分別見表1和表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

續(xù)表2

試驗號ABCDY/%1700-1133.49518100-132.32019-10-1033.9882010-1033.7862100-1-133.394221-10034.51123-1-10034.48924-100133.780250-10-133.58626000036.782270-11035.10028100132.47629000036.340

2.3.1 模型方程的建立與顯著性檢驗

根據(jù)表2試驗結(jié)果，對各因素回歸擬合，獲得出油率(Y)的回歸方程：

Y=36.40-0.16A-0.11B-0.018C+0.20D-0.041AB-9.000E-003AC-0.30AD-0.13BC+0.14BD+0.058CD-1.54A2-0.65B2-0.90C2-2.16D2

從方程中二次項系數(shù)的值均為負數(shù)，可以得知該方程代表的拋物面開口向下，因而具有極大值點，可以進行優(yōu)化分析，方程一次項系數(shù)絕對值大小可以判斷各因素對響應(yīng)值的影響程度[15-16]，由此可以得出影響辣木籽出油率的因素主次順序為超聲功率> 料液比>提取時間>提取溫度。對模型進行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，試驗建立的回歸模型P值小于0.000 1，達到極顯著水平，失擬項(P=0.510 0)不顯著，R2為0.977 9，說明回歸模型和預(yù)測值之間有較好的擬合度[17-18]，因此利用該模型對辣木籽油提取工藝條件進行分析和預(yù)測是可靠的。另外，回歸模型的一次項A、D的P值分別為0.044 8、0.017 6(P<0.05)，說明料液比和超聲功率對出油率的影響是顯著的；一次項B、C的P值分別為0.150 3、0.809 7(P>0.05)，說明提取時間和提取溫度對出油率的影響不顯著；二次項A2、B2、C2、D2的P值均小于0.000 1，說明它們對出油率的影響均極顯著；交互項AD的P值為0.034 8(P<0.05)，說明料液比和超聲功率的交互作用對出油率的影響顯著，交互項AB、AC、BC、BD、CD的P值均大于0.05，說明料液比與提取時間、料液比與提取溫度、提取時間與提取溫度、提取時間與超聲功率、提取溫度與超聲功率的交互作用于對出油率的影響不顯著。由P值大小可知，4個因素對出油率影響順序依次為超聲功率>料液比>提取時間>提取溫度，這與前面的結(jié)論一致。

表3 回歸模型方差分析

2.3.2 最佳工藝條件的確定與驗證

根據(jù)響應(yīng)面模型預(yù)測得到最佳提取工藝條件為料液比1∶8.94、提取溫度34.99℃、提取時間39.20 min、超聲功率120.44 W，在此條件下辣木籽出油率的預(yù)測值為36.42%?？紤]到試驗的可行性，將提取條件調(diào)整為料液比1∶9、提取溫度35℃、提取時間39 min、超聲功率120 W，在此條件下測得辣木籽的出油率為36.10%(提取效率為96.52%)，實測值是預(yù)測值的99.12%，表明此提取條件是可行的。

2.4 GC-MS聯(lián)用分析辣木籽油脂肪酸組成

通過GC-MS聯(lián)用法對辣木籽油的脂肪酸組成進行分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，超聲輔助正己烷提取的辣木籽油中共鑒定出21種脂肪酸。其中，不飽和脂肪酸11種(9-棕櫚油酸、10-棕櫚油酸、油酸、反油酸、13-十八碳烯酸、8,11-十八碳二烯酸、亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸、11-二十碳烯酸和芥酸)，含量為80.10%，飽和脂肪酸10種，含量為 19.89%，且單不飽和脂肪酸油酸含量最高，為65.94%，飽和脂肪酸棕櫚酸含量次之，為7.21%。由于辣木籽油富含單不飽和脂肪酸，因此其具有良好的抗氧化性和耐煎炸性[19]。

表4 辣木籽油脂肪酸組成及含量

3 結(jié) 論

對超聲輔助正己烷提取辣木籽油工藝條件進行優(yōu)化，通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗得到最佳提取工藝條件為料液比1∶9、提取時間39 min、提取溫度35℃、超聲功率120 W，在此條件下出油率為36.10%，提取效率達96.52%。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用對辣木籽油脂肪酸組成分析表明，辣木籽油中脂肪酸主要為單不飽和脂肪酸，且油酸含量最高，為65.94%。