響應(yīng)面法優(yōu)化落葵籽油提取工藝及其成分的GC-MS分析

劉麗娜

(包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035)

落葵為落葵科落葵屬一年或多年生的草本植物，在我國(guó)各地均有種植。落葵風(fēng)味獨(dú)特，不論是幼苗還是嫩梢，口感均油潤(rùn)柔軟，清脆爽口[1]。落葵營(yíng)養(yǎng)豐富，含有多種無(wú)機(jī)鹽和維生素，其中維生素以胡蘿卜素和維生素C含量最高，無(wú)機(jī)鹽以鈣鹽最為豐富[2]。成熟的落葵果實(shí)為紫黑色，含有大量的種子和色素，而且卡路里低、脂肪含量少，落葵還含有多種藥用成分如皂苷、葡聚糖、黏多糖等[3]。經(jīng)常食用，有降血壓、益汗、清熱、預(yù)防便秘等療效，是一種適宜老年人食用的保健蔬菜[4]。

落葵籽為卵圓形, 直徑4～6 mm, 富含油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸，而且含有一定量的必需脂肪酸，是一種理想的膳食用油，落葵籽油具有保健作用，又具有芳香味，因此，落葵籽油可單獨(dú)或與其他食用油調(diào)和后作為調(diào)味品在食品中應(yīng)用[5]。本文利用正交試驗(yàn)優(yōu)化落葵籽油脂提取的工藝參數(shù)，包括料液比、提取溫度、提取時(shí)間和超聲波功率。此外，利用GC-MS方法對(duì)落葵籽油的脂肪酸組分進(jìn)行了分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

落葵籽：煙臺(tái)奇山種業(yè)有限責(zé)任公司。

石油醚(沸程30～60 ℃，分析純)；亞硫酸鈉(分析純)；正己烷(分析純)。

1.2 儀器設(shè)備

電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；普通電動(dòng)粉碎機(jī)；KQ5200E型超聲波清洗器 江蘇昆山超聲儀器有限公司；RE-5298型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；6890 GC/5973 MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 安捷倫公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超聲波輔助提取落葵籽精油工藝流程[6]

清洗→干燥→風(fēng)選→粉碎過(guò)篩→稱(chēng)重→超聲波浸提→料液抽濾分離→真空濃縮→落葵籽油。

1.3.2 落葵籽油得率計(jì)算方法

式中：W為落葵籽出油率(%)；m1為接收瓶和瓶?jī)?nèi)落葵籽油的質(zhì)量(g)；m2為接收瓶的質(zhì)量(g)；m3為落葵籽的質(zhì)量(g)。

1.4 提取工藝優(yōu)化

1.4.1 單因素試驗(yàn)

1.4.1.1 超聲波提取功率的篩選

在提取溫度40 ℃、提取時(shí)間25 min、料液比1∶10的條件下，分別測(cè)定超聲波提取功率為115，125，135，145，155 W條件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.2 提取溫度的篩選

在超聲波提取功率135 W、提取時(shí)間25 min、料液比1∶10的條件下，分別測(cè)定提取溫度為30，35，40，45，50，55 ℃條件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.3 提取時(shí)間的篩選

在超聲波提取功率135 W、提取溫度40 ℃、料液比1∶10的條件下，分別測(cè)定提取時(shí)間為15，20，25，30，35，40 min條件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.4 料液比的篩選

在超聲波提取功率135 W、提取溫度40 ℃、提取時(shí)間25 min的條件下，分別測(cè)定落葵籽粉與石油醚料液比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14條件下落葵籽油的提取率。

1.4.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期單因素試驗(yàn)，選取超聲波提取功率、 提取溫度、提取時(shí)間、料液比4個(gè)主要影響因素為研究對(duì)象，將超聲波提取功率(A)、提取溫度(B)、提取時(shí)間(C)、料液比(D)設(shè)計(jì)3個(gè)水平，因素水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面分析方案見(jiàn)表2。

表1 超聲波輔助提取落葵籽油因素水平表Table 1 Factors and levels of ultrasonic-assisted extraction of Basella alba seed oil

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Table 2 Box-Behnken design scheme and response values

1.5 落葵籽油組分分析

1.5.1 甲酯化方法

吸取提取的落葵籽精油樣品0.5 mL，置于試管中，加入2 mL正己烷，1 mL 0.5 mol/L的KOH-CH3OH溶液，混勻，70 ℃水浴10 min，再加入2 mL蒸餾水，超聲處理5 min，吸取上層清液，用亞硫酸鈉干燥，靜置，澄清后吸取上清液用于GC-MS分析。

1.5.2 GC-MS分析

氣相色譜分析條件：DB-5石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；柱溫100 ℃(保持1 min)；升溫速度10 ℃/min，保持10 min；汽化溫度270 ℃；載氣N2，流量，1 mL/min；進(jìn)樣量1 μL；分流比20∶1。

質(zhì)譜條件：EI離子源，電離能量70 eV；倍增器電壓400 V；分辨率1250 Hz；離子源溫度200 ℃；傳輸線溫度250 ℃；質(zhì)量范圍20～500 amu；掃描時(shí)間0.5 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲波提取功率對(duì)落葵籽油提取率的影響

由圖1可知，隨著超聲功率的增加，落葵籽油的提取率顯著增加。這是因?yàn)槌暡ǖ淖饔么龠M(jìn)了細(xì)胞壁的破壞[7]，早期超聲功率越大，落葵籽油的提取率越大。超聲功率超過(guò)135 W時(shí), 產(chǎn)量顯著下降，這可能是由于超聲功率的增大使局部瞬時(shí)溫度升高，部分落葵籽油揮發(fā)或發(fā)生變化，造成油脂損耗，導(dǎo)致落葵籽油的提取率下降，因此135 W是最佳提取功率。

圖1 超聲波提取功率對(duì)落葵籽油提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic extraction power on extraction rate of Basella alba seed oil

2.1.2 提取溫度對(duì)落葵籽油提取率的影響

圖2 提取溫度對(duì)落葵籽油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of Basella alba seed oil

由圖2可知，當(dāng)提取溫度在30～40 ℃時(shí)，落葵籽油提取率隨著溫度的升高而增加，而當(dāng)提取溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，落葵籽油提取率下降。 這是由于隨著溫度的升高，液體介質(zhì)的表面張力和黏度降低，液體的蒸汽壓增加，在液體介質(zhì)之間容易形成空化氣泡，從而產(chǎn)生空化作用，致使超聲波強(qiáng)度降低，提取率隨之降低[8]。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)落葵籽油提取率的影響

圖3 提取時(shí)間對(duì)落葵籽油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of Basella alba seed oil

由圖3可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，落葵籽油提取率增加，提取時(shí)間在25 min時(shí)，落葵籽油提取率呈現(xiàn)最大值，之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，落葵籽油提取率呈現(xiàn)緩慢減小趨勢(shì)，說(shuō)明提取25 min以后再延長(zhǎng)時(shí)間不能顯著提升提取效果。所以，提取時(shí)間在25 min最佳。

2.1.4 料液比對(duì)落葵籽油提取率的影響

圖4 料液比對(duì)落葵籽油提取率的影響Fig.4 Effect of ratio of material to liquid on extraction rate of Basella alba seed oil

由圖4可知，隨著料液比的增加，落葵籽油提取率也隨之增加，但從料液比為1∶10開(kāi)始，漲幅趨緩，落葵籽油提取率曲線已趨于水平。從節(jié)約原料等方面考慮，最終選取1∶10為最適料液比。

2.2 回歸模型的方差分析

表3 響應(yīng)面回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface regression model

續(xù) 表

注：“*”表示差異顯著(P<0.05)，“** ”表示差異極顯著(P<0.01)。

由表3可知，此模型的P值<0.01，為極顯著，失擬項(xiàng)為0.5867>0.05, 說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著，理論與實(shí)際的擬合性大，表明該方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，因此，可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。另外, 模型所選的4個(gè)因素中，二次項(xiàng)對(duì)落葵籽提取率的影響都顯著，其中超聲功率對(duì)落葵籽提取率的影響最大，料液比和提取溫度次之，提取時(shí)間影響最小；交互項(xiàng)均無(wú)顯著性。表明超聲波功率、提取溫度、提取時(shí)間、料液比都對(duì)落葵籽的提取影響顯著，但各因素之間沒(méi)有影響[9]。

2.3 回歸方程

利用 Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得二次多項(xiàng)式模型回歸方程：

Y=12.63+0.63A+0.058B-0.030C+0.22D+0.16AB+0.13AC-0.42AD+0.44BC+0.067BD+0.37CD-1.00A2-0.89B2-0.17C2-0.66D2。

式中：Y為落葵籽提取率，%；A為超聲波功率，W；B為提取溫度，℃；C為提取時(shí)間，min；D為料液比。

2.4 響應(yīng)面交互作用分析

響應(yīng)面圖是回歸方程的形象描述，能夠直觀反映各個(gè)因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系以及兩因素間交互作用的類(lèi)型。根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并獲得響應(yīng)模型，保持4個(gè)變量因素中的1個(gè)不改變，得到超聲波功率、料液比、提取時(shí)間、提取溫度之間及每2個(gè)因素之間的三維響應(yīng)面曲線和等高線圖，結(jié)果見(jiàn)圖5。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

由圖5(a)～圖5(f)可知，4個(gè)變量：超聲功率、提取溫度、提取時(shí)間、料液比，在兩兩交互時(shí)，保持其中兩個(gè)變量不變，隨著另外兩個(gè)變量的增加，出油效率呈現(xiàn)先上升，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)又下降的趨勢(shì)。其中AC、AD、BC、CD的交互作用為顯著，BD和AB的相互作用不顯著。由圖5(c)和圖5(e)可知，三維圖較陡，說(shuō)明超聲提取功率和料液比、提取溫度和料液比的交互作用對(duì)落葵籽油提取率影響顯著。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(d)、圖5(f)可知，三維圖較平緩，說(shuō)明超聲提取功率和提取溫度、超聲提取功率和提取時(shí)間、提取溫度和提取時(shí)間、料液比和提取時(shí)間的交互作用對(duì)落葵籽油提取率影響不顯著。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到落葵籽油提取的最佳工藝參數(shù)為超聲功率135 W、提取溫度40 ℃、提取時(shí)間25 min、料液比1∶10，該條件下出油效率預(yù)測(cè)值為14.20%。在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得該條件下出油效率平均值為14.13%。實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間具有良好的擬合性，從而證實(shí)了模型的有效性。

2.5 落葵籽油色譜分析結(jié)果

對(duì)超聲波輔助提取方法提取的落葵籽油進(jìn)行GC-MS分析,確定了良好的GC分析方法。通過(guò)GC-MS分析，從落葵籽油中鑒定出19個(gè)組分，并采用峰面積歸一法測(cè)定各組分相對(duì)含量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 落葵籽油化學(xué)成分分析結(jié)果Table 4 The analysis results of chemical constituents of Basella alba seed oil

2.6 GC-MS分析結(jié)果

由圖6可知，落葵籽油的主要成分有酯、烷、脂肪酸等化合物，其中以脂肪酸含量最高，分離出的5種飽和脂肪酸，分別是棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、木臘酸和山崳酸；分離出的4種不飽和脂肪酸，分別是油酸、亞油酸、棕櫚油酸和11-二十碳烯酸。

圖6 落葵籽油GC-MS分析總離子流圖Fig.6 Total ion chromatogram of Basella alba seed oil by GC-MS analysis

3 討論

選取石油醚為提取溶劑，采用超聲波輔助提取，由正交試驗(yàn)可知最佳提取條件：超聲波功率135 W、提取溫度40 ℃、提取時(shí)間25 min、料液比1∶10。超聲波輔助提取具有提取時(shí)間短、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[10]，因此，用于提取落葵籽油是切實(shí)可行的。經(jīng)GC-MS分析落葵籽油的化學(xué)成分，共鑒定出19個(gè)組分。