響應面法優化多香果油樹脂超聲波提取工藝

劉煜宇，連培康，郭偉康，包秀萍*，羅建飛，陳聯明

1. 云南瑞升煙草技術（集團）有限公司（昆明 650106）；2. 江西中煙工業有限責任公司（南昌 330096）；3. 江西中煙工業有限責任公司贛州卷煙廠（贛州 341000）

多香果（Pimenta officinalisL.）是桃金娘科多香果屬的一種植物，別名眾香子、牙買加胡椒，分布于西印度群島和中美州[1-2]。干燥種子可產生類似丁香、肉桂、豆蔻3種混合辛香料的強烈芳香氣味，主要成分為丁子香酚，被廣泛用作烘烤、腌制食品和肉餡的香料。多香果還可作為天然抗氧化劑用于肉制品，安全用量為670 mg/kg。

超聲提取技術的基本原理主要是利用超聲波的空化作用加速植物有效成分的浸出提取，具有提取時間短、溫度低、產率高等優點[3]。傳統多香果提取工藝是水蒸氣蒸餾法[4]，此方法時間長、能耗大、得率低。也有采用超臨界和亞臨界提取[5-6]，但是設備投資較大，成本較高。前人還研究多香果粉對肉丸中N-亞硝胺的抑制作用[7-8]。但是對超聲波提取多香果油樹脂未見報道，試驗通過響應面法優化多香果油樹脂的超聲波條件[9-14]，提取其主要香味成分，并用氣相色譜-質譜法對揮發性致香成分進行檢測[15]，與未經超聲波的多香果油樹脂進行對照，為多香果油樹脂香料的開發應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器設備及試劑

多香果（牙買加進口）。

CHYZ-2L三頻流體循環超聲波萃取機[誠洋生物科技（北京）有限公司]；QE-04A高速中藥粉碎機（武義縣屹立工具有限公司）；電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；BUCHIR-3000型旋轉蒸發儀（瑞士BUCHI公司）；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司）；Agilent 6890N/ 5975氣相色譜-質譜聯用儀（美國安捷倫公司）。

無水乙醇（AR，四川西隴化工有限公司）；無水硫酸鈉（AR，廣東汕頭市西隴化工廠）；二氯甲烷（AR，天津市博迪化工有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 提取方法

多香果粉碎過0.425 mm（40目）篩，以此為原料，并加入質量20倍的75%乙醇，以此為溶劑，按設計條件進行超聲波提取，采用旋轉蒸發儀回收溶劑，所得樣品為多香果油樹脂。對照樣品未經過超聲波處理，其余條件相同。

1.2.2 響應面法試驗設計

因素水平提取工藝設計：根據相關資料和預備性試驗，以超聲波頻率、提取溫度和提取時間為主要影響因素，以多香果油樹脂提取率為考察指標，利用響應面法的Box-Behnken Design（BBD）設計，每個因素取3個水平，以-1，0和+1編碼，進行試驗設計（表1）。提取率按式（1）計算。

表1 試驗因素水平編碼

1.2.3 GC-MS分析條件

1.2.3.1 色譜條件

TR-5MS，60 m×0.25 mm×0.25 μm，載氣為氦氣（99.999%），進樣量1 mL，分流比15∶1，柱流速，恒流0.8 mL/min。程序升溫：初始溫度80 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升至240 ℃，保持30 min。傳輸線溫度250 ℃；進樣口溫度250 ℃。

1.2.3.2 質譜條件

EI能量70 eV，溶劑延遲6 min，掃描離子范圍50～650 amu，所得圖譜經計算機譜庫（NIST14、Wiley275）檢索，并結合標準質譜圖和有關文獻，確定揮發性成分。并用內標法測定出各揮發性成分的含量。

2 結果與討論

2.1 響應面試驗結果及分析

2.1.1 響應面試驗結果

按照響應面法BBD試驗設計進行三因素三水平試驗，結果見表2。

試驗方案的17個試驗點中包括12個析因點（序號1～12）及5個中心點（序號13～17），以多香果油樹脂提取率Y作為響應面分析的響應值。

2.1.2 響應面試驗結果分析

對表2試驗數據進行多元回歸擬合，得到多香果油樹脂提取率Y對超聲波頻率（A）、提取溫度（B）和提取時間（C）的二次多項回歸方程模型：Y= -52.948 5+0.666 3A+1.082 6B+0.514 4C+0.001 9AB-0.002 3AC+0.002 3BC-0.005 1A2-0.011 4B2-0.004 7C2。

表2 試驗設計及結果

該二次回歸方程方差分析結果和回歸方程系數顯著性檢驗結果見表3。三因素交互作用對多香果油樹脂提取率的響應面分析結果見圖1～圖6。

圖6 提取溫度-提取時間對提取率的響應面分析

表3 回歸方程模型的方差分析結果

圖1 超聲波頻率-提取溫度對提取率的等高線圖

圖2 超聲波頻率-提取溫度對提取率的響應面分析

圖3 超聲波頻率-提取時間對提取率的等高線圖

圖4 超聲波頻率-提取時間對提取率的響應面分析

圖5 提取溫度-提取時間對提取率的等高線圖

由表3數據和圖1～圖6可以看出，模型統計學意義上差異極顯著（p＜0.01），失擬項不顯著，說明沒有未知因素對試驗結果干擾。模型的決定系數R2為0.9877，說明模型與實際情況擬合較好，可用于分析和預測超聲波提取多香果的實際情況。修正決定系數R2為0.9720，大于0.9，說明模型能解釋多香果油樹脂提取率響應值的變化。

由表3可知：一次項A、B和C均為極顯著水平（p＜0.01），二次項A2、B2和C2均為極顯著水平（p＜0.01），說明超聲波頻率、提取溫度和提取時間對多香果油樹脂提取率有極顯著影響。AB、AC和BC交互項差異顯著（p＜0.05），說明這3個因素的交互作用對多香果油樹脂提取率都有顯著影響。

2.1.3 驗證試驗

對方程最優條件（超聲波頻率64 kHz、提取溫度58 ℃和提取時間56 min）進行3次試驗，多香果油樹脂提取率的平均值為13.45%，與預測值13.80%接近，證明該模型可靠，適用于對多香果油樹脂的超聲波提取工藝優化。

2.2 多香果油樹脂樣品的揮發性成分分析

通過超聲波提取多香果油樹脂，能夠有效提高多香果浸膏提取率，與未超聲波的多香果油樹脂對比，主要有效成分含量顯著提升，其揮發性成分總離子流圖見圖7。

圖7 多香果油樹脂揮發性成分的總離子流圖

據表4可知，超聲波提取的多香果油樹脂的揮發性成分共鑒定出化合物77種，未超聲波提取的對照樣品共鑒定出化合物68種。主要致香組分有丁子香酚8927.616 μg/g、甲基丁香酚9630.215 μg/g、α-松油醇1309.413 μg/g，含量均明顯高于對照樣品（丁子香酚59.403 μg/g、甲基丁香酚72.769 μg/g，α-松油醇15.413 μg/g），分別是對照的150，132和85倍，說明超聲波能夠顯著提高多香果浸膏提取率，有效富集多香果中的主要香味物質。

表4 多香果油樹脂揮發性化學成分

接表4

接表4

3 結論

多香果油樹脂超聲波提取工藝的最佳提取條件為超聲波頻率64 kHz、提取溫度58 ℃和提取時間56 min，此時提取率為13.45%。揮發性成分分析結果表明，多香果油樹脂中含有大量的致香成分，如丁子香酚、甲基丁香酚和α-松油醇等物質，與未超聲波的多香果油樹脂揮發性成分對比，主要揮發性成分含量分別是對照的150，132和85倍。優化工藝能夠充分溶出多香果中主要成分，有效提升油樹脂中致香成分含量，產品具有強烈的香氣和風味。