響應面優化百香果籽油的提取工藝優化

連文綺，馮雅蓉，樊 迎

（晉中信息學院，山西 晉中 030800）

百香果籽的營養成分十分豐富，是十分優質的榨油原料，含有較高的脂肪酸、膳食纖維、碳水化合物維生素，以及蛋白質、鈣、磷、鐵、灰分等含量較低的營養物質[1-3]。據統計調查，在我國每年約有4 300 t 果籽被零散丟棄或和其他農作物一起添加至飼料中被家禽食用，致使百香果籽不僅未得到充分的利用，造成資源的極大浪費，還產生了許多不良的環境問題[4-5]。

現階段，我國大部分企業還是以物理壓榨及化學壓榨為主要油脂提取方式。物理壓榨是靠機械力將油脂分離出來，無添加、無污染、不破壞成分，但其出油率較低，且植物中殘油較多，同時對原料的含油量有一定的要求[6]。用化學方式提取油脂，出油率比物理壓榨高，但需經過多道化學處理，且易有溶劑殘留，油脂中的部分天然物質被破壞，無法保持植物原有的風味[7]。

近些年新出現的超聲波輔助溶劑法是一種利用超聲預處理配合以表面活性劑作為溶劑來提取植物油脂的方法，通過使用超聲波機械，對液體介質進行振動，從而產生空穴效應來強化萃取效果。該方法不僅提高了生產安全度、減少環境污染，還較好地提高了油脂提取率，具有綠色、環保、高效的顯著優勢[8-10]。并且，超聲波輔助溶劑法和傳統工藝相比，其技術設備更加安全、操作簡單，也使其出油率大大提升，降低了高溫對油脂的損害，也使提取后的油脂所含的營養素含量更高、更易于之后的油脂精煉[11-15]。此外，劉松奇等人[16]研究了水酶法萃取百香果籽油的工藝，說明了水酶法和超聲輔助萃取法一樣具有出油率高、操作條件溫和的優點，但也有學者認為水酶法成本高、時間長，工業化生產難度大[17]，且會降低油中維A、維E 的含量。

因此，試驗通過單因素設計Box-behnken 模型，利用響應面法分析超聲輔助萃取百香果籽油的工藝條件，以期評價百香果籽油的抗氧化作用能力，并為相關行業和相關研究提供出一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：百香果籽、花生油，均為市售。

試劑：無水乙醇（分析純）、Tris-HCl 緩沖液（分析純，pH 值8.4）、蒸餾水（分析純）。

1.2 儀器設備

BSA334S 型電子天平，杭州萬特衡器有限公司產品；DGG-9070A 型電熱鼓風干燥箱、MP-501A 型數顯恒溫水浴箱，上海一恒儀器公司產品；DSSONIC-D500 型超聲波清洗器，，無錫鼎實電子科技有限公司產品；RE-2000A 型旋轉蒸發儀，上海霓玥儀器有限公司產品；GC112N 型氣相色譜儀，上海儀器分析儀器有限公司產品；30B-X 型萬能粉碎機，江陰瑞利和機械制造有限公司產品；UV-1600 T6 型紫外可見分光光度計，上海精密科學有限公司產品。

1.3 工藝流程

百香果籽→清理除雜→清洗干燥（50 ℃）→粉碎（80～200 目）→加無水乙醇混合→調節超聲功率、調節超聲溫度、調節超聲時間→高速離心→吸取上層油層→烘干去除殘留溶劑→計算油脂提取率[18]。

式中：W——籽油提取率，%；

m——被提取籽油的總質量，g；

M——百香果籽粉的總質量，g。

1.4 試驗方法

1.4.1 單因素試驗

（1）測定料液比的最優范圍。準確稱取10 g 百香果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，配比出1∶4，1∶8，1∶12，1∶16，1∶20 的料液比，并放入設定為160 W 的超聲波清洗器中，在40 ℃的條件下反應30 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優的料液比。

（2）測定超聲功率的最優范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，將超聲波清洗器分別調節功率至120，140，160，180，200 W，在40 ℃的條件下反應30min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優的超聲功率。

（3）測定超聲時間的最優范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，并放入設定為160 W 的超聲波清洗器中，在40 ℃的條件下分別反應10，20，30，40，50 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優的超聲時間。

（4）測定超聲溫度的最優范圍。準確稱取10 g果籽粉，等量分成5 份置于試管中，加入無水乙醇，將料液比配制為1∶16，并放入設定為160 W 的超聲波清洗器中，分別以30，35，40，45，50 ℃的溫度條件下進行反應30 min 提取油脂，以提取率為指標篩選提取最優的超聲溫度。

1.4.2 響應面設計

根據單因素試驗結果，以百香果籽油提取率為指標，以超聲萃取因素料液比、超聲功率、超聲時間、超聲溫度為因素，設計Box-behnken 試驗。

響應面因素與水平設計見表1。

表1 響應面因素與水平設計

1.4.3 數據處理

所有數據采用Excel 和Design expert 軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 單因素結果分析

料液比對百香果籽油提取率的影響見圖1，超聲功率對果籽油提取的影響見圖2，超聲時間對百香果籽油提取率的影響見圖3，超聲溫度對百香果籽油提取率的影響見圖4。

圖1 料液比對百香果籽油提取率的影響

圖2 超聲功率對百香果籽油提取率的影響

圖3 超聲時間對百香果籽油提取率的影響

圖4 超聲溫度對百香果籽油提取率的影響

由圖1 可看出，隨著料液比的增加，提取率逐漸增大，這是由于料液比增加后使固相和液相之間的濃度差變大，進而浸出組分的驅動力逐漸加強，有利于百香果籽中的油脂從固相擴散至液相，以達到釋放效果。當料液比達到1∶16（g∶mL）時，提取率呈現平緩趨勢，與1∶20（g∶mL）料液比時的油脂提取率差異不顯著，這是由于在此條件下，果籽油已經得到充分提取，再增加溶劑，不僅無法大幅提高籽油提取率，還會浪費溶劑，加大回收困難[19]。因此，選擇適宜的料液比為1∶16（g∶mL）。

由圖2 可看出，油脂提取率在160 W 時達到最大值22.5%。在120～160 W 時提油率呈現出先增加后減少的趨勢，這是由于超聲波的功率值越大，對果實種子的空化侵蝕越明顯，其作用和機械作用也就越明顯，粒子間的運動速度也就越快，一方面有利地促進了細胞壁的破碎；另一方面也增加了油脂分子和溶劑間碰撞的可能性，提高了油脂提取率。當超聲波的功率大于160 W 時，提取率呈現出明顯的降低，這是由于當超過最優功率時，溶液中產生出的氣泡量增多，阻止超聲波在液體中進行擴散，導致空化作用強度降低，從而削弱了對籽油的浸提效果[20]。

由圖3 可看出，在10～30 min 時，隨著時間的延長，提取率也在加大，并在30 min 時達到最高，30 min 后趨于平緩狀態，這是由于在溶劑的作用下，油脂持續滲透出來，溶劑和百香果果籽中脂肪的濃度差異不斷減小，并在30 min 時達到動態平衡。超過30 min 后，由于提取油脂的溶劑逐漸損耗揮發，導致其夾帶作用能力下降，使得百香果籽油的提取率有輕微下降趨勢。

由圖4 可看出，提取率為40 ℃時達到最高值21%，持續增溫便有所下降。當溶液處在低溫狀態時，溶液中的溶劑分子和油脂分子的運動速度較慢，導致試驗反應進行得不徹底。持續升高溫度，溶液中的溶劑分子和油脂分子的運動速度也逐漸加快，傳質阻力減小，顯著提高了出油率。當溶液的溫度超過最適超聲溫度時，提取率數值下降，降低的原因有：①萃取溶劑的蒸發量隨時間的延長而增加，導致料液比降低；②表面飽和蒸氣壓的加強對超聲波的空化作用產生了抑制效果；③表面張力變小，抑制了油脂的浸出。

2.2 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面試驗設計及結果

試驗以百香果籽油提取率為響應值，以料液比、超聲功率、超聲時間、超聲溫度為因素進行Boxbehnken 試驗。

Box-behnken 試驗設計及結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 Box-behnken 試驗設計及結果

2.2.2 回歸模型方程及方差分析結果

應用Design Expert V 8.0.6 軟件對表2 中的百香果籽油提取率結果進行回歸擬合統計分析，得到百香果籽油提取率方程：

由表3 可看出，模型的p＜0.000 1，表明模型顯著，失擬項p＞0.05，差異不顯著，表明回歸方程擬合度良好，用該模型分析預測百香果籽油的萃取率結果真實可靠。模型R2Adj=0.995 1，表明此模型可解釋99.51%百香果籽油提取率的變化，且R2與R2Adj相差不大，說明該模型擬合程度高，誤差小[21]。

此外，A、B、C、D、AB、AC、A2、B2、C2、D2對籽油提取率差異影響極顯著（p＜0.01）；AD、BC對籽油提取率差異影響顯著（p＜0.05），BD、CD交互項對籽油提取率差異影響不顯著（p＞0.05）。4 個因素對籽油提取率影響程度的大小為超聲溫度（D）＞料液比（A）＞超聲功率（B）＞超聲時間（C）。

2.2.3 響應面試驗中交互項作用分析

交互項對百香果籽油提取率影響的響應面圖見圖5。

圖5 交互項對百香果籽油提取率影響的響應面圖

比較6 個曲面圖可以看出，超聲溫度的曲線最陡峭，說明其對百香果籽油的提取率影響最顯著；比較6 個等高線圖發現，AB、AC、BC等高線圖密集且呈橢圓，AD等高線比起AB、AC、BC稀疏，BD、CD等高線比AD稀疏且未呈橢圓，說明AB、AC、BC交互作用對籽油提取率影響大于AD，AD交互作用對籽油提取率影響大于BD、CD，且BD、CD這2 組交互作用不顯著，這與表4 方差分析結果相一致。

2.2.4 工藝優化條件驗證

通過對模型方程求導，得到方程的最優解即百香果籽油的預測提取率的最大值為26.26%，此時的最優工藝條件為料液比1∶15.5（g∶mL），超聲功率162.5 W，超聲時間30.6 min，超聲溫度45 ℃。但考慮到實際操作的方便可行性，把最佳工藝條件最終調整為料液比1∶15（g∶mL），超聲功率162 W，超聲時間30 min，超聲溫度45 ℃。且3 次平行試驗驗證得到百香果籽油的提取率為26.28%±0.12%，試驗結果表明此提取工藝實測值與預測值相近，具有一定的實際應用價值。

3 結論

建立了百香果籽油超聲萃取的Box-behnken 模型，同時通過響應面分析并結合實際操作條件，確定了萃取最佳工藝參數為料液比1∶15（g∶mL），超聲功率162 W，超聲時間30 min，超聲溫度45 ℃。研究結果說明了超聲萃取是一種出油率較高的榨油技術，可為百香果籽資源的開發利用提供工藝方面的技術支持。但未對萃取籽油的成分進行分析，今后，可利用色譜質譜聯用技術對其成分分析，同時確定其抗氧化成分和機理。