花椒籽油提取工藝的優化

王莉，姚柯兵

山西省呂梁學院生命科學系（呂梁 033000）

花椒籽中含有豐富的營養成分，如蛋白質、脂肪酸、生物堿、揮發油、礦物質以及木質素等[1-3]*，其中α-亞麻酸的含量為17%～24%，α-亞麻酸具有抗腫瘤、降血脂、降血壓、抑制衰老等重要生理功能，能夠參與生命過程，提高人體自身免疫力[4]*。花椒籽中還含有Na、Mg、K、Ca、Zn、Mn、Fe、Sr等礦物元素，花椒籽胚乳細胞內含有豐富的油滴及淀粉粒，可以用來提取花椒籽油[5-7]*。花椒籽油碘值較高，在空氣中易氧化聚合形成堅硬膜層，可以用來生產肥皂、涂料、潤滑油等化工產品[8-9]*。研究花椒籽油提取工藝，對開發花椒副產物利用率、提高其應用價值有一定的研究意義[10]*。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料與試劑

花椒籽（山西省呂梁市汾陽市）；無水乙醇（天津市匯杭化工科技有限公司）。

1.2 主要試驗儀器與設備

101型電熱鼓風干燥箱（北京科偉永興儀器有限公司）；800Y多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；JA203電子分析天平（上海豪晟科技儀器有限公司）；DZ-101S集熱式磁力攪拌器（金壇區西城基銘試驗儀器廠）；L-530離心機（湖南湘儀試驗儀器開發有限公司）；2L-ARE旋轉蒸發儀（上海皓莊儀器開發有限公司）。

2 試驗方法

2.1 浸提法提取花椒籽油的試驗流程[11-13]*

無水乙醇浸提法提取花椒籽油的工藝流程：花椒籽預處理→花椒籽烘干→粉粹→稱重→溶液浸提→離心分離→旋轉蒸發→花椒籽油。

花椒籽預處理：去除花椒籽中殘余的殼和細枝，挑揀出完整的花椒籽顆粒。

花椒籽烘干：設置電熱鼓風干燥箱的溫度70 ℃、干燥時間6 h，將花椒籽顆粒中的水分烘干至5%左右[14]*。

粉碎：用多功能粉碎機將花椒籽粉碎3 min，過0.425 mm的篩，粉碎程度越高，越有利于物料與溶劑接觸充分，有利于花椒籽油的浸提，但如果粉碎度太大，會造成乳狀液過多，影響其提取率。

稱重：使用電子分析天平準確稱取10 g花椒粉于燒杯中。

溶液浸提：將稱取的花椒粉加入無水乙醇中浸提，通過控制無水乙醇的添加量來控制料液比，改變水浴溫度來控制提取溫度[15-16]*。

離心分離：調節離心機轉速4 000 r/min、離心時間5 min，離心后除去殘渣，收集液體，靜置片刻后，進行過濾分離。

旋轉蒸發：使用旋轉蒸發儀將分離得到的液體進行蒸發，在真空0.08 MPa、溫度50 ℃的條件下，使溶液沸騰，回收無水乙醇，無水乙醇不再滴出時，蒸發結束，得到花椒籽油。

花椒籽油的出油率（%）按式（1）計算。

出油率=提取的花椒籽油的質量（g）/花椒籽質量（g）×100% （1）

2.2 單因素試驗

研究料液比、提取溫度、提取時間和提取次數對花椒籽油提取率的影響，各單因素水平如表1所示[17]*。

表1 單因素試驗水平

2.3 響應面試驗

在對單因素試驗結果進行分析后，運用Box-Behnken響應面設計法，設計三因素三水平的響應面分析試驗，研究三個因素的兩兩之間的交互作用，用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優工藝參數[18-19]*。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果與分析

3.1.1 不同料液比對花椒籽出油率的影響

從圖1可以看出，固定提取溫度70 ℃、提取時間2.5 h、提取次數3次，隨著液體占比的增加，花椒籽出油率呈現上升的趨勢，當料液比為1∶5（g/mL）時，花椒籽出油率達到最高值，出油率為19.01%，之后則隨液體占比的增加，出油率開始下降。液體占比較少時，溶液黏度大，花椒粉末溶解不充分，液體占比增加后，花椒籽油的溶解度增大。但當液體占比增大到一定數值時，花椒籽出油率呈現下降趨勢，可能由于液體占比過多會使物料吸收的溶劑量逐漸增加，出現乳狀液狀態，影響花椒籽出油率。由此得出影響花椒籽油提取率中料液比三個較優水平為1∶4，1∶5和1∶6（g/mL）。

圖1 不同料液比對花椒籽出油率的影響

3.1.2 提取溫度對花椒籽出油率的影響

如圖2所示，提取溫度從40 ℃上升到60 ℃時，花椒籽出油率呈上升趨勢，說明溫度升高，花椒粉在無水乙醇中的溶解度增大，出油率提高。提取溫度為60℃時，花椒籽出油率達到最大值，為23.07%。溫度再升高時，花椒籽出油率開始呈現下降趨勢。無水乙醇的沸點為78.4 ℃，從試驗現象觀察到，提取溫度達到60 ℃時，就會有乙醇氣體產生，溫度再升高，伴隨著無水乙醇蒸發，花椒籽出油率受到影響。由此得出花椒籽油提取溫度三個較優水平為50，60和70 ℃。

圖2 提取溫度對花椒籽出油率的影響

3.1.3 提取時間對花椒籽出油率的影響

由圖3可以看出，隨著提取時間的延長，花椒籽出油率整體呈現上升的趨勢，提取時間越長，花椒籽油提取得越充分，提取溫度為2.5 h時，花椒籽出油率最高，達到17.57%。繼續延長提取時間，花椒籽出油率呈現下降的趨勢，可能是花椒籽油存在揮發的情況，影響了花椒籽出油率，而且提取時間也會影響花椒籽油的品質。由此得出花椒籽油提取溫度三個較優水平為2，2.5和3 h。

圖3 提取時間對花椒籽出油率的影響

3.1.4 提取次數對花椒籽出油率的影響

由圖4可以看出，提取次數分別為1，2，3，4和5次時，花椒籽出油率分別為13.80%，17.63%，19.05%，19.28%和19.11%。提取次數越大，花椒籽出油率越高。提取次數為3，4和5次時花椒籽出油率幾乎不變，說明提取3次時花椒籽油提取得比較充分，提取次數過多時，過程繁瑣，對出油率影響不大，故此因素可固定在提取次數3次。

圖4 提取次數對花椒籽出油率的影響

3.2 響應面試驗結果與分析

3.2.1 響應面試驗設計及結果

根據4組單因素試驗的分析，選擇對于花椒籽出油率影響較大的3個因素（料液比、提取溫度、提取時間）來設計響應面試驗，以花椒籽出油率為響應值。響應面試驗因素水平表見表2，響應面試驗設計和結果見表3。

表2 響應面試驗因素水平表

表3 響應面試驗設計和結果

運用Design-Expert軟件對試驗結果進行二次回歸擬合，可以得出花椒籽出油率對于三個因素（料液比、提取溫度、提取時間）的二元多次回歸方程：

3.2.2 模擬回歸模型的建立及顯著性檢驗

回歸模型方差分析及顯著性檢驗見表4。

表4 二次回歸方程的方差分析

由表4可見，回歸模型P值＜0.01，表現為差異極顯著，說明該模型極顯著。失擬項差異不顯著，確定系數R2*=0.996 6，校正系數R2*（adj）=0.960 0，表明模型失擬項不顯著，擬合程度好，綜上所述該模型結果可以對花椒籽出油率進行預測。從表4可以看出，B、AB、A2*、B2*均達到差異極顯著水平（P＜0.01），因素A對花椒籽出油率影響顯著（0.05＜P＜0.01），C、AC、BC對花椒籽出油率影響不顯著（P＞0.05）。由F值可知，FB=23.89＞FA=6.30＞FC=2.83，影響花椒籽出油率因素順序分別為B（提取溫度）＞A（料液比）＞C（提取時間）。

3.2.3 響應面的交互作用試驗圖形的分析

根據回歸方程得出各因素交互作用對花椒籽出油率的響應面的圖，從響應面的等高線圖中可以看出，橢圓形即表示因素兩兩交互作用顯著，而圓形則相反。

3.2.3.1 料液比和提取溫度對花椒籽出油率的影響

料液比和提取溫度對花椒籽出油率的影響如圖5所示。等高線呈現橢圓形，說明料液比和提取溫度交互作用極顯著（P＜0.01）。響應面坡度變化比較明顯，當提取時間一定時，花椒籽的出油率先隨著料液比中液體占比的增加以及提取溫度的升高而顯著增加至最大值，之后降低。

圖5 料液比和提取溫度交互作用對花椒籽出油率影響

3.2.3.2 料液比和提取時間對花椒籽出油率的影響

由圖6可看出，料液比對花椒籽出油率的影響比提取時間的大，且曲線較平緩，說明料液比和提取溫度交互作用不明顯，這兩種影響因素的量需要適宜時才能得到最佳效果。

圖6 料液比和提取時間交互作用對花椒籽出油率的影響

3.2.3.3 提取溫度和提取時間對花椒籽出油率的影響

由圖7可知，提取溫度對花椒籽出油率的影響比提取時間的大，曲線較平緩，說明提取時間和提取溫度交互作用不明顯。

3.3 驗證試驗

用Design Expert 8.0.5.0軟件選擇逐步回歸方法對二次多項式回歸方程做進一步優化，得到的花椒籽油提取工藝最優參數為料液比1∶5.090（g/mL）、提取溫度59.075 ℃、提取時間2.697 h。但考慮到實際操作的局限性，將花椒籽油提取工藝參數修正為料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時間2.7 h。通過驗證試驗得出，花椒籽油提取工藝的最佳參數：料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時間2.7 h，此參數下出油率為23.38%。具體見表5和表6。

表5 試驗因素水平表

表6 驗證試驗

4 結論

通過響應面試驗的分析可以得出，影響花椒籽出油率的大小順序依次是提取溫度、料液比、提取時間。提取溫度具有極顯著性差異，料液比具有顯著性差異，提取時間不具有顯著性差異。三個因素兩兩之間均存在不同程度的相互作用，其中，料液比和提取溫度的交互作用明顯，料液比和提取時間的交互作用不明顯，提取溫度和提取時間的交互作用不明顯。無水乙醇提取花椒籽油的最適工藝條件參數為料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時間2.7 h，提取次數3次，在此條件下花椒籽出油率為23.38%。