响应曲面法优化超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺研究

李 超 王乃馨 郑 义 陈 华 史 勇

响应曲面法优化超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺研究

李 超 王乃馨 郑 义 陈 华 史 勇

(徐州工程学院食品工程学院，徐州 221008)

优化了超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺参数，并利用扫描电镜从微观角度解释了最佳得率的获得，然后和其他提取方法进行了对比，最后测定了油的理化性质。结果表明:超声波协同微波提取苘麻籽油最佳工艺参数为液料比10．4 mL/g，微波时间177 s和微波功率326 W，此时苘麻籽油得率为22．33%;超声波的空化效应、机械效应和微波的热效应造成了生物细胞壁及整个生物体的断裂与破碎，这解释了超声波协同微波提取苘麻籽油效率高的原因;与其他提取方法相比，超声波协同微波提取时间短，得率高;苘麻籽油的相对密度为0．907 8，折光指数为 1．477，皂化值为 200．74 mgKOH/g，酸值为 0．447 mgKOH/g，过氧化值为1．076 2 mmol/kg。

超声波协同微波提取 苘麻籽油 响应曲面法 扫描电镜 理化性质

苘麻(Abutilon theophrasti Medic．)属于锦葵科苘麻属一年生草本植物，主产于四川，河南，江苏，湖北。全草味苦，性平，能解毒、祛风，治痢疾、中耳炎、耳鸣、耳聋、关节酸痛等疾病［1］。苘麻籽性味甜，无毒，能清热利湿、解毒、退翳，用于治疗赤白痢疾、淋病涩痛、痈肿目翳、瘰疬［2－3］。苘麻籽主要有效成分之一为苘麻籽油，其传统提取方法通常有索氏提取法和有机溶剂提取法等，这些传统方法的最大缺点就是耗时长，超声波协同微波提取作为一种优良的提取方法，具有操作简便快捷、提取时间短、提取率高等特点，目前己广泛应用在生物活性物质的提取方面［4－6］。试验采用超声波协同微波提取苘麻籽油，探索提取的最佳工艺参数，旨在为其产品的开发与利用提供强有力的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1．1 原料与试剂

苘麻籽:安国市神禾中药材饮片有限责任公司，粗纤维质量分数为43．6%，粗蛋白质量分数为12．5%，水分质量分数为6．3%。其余试剂均为分析纯。

1．2 仪器与设备

标准检验筛:浙江上虞华美仪器纱筛厂;风选中药粉碎机:山东省青州市精诚机械制造有限公司;FA2104N电子分析天平:上海精密科学仪器有限公司;CW－2000型超声－微波协同萃取仪:上海新拓分析仪器科技有限公司;SENCO R201L旋转蒸发器:上海申生科技有限公司;XMT－152电热恒温干燥箱:上海跃进医疗器械厂;SHJM－1数显恒温搅拌电热套:山东省鄄城现代实验仪器厂;索氏提取器;数显式电热恒温水浴锅，上海跃进医疗器械厂;SX－40扫描电子显微镜:日本日立公司。

1．3 方法

1．3．1 超声波协同微波提取

苘麻籽粉碎后过80目筛，称取约5 g置于100 mL三角瓶中，加入一定体积的提取剂，提取一定时间后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。提取时将超声波处于开始状态。

1．3．2 工艺设计

1．3．2．1 单因素试验

分别以不同的提取剂种类、液料比、提取时间和微波功率对苘麻籽油得率的影响。

1．3．2．2 Box-Behnken 试验设计

根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验的基础上，选取液料比、微波时间和微波功率3个影响因素，采用3因素3水平的响应曲面分析方法，试验因素与水平设计见表1。共15个试验点:其中12个为析因点，3个为中心点。

表1 因素水平表

设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为:

1．3．3 扫描电子显微镜分析

取苘麻籽原样及超声波协同微波提取后的样品，经过低温干燥，喷金，在电子扫描显微镜下抽真空进行电子扫描观察拍照。加速电压:10．0 kV，分辨率为6 nm，放大倍数为1 200。

1．3．4 其他提取方法

1．3．4．1 索氏提取

苘麻籽粉碎后过80目筛，称取约5 g，用滤纸包好，放入250 mL索氏提取器中，加入乙酸乙酯150 mL，在60℃水浴中恒温6 h后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。

1．3．4．2 热回流提取

苘麻籽粉碎后过80目筛，称取约5 g，放置于500 mL圆底烧瓶中，加入乙酸乙酯200 mL，在60℃水浴中提取2 h后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。

1．3．5 理化性质测定

测定最优工艺条件下提取的瓜蒌籽油的理化指标，具体指标如下:折光指数，参考 GB/T 5527—1985;相对密度，参考GB/T 5526—1985;皂化值，参考GB/T 5534—2008;酸值，参考 GB/T 5530—2005;过氧化值，参考GB/T 5538—2005。

2 结果与分析

2．1 单因素试验

2．1．1 提取剂种类的影响

作为提取油的理想溶剂应具有以下特性:对油的溶解性好、选择性好，性质稳定，价格低廉、来源广泛。苘麻籽油的提取属于固-液萃取过程，提取效果主要由原料颗粒度和溶剂的性质决定。从图1可知，乙酸乙酯的出油率最高，为20．11%;正己烷次之，为19．65%;乙醚最低，为16．27%。乙酸乙酯的出油率最高，同时其毒性较低，因此选用乙酸乙酯为苘麻籽油的提取剂。

图1 提取剂种类对得率的影响

2．1．2 液料比的影响

由图2可知，提取剂的增加，有利于油的溶出，这是因为溶剂和原料间的浓度差越大，其提取效率就越高，目标物质就越容易溶出，然而在液料比增加到10之后，油的得率变化不大，表明提取基本完全，为节省后续处理时间，选择液料比为10。

图2 料比对得率的影响

2．1．3 微波时间的影响

图3 微波时间对得率的影响

由图3可知，在微波时间为180 s之前，苘麻籽油不能充分的转移到溶液中，随着微波时间的增加，油的含量增加，在180 s时达到峰值;之后，继续增加时间，苘麻籽油得率明显下降，这可能是因为随着微波时间的增加，温度急剧升高，导致油分解或挥发所致［7］，故选择微波时间为 180 s。

2．1．4 微波功率的影响

由图4可知，随着微波功率的增加，物质的加热程度随着增加，油也能够较容易地被提取出来，即得率增加;在微波功率达到350 W之后，油得率有减少的趋势，这可能是由于高微波功率导致的热效应使油分解或挥发所致［7］，故选择微波功率为350 W。

图4 微波功率对得率的影响

2．2 响应曲面试验

试验结果见表 2，利用 Design expert V7．0．0统计软件对表2试验数据进行回归拟合，得到苘麻籽油得率对以上3个因素的2次多项回归模型为:

表2 响应曲面试验结果

对该模型进行方差分析，结果见表3。

表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果

由该模型的方差分析表3可知:模型具有高度的显著性(P ＜0．01)，失拟项(P ＞0．05)不显著以及和 S/N(信噪比)为 14．331 远大于 4，可知回归方程拟合度和可信度均很高，试验误差较小，故可用此模型对超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺结果进行分析和预测。同时又由表3中p值可知:模型的1次项 x1(P ＜0．05)和 x3(P ＜0．05)显著、x2(P ＞0．05)不显著;交互项 x1x2(P ＜0．01)和x2x3(P ＜0．01)极显著，x1x3(P ＞0．05)不显著;2次项都极显著，表明各影响因素对苘麻籽油得率的影响不是简单的线性关系。为进一步确定最佳提取工艺参数，对所得方程进行逐步回归，删除不显著项，然后求一阶偏导，并令其为0，可得最佳工艺参数为液料比 10．4 mL/g，微波时间 177 s和微波功率326 W，此时苘麻籽油得率为22．29%。为检验Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性，采用上述优化出的工艺参数提取3次，实际测得的平均得率为22．33%，与理论预测值相比，其相对误差约为0．2%。因此，基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠，具有实用价值。

2．3 提取前后苘麻籽细胞壁结构的比较

扫描电镜(SEM)可以揭示物质的微细结构，通过比较提取前后苘麻籽细胞壁结构的不同，进而可以揭示提取的机制。图5为未经过任何处理苘麻籽原样的SEM图，图6经过超声波协同微波处理的苘麻籽粕样品的SEM图。

显然，经过超声波协同微波提取前后的苘麻籽粕细胞组织形貌差异较大。在进行超声波协同微波提取之前，苘麻籽粕组织细胞呈表面光滑、无折痕或裂痕(图5)。而经过超声波协同微波提取处理之后的苘麻籽粕残渣表面发生扭曲，出现不规则褶皱，表面积增大，细胞呈扩张状态，有了层层断裂面(图6)，这大大加速了苘麻籽油的溶出速率，此时苘麻籽油的溶出彻底，得率达到最大值。超声波协同微波提取破壁普遍被认为主要是微波的热效应及超声波的空化效应，这证实了Pare等［8］提出的微波作用机理与分子水平的细胞破壁作用有关，同时也解释了超声波协同微波提取效率高的原因。

2．4 不同提取方法比较

由表4可知，超声波协同微波提取苘麻籽油得率是索氏提取的98．98%，而比热回流提取提高20．18%;但是超声波协同微波提取的提取时间却仅仅177 s，而其他提取方法则需要2 h，提取时间大大缩短。由此可知，超声波协同微波提取是一种非常有效地提取苘麻籽油的方法。2．5 理化指标

表4 不同提取方法得率的比较

苘麻籽油的相对密度为 0．907 8，折光指数为 1．477，皂化值为 200．74 mgKOH/g，酸值为0．447 mgKOH/g，过氧化值为 1．076 2 mmol/kg。

3 结论

3．1 利用Design-Expert试验设计软件并结合实际实验设备，通过响应面法建立了超声波协同微波提取苘麻籽油的二次多项数学模型，优化出最佳提取工艺参数为:液料比10．4 mL/g，微波时间177 s和微波功率326 W，此时苘麻籽油得率为22．33%。

3．2 微波的热效应及超声波的空化效应造成了苘麻籽粕残渣表面发生扭曲，出现不规则褶皱，表面积增大，细胞呈扩张状态，出现了层层断裂面，这大大加速了苘麻籽油的溶出速率，此时苘麻籽油的溶出彻底，得率达到最大值。

3．3 通过超声波协同微波提取与其他提取方法的比较，结果表明，超声波协同微波提取是一种非常有效的提取苘麻籽油的方法。

3．4 苘麻籽油的相对密度为0．907 8，折光指数为1．477，皂化值为 200．74 mgKOH/g，酸值为 0．447 mgKOH/g，过氧化值为 1．076 2 mmol/kg，苘麻籽油可作为一种高品质的食用油进行开发利用。

［1］江苏新医学院．中药大辞典:上册［M］．上海:上海科学技术出版社，1977

［2］新疆维吾尔自治区革命委员会卫生局．新疆中草药［M］．乌鲁木齐:新疆人民出版社，1975

［3］国家药典委员会．中华人民共和国药典［M］．北京:化学工业出版社，2005

［4］Zhang Lianfu，Liu Zelong．Optimization and comparison of ultrasound/microwave assisted extraction(UMAE)and ultrasonic assisted extraction(UAE)of lycopene from tomatoes［J］．Ultrasonics Sonochemistry，2008，15:731 －737

［5］李姣姣，李超．了哥王总黄酮的超声波协同微波提取工艺及其抗氧化活性研究［J］．食品科学，2010，31(16):101 －105

［6］李超，王乃馨，王卫东，等．超声波协同微波提取丁香挥发油的研究［J］．粮油加工，2009(10):56－60

［7］蔡友华，范文霞，刘学铭，等．超声－微波协同萃取巴西虫草菌丝体中甘露醇的研究［J］．江西农业大学学报，2008，30(4):348－354

［8］Pare JR J，Signomin M，Lapointe J．Microwave － assisted natural products extraction:US Patent．5002784［P］．1991 － 03－26．

Optimizationof Ultrasonic-Microwave Synergistic Extraction of Oil from Semen Abutili by Response Surface Methodology

Li Chao Wang Naixin Zheng Yi Chen Hua Shi Yong
(College of Food Engineering，Xuzhou Institute of Tech－nology，Xuzhou 221008)

Firstly the ultrasonic-microwave synergistic extraction(UMSE)parameters of oil from Semen Abutili were optimizated．And then the acquirement of the optimal extraction yield(EY)was interpreted with the scanning electron micrograph(SEM)in microscopic view．The effects of UMSE and other extraction techniques were compared．At last，physical and chemical properties of Semen Abutili oil were determined according to national standards．The result showed that the UMSE parameters were solvent to material ratio 10．4 mL/g，extraction time 177 s and microwave power 376 W and EY was 22．33%under these extraction conditions．The crack of cell wall and the disruption of tissue structure were caused by cavitation effect and mechanical effect of ultrasonic and thermal effect of microwave，which interpreted the acquirement of the optimal EY．Compared with other extraction techniques，UMSE had higher yield and shorter extraction time．The relative density of Semen Abutili oil was0．907 8，refractive indexes was 1．477，saponification value was 200．74 mgKOH/g，acid value was 0．447 mgKOH/g and peroxide value was 1．076 2 mmol/kg．

ultrasonic-microwave synergistic extraction，Semen Abutili oil，response surface methodology，scanning electron micrograph，physical and chemical properties

TS255．36

A

1003－0174(2011)07－0048－05

2010－07－20

李超，男，1978年出生，讲师，博士，天然产物化学及食品加工