落叶松毛虫蛹油超声波振荡辅助萃取方法优化1)

马 玲 胡礼禹

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

马 伟

(黑龙江中医药大学)

落叶松毛虫(Dendrolimus superans(Butler))是鳞翅目(Lepidoptera)枯叶蛾科(Lasiocampidae)松毛虫属(Dendrolimus)的昆虫，国内外均有分布。幼虫食性较广，主要食害针叶，暴发时吃光针叶。落叶松毛虫蛹个体较大(长40～60 mm)。有学者研究发现，同一种昆虫中脂肪含量以蛹、幼体和越冬期为高。许多昆虫的蛹现在都已被证实是可以食用的高营养食物［1－3］。落叶松毛虫是一类资源量很大的昆虫，且其繁殖能力很强，长期以来对它的研究着重于防治方面。近年来，松毛虫作为一类潜在的生物资源受到了人们的重视［4－6］。

以往对昆虫蛹油的研究多集中在蚕蛹油的的提取方面，如溶剂萃取［7］、超临界 CO2萃取［8－9］等。蒋艳忠［10］和张郁松［11］分别对蚕蛹油的溶剂萃取法与超临界二氧化碳萃取法做了比较研究，结果均表明超临界二氧化碳萃取法萃取的蚕蛹油得率和品质均优于溶剂萃取法，但超临界二氧化碳萃取法对设备要求高、耗能大，工业生产成本较高。超声波辅助萃取法已在许多天然产物提取上得到广泛研究与应用［12－14］，但有关东北落叶松毛虫蛹油萃取方面的研究还未见报道。笔者利用响应曲面法建立超声波振荡辅助萃取落叶松毛虫蛹油的数学模型，优化得到超声辅助萃取蛹油的最佳萃取工艺。旨在为工业化萃取落叶松毛虫蛹油及蛹油在储存和加工方面提供理论依据。

1 材料与方法

试虫:落叶松毛虫蛹于2009年7月采自齐齐哈尔市甘南县林业局的下属林场。

蛹油的提取:挑选出个体好的蛹，去掉蛹的茧壳，放在恒温烘箱中(60±1)℃烘干、粉碎，存于棕色瓶中备用。以萃取溶剂法在设定的条件下超声振荡萃法取萃取落叶松毛虫蛹油，静置40 min，3 000 r/min离心10 min，上清液40℃减压旋转蒸发回收溶剂，即得落叶松毛虫粗蛹油。蛹油得率=蛹油质量/蛹粉质量×100%。

响应曲面法优化提取蛹油二次多项数学模型的建立:根据单因子试验结果，采用Box－Behnken试验设计，选取超声波功率、超声辅助提取时间、超声提取温度3个影响因子，在单因素试验结果基础上，采用3因素3水平的响应曲面分析方法，按方程Xi=(xi－X0/ΔX)对自变量进行编码(表 1)，其中，xi为变量的编码值，Xi为变量的真实值，X0为试验中心点变量的真实值，ΔX为变量的变化步长，蚕蛹油得率Y为响应值。采用多元回归设计方法，拟合二次多项模型的Box－Behnken试验设计见表1。

2 结果与分析

2.1 超声波振荡辅助萃取单因子试验

提取溶剂的选择:以正己烷、石油醚、乙醚、乙酸乙酯为提取溶剂，落叶松毛虫蛹油得率分别为25.76%、25.65% 、24.23%、25.25%。可见，正己烷的得率最高，其次为石油醚。虽然石油醚的得率不是很高，但是考虑到工业应用石油醚价格更便宜，而且石油醚的回收量都比其他3种溶剂大，因此选用石油醚为提取剂。

表1 中心组合试验Box－Behnken试验设计的因子和水平

料液比对蛹油得率的影响:以石油醚为提取剂、超声功率100 W、超声时间20 min、超声温度40℃条件下，料液比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50时，蛹油得率分别为25.31% 、27.38% 、27.82%、28.25%、28.24%。得率随料液比的增加而增加，当料液比升高到1∶40以后达平衡，再增加溶剂用量只能造成浪费，且回收成本增大，因此，选择料液比为1∶40为宜。

超声功率对蛹油得率的影响:以石油醚为提取溶剂、料液比1∶40、超声时间20 min、超声温度40℃的条件下，超声功率分别为20、40、60、80、100 W 时，蛹油得率分别为 22.89%、24.49%、24.47%、24.56%、24.10%。当超声功率在 60 W时，蛹油得率达到最大值。蛹油得率随超声功率的升高先升高后降低，这可能是由于超声功率低于60 W时增大超声强度使得物料与石油醚的作用增强，得率增加;当功率大于60 W时得率下降。资料显示［15－16］，超声波具有无选择性的破坏作用。在高功率的条件下，空化作用不仅破碎了细胞壁，也破坏了欲提取物质的分子结构，造成得率下降。

超声时间对蛹油得率的影响:以石油醚为提取溶剂、料液比1∶40、超声功率60 W、超声温度40℃的条件下，超声时间分别为 10、20、30、40、50 min时，蛹油得率分别为 22.83%、26.77%、31.26%、25.96%、25.84%，可见，超声时间为 20 min 时得率最高，时间太短作用不充分，时间太长可能由于溶剂挥发较严重使得率降低。

超声温度对蚕蛹油得率的影响:以石油醚为提取溶剂、料液比1∶40、超声功率60 W、超声时间20 min 的条件下，超声温度分别为 20、30、40、50、60 ℃时 ，蛹油得率为24.29% 、25.10% 、29.53% 、27.88%、25.67%。可见，超声温度40℃时得率最高，温度升高有利于蚕蛹油的萃取，但温度过高，溶剂挥发严重，得率降低。

2.2 响应曲面法提取蛹油的工艺参数优化

2.2.1 试验结果及其预测值

石油醚为提取溶剂、料液比为1∶40时，超声波辅助提取蛹油的试验结果及其预测值见表2。利用Design－Expert7.1.6软件对表2试验数据进行多元回归拟合，获得超声波提取蛹油得率对自变量超声功率(A)、超声时间(B)和超声温度(C)的二次多项回归模型方程为:Y=26.69 －0.30A －0.13B+0.92C －0.07AB+0.69AC+0.21BC+0.34A2－0.092B2+0.02C2，其中 Y为蛹油得率的预测值，－1、0、1 分别为 A、B、C 3 个自变量的编码值。

表2 试验设计与结果

由表3可见，二次多项回归模型不显著(P＞0.01)，失拟项显著(P ＜0.05)，说明该模型是不合适的。模型的校正决定系数R2=－0.838 7，说明该模型不可以解释响应值的变化，相关系数R=0.442 3，说明该模型拟合程度不好，试验误差大，模型不合适。

表3 回归模型方差分析结果

从表4回归方程系数显著性检验可知，各项均不显著。但是可以看出各因子对得率影响的由大到小顺序为:超声温度(B)、超声时间(C)、超声功率(A)。

表4 回归方差系数显著性检验结果

2.2.2 响应面分析和优化

回归方程的响应曲面及其等高图见图1－图3。从图1可以看出，在超声时间为最佳值(C=30 min)时，超声功率和超声时间温度2因素的交互作用不显著。超声功率在20～90 W时，蛹油得率变化不规则;随着温度的增加，得率变化也不规则。

图2显示了在超声温度为最佳值(B=40℃)时，超声时间和超声功率2因子交互作用不显著。超声功率为40～80 W时，蛹油的得率呈减少趋势，在80～100 W时，得率突然增加，说明模型设计有问题;而随着时间的增加，得率呈明显的递增趋势。

图1 超声功率(A)、超声温度(B)及其交互作用对超声提取蛹油的响应面和等高线

图2 超声功率(A)、超声时间(C)及其交互作用对超声提取蛹油的响应面和等高线

图3显示了在超声功率为最佳值(A=60 W)时，在试验水平范围之内，超声时间和超声温度2因子交互作用不显著。温度在30～50℃范围内，蛹油的得率呈减少趋势，但变化不大;随着时间的增加，蛹油得率呈递增趋势，变化也不大。

2.2.3 优化条件下超声波提取蛹油得率

在响应曲面法优化的工艺参数，即超声功率80.8 W、超声时间 29.9 min、超声温度 40.8 ℃条件下，蛹油得率的理论值为29.64%。为检验响应曲面法优化结果的可靠性，采用上述优化条件提取蛹油，考虑实际操作的便利性，将条件优化为:超声功率80 W，超声时间30 min，超声温度40℃，在此条件下蛹油实际得率的平均值为26.81%，与理论预测值相比，其相对误差小于1%，因此，基于响应曲面法所得的优化提取工艺参数准确可靠，具有实用价值。

2.3 超声辅助萃取蛹油理化性质

超声波辅助萃取的蛹油与单纯溶剂萃取法萃取的蛹油提取率及品质差异见表5。与单纯溶剂萃取法相比，超声波辅助萃取蛹油的得率大为提高，由24.46%提高到27.17%，且提取时间由2h缩短到1 h，萃取的蛹油品质与单纯溶剂萃取法萃取的蛹油品质相当。

图3 超声时间(B)、超声温度(C)及其交互作用对超声提取蛹油的响应面和等高线

表5 溶剂萃取法与超声波辅助萃取法萃取的蚕蛹油差异

3 结论与讨论

超声波提取技术作为一种新的提取分离技术进入了油脂工业，Zhang等［12］利用超声波辅助萃取亚麻籽油，Zhang等［13］利用超声波辅助萃取杏仁油，李林强等［14］利用超声波辅助萃取华山松籽油等都取得了良好的效果。超声波对油脂萃取分离的强化作用主要源于其空化效应，而超声空化又引起了湍动效应、聚能效应、微扰效应和界面效应，因而超声波可强化萃取分离过程的传质速率和效果，从而有利于油脂的提取［15－16］。本试验利用超声波辅助萃取落叶松毛虫蛹油，并利用响应曲面法优化萃取工艺。与单纯溶剂萃取法相比，超声波辅助萃取法显著提高了提取率，缩短了提取时间。原因可能是由于超声波产生空化作用加快了物料界面扩散层上的分子扩散，使细胞中的油脂加速渗透出来，伴随着空化作用的同时，还有机械振动作用、击碎作用、化学效应等多种形式的作用，这些都十分有利于油脂的提取［15］。超声辅助萃取法萃取的落叶松毛虫蛹油的酸价稍低于溶剂萃取法萃取的落叶松毛虫蛹油酸价，可能是由于萃取时间较短，脂肪酸酸解较少的缘故［17］。

超声波辅助萃取落叶松毛虫蛹油比单纯溶剂萃取法提取率明显提高，提取时间显著缩短，所提油脂品质良好。经RMS优化的工艺条件为:超声功率80 W，超声时间30 min，超声温度40℃，在此条件下蛹油实际得率的平均值为26.81%。

［1］毛平生，吴繁强，杜贤明，等.蚕蛹综合利用综述［J］.蚕桑茶叶通讯，2007(4):1－4.

［2］Riediger N D，Othman R A，Suh M，et al.A systemic review of the roles of n-3 fatty acids in health and disease［J］.American Dietetic Association，2009，109(4):668 －679.

［3］Loria R M，Padgett D A.α-Linolenic acid prevents the hypercholesteremic effects of cholesterol addition to a corn oil diet［J］.Nutritional Biochemistry，1997，8(3):140 －146.

［4］李林强，李建科.华山松籽油的成分分析及其抗氧化的研究［J］.西北植物学报，2003，23(10):1788 －1791.

［5］Liu G Q，Zhang K C，Wang X L.Advances in insects as food resources in China［C］//In The 5th international conference on food science＆ technology proceedings(Volume II).Beijing:Chinese Books Press，2003:263 －266.

［6］刘高强，魏美才，王晓玲.松毛虫资源开发及其资源化管理的初步设想［J］.西北林学院学报，2004，19(4):119 －123.

［7］张迎庆，余东霞，钟晓凌，等.溶剂萃取法提取蚕蛹油研究［J］.现代商贸工业，2003(8):47－49.

［8］罗仓学，张广栋，颜泽勤.蚕蛹油超临界二氧化碳萃取研究［J］.粮食与油脂，2005(10):18 －19.

［9］王浩，郑明珠，刘景圣，等.超临界CO2萃取蚕蛹油工艺条件的研究［J］.食品科学，2007，28(7):109 －111.

［10］蒋艳忠.蚕蛹油的提取研究［J］.化工技术与开发，2008，37(7):46 －48，50.

［11］张郁松.蚕蛹油超临界萃取与有机溶剂萃取的比较研究［J］.粮油加工，2009(2):45－46.

［12］Zhang Zhenshan，Wang Lijun，Li Dong，et al.Ultrasound-assisted extraction of oil from flaxseed［J］.Separation and Purification Technology，2008，62(1):192 －198.

［13］Zhang Qingan，Zhang Zhiqi，Yue Xuanfeng，et al.Response surface optimization of ultrasound-assisted oil extraction from autoclaved almond powder［J］.Food Chemistry，2009，116(2):513－518.

［14］李林强，李建科，刘迎利.超声波处理提取华山松籽油的研究［J］.西北农林科技大学学报:自然科学版，2003，31(5):115－117.

［15］胡爱军，丘泰球，刘石生，等.物理场强化油脂浸出技术［J］.中国油脂，2002，27(3):10 －13.

［16］郭孝武.超声波技术在油脂加工提取中的应用［J］.中国油脂，1996，21(5):36 －37.

［17］吴晓霞，李建科，张研宇.蚕蛹油超声波辅助萃取及其抗氧化稳定性［J］.中国农业科学，2010，43(8):1677 －1687.