响应面分析法优化超声提取樟树籽油的工艺

熊建华 吴 琴 林丽萍 李世传 汤凯洁

（江西农业大学食品科学与工程学院，南昌 330045）

樟树（Cinnamomum Camphora）为樟科属常绿乔木植物，主要生长在热带和亚热带地区。果期8～11月，是樟属植物中经济价值最大的树种之一。是天然樟脑、芳香油、油脂的重要资源，其木材、根、叶、果实皆含精油［1－3］，以往主要是对根、茎、叶进行利用与加工，近年来对樟树籽的研究增多，樟树籽，又名樟梨、吞樟大木姜子、樟子等，扁球形，富含油脂，含油率达40%左右，油脂中以癸酸、月桂酸等中碳链脂肪酸为主，癸酸（C10）已应用于医药工业合成鱼腥草素等消炎药，主含癸酸的樟树籽脂肪油已被试制中碳酸三甘酯用于治疗脂肪代谢紊乱病症，并能降血脂及胆固醇，樟树籽是一种极具开发价值的植物资源［4－5］。

超声波辅助技术作为一种先进的提取方法，具有操作简便快捷、提取温度低、提取率高、提取物的结构不被破坏等特点，现已广泛应用于天然产物有效成分的提取方面［6－7］，本研究采用超声波法提取樟树籽油，并利用响应面设计优化其工艺参数，希望为开发利用樟树资源及工业化生产樟树籽油提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　材料与仪器

樟树籽：2011年11月采摘于江西南昌，55～60℃烘箱干燥，粉碎，贮存于干燥器中，备用。

101－4－BS型电热恒温鼓风干燥箱：上海跃进医疗器械厂；FLB－100型粉碎机：上海菲力博食品机械有限公司；KQ3200DB型数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；RE3000A 04087型旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；Shz－Ⅲ循环水真空泵：巩义市予华仪器责任有限公司；DL－1020低温冷却液循环泵：宁波江南仪器厂。

1.2　试验方法

1.2.1 樟树籽油提取

在250 mL三角瓶中，准确称取烘干至恒重适量的樟树籽粉，按一定的液料比加入提取溶剂，置于超声波提取器中，于设定功率超声提取一定时间后，真空抽滤，滤液使用旋转蒸发仪回收提取溶剂，（100±5）℃烘箱干燥，除去残余溶剂，直至前后2次质量差不超过0.001 g，得到樟树籽油。按下式计算樟树籽油提取率：

樟树籽油提取率 ＝（樟树籽油质量／樟树籽粉质量）×100%

1.2.2 樟树籽油提取的单因素试验

分别以不同的提取溶剂（石油醚、丙酮、正己烷、乙醚），液料比（mL／g）（5、10、15、20、25、30），提取时间（10、20、30、40、50、60 min）及提取功率（75、90、105、120、135、150 W）为单因素，考察各因素对樟树籽油提取得率的影响。

1.2.3 樟树籽油提取工艺的响应面法优化

根据单因素试验结果，采用Box－Behnken设计方法，以液料比、提取时间和超声功率为响应变量，分别以X1、X2和X3表示，并以 －1、0、1分别代表变量的水平，以樟树籽油提取率（Y）为响应值，通过响应曲面分析（response surface analysis，RSA）进行提取条件的优化。Box－Behnken设计试验因素和水平见表1，采用SASV8软件对试验数据进行回归分析［8－9］。

表1　响应面分析因子及水平表

2　结果与分析

2.1　单因素试验结果

2.1.1 提取剂对樟树籽油提取率的影响

不同溶剂对樟树籽油提取率的影响如图1所示。由图1可知，石油醚对樟树籽油的提取效果最佳，丙酮次之，正己烷与乙醚效果均不太理想。因此选择石油醚做为提取溶剂。

图1　溶剂对樟树籽油提取率的影响

2.1.2 液料比对樟树籽油提取率的影响

采用石油醚作为提取溶剂，考查不同液料比对樟树籽油提取率的影响，结果如图2。由图2可以看出，提取率随着液料比的增加而增加，当液料比达到15 mL／g时，樟树籽油提取率最高，当料液比再增加时，提取率变化不明显。最佳液料比为15 mL／g，因此选择10、15、20 mL／g为优化时料液比的3个水平。

图2　料液比对提取率的影响

2.1.3 提取时间对樟树籽油提取率的影响

固定液料比，石油醚作提取剂条件下，不同提取时间对樟树籽油提取率的影响如图3所示。由图3可以看出，随着提取时间的延长，樟树籽油提取率显著提高，但提取时间超过30 min后，樟树籽油提取率反而下降，可能是由于提取时间过长，部分脂肪水解或挥发所致。最佳提取时间为30 min，因此选择20、30、40 min为优化时提取时间的3个水平。

图3　时间对提取率的影响

2.1.4 超声功率对樟树籽油提取率的影响

固定液料比，石油醚作提取剂条件下，不同超声功率对樟树籽油提取率的影响如图4所示。由图4可以看出，樟树籽油提取率随超声功率的增多而增加，当超声功率大于135W后，樟树籽油提取率有所降低，但功率为120 W时与135 W时相近，为节约能源，选择105、120、135 W为优化时超声功率的3个水平。

图4　功率对提取率的影响

2.2　Box－Behnken设计试验

2.2.1 模型的建立与显著性检验

结合单因素试验，选择液料比、超声时间、超声功率3因素3水平，进行Box－Behnken中心组合试验设计和响应面分析，以确定樟树籽油超声提取的最佳工艺条件，试验设计及结果见表2。

表2　响应面试验设计方案及试验结果

以樟树籽油提取率（Y）为响应值，应用 SAS RSREG程序进行进行响应面回归分析，得到拟合方程：Y＝36．69－0．7363X1＋0．3550X2＋0．2488X3－0．1125X1X2－0．3100X1X3－0．0675X2X3－1．3100X12－2．0875X22－1．5100X32

回归方程中各变量对响应值影响的显著性由F检验来判定，概率“P＞F”值越小，则相应变量的显著程度越高。“P＞F”＜0.01时，影响为极显著，“P＞F”＜0.05时，影响显著。对表2中试验结果进行回归分析，得到的方差分析结果如表3所示。

表3　回归分析结果

由表3可知，料液比、提取时间和超声功率3个因素对樟树籽油提取率的影响顺序为：料液比＞提取时间＞超声功率。经方差分析得到：X1、X12、X22、X32影响极显著，X2项显著，总体来说一次项和二次项的影响是极显著，因而，各具体试验因子对响应值的影响不是简单的线性关系，但各种因素的交互作用的影响均不显著，说明各因素之间的交互作用很小。

整体模型的P＜0.01，表明该二次方程对试验拟合较好。相关系数R2为0.9883，说明模型响应值（樟树籽油提取率）的变化98.83%来自所选因变量，即提取液料比、提取时间和超声功率值，因此，回归方程可以较好地描述随机因子与响应值之间的关系。

根据回归方程，做出响应曲面图及其等高线图（图5～图7），所拟合的响应曲面和等高线图能比较直观的反应各因素和各因素间的交互作用。3个图中的等高线均为比较圆的形状，同时在两个因子中一个因子低编码值和高编码值时，响应值Y随着另一因子的变化趋势相同。说明两因子交互效应不显著，这与方差分析的结果相吻合。图5～图7显示，3个响应曲面均为开口向下的凸形曲面，同时等高线最小圆的中心在所选的－1～1范围内，说明响应值（樟树籽油提取率）在3个因子设计的范围内存在最大值。

图5　Y＝f（X1，X2）的响应面图和等高线图

图6　Y＝f（X1，X3）的响应面图和等高线图

图7　Y＝f（X2，X3）的响应面图和等高线图

2.2.2 最佳工艺条件的预测与检验

为确定各因素的最佳取值，利用SAS软件进行岭脊分析，得出回归模型存在最大值点，Y的最大估计值为 36.83%，此时（X1，X2，X3）的代码值为（－0.298 055，0.091 268，0.110 923）。与之对应的实际值为料液比（X1）＝13.51，时间（X2）＝30.91，功率（X3）＝121.66 W。为实际操作方便，选取料液比X1＝14 mL／g，X2＝31 min，X3＝120 W，在此优化条件下共进行3次平行验证试验，结果见表4。试验结果樟树籽油提取率为37.45%与预测值36.83%是非常接近的，相对误差1.68%。

表4　验证试验结果（n＝3）

2.3　樟树籽油的质量指标

本试验提取得到的油脂具有樟树籽油特有的芳香气味，无异杂味，浅棕黄色，澄清透亮，经检测分析，理化指标及脂肪酸组成见表5和表6。

表5　樟树籽油主要理化性质

表6　樟树籽油脂肪酸组成

3　结论

通过单因素试验和Box－Behnken试验设计及响应面分析方法，对超声提取樟树籽油的工艺进行优化，最佳工艺条件为液料比14 mL／g、超声时间31 min、超声功率 120 W，测得的实际提取率为37.45%，与预测值相对误差为1.68%，并得到樟树籽油提取率与超声处理各因素变量的二次回归方程模型，该模型回归极显著，对试验拟合较好。

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