响应面法优化紫苏饼粕残油的提取条件

李晓君 韩飞燕 李会珍 陈 铁 张志军 孙子文

（中北大学化工与环境学院1，太原 030051）（忻州师范学院2，忻州 034000）

响应面法优化紫苏饼粕残油的提取条件

李晓君1韩飞燕2李会珍1陈 铁1张志军1孙子文1

（中北大学化工与环境学院1，太原 030051）（忻州师范学院2，忻州 034000）

以紫苏饼粕为原料，对紫苏饼粕残油的有机溶剂浸提法提取工艺进行了研究。采用单因素试验方法，对其提取溶剂、颗粒度、液固比、提取温度、提取时间和提取次数进行筛选，并采用Box－Benhnken中心组合设计和响应面法对其最佳提取工艺进行优化。结果表明，紫苏饼粕残油的最佳提取工艺条件为：原料颗粒度为60目，提取溶剂为石油醚（60～90℃），液固比为6∶1，提取温度为66.7℃，提取时间为4.6 h，提取次数为2次，提取率可达11.38%。

紫苏饼粕 残油 响应面法 提取工艺

紫苏（Perilla frutescens）系唇形科紫苏属一年生草本植物，为我国传统的药食、油料作物，作为多用途的经济植物在我国已有2000余年的栽培历史［1－3］。紫苏是卫生部第一批规定的既是药物又是食品的60种作物之一，其适应性强，耐贫瘠耐寒，非常适于土壤干旱和贫瘠地区的大面积种植。国内外研究表明，紫苏籽油具有降血脂、提高记忆力、抗衰老、抗过敏性炎症等众多生理功能［4－8］，而且具有高碘值、高干性、高不饱和性的“三高”特性［9－11］，所以紫苏籽油既是一种理想的保健用油，又是一种品质较高的工业用油。目前紫苏籽油的生产主要为压榨法，其产生的饼粕含有粗脂肪、粗蛋白、多糖、单宁和植酸等多种有效成分［12－14］，尤其是压榨后残留的油脂成分，如果采用合适的方法进行提取，不仅有利用其他活性成分的提取和延长饼粕的保藏期，而且提取的残油可以用于保健用油和工业用油，所以开发利用紫苏饼粕残油具有广阔的市场前景和研究意义。

紫苏饼粕残油的提取工艺受到多因素的影响，各因素之间还存在着交互作用。通过改变提取温度、时间、液固比等相关条件，可以引起残油提取率的显著改变，所以通过优化提取条件使得提取率达到最大化，在紫苏饼粕残油的提取研究中显得尤为重要。鉴于此，本试验以Box－Benhnken中心组合设计原理和响应面法，对紫苏饼粕残油提取工艺进行优化，以期获得残油提取的最佳工艺，为紫苏饼粕残油的开发和应用提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料和主要仪器

紫苏饼粕（紫苏籽经螺旋式榨油机冷压榨紫苏油后获得，粗脂肪质量分数12.5%），由中北大学生物资源化工研究所提供。

GC－7900气相色谱仪：上海天美科学仪器有限公司。

1.2 提取工艺

将紫苏饼粕干燥、粉碎，根据各种因素进行浸提，收集合并提取液，将提取液真空浓缩回收溶剂，经过真空干燥后即得残油，计算提取得率（式1），并采用气相色谱法测定α－亚麻酸含量［15］。

残油得率＝残油质量／饼粕质量×100% （1）

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验

对提取溶剂、原料颗粒度、提取次数、液固比、提取时间、提取温度进行单因素试验，分别考察这几个因素对紫苏饼粕残油提取率的影响，从试验结果分析确定考察区间，以此作为中心组合设计试验方案的基础。

1.3.2 响应面法优化提取工艺

采用Box－Bohnken中心组合设计原理和响应面法优化紫苏饼粕残油的提取工艺。在单因素试验的基础上，采用颗粒度为60目的紫苏饼粕为原料，石油醚（60～90℃）为提取溶剂，提取次数为2次，以提取率为响应值（Y），以液固比（X1）、提取温度（X2）和提取时间（X3）分别为自变量，共设计17个处理组。

1.4 紫苏饼粕残油理化性质测定

测定提取得到的紫苏饼粕残油理化性质，指标和方法分别为：相对密度 GB／T 5526—1985，烟点 GB／T 17756—1999附录 B，水分及挥发物 GB／T 5528—2008，酸值 GB／T 5530—2005，碘值 GB／T 5532—1995，过氧化值 GB／T 5538—2005，皂化值 GB／T 5534—2008。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 提取溶剂的影响

以经过60℃烘干至恒重的紫苏饼粕为原料，粉碎后过40目筛，称取100 g（下同）分别以正己烷、石油醚（沸程30～60℃）、石油醚（沸程60～90℃）、乙酸乙酯、丙酮为提取溶剂，在液固比5∶1（单次，下同），提取温度60℃，提取时间3 h的情况下，提取2次，分别得到5种提取溶剂的提取物，以产物得率和α－亚麻酸含量比较分析5种不同溶剂的提取效果（见表1）。

由表1可知残油提取率由高到低为丙酮＞乙酸乙酯＞石油醚（60～90℃）＞石油醚（30～60℃）＞正己烷，但是α－亚麻酸含量由高到低为石油醚（60～90℃）＝石油醚（30～60℃）＞正己烷 ＞乙酸乙酯＞丙酮。由于乙酸乙酯和丙酮的极性较大，提取物中不仅有残油，还包括一些其他的物质，导致其提取率较高，但提取物的色泽较差，α－亚麻酸的含量也偏低，这将给后续工艺带来麻烦，所以综合考虑选择石油醚（60～90℃）为试验的提取溶剂。

2.1.2 原料颗粒度的影响

以粉碎分别过 20、40、60、80、100目筛子后的紫苏饼粕为原料，在液固比5∶1，提取温度60℃，提取时间3 h，提取2次的条件下，以产物得率和α－亚麻酸含量比较不同颗粒度原料的效果（见表1）。试验结果表明，原料的颗粒度大小对提取率的影响较大，随着粒度的减小提取率先增加后减小，在60目时达到最大值，但α－亚麻酸含量变化不明显。综合考虑试验成本，提取原料的颗粒度应采用60目。

2.1.3 提取次数的影响

以颗粒度为60目的紫苏饼粕为原料（下同），在液固比5∶1，提取温度60℃，提取时间3 h的条件下，分别提取1、2、3、4次，以产物得率和α－亚麻酸含量比较提取次数的效果（见表1）。试验结果表明，紫苏饼粕残油的提取率随着提取次数的增加而增大，但在提取2次后变化趋于平缓，而且α－亚麻酸含量在2次提取以后有所下降，这说明当提取次数达到2次后，虽然提取产物有所增加，但是有效成分已经基本提取完全，所以含量有所下降，增加提取次数对于试验的成本和后处理都带来不利影响。综合考虑试验需求，后者提取试验均采用2次提取。

表1 提取因素对紫苏饼粕残油提取率和α－亚麻酸含量的影响

2.1.4 提取时间的影响

液固比5∶1，提取温度60℃，提取2次的条件下，考察提取时间对产物得率和α－亚麻酸含量的影响（见表1）。由表1可知，随着提取时间的延长提取物的得率有所增加，但继续延长到4 h以后时，提取物得率和α－亚麻酸含量基本无变化，说明已经提取完全。综合考虑考察指标和试验需求，提取时间考查水平值定位为4 h。

2.1.5 提取温度的影响

在液固比5∶1，提取时间3 h，提取2次的条件下，以残油得率和α－亚麻酸含量比较分析提取温度对试验的影响（见表1）。由表1可知，随着提取温度的增加，提取率先增加后减小，在60℃达到最大值，而α－亚麻酸含量无明显变化，综合考虑提取温度的考查水平值定为60℃。

2.1.6 液固比的影响

提取温度60℃，提取时间3 h，提取2次的条件下，液固比对残油得率和α－亚麻酸含量的影响同样见表1。随着液固比的增大，提取物得率在5∶1和6∶1时达到最大值，继续增大液固比，提取率反而有所下降，α－亚麻酸含量也略有降低。综合考虑，以5∶1为响应面设计试验的中心水平因素。

2.2 响应面分析

2.2.1 试验设计及结果

从单因素试验结果看，在提取溶剂、颗粒度和提取次数一定情况下，各试验测定得到的α－亚麻酸含量指标都集中在60.0%～60.7%，所以在中心组合设计试验中仅以紫苏饼粕残油的得率为考察目标。在单因素试验结果的基础上，确定以颗粒度为60目的紫苏饼粕为原料，石油醚（60～90℃）为提取溶剂，提取次数为2次，分别以提取时间、提取温度和液固比为考察因素，根据Box－Bohnken中心组合设计原理，设计三因素三水平的响应面分析试验，17个试验点的结果见表2。

表2 试验方案及结果

2.2.2 方差分析及二次回归模型的拟合

通过Design－Expert 8.0数据分析软件对试验结果进行分析，方差分析如表3所示。在一次项中，液固比和提取温度对提取物得率的影响达到显著性水平（P＜0.05），在二次项中，提取温度和提取时间达到显著性水平（P＜0.05），这表明3个因素对残油的提取率有直接关系，是主要的限制因子，其较小的变化可引起提取率相当大的改变。由于各因素对紫苏饼粕残油提取率的影响不是简单的线性关系，为了更明确各因子对其的影响，因此采用软件对残油的提取率进行二次回归模型拟合，回归方程如下：

方程的显著性分析得F＝8.967 967，相应的概率值P＜0.05，表明该方程模型是显著的。失拟项值为0.001 3没有达到显著水平，表明非试验因素对试验结果的影响不大，说明该模型较适合紫苏饼粕残油提取条件的筛选。

表3 回归模型的方差分析

2.2.3 响应因子水平的优化

响应面图形是响应值Y对应于试验因素X1、X2、X3所构成的三维空间的曲面图，其可以直观的反映各因素及它们之间的交互作用对响应值的影响。为了更直观地表现2个因素同时对残油提取率的影响，令其他因素水平值为0，仅考虑这2个因素对提取率的影响，绘出相应的响应面图。由图1可知，当其中2个变量取最佳值，响应面的最高点在另一项的设计取值范围内，说明响应面各变量设计良好，可以求解响应值最高点。用Design－Expert8.0软件中的Box－Benhnken模块对试验模型进行典型性分析，以获得最优的提取条件，可进一步得到紫苏饼粕残油提取的最优工艺条件：以颗粒度为60目的紫苏饼粕为原料，石油醚（60～90℃）为提取溶剂，液固比6∶1，提取温度66.7℃，提取时间4.6 h，提取2次，紫苏饼粕残油得率为11.46%。为了验证响应面法的可行性，采用得到的最佳提取工艺进行紫苏饼粕残油提取试验，共进行5次重复，结果依次为：11.4%、11.3%、11.4%、11.4%、11.4%，平均值为（11.38±0.04）%。结果表明，紫苏饼粕残油在优化后的提取率与最大提取率的预测值很接近，预测值与实测值之间具有良好的拟合性，表明所建模型的有效性，说明回归方程能较真实地反映各因素对紫苏饼粕残油提取率的影响。

表4 紫苏饼粕残油的理化性质

图1 三维响应面分析

2.3 紫苏饼粕残油的理化性质

紫苏饼粕残油的理化性质测定结果见表4。由表4可知，与大豆油和菜籽油的国标相比，烟点、水分及挥发物含量、酸值和过氧化值都符合标准。碘值和皂化值比大豆油和菜籽油要偏高，说明紫苏饼粕残油的不饱和脂肪酸的含量高和甘油酯的相对分子质量小。

3 结论

通过单因素试验研究了提取溶剂、饼粕颗粒度、提取次数、液固比值、提取温度和提取时间对紫苏饼粕残油提取率的影响。在此基础上，采用 Box－Benhnken中心组合设计原理和响应面法，建立了紫苏饼粕残油提取率的模型，所得回归方程显著，可以进行提取率的预测。应用响应面设计法获得最优的提取条件为：原料颗粒度为60目，提取溶剂为石油醚（60～90℃），液固比为6∶1，提取温度为66.7℃，提取时间为4.6 h，提取次数为2次，紫苏饼粕残油得率为11.46%。对该优化条件进行试验验证，残油得率为（11.38±0.04）%，为工业化提取紫苏饼粕残油提供了技术依据。

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Extraction Conditions of Residual Oil from Perilla Seed Meal by Response Surface Methodology

Li Xiaojun1Han Feiyan2Li Huizhen1Chen Tie1Zhang Zhijun1Sun Ziwen1
（Institute of Chemical and Environmental Engineering，North University of China1，Taiyuan 030051）（Xinzhou Teachers University2，Xinzhou 034000）

The residual oil extraction process from perilla seed meal by the organic solvent method was studied.Effects of different solvents，particle size，liquid to solid ratio，extraction temperature，extraction time and extraction times were discussed by single factor tests.Central composite design and response surface methodology were used to investigate the effects of three independent variables，including liquid to solid ratio，extraction temperature and extraction time and on the yield of extract product.The results showed that the optimum conditions were particle size 60 mesh，extraction solvent petroleum ether（60～90℃），extraction time 4.6 h，extraction temperature 66.7℃，liquid to solid 6∶1 and extracting two times，and the extraction yield of residual oil was 11.38%.

perilla seed meal，residual oil，response surface methodology，extraction technology

TS225.1

A

1003－0174（2015）04－0067－05

山西省回国留学人员科研资助（2013－080），山西省国际科技合作项目（2013081004）

2013－12－10

李晓君，男，1983年出生，博士，植物资源开发与利用

张志军，男，1973年出生，教授，植物资源开发与利用