基于响应面法对油樟籽油超声波提取工艺的优化

胡文杰 许樟润 李冠喜

(井冈山大学生命科学学院1，吉安 343009) (连云港农业科学院2，连云港 222006)

基于响应面法对油樟籽油超声波提取工艺的优化

胡文杰1许樟润1李冠喜2

(井冈山大学生命科学学院1，吉安 343009) (连云港农业科学院2，连云港 222006)

为了提高油樟籽油的提油率和品质，通过响应面分析法优化超声波提取油樟籽油工艺。采用单因素试验方法，对其提取溶剂、提取时间、料液比及提取功率进行筛选，并利用响应面试验中的 Box-Benhnken 试验设计对提取工艺进行优化。结果表明，模拟得到的二次多项式回归方程拟合性好，油樟籽油提取的最佳工艺条件为：以石油醚为溶剂，提取时间44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，提取率可达 37.54%；油樟籽油各项理化性质测定结果，碘值 5.354 gI/100 g、酸值 0.168 mgKOH/g、皂化值 285.73 mgKOH/g、折光指数 1.439 1和相对密度 0.924 0 g/cm3；其脂肪酸的成分含有油酸(1.15%)、亚油酸(0.83%)、亚麻酸(0.18%)、癸酸(56.03%)、月桂酸(36.08%)、肉豆蔻酸(1.05%)、棕榈酸(0.24%)和硬脂肪酸(0.71%)；油樟籽油的理化性质、脂肪酸组成符合用作生物柴油、医药和功能性油脂生产的原料。

油樟籽油 超声波 响应面法 提取工艺

樟树(CinnamomumCamphora)是属于樟科樟属的常绿性乔木，在我国分布广泛[1]。樟树按照枝叶精油主成分的不同，可分为油樟(主含桉叶油，下同)、芳樟(芳樟醇)、脑樟(樟脑)、龙脑樟(右旋龙脑)和异樟(异-橙花叔醇) 5种化学型[2]。油樟是樟树5种化学型之一，其全身都是宝，尤其是油樟的种子，可榨油供制皂、作润滑油等用途，是一种极具开发价值的植物资源。但由于目前对油樟籽的开发利用不够，每年秋末冬初，大量的油樟籽散落于城乡各地，不仅浪费资源而且还污染环境[3]。为了有效利用油樟籽的资源，减少环境污染，提高其加工产品附加值，因此研究油樟籽的提取工艺具有重要的现实意义。

目前有关油樟的研究主要集中在化学成分分析[4-6]、抑菌[7-10]、生理生态[11]及油细胞结构[12]方面。但油樟籽油提取工艺的研究鲜见报道。超声波法提取与传统的提油法相比具有速度快、抽提温度低、常压提取、提取效率高、能耗少、无副产物，无环境污染等优点[13-14]，是一种较为理想的提取方法。响应面法具有使用简便、精度高、预测性好的优点，能解决多变量问题的一种统计方法[15]。本研究以油樟籽为原料，探讨各因素对超声波提取油樟籽油的影响，在此基础上通过响应面优化了提取工艺，并且测定了油樟籽油理化性质和脂肪酸的组成，旨在为油樟籽的综合开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与主要仪器

油樟果实于2014年11月采自江西吉安。

RE-52 A型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂； GZX-9140 MBE 数显鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂； FW 117中草药粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司；HH-6 数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；BS 24 S电子天平：赛多利斯北京公司；超声波细胞粉碎机JY88-11型：宁波新芝生物科技有限公司；LD 5-10型离心机：北京京立离心机有限公司；GCMS-QP 2010气相色谱-质谱联用仪：日本岛津公司。

1.2 试验方法

1.2.1 油樟籽油的提取

油樟果实采集后，用清水将油樟果实洗净，浸泡24 h时，剥去果肉，将油樟籽放入电热鼓风干燥箱内60 ℃ 烘干，冷却至常温后，用粉碎机粉碎，密封放入干燥器中备用。油樟籽含油为44.85%。

以油樟籽粉为原料，加入提取溶剂，设定提取工艺参数进行超声波提取，提取两次，合并提取液，离心滤液，再用旋转蒸发器去除有机提取剂，(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，得到油樟籽油。按下式计算油樟籽油提取率：提取率=(油樟籽油质量/油樟籽粉质量)×100%。

1.2.2 油樟籽成分的测定

水分测定：参照GB/T 5009.3—2003；粗脂肪：索氏提取法，参照GB/T 5009.6—2003；果胶的测定：采用重量法；粗蛋白：凯氏定氮法，参照GB/T 5009.5—2003；灰分测定：参照GB/T 5009.4—2003；总糖含量测定：酸水解-直接滴定法。

1.2.3 单因素试验设计

将分别以不同的提取溶剂(乙醚、石油醚、正己烷、丙酮)、提取时间(20、30、40、50、60 min)、料液比 (1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL)及提取功率 (50、100、150、200 W)为单因素，考察各因素对油樟籽油提取率的影响。

1.2.4 响应面试验设计

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验设计原理，选择提取时间、料液比及提取功率为考察对象，以油樟籽油提取率为响应值，通过响应曲面分析(RSA)进行了提取条件的优化。Box-Behnken设计试验因素和水平见表1。

1.2.5 油樟籽油理化性质的测定

测定提取得到的油樟籽油理化性质，指标和方法分别为：碘值 GB/T 5532—1995；酸值 GB/T 5530—2005；皂化值 GB/T 5534—2008；相对密度 GB/T 5526—1985；折光指数 GB/T 5527—2010。

1.2.6 样品的甲酯化

称取0.2 g 油樟籽油于20 mL 试管中，加入0.5 mol/L的氢氧化钾-甲醇溶液2 mL，60 ℃ 水浴中加热30 min至油珠完全消失，冷却后加入25%的三氟化硼甲醇溶液3 mL，于60 ℃水浴酯化25 min，冷却后加入2 mL正己烷，振摇，加入2 mL饱和氯化钠溶液，摇匀，静置，取上层(正己烷层)溶液进行GC-MS分析，面积归一化法定量。

1.2.7 脂肪酸组成测定

GC条件：色谱柱为30 m×0.25 mm×1.25 μm的DB-5 MS柱，程序升温：初始温度80 ℃保持2 min，以10 ℃/min 升至160 ℃，保持8 min，再以8 ℃/min升至280 ℃保持5 min；进样口温度280 ℃，载气为He，流速1.0 mL/min，进样量0.1 μL，分流比80∶1。

MS条件：EI离子源，发射电流：0.3 mA，电离能量：70 eV，离子源温度：250 ℃，扫描范围(m/z)：30～550。

2 结果与分析

2.1 油樟籽的化学成分分析

油樟籽中含有水分8.73%，总灰分3.59%，总糖4.92%，果胶2.48%，另外，还含有较高含量的粗脂肪59.37%和粗蛋白10.16%。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 提取溶剂对油樟籽油提取率的影响

采用4种不同溶剂分别提取油樟籽油，提取率结果见图1。由图1可知，石油醚对油樟籽油的提取效果最好，为35.57%；其次是丙酮，正己烷提取率最低。可见，石油醚与油樟籽油的极性最为相近，因此，石油醚适用于提取油樟籽油。

图1 提取溶剂对油樟籽油提取率的影响

2.2.2 提取时间对油樟籽油提取率的影响

采用石油醚作为提取溶剂，设定料液比为1∶20 g/mL，提取功率为150 W，考查不同提取时间对油樟籽油提取率的影响，结果见图2，从图2可知，提取时间在20～40 min之间，油樟籽油的提取率随着时间的延长不断地增加，40 min时提取率达到最大，随着超声波提取时间进一步延长，油樟籽油的提取率反而下降，可能是因为长时间的超声作用使得油樟籽油部分分解或挥发所致，因此，提取时间选择40 min最为合适。

图2 提取时间对油樟籽油提取率的影响

2.2.3 料液比对油樟籽油提取率的影响

在以石油醚为提取溶剂、提取时间40 min及提取功率为150 W的条件下，考查不同料液比对油樟籽油提取率的影响，结果如图3，从图3 可知，随着料液比的增加，油樟籽油提取率先逐渐升高后略有降低，当料液比为1∶20 g/mL时油樟籽油提取率达到最大值，之后随着料液比增大，油樟籽油提取率变化较平缓且有所降低的趋势。这可能溶剂量越大，体系渗透压也越大，油脂越容易渗透出来，但也存在一个最适浓度，超过了这个浓度，籽油提取率反而有所降低。因此，为了保证油樟籽油的完全提取且有效节约成本，综合考虑，选择1∶ 20 g/mL为最适料液比。

图3 提取时间对油樟籽油提取率的影响

2.2.4 提取功率对油樟籽油提取率的影响

在以石油醚为提取溶剂、提取时间40 min及料液比为1∶20 g/mL的条件下，考查不同提取功率对油樟籽油提取率的影响，结果见图4，根据图4可知，随着提取功率的增大，油樟籽油提取率也随着增加，当提取功率增加至150 W时，油樟籽油提取率也达到37.14%，随后增加提取功率，油樟籽油提取率有所下降的趋势，这可能提取功率越大，其空化作用越强，空化现象越剧烈，媒质粒子的速度和加速也越大，界面扩散层上的分子扩散就越快，油脂渗透出来的速度就越大，但提取功率超过一定值时，籽仁内外渗透压达到平衡，随着提取功率进一步增大，籽油提取率反而下降。为了节约能源和成本，因此选择提取功率为150 W最为合适。

图4 提取功率对提取率的影响

2.3 响应面优化试验结果

结合单因素试验，选择提取时间、料液比和提取功率三因素三水平(见表1)，进行Box-Behnken中心组合试验设计和响应面分析，以优化油樟籽油的超声波提取工艺。试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果

以油樟籽油提取率(Y)为响应值，通过 RSA 程序对表 3 的试验结果进行响应面回归分析，得到二次多项回归模型方程如下:

Y=37.28+1.41X1+0.86X2+0.68X3+0.17X1X2+0.72X1X3-0.51X2X3-2.14X12-2.18X22-1.93X32

对该模型进行方差分析，结果见表 3。

由表 3 可知，整体模型影响因素与回归方程的关系达到极显著水平(P<0.01)，表明二次方程对试验拟合较好，相关系数R2=0.993 9，说明模型符合度达到了99.39%，能够较准确的预测和分析实际情况。响应值(油樟籽油提取率)的变化来自所选的因变量，即提取时间、料液比和提取功率。因此可以用该方程对试验结果进行分析。提取时间对油樟籽油提取率的影响最显著，然后是液料比和提取功率。X1、X2、X3、X1X3、X12、X22、X32影响极显著；交互项X2X3对油樟籽油提取率的影响影响极显著；而交互项X1X2影响不显著，表明X1X2的交互作用较小。

表3 多元回归分析结果

注：*表示P<0.05水平显著，**表示P<0.01水平极显著。

2.4 交互作用项等高线图和响应面分析

在响应面分析法中，通常用响应面图和等高线的形状来直观地反映两个因素交互效应的大小。圆形表示交互作用不显著，椭圆形则表示交互作用显著[16]。

由图 5 可知，提取时间与料液比的交互项的等高线的形状呈圆形，而等高线的形状反映交互效应强弱的大小，圆形表示两因素交互作用未达显著水平。且等高线沿时间轴方向变化相对密集，说明提取时间对油樟籽油提取率的影响比料液比大，这与方差分析的结果相吻合。

从图6可以看出，提取时间与提取功率的交互项的等高线图颜色对比强烈，说明交互作用极显著，等高线的形状反映交互效应强弱的大小，椭圆形表示两因素交互作用极显著。此外，沿时间轴方向的等高线密度变化略高于提取功率方向的变化，说明提取时间对油樟籽油提取率的影响要大于提取功率。

由图7可知，料液比与提取功率的交互项呈比较典型的椭圆形，说明两因素交互作用显著。此外，沿料液比轴方向的等高线密度变化略高于提取功率方向的变化，说明料液比对油樟籽油提取率的影响要大于提取功率。

2.5 最优条件的确定及试验验证

采用 Design-Expert 8.5 b分析试验测试结果，可得出最大响应值(Y)时对应的编码值为：X1=0.37，X2=0.19，X3=0.22。根据编码值与非编码值的转换式解得响应面法对油樟籽油提取条件的最佳工艺条件为：提取时间(X1)=43.7 min，料液比(X2)=1∶20.95 g/mL，提取功率(X3)=161 W，在此工艺条件下，其最大籽油提取率理论值为37.70%。为了方便该模型的实际生产操作，将油樟籽油的提取工艺参数修正为提取时间44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，在此条件下共进行5次平行验证试验，得到油樟籽油的平均提取率为37.54%，与预测值37.70%是非常接近的，相对误差0.42%。与史亚亚[17]采用溶剂法提取樟树籽油的结果(提取温度60 ℃、液料比10、提取时间8 h，在此条件下，樟树籽油提油率为36.97%)相比较，本试验采用超声波提取籽油的提取率比其溶剂法高1.97%，且超声波比溶剂法提取时间更短，从生产成本上考虑，是一种短时高效的的提取方法。因此采用修正后的方法得到的提取参数准确可靠，具有一定实用价值。

图5 Y=f(X1,X2)的等高线图和响应面图

图6 Y=f(X1,X3)的等高线图和响应面图

图7 Y=f(X2,X3)的等高线图和响应面图

2.6 油樟籽油的主要理化性质及脂肪酸组成分析

2.6.1 油樟籽油的主要理化性质

从表4可以看出，本试验所测的主要理化性质为碘值5.354 gI/100 g、酸值0.168 mgKOH/g、皂化值285.73 mg KOH/g、折光指数1.439 1、相对密度0.924 0 g/cm3。与史亚亚[17]采用溶剂法萃取的樟树籽油的主要理化性质分析结果有所差异，本试验除了酸值比其所测的低外，碘值、相对密度和皂化值差异不大，这可能与樟树的化学型、环境、提取工艺等因素有关。但本试验所测的主要理化性质结果与邓丹雯[18 ]采用超临界CO2萃取的籽油所测的相近。从超声波提取油樟籽油的酸值低来看，其籽油品质比较适用于作生物柴油、医药和功能性油脂生产的原料。

表4 油樟籽油的主要理化指标

2.6.2 油樟籽油脂肪酸组成

从表 5 可以看出，油樟籽油中含有油酸、亚油酸、亚麻酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂肪酸。与史亚亚[17]采用溶剂法萃取的樟树籽油脂肪酸组成有较大差异，仅有5种共有成分，分别为油酸、亚油酸、癸酸、月桂酸和肉豆蔻酸。除此之外，本试验还检测到3 种脂肪酸，分别为亚麻酸、棕榈酸和硬脂酸；而文献报道的辛酸和软脂酸在本试验中尚未检测到。这些籽油品质的差异可能与原料产地、气候、提取条件等有关，有待于进一步研究。此外，油樟籽油以饱和脂肪酸为主，总量达到94.11%，其中癸酸和月桂酸占了 92.11%，主要含有癸酸的油樟籽脂肪油可被试制成癸酸甘油脂，用于治疗脂肪代谢紊乱病症。

表5 油樟籽油脂肪酸组成

3 结论

3.1 通过单因素试验研究了提取时间、料液比和提取功率对油樟籽油提取率的影响。在此基础上，采用 Box-Benhnken 中心组合设计原理和响应面分析法，对超声波提取油樟籽油的工艺条件进行优化，最佳工艺条件为提取时间44 min、料液比1∶21 g/mL、提取功率161 W，测得的实际为37.54%，与预测值相对误差0.42%。

3.2 油樟籽油脂肪酸含有油酸(1.15%)、亚油酸(0.83%)、亚麻酸(0.18%)、癸酸(56.03%)、月桂酸(36.08%)、肉豆蔻酸(1.05%)、棕榈酸(0.24%)和硬脂肪酸(0.71%)；理化性质为碘值5.354 gI/100 g、酸值0.168 mgKOH/g、皂化值285.73 mg KOH/g、折光指数1.439 1和相对密度0.924 0 g/cm3，符合作生物柴油、医药和功能性油脂生产的原料，具有很好的开发利用前景。

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Optimization for Ultrasonic Extraction Technology of Cinnamomum Longepaniculatum Seed Oil Based on Response Surface Methodology

Hu Wenjie1Xu Zhangrun1Li Guanxi2

(College of Life Sciences, Jinggangshan University1, Ji′an 343009) (Lianyungang Academy of Agricultural Sciences2, Lianyungang 222006)

In order to improve oil extraction rate and quality of cinnamomum longepaniculatum seed oil, response surface methodology was applied to optimize techniques of ultrasonic extraction of cinnamomum longepaniculatum seed oil. Single factor experiment was used, extraction solvent, extraction time, ratio of material and solution and extraction power were screened, and the extraction techniques were optimized by Box-Behnken experiment design in response surface experiment. The results showed that fitting of quadratic polynomial regression equation gained by simulation was good and the optimal technological conditions were petroleum ether serving as solvent, extraction time being 44 min, ratio of material and solution being 1∶21 g/mL and extraction power being 161 W, and the extraction yield of cinnamomum longepaniculatum seed oil could reach 37.54%. The various physicochemical properties of the cinnamomum longepaniculatum seed oil were as follows: iodine value of 5.354 gI/100 g, acid value of 0.168 mgKOH/g, saponification value of 285.73 mgKOH/g, refractive index of 1.439 1 and relative density value of 0.924 0 g/cm3. The fatty acids contained oleic acid (1.15%), linoleic (0.83%), linolenic acid (0.18%), capric acid (56.03%), lauric acid (36.08%), myristic acid (1.05%), palmitic acid (0.24%) and stearic acid (0.71%). physicochemical property and composition of fatty acid of cinnamomum longepaniculatum seed oil met the raw material of biodiesel standards, medicine and functional oil production.

cinnamomum longepaniculatum seed oil, ultrasonic, response surface methodology, extraction technology

江苏省自然科学基金(BK20151278)，井冈山大学博士启动项目(JZB1309)

2015-07-18

胡文杰，男，1974年出生，讲师，植物资源开发与利用

李冠喜，男，1970年出生，研究员，生物资源开发与利用

TS201.1

A

1003-0174(2017)02-0109-07