紫苏籽精油提取工艺及其脂肪酸构成的研究

李占君 张志环 张厚良 郭兴 祖元刚 杨逢建

摘 要：为研究紫苏籽精油提取工艺及其脂肪酸构成，采用微波辅助提取工艺，Box-Behnken设计方法对实验影响因素进行评价，通过二次多项式模型对微波辅助提取工艺予以优化，并对所得脂肪酸进行GC-MS分析。最终优化所得各实验影响因素参数：体积分数70 % 乙醇/水混合溶液为提取溶剂，预浸提处理45 min，微波时间 8 min，微波功率523 W，料液比 1：9 g/ml， 紫苏籽精油实际提取率为38.02 %与预期理论值38.66 %吻合度较好，气相色谱可知：该种紫苏籽精油不饱和脂肪酸含量较高，α-亚麻酸含量为64.41%。结论： 响应面优化微波辅助提取紫苏籽精油工艺，能够较好地模拟和预测实验结果。

关键词：紫苏籽精油;微波辅助;响应面优化;最佳工艺参数：气相色谱分析;α-亚麻酸

中图分类号：TQ645.2                文獻标识码：A                文章编号：1006-8023（2019）01-0036-06

Abstract： In order to study the extraction process and composition of essential oil of Perilla seed， microwave assisted extraction technology was applied， Box-Behnken design method was used to evaluate the experimental factors. The correlation analysis of mathematical-regression models indicated that quadratic polynomial model could be employed to optimize the microwave assisted extraction， and the fatty acids were analyzed by GC-MS. Finally， the parameters of influencing factors were optimized： 70 % of ethanol/water as the extraction solvent， microwave pre-invasion treatment time of 45 min， microwave time of 8 min， microwave power of 523 W， and solid-liquid ratio of 1：9 g/ml. The actual yield was 38.02 %， which well matched with the predicted value of 38.66 %. The GC-MS showed that， the content of α-Linolenic acid was 64.41%， which with higher unsaturated fatty acid content. Conclusion： the results showed that the method of response surface optimization could simulate and predict well the extraction of essential oil from Perilla seed assisted with microwave.

Keywords： Perilla seed essential oil; microwave assisted; response surface optimization; optimum parameters; GC-MS; α-Linolenic acid

0 引言

紫苏Perilla frutescens （L.） Britt.为一年生、唇形科苏属、草本植物，又叫做赤苏、红紫苏、红苏[1-3]。紫苏籽精油中不饱和性脂肪酸含量较高，代表性不饱和脂肪酸为α-亚麻酸，是一种营养价值较高的天然植物油，现阶段紫苏籽精油的研究越来越受关注[4-5]。相关研究表明：紫苏油在消炎、抗病毒和镇静等诸多医疗方面具有较好的疗效，在食品、保健领域也有广泛的应用[6-7]。油脂提取常见方法包括：超声辅助提取法、微波辅助提取法、传统性索氏提取法、机械压榨法以及超临界CO2提取法等[8]。微波辅助提取法具有较高的辅助穿透性、提取过程中受热条件好、高选择性等特点，在植物活性物质分离、纯化的过程中得以广泛性应用[9-10]。

采用响应面分析法对微波辅助提取法工艺参数予以优化，针对紫苏籽精油中脂肪酸构成以及α-亚麻酸含量进行测定和分析，为紫苏籽精油在食品、医疗和油化工等诸多行业内的综合利用与开发提供有现实可靠的理论性依据与参考依据。

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

材料：紫苏籽，2017年9月份选购于黑龙江省伊春市，铁力林业局茂林河林场， 颗粒干燥、饱满、无霉变。

试剂：无水乙醇、超纯水及其余试剂均为国产分析纯，都是购于天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2设备与仪器

气相色谱质谱联用仪（型号：6890N-5975B，美国安捷伦仪器有限公司）;台式数控超声波清洗器（型号：KQ-250DB，昆山市超声仪器有限公司）;电子天平（型号：JA2003，上海精科厂）;转蒸发仪（型号：RE-52AA，上海亚荣）;中药粉碎机（型号：FW-135，天津奈斯特仪器有限公司）;电热鼓风干燥箱（型号：101-1，北京科伟永兴仪器有限公司）;循环水式多用真空泵（型号：SHB-IV， 郑州长城科工贸有限公司）;冰箱（型号：TCL BCD-226K3，TCL集团股份有限公司）;其他玻璃器皿（天津化学玻璃仪器厂）。

2 实验方法

2.1 原材料的预处理

对实验所需紫苏籽进行前期低温烘干预处理，紫苏籽粉碎至40目，紫苏籽粉末于恒温干燥箱中二次烘干，保证处理后的紫苏籽粉末含水率≤5%，留以备用[11-12]。

2.2 紫苏籽精油的提取

将经过预处理的实验材料置于微波辅助环境中，通过改变影响因素来影响最终提取效果，每组实验往复3次，待反应混合溶液冷却至室温，予以抽滤，以悬蒸的形式进行溶剂分离[13-14]。紫苏籽精油提取率计算公式为：

2.3 单因素析因实验

2.3.1 乙醇/水（v/v）体积分数

准确称量紫苏籽粉末10 g，预处理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波时间3 min，微波功率 230 W，同时选取体积分数为50 %、60 %、70 %、80 %、90 % 进行单因素实验。

2.3.2 微波功率

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液為提取溶剂，准确称量紫苏籽粉末10 g，预处理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波时间3 min，同时选取120、230、385、540、700 W进行单因素实验。

2.3.3 微波时间

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液为提取溶剂，准确称量紫苏籽粉末10 g，预处理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波功率230 W，同时选取2、4、6、8、10 min进行单因素实验。

2.3.4 料液比

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液为提取溶剂，准确称量紫苏籽粉末10 g，预处理浸提45 min，微波功率230 W，微波时间3 min，同时选取液料比1：6、1：8、1：10、1：12、1：14 g/ml进行单因素实验。

2.4 响应面的分析因素和水平的选取

运用Box-Behnken试验设计原理对影响紫苏籽精油提取率较为显著的微波功率（W）、微波时间（min）以及料液比（g/ml）进行三因素三水平的建立。见表1。

2.5 GC-MS的测定与分析条件

气相色谱条件：色谱柱： HP- 5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;升温程序为150 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至250 ℃，保持1 min;载气为高纯氦气（99.99 %）流速40 ml/min;进样量1 μl;分流比10：1;进样口温度：250 ℃。

质谱条件：电子轰击（EI）离子源;传输线温度280 ℃;离子源温度250 ℃;质量扫描范围50 ～ 1 000 m/z，全扫描。

3 结果与讨论

3.1 单因素实验

3.1.1 乙醇体积分数的选择

当乙醇体积分数低于70 % 时，提取率会随着乙醇体积分数的提高而相应得到提升，当乙醇体积分数为70 % 时，此时提取率提高幅度最大。当乙醇体积分数大于70 %时，提取率提高幅度变小，甚至有下降的趋势发生;这主要是因为乙醇溶液中的水分对紫苏籽物料起到一定程度的溶胀作用，这有利于提取反应混合溶液体系内物料与乙醇的接触面积，对提取过程有积极、促进性作用。当乙醇体积分数过大时，一方面乙醇混合溶液内部水分过少，使得物料溶胀不充分;另一方面混合溶液在乙醇体积分数过高的情况下，辅助提取反应过程中乙醇溶液会发生爆沸、挥发，从而导致活性物质提取率降低。在考虑实验效果与具体操作的情况下，选择体积分数为70 %的乙醇作为最佳提取溶剂。

3.1.2 微波功率的选择

当微波功率低于540 W时，提取率会因微波功率的加强而相应得以提升，且提升幅度较大、明显。主要因为这一阶段随着微波功率的加强，反应混合溶液体系内部在微波驱动力的作用下会产生大量气泡，该现象对混合体系内有机溶剂的浸入，对穿透物料粉末细胞组织有促进作用，最终达到提取率提升的目的。当微波功率达到540 W并继续加强，系统内部提取率提升幅度变小、逐渐变得不为明显，这是由于微波功率过高，导致溶剂过于沸腾，使得提取溶剂发生挥发、溢出，提取率受到影响，因此，选择540 W进行下一步的优化。

3.1.3 微波时间的选择

当微波时间低于6 min时，提取率会因微波时间的增加而相应得以提升，且提升幅度较大。主要因为在这一阶段随着微波时间的延长，紫苏籽粉末内部细胞所吸收的微波能量会随着时间的延长而得以增加，进而使得细胞发生破裂，该现象对混合体系内有机溶剂浸入、穿透物料粉末细胞组织有一定的促进性作用，最终达到提取率提升的目的。当时间达到6 min并继续延长时间，系统内部提取率提升幅度变小，这主要是因为当时间超过6 min时，混合溶液体系内部能量吸收以及溶液体系内部趋于饱和状态，致使提取率受到影响，因此，选择6 min进行下一步的优化。

3.1.4 料液比的选择

当液料比低于1：10时，提取率会因料液比的增加而相应得以提升，且提升幅度较大、明显。主要因为在这一阶段紫苏籽粉末提取不充分，仍有部分油脂未被提出存留在紫苏籽粉末中，适当的提高料液比会使得混合溶液处于一种不饱和状态，对混合体系内有机溶剂浸入、穿透物料粉末细胞组织有一定的促进性作用，最终达到提取率提升的目的。当料液比高于1：10时，反应混合溶液内部浓度过于稀释，过多的溶剂会吸收一定能量的微波，使得提取率有所下降，操作成本过高，因此选择1：10进行下一步的优化。

3.2 提取工艺的响应面优化

3.2.1 响应面优化方案及结果

在单因素实验的基础上，运用Box-Behnken试验设计原理选取对影响紫苏籽精油提取率较为显著的微波功率（W），微波时间（min）以及料液比（g/ml）这三因素予以三因素三水平的建立，对紫苏籽精油的提取工艺予以优化。对表 1中的试验数据进行回归分析处理，在表2的17个实验中具体分为两组实验编组，分别为1～12是析因试验，13～17是中心实验，以紫苏籽精油提取率为（Y）为响应值，进行回归拟合，最终得到的二次多元回归模型为：

对表3方差分析可知，响应值会受到所得回归方程中各变量影响因素的影响，而呈现显著程度上的差异。在F值与影响程度二者之间符合正相关性的基础上，以F值来判断各影响因素显著程度的强弱，最终可得出F值与影响程度的趋势。

实验操作过程中，影响因素影响程度为：A微波时间（min） > B微波功率（W）> C料液比（g/ml），其中A微波时间（min）与C料液比（g/ml）对紫苏籽精油提取率的影响交互性较为显著， A2、B2、C2最为显著。表中总模型方程 （Pr  > F） < 0.000 1，说明不同处理条件情况下整体模型具有一定程度的差异性极显著性。而模型中（Pr > F失拟）0.352 8 > 0.05，表明各影响因素之间的影响不为显著。对表4分析可知，Adj.R-Squared = 0.948 6，表明该模型响应值变化的可解释度为94.86 %，说明该模型模型拟合度较高，能够对整体实验过程中所优化各影响因素，进行合理的分析与预测。对微波功率与微波时间，微波时间与料液比，微波功率与料液比，三组参数之间的交互作用分析可知：紫苏籽精油提取率均具有显著性的影响。

对表4回归模型的决定系数分析可知，回归系数R2 = 0.977 5，表明模型相关度较好，实验情况合理。

响应面对微波时间与微波功率、微波时间与料液比、微波功率与料液比的优化实验伞壮图，得出最佳工艺参数为：溶剂体积分数70 %乙醇，预浸提处理45 min，微波时间8 min，微波功率523 W，料液比1：9 g/ml，理论预期提取率为38.66 %。

3.2.2 工艺验证性实验

为了检验试验结果可靠性，通过对响应面数据的分析，以优化得出的实验参数进行3次重复验证试验，所得到实际值平均提取值为38.02 %与理论预期值38.66 %接近，说明该种优化方式能够较好地模拟和预测提取率。

3.3 紫苏籽精油脂肪酸构成分析实验

气相色谱分析，由表5得知，该种紫苏籽不饱和脂肪酸含量较高，其不饱和脂肪酸的类型依次为棕榈酸、油酸、α-亚麻酸、肉豆寇酸;其中α-亚麻酸在脂肪酸中的相对含量最高为64.41%，油酸相对含量为13.52%，肉豆寇酸相对含量为13.02%，棕榈酸相对含量为7.02%。

4 结论

本实验采用RSM的三因素三水平Box-Behnken设计方法，对伊春地域性紫苏籽精油微波辅助提取进行了研究。实验结果表明响应面优化微波辅助提取紫苏籽精油的工艺具有可行性，经统计分析、验证性实验最终得出影响提取率各因素影响程度为：A微波时间（min） > B微波功率（W） > C料液比（g/ml），其中A微波时间（min）与C料液比（g/ml）对紫苏籽精油提取率的影响交互性较为显著;最佳工艺参数为：体积分数70 % 乙醇/水混合溶液为提取溶剂，预浸提处理45 min，微波时间8 min，微波功率523 W，料液比1：9 g/ml，其實际平均提取率为38.02%与理论预期值38.66 %接近，可见该模型的回归方程能较好地模拟和预测紫苏油的提取率。气相色谱分析可知：紫苏籽精油中α-亚麻酸相对含量最高为64.41%，提取出的紫苏籽精油脂色泽淡黄、澄清，具有一定的芳香气息，因此该项研究能够为紫苏籽精油的综合利用与开发提供现实可靠的理论基础和参考依据。

【参 考 文 献】

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