响应面优化超声波辅助提取葡萄籽油脂的工艺研究

尹佳，黄志鸿，李继锋

(吉林化工学院 生物与食品工程学院，吉林 吉林 132022)

葡萄籽占鲜果质量的4%～7%，其中含有丰富的脂类、多酚类和蛋白质类化学物质，具有抗肿瘤、抗氧化、抗辐射和保护心血管等药理学活性功能[1]。葡萄籽中的粗油脂含量可达14%左右，是极其优质的油脂资源。葡萄籽油不仅具有降低血脂、软化血管、预防血管硬化、降低血压、降低血液粘度和防止血栓形成等各种生物学功效的价值，还可用于产生、维持上皮与神经细胞正常结构功能及抗氧化、抗衰老、保护视力、促进儿童生长发育等各种生理作用价值[2]。因此, 葡萄籽油是一种理想的膳食用油，可作为调味品在食品行业中应用。

葡萄籽油是葡萄籽开发的主要产品[3]。目前，从原料中提取油脂的方法有压榨法、溶剂提取法、超临界流体萃取法、水酶法提取、超声波辅助提取技术[4,5]。其中超声波辅助提取法作为一种优良的提取方法，具有操作简单快捷、提取率高和不破坏提取物结构等优点[6,7]。本研究以葡萄籽为原材料，利用响应面法协同超声波提取葡萄籽油脂，研究了提取时间、提取温度、料液比和超声频率对葡萄籽中油脂得率的影响。在单因素实验的基础上，通过响应面法得到超声波辅助提取葡萄籽油脂的最优工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葡萄籽、无水乙醇、甲醇、石油醚(60～90 ℃)、乙酸乙酯、蒸馏水。

1.2 仪器与设备

YP600电子天平 天津天马衡基仪器设备有限公司；DDL-5M 4000 r/min离心机 济南博鑫生物技术有限公司；HWS24电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器设备有限公司；RE-52A旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器有限公司；FW80型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 葡萄籽油脂提取工艺

将原料葡萄籽筛选，除去变质、瘪壳、表皮残破的个体，浸泡，清洗，除去葡萄籽表面的果汁黏液，置于阴凉通风处自然风干。葡萄籽用粉碎机粉碎后过60目筛，密封好后置于-20 ℃冷冻备用[8]。

称取1.0 g葡萄籽粉，提取溶剂选择乙醇溶液，在设定的提取时间、超声频率、提取温度、料液比下恒温搅拌浸提。浸提完毕后，在2000 r/min下高速离心10 min，取上清液进行旋转蒸发得到葡萄籽油；再将沉淀烘干后分别在以上条件下浸提2次，并将3次所得葡萄籽油相加即得提取葡萄籽油总质量。

1.3.2 葡萄籽油脂提取率计算[9]

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 提取时间对提取率的影响

由图1可知，随着提取时间的增加,葡萄籽油提取率变化显著。这是由于提取时间越长，超声波对物料作用越充分。但是提取时间大于60 min后，提取效果的增加趋势不太明显，这是由于提取时间过长使葡萄籽油脂中某些成分的内部结构被破坏，使得提取率下降[10]。因此，提取时间为60 min 时较适宜。

图1 提取时间对葡萄籽油提取率的影响Fig.1 Effect of extraction time on extraction rate of grape seed oil

2.1.2 超声波频率对提取率的影响

由图2可知，葡萄籽油提取率随着超声频率的增大而增大。但是，当频率达到一定值时，葡萄籽内外渗透压将达到平衡，油脂的渗出率也将趋于恒定[11]。因此，提取频率应选80 kHz为宜。

图2 超声频率对葡萄籽油提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on extraction rate of grape seed oil

2.1.3 提取温度对提取率的影响

由图3可知，在提取温度为 20～40 ℃范围内，随着提取温度的升高，葡萄籽油提取率也随之增大，这是由于升高温度提高了提取溶剂分子和油脂分子的动能，促进扩散作用的进行[12]；在40 ℃以上对提取率影响不明显, 可能是因为温度过高导致溶剂挥发,而且高温会导致油脂酸败现象的发生[13]。因此，提取温度选择40 ℃。

图3 提取温度对葡萄籽油提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of grape seed oil

2.1.4 料液比对提取率的影响

由图4可知，当料液比在1∶5～1∶25的范围内，随着料液比的增加，即有机溶剂添加量的增加，使葡萄籽颗粒与有机溶剂接触面的浓度差增大，从而使葡萄籽中的油脂更容易被渗透出来[14]；当料液比达到1∶15以后，因为葡萄籽中的油脂含量有限,提取率趋向于恒定。所以, 料液比应取1∶15为宜。

图4 料液比对葡萄籽油提取率的影响Fig.4 Effect of ratio of solid to liquid on extraction rate of grape seed oil

2.2 响应面实验设计及结果

按照单因素实验结果，以及Box-Behnken设计的自变量，以葡萄籽油脂提取率为响应值，进行提取条件优化的研究。响应面分析的因素及水平表见表1。

表1 因素水平编码表Table 1 The coding table of factors and levels

表2 响应面实验方案及结果Table 2 Response surface test plan and results

通过拟合回归处理数据，建立多元二次响应面回归模型为：

Y=-0.444+7.383×10-3A+2.773×10-3B+8.013×10-3C+6.25×10-5D+0.025AB-1.2×10-5AC-1.2×10-5BC-6.25×10-6BD-6.25×10-6CD-3.35×10-4A2-2.328×10-5B2-4.0×10-5C2- 3.6875×10-5D2。

续 表

由表3可知，函数模型R2= 96.28%，说明模型计算值和实验值拟合度程度高，能很好地对响应值进行预测[15]。一次项B，C表现为极显著，A为显著, 二次项A2、B2、C2和D2皆表现为极显著。由F检验可以得到影响因素主次排序为：提取时间(B)>提取温度(C)>料液比(A)>超声波频率(D)。AB、CD的交互作用影响极显著,见图5和图6。

表3 方差分析结果Table 3 Analysis of variance results

图5 料液比和时间的交互作用对油脂提取率影响的响应曲面图Fig.5 Response surface diagram of the interaction between solid-liquid ratio and time on oil extraction rate

图6 温度和频率的交互作用对油脂提取率影响的响应曲面图

3 结论

本研究在单因素实验的基础上，依据Box-Behnken实验设计原理，利用响应面法优化了超声波辅助提取葡萄籽油脂的工艺。通过回归数学模型得到最优工艺条件为：提取时间73.97 min，超声频率81.42 kHz，提取温度33.48 ℃，料液比1∶12.42 (g/mL)。在最优工艺条件下，葡萄籽油脂的得率为 20.26%，为今后葡萄籽的深加工和系列产品的开发提供了一定的理论基础，最终提高了产品的附加值。