超声波辅助提取山苍子油的工艺
2021-08-15杜超成刚王壹马超黄于富
杜超，成刚，王壹，马超，黄于富
贵阳学院（贵阳 550005）
山苍子，又名木姜子、木香子、山胡椒、山鸡椒等，是一种特殊的天然调味植物，山苍子果实呈类圆形，直径4～5 mm，晾干后外表呈黑褐色或棕黑色，有网状波浪纹，粉碎后粉末富含大量油脂。山苍子油是一种浅黄色到深黄色的油状液体，其中的一些组分有较强的抗氧化作用，有平喘功效。山苍子油对于大多数细菌、真菌有一定抑菌性。因此，山苍子油既可以被当作一种还原剂调味品加入到食物中，提高食物的口感，同时也可以抑制细菌生长，防止食物被氧化，延长食品的保质期，其对人体无毒无害，是一种绿色防腐剂，同时还可以缓解喘息，对于患有平喘的患者有一定益处。
1 材料与方法
1.1 设备与材料
RE52CS-1旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；BILON-CW-1000型超声-微波协同萃取仪（上海比朗仪器制造有限公司）；FA1104型电子天平（上海舜宇科学仪器有限公司）；101-2AB型电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；800Y多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）。
材料（山苍子干果采自贵州省丹寨县南皋乡）。
石油醚（沸点60～90 ℃）、无水乙醇、正己烷等（均为市售国产分析纯试剂）。
1.2 方法
1.2.1 提取原料准备方法
将山苍子干果，放入60 ℃恒温干燥箱中，干燥24 h。将干燥后的干果用800Y多功能粉碎机粉碎后过0.425 mm粒径筛，过筛后的粉末即为提取原料，将此粉末收集备用。
1.2.2 超声波辅助提取山苍子油的方法
准确称取一定质量提取原料，按所需的料液比加入适量溶剂浸泡，并将其放在设置好相应条件的超声-微波协同萃取仪中提取，提取结束后，抽滤，将滤液转入旋转蒸发仪内浓缩，待溶剂全部除去后，取出籽油称其质量，按式（1）计算提取率。
式中：W为山苍子油提取率，%；M2为接收瓶和山苍子油质量，g；M1为接收瓶质量，g；m为称取的干燥山苍子粉末质量，g。
1.2.3 超声波辅助溶剂提取的单因素试验
影响山苍子油提取率的因素主要有提取溶剂、超声波提取时间、超声波功率、提取温度和料液比，采用单因素试验分别考察这些因素的影响。
1.2.3.1 不同提取溶剂对山苍子油提取率的影响
精确称取1.0000 g山苍子粉末，倒入100 mL三角烧瓶中。加入10 mL无水乙醇，摇匀，并将该混合物置于超声-微波协同萃取仪中，在超声波提取时间25 min、超声波功率180 W、温度25 ℃条件下进行提取。提取结束后抽滤，将滤液转入旋转蒸发仪内浓缩，待溶剂全部除尽后，取出籽油称其质量，计算山苍子油提取率。在相同条件下每种溶剂做3组平行试验，取平均值，即为该种溶剂不同体积下的山苍子油提取率。
正己烷、石油醚分别按上述方法重复试验，计算山苍子油提取率。
1.2.3.2 料液比对山苍子油提取率的影响
准确称取9份1.0000 g原料，按照料液比1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，1∶45和1∶50（g/mL）依次加入适量无水乙醇。将物料放置在超声-微波协同萃取仪中，在超声波提取时间25 min、超声波功率180 W、温度25 ℃条件下进行提取，在同一条件下每种料液比做3组平行试验，取平均值，即为不同料液比下的山苍子油提取率。
1.2.3.3 提取时间对山苍子油提取率的影响
准确称取9份1.0000 g原料，分别加入25 mL无水乙醇，配制成料液比1∶25（g/mL）的提取物料，将提取物料置于超声-微波协同萃取仪中，在超声波功率180 W、温度25 ℃条件下依次提取10，15，20，25，30，35，40，45和50 min，在同一条件下每个提取时间做3组平行试验，取平均值，即为不同提取时间的山苍子油提取率。
1.2.3.4 温度对山苍子油提取率的影响
准确称取9份1.0000 g原料，分别加入25 mL无水乙醇，配制成料液比1∶25（g/mL）的提取物料，将提取物料置于超声-微波协同萃取仪中，在超声波提取时间25 min、超声波功率180 W、提取温度依次为25，30，35，40，45，50，55，60和65 ℃的条件下进行提取，在同一条件下每个温度因素做3组平行试验，取平均值，即为不同提取温度的山苍子油提取率。
1.2.3.5 超声波功率对山苍子油提取率的影响
准确称取6份1.0000 g原料，分别加入25 mL无水乙醇，配制成料液比1∶25（g/mL）的提取物料，将提取物料置于超声-微波协同萃取仪中，在超声波提取时间25 min、温度25 ℃，超声波功率依次为150，180，210，240，270和300 W条件下进行提取，在同一条件下每个超声波功率因素做3组平行试验，取平均值，即为不同超声波功率的山苍子油提取率。
1.2.4 正交试验
根据上述超声波辅助提取单因素试验结果得到影响山苍子油提取率的因素和水平数，将影响因素和水平数确定为四因素三水平，进行正交试验，即L9(43)，分别是A料液比（1∶20，1∶25和1∶30 g/mL）、B温度（45，50和55 ℃）、C时间（20，25和30 min）、D超声波功率（240，270和300 W）。因素水平表见表1。
表1 正交因素及水平
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果分析
2.1.1 不同提取溶剂对山苍子油提取率的影响
由图1可见，在相同提取条件下，无水乙醇的山苍子油提取率最高，其次是石油醚，正己烷最低。相比于石油醚和正己烷，无水乙醇的价格更低，且无毒，因此后续试验均采用提取率最高的无水乙醇作为提取溶剂。
图1 不同提取溶剂对山苍子油提取率的影响
2.1.2 料液比对山苍子油提取率的影响
由图2可见，在提取温度、超声波功率、提取时间不变情况下，随着料液比增大，山苍子油提取率逐渐增大，料液比为1∶25（g/mL）时，提取率达到最大35.3%，随后提取率随着料液比升高而开始下降。因此，选取1∶20，1∶25和1∶30（g/mL）作为料液比因素的3个考察水平。
图2 料液比对山苍子油提取率的影响
原因分析：随着提取溶剂无水乙醇增多，山苍子油会充分溶解出来，提取率不断上升，提取溶剂达到一定量以后，油溶解基本达到动态平衡，提取率的变化不会太大。提取溶剂继续增加，油的溶解可能受到其他物质的阻碍，且由于混合物的量增大，达到适宜温度需要更长时间，反而会导致提取率下降。
2.1.3 提取时间对山苍子油提取率的影响
由图3可以看出，在提取温度、超声波功率、料液比不变情况下，随着提取时间延长，山苍子油提取率呈现逐渐增大趋势，提取时间为30 min时，山苍子油提取率达到最大值37.5%，随后提取率随时间延长而缓慢下降。
图3 提取时间对山苍子油提取率的影响
原因分析：随着提取时间延长，油在溶剂中不断被溶解出来，提取率不断上升，提取时间超过30 min后，由于提取时间太长，油开始降解，因此提取率缓慢下降。
因此，根据试验结果，选取20，25和30 min作为时间因素的3个考察水平。
2.1.4 提取温度对山苍子油提取率的影响
由图4可以看出，温度为25～55 ℃时，提取率呈不断上升趋势，但超过55 ℃之后提取率开始缓慢下降。
图4 温度对山苍子油提取率的影响
原因分析：随着温度升高，油的溶解速度增加，提取率不断升高。但温度达到一定值之后，变化变缓，这是由于温度过高，油降解速度增加，提取率反而下降。
因此，根据试验结果，选取45，50和55 ℃作为温度因素的3个考察水平。
2.1.5 超声波功率对山苍子油提取率的影响
由图5分析得出，在提取温度、提取时间、料液比不变情况下，在反应初期，山苍子油的提取率随超声波功率增大而显著增大，超声波功率为270 W时，提取率达到最大，超声波功率超过270 W后，提取率开始缓慢下降。
图5 超声波功率对山苍子油提取率的影响
原因分析：随着超声波功率逐渐增加，山苍子的细胞结构不断被破坏，有利于籽油的提取，所以提取率不断上升，但超声波功率达到270 W之后，细胞中其他成分的迅速溶出不利于籽油溶出的因素越来越多，所以提取率增速变缓，最后开始下降。
因此，根据试验结果，选取240，270和300 W作为超声波功率因素的3个考察水平。
2.2 正交试验及其结果
2.2.1 正交试验设计及其结果
根据表1选用的因素水平条件设计正交试验方案，每个方案做3个平行试验，取平均值，其试验方案和结果如表2所示。
表2 正交试验及结果及极差分析表
根据表2正交试验及其结果分析得出影响超声波辅助提取山苍子油的最大因素是料液比，其次是提取时间、提取温度，而超声波功率对提取率的影响最小，即因素A（料液比）＞C（时间）＞B（温度）＞D（超声波功率）。综合各因素的极点值进行分析得出超声波辅助提取山苍子油的最佳条件A1B3C2D1，即料液比1∶20（g/mL）、提取温度55 ℃、提取时间25 min、超声波功率240 W。
为验证提取效果，在此条件下进行3次平行试验，提取率平均值为38.70%，即超声波辅助提取山苍子油的最佳提取率为38.70%。
3 结论
从山苍子干果开始，经粉碎、过筛，制得提取原料，以无水乙醇为提取溶剂，采用超声波辅助进行山苍子油提取。以山苍子油提取率为评价指标，对影响山苍子油提取效果的单因素进行筛选，根据单因素试验结果进行正交组合试验，得到超声波辅助提取山苍子油的最佳工艺条件。结果表明，影响超声波辅助提取山苍子油的最大因素是料液比，其次是提取时间、提取温度，而超声波功率对提取率的影响最小，即因素A（料液比）＞C（时间）＞B（温度）＞D（超声波功率）。综合各因素的极点值进行分析得出超声波辅助提取山苍子油的最佳条件A1B3C2D1，即料液比1∶20（g/mL）、提取温度55 ℃、提取时间25 min、超声波功率240 W。在此条件下山苍子油提取率为38.70%。
