響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取樹莓籽油工藝

張佰清，李龍杰，張艷艷

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取樹莓籽油工藝

張佰清，李龍杰，張艷艷

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110161)

為優(yōu)化樹莓籽油的微波輔助提取工藝，利用SAS軟件和響應(yīng)面分析相結(jié)合的方法，以料液比、微波功率、微波溫度以及微波時間為自變量，樹莓籽油的提取率為響應(yīng)值，研究各自變量及其交互作用對樹莓籽油提取率的影響。微波輔助提取樹莓籽油的最佳條件為料液比l:10(g/mL)、提取溫度64℃、提取時間9min、微波功率657W。在此條件下，樹莓籽油的提取率達到17.57%。

紅樹莓；微波輔助提取；響應(yīng)面；樹莓籽油

紅樹莓是薔薇科(Rasaceae)懸鉤子屬(Rubus L.)植物，又名木莓，東北地區(qū)俗稱托盤、馬林果、覆盆子等，果實風(fēng)味獨特，富含多種營養(yǎng)成分，在國外普遍種植，具有較高的食用及藥用價值[1-3]。樹莓果實主要用于加工，在加工過程中，樹莓籽作為副產(chǎn)物沒有得到有效地開發(fā)利用[4]。樹莓籽油的主要成分為亞油酸、α-亞油酸、油酸和棕櫚酸，其主要特點是氧化緩慢。樹莓籽油是一種稀有的芳香油，具有顯著的抗氧化、抗炎、防曬、防汗、滋潤的功能[5-7]。

植物油脂的傳統(tǒng)提取方法有索氏提取、溶劑萃取等，近年來在提取工藝方面引入了一些新方法如酶法提取[8]、微波提取[9]、超聲提取[10]。微波提取作為一種先進的提取方法，它能強化浸提過程，降低生產(chǎn)時間、能源、溶劑的消耗以及廢物的產(chǎn)生，可提高產(chǎn)率和提取物的純度，既降低操作費用，又合乎環(huán)境保護的要求，是具有良好發(fā)展前景的新工藝[11-13]。

本研究以紅樹莓籽為材料，采用微波提取技術(shù)提取樹莓籽油，應(yīng)用響應(yīng)面法進一步優(yōu)化樹莓籽油的提取條件，以確定最優(yōu)的樹莓籽油提取條件，為樹莓籽油這一資源的進一步研究和工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樹莓籽 遼寧今日農(nóng)業(yè)有限公司；石油醚(60～90℃)、正己烷、乙醇、乙酸乙酯均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DFT-100手提式高速中藥粉碎機 溫嶺市大德中藥機械有限公司；WMZK-08型干燥箱 上海佳靈電器廠；AL204萬分之一電子天平 瑞士Mettler Toledo公司；TDL-5-A離心機 西安唯信檢測設(shè)備有限公司；MAS-I微波萃取器 上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

樹莓籽→烘干粉碎→過40目篩→與有機溶劑混合→微波萃取→離心取濾液→真空濃縮→樹莓籽油

1.3.2 操作要點

準(zhǔn)確稱取5.0g粉碎的樹莓籽粉，裝入100mL磨口圓底燒瓶中，以正己烷為浸提劑，用MAS-I微波萃取器為輔助處理設(shè)備，按照試驗設(shè)計進行樹莓籽油的提取。提取結(jié)束后，離心分離上清液與殘渣，洗滌殘渣2～3次，合并上清液，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上減壓蒸餾，回收溶劑，得到的樹莓籽油在105℃干燥至質(zhì)量恒定后，稱量并計算油提取率，每組實驗重復(fù)3次，取平均值。樹莓籽油提取率按下式計算：

1.3.3 溶劑篩選實驗

樹莓籽油的溶劑提取屬于固液萃取過程，作為提取油脂的理想溶劑應(yīng)具有以下特性：對油脂的溶解性好、選擇性好；理化性質(zhì)穩(wěn)定；無腐蝕、無毒、沸點低、易回收、無殘留；價格低廉，來源廣泛[14]。

1.3.4 影響微波輔助提取樹莓籽油提取率的單因素試驗

對料液比、提取溫度、提取時間和微波功率進行單因素研究，分別考察這4個因素對樹莓籽油提取率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取樹莓籽油

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，綜合單因素試驗所得結(jié)果，以料液比、提取溫度、提取時間、微波頻率4個因素為自變量，分別以x1、x2、x3、x4表示，按方程Xi= (xi-x0)/Δx對自變量進行編碼(為Xi自變量的編碼值，xi為自變量的真實值，x0為試驗中心點處自變量的真實值，為Δx自變量的變化步長)，并以自變量的編碼值1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平。微波輔助提取樹莓籽油的提取率(y)為響應(yīng)值，試驗因素水平編碼見表1。

表1 微波輔助提取樹莓籽油響應(yīng)面試驗因素水平編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of independent variables studied in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑的篩選

表2 溶劑對樹莓籽出油率的影響Table 2 Effect of extraction solvents on extraction efficiency of raspberry seed oil

本實驗分別以乙醇、石油醚、正己烷、乙酸乙酯為萃取劑。溶劑的極性對微波萃取是一個很重要的因素，極性溶劑的介電常數(shù)大，吸收的微波能量多，能使細胞內(nèi)溫度瞬間提高，導(dǎo)致細胞壁破裂，從而釋放其中的內(nèi)容物。由表2可知，正己烷的提取率最佳，故本實驗采用正己烷為萃取劑[15]。

2.2 單因素試驗

2.2.1 料液比對提取率的影響

圖1 料液比對樹莓籽提取率的影響Fig.1 Effect of solid/solvent ratio on extraction efficiency of raspberry seed oil

提取溫度50℃、提取時間5min、微波功率400W，不同料液比對樹莓籽油提取率的影響如圖1所示。物料一定的前提下，溶劑用量越大，樹莓籽與溶劑的接觸面濃度差越大，滲透壓越大，油脂越容易浸出；當(dāng)達到一定值以后，由于物料中油料含量逐漸減少，越來越難以溶出，提取得率趨于穩(wěn)定。圖1表明料液比在1:10時提取率可達17.17%，此后趨于穩(wěn)定。

2.2.2 微波溫度對提取率的影響

圖2 提取溫度對樹莓籽油提取率的影響Fig.2 Effect of temperature on extraction efficiency of raspberry seed oil

料液比1:10、提取時間5min、微波功率400W，不同提取溫度對樹莓籽油提取率的影響如圖2所示。隨著溫度的提高，開始時提取率增大較快，但溫度超過50℃時提取率逐漸減少。這是由于起初提取溫度的提高，會增加油脂分子的動能，加速了分子運動，促進了擴散作用，所以溫度的提高增大了提取速率，使提油率也有一定程度的增加。當(dāng)絕大部分油脂分子熱運動加劇，沖破細胞壁的束縛擴散到溶劑中時，溫度繼續(xù)升高很難再使提油率進一步提高。溫度過高加快了溶劑的揮發(fā)，從而影響油的提取。

2.2.3 提取時間對提取率的影響

料液比1:10、微波溫度50℃、微波功率400W，不同提取時間對樹莓籽油提取率的影響如圖3所示。提取時間越長，微波對物料作用的越充分，樹莓籽油提取率越高。當(dāng)達到一定時間后，溶液體系滲透壓達到平衡，提取率趨于平穩(wěn)。微波在3～5min之間就可以對樹莓籽油進行充分提取，表明微波輔助提取具有省時的作用。

圖3 提取時間對樹莓籽油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency of raspberry seed oil

2.2.4 微波功率對提取率的影響

料液比1:10、微波溫度50℃、提取時間5min，不同微波功率對樹莓籽油提取率的影響如圖4所示。當(dāng)微波功率為200W時樹莓籽油的提取率為15.82%，微波功率在400W時提取率最高為17.28%，之后隨著萃取功率的增加，提取率降低，這是由于萃取功率增加，萃取溫度會升高，使得溶劑揮發(fā)加劇，冷凝效果不好，大量溶劑流失，導(dǎo)致得率降低。

圖4 微波功率對樹莓籽油提取率的影響Fig.4 Effect of microwave output power on extraction efficiency of raspberry seed oil

2.3 樹莓籽油提取工藝響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.3.1 數(shù)據(jù)分析

對樹莓籽油提取工藝進行響應(yīng)面分析，其具體結(jié)果如表3。

表3 樹莓籽油提取工藝響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Scheme and experimental results for response surface analysis

采用SAS 9.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合回歸，以樹莓籽油的提取率(Y)為因變量，料液比(X1)、提取溫度(X2)、提取時間(X3)、微波功率(X4)為自變量，建立回歸方程如下：

采用SAS 9.1程序?qū)υ囼灲Y(jié)果進行方差分析，分析結(jié)果見表4，從中可以看出X1料液比和X4微波功率對Y值的影響顯著(P＜0.05)；X2提取溫度、X3提取時間、X12、X22和X32對Y值的影響極顯著(P＜0.01)，表明試驗因素對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，因素間的交互作用影響較小，這和回歸方程中一次項影響顯著與二次項影響極顯著相一致。根據(jù)表4分析結(jié)果，作出各極顯著的交互因素響應(yīng)面圖5。

圖5直觀地反映了各因素交互作用對響應(yīng)值的影響。由圖5可知，提取溫度、提取時間對樹莓籽油提取率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，微波功率和料液比次之，相應(yīng)表現(xiàn)為曲線較為緩和。

表4 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance of regression equation for extraction efficiency of raspberry seed oil

圖5 各因素交互影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plots for the pairwise interactive effects of four variables on extraction efficiency of raspberry seed oil

2.3.2 最優(yōu)條件的求證及驗證

通過軟件Design-Expert求解方程，得優(yōu)化的樹莓籽油提取條件為料液比1:10、提取溫度64℃、提取時間9min、微波功率657W，在此條件下，樹莓籽油的理論提取率17.73%。對優(yōu)化條件進行驗證實驗，重復(fù)3次，樹莓籽油的平均提取率為17.57%，與理論計算值誤差在0.2%。

3 結(jié) 論

本研究將微波技術(shù)應(yīng)用于樹莓籽油的提取，并用RAS響應(yīng)面分析優(yōu)化提取工藝，依據(jù)回歸分析確定各工藝條件的影響因素，從而得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為料液比1:10、提取溫度64℃、提取時間9min、微波功率657W，在上述優(yōu)化條件下，提取率為17.57%。

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Optimization of Microwave-assisted Extraction Process for Raspberry Seed Oil by Response Surface Methodology

ZHANG Bai-qing，LI Long-jie，ZHANG Yan-yan
(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

With the aim of optimizing the process conditions for the microwave-assisted solvent extraction of raspberry seed oil, this study was designed as follows: 1. For solvent selection, a comparison of raspberry seed oils extracted was carried out with different solvents such as ethanol, petroleun ether, n-hexane and ethyl acetate. 2. A series of one-factor-at-a-time experiments were conducted to investigate the effects of four operating parameters including solid/solvent ratio, temperature, extraction time and microwave output power on extraction efficiency of raspberry seed oil. 3. A mathematical predictive model for extraction efficiency of raspberry seed oil as a response to the four parameters was established by multiple polynomial regression with SAS software based on central composite design, and response surface analysis of the model was performed to probe into the pairwise interactive effects of various variables on their function. The above investigations showed that n-hexane was the best solvent for the extraction of raspberry seed oil, and that solid/solvent ratio of 1:10 (g/mL), temperature of 64 ℃, extraction time of 9 min and microwave output power of 657 W provided optimum extraction of raspberry seed oil, with an extraction efficiency of 17.73%.

red raspberry；microwave-assisted extraction；response surface analysis；raspberry seed oil

TS224.4

A

1002-6630(2011)04-0092-05

2010-04-27

張佰清(1966—)，男，副教授，博士，研究方向為食品和農(nóng)產(chǎn)品加工與保藏。E-mail：sybaiqingxl@sina.com