落葉松毛蟲蛹油超聲波振蕩輔助萃取方法優化1)

馬 玲 胡禮禹

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

馬 偉

(黑龍江中醫藥大學)

落葉松毛蟲(Dendrolimus superans(Butler))是鱗翅目(Lepidoptera)枯葉蛾科(Lasiocampidae)松毛蟲屬(Dendrolimus)的昆蟲，國內外均有分布。幼蟲食性較廣，主要食害針葉，暴發時吃光針葉。落葉松毛蟲蛹個體較大(長40～60 mm)。有學者研究發現，同一種昆蟲中脂肪含量以蛹、幼體和越冬期為高。許多昆蟲的蛹現在都已被證實是可以食用的高營養食物［1－3］。落葉松毛蟲是一類資源量很大的昆蟲，且其繁殖能力很強，長期以來對它的研究著重于防治方面。近年來，松毛蟲作為一類潛在的生物資源受到了人們的重視［4－6］。

以往對昆蟲蛹油的研究多集中在蠶蛹油的的提取方面，如溶劑萃?。?］、超臨界 CO2萃取［8－9］等。蔣艷忠［10］和張郁松［11］分別對蠶蛹油的溶劑萃取法與超臨界二氧化碳萃取法做了比較研究，結果均表明超臨界二氧化碳萃取法萃取的蠶蛹油得率和品質均優于溶劑萃取法，但超臨界二氧化碳萃取法對設備要求高、耗能大，工業生產成本較高。超聲波輔助萃取法已在許多天然產物提取上得到廣泛研究與應用［12－14］，但有關東北落葉松毛蟲蛹油萃取方面的研究還未見報道。筆者利用響應曲面法建立超聲波振蕩輔助萃取落葉松毛蟲蛹油的數學模型，優化得到超聲輔助萃取蛹油的最佳萃取工藝。旨在為工業化萃取落葉松毛蟲蛹油及蛹油在儲存和加工方面提供理論依據。

1 材料與方法

試蟲:落葉松毛蟲蛹于2009年7月采自齊齊哈爾市甘南縣林業局的下屬林場。

蛹油的提取:挑選出個體好的蛹，去掉蛹的繭殼，放在恒溫烘箱中(60±1)℃烘干、粉碎，存于棕色瓶中備用。以萃取溶劑法在設定的條件下超聲振蕩萃法取萃取落葉松毛蟲蛹油，靜置40 min，3 000 r/min離心10 min，上清液40℃減壓旋轉蒸發回收溶劑，即得落葉松毛蟲粗蛹油。蛹油得率=蛹油質量/蛹粉質量×100%。

響應曲面法優化提取蛹油二次多項數學模型的建立:根據單因子試驗結果，采用Box－Behnken試驗設計，選取超聲波功率、超聲輔助提取時間、超聲提取溫度3個影響因子，在單因素試驗結果基礎上，采用3因素3水平的響應曲面分析方法，按方程Xi=(xi－X0/ΔX)對自變量進行編碼(表 1)，其中，xi為變量的編碼值，Xi為變量的真實值，X0為試驗中心點變量的真實值，ΔX為變量的變化步長，蠶蛹油得率Y為響應值。采用多元回歸設計方法，擬合二次多項模型的Box－Behnken試驗設計見表1。

2 結果與分析

2.1 超聲波振蕩輔助萃取單因子試驗

提取溶劑的選擇:以正己烷、石油醚、乙醚、乙酸乙酯為提取溶劑，落葉松毛蟲蛹油得率分別為25.76%、25.65% 、24.23%、25.25%。可見，正己烷的得率最高，其次為石油醚。雖然石油醚的得率不是很高，但是考慮到工業應用石油醚價格更便宜，而且石油醚的回收量都比其他3種溶劑大，因此選用石油醚為提取劑。

表1 中心組合試驗Box－Behnken試驗設計的因子和水平

料液比對蛹油得率的影響:以石油醚為提取劑、超聲功率100 W、超聲時間20 min、超聲溫度40℃條件下，料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50時，蛹油得率分別為25.31% 、27.38% 、27.82%、28.25%、28.24%。得率隨料液比的增加而增加，當料液比升高到1∶40以后達平衡，再增加溶劑用量只能造成浪費，且回收成本增大，因此，選擇料液比為1∶40為宜。

超聲功率對蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲時間20 min、超聲溫度40℃的條件下，超聲功率分別為20、40、60、80、100 W 時，蛹油得率分別為 22.89%、24.49%、24.47%、24.56%、24.10%。當超聲功率在 60 W時，蛹油得率達到最大值。蛹油得率隨超聲功率的升高先升高后降低，這可能是由于超聲功率低于60 W時增大超聲強度使得物料與石油醚的作用增強，得率增加;當功率大于60 W時得率下降。資料顯示［15－16］，超聲波具有無選擇性的破壞作用。在高功率的條件下，空化作用不僅破碎了細胞壁，也破壞了欲提取物質的分子結構，造成得率下降。

超聲時間對蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲功率60 W、超聲溫度40℃的條件下，超聲時間分別為 10、20、30、40、50 min時，蛹油得率分別為 22.83%、26.77%、31.26%、25.96%、25.84%，可見，超聲時間為 20 min 時得率最高，時間太短作用不充分，時間太長可能由于溶劑揮發較嚴重使得率降低。

超聲溫度對蠶蛹油得率的影響:以石油醚為提取溶劑、料液比1∶40、超聲功率60 W、超聲時間20 min 的條件下，超聲溫度分別為 20、30、40、50、60 ℃時 ，蛹油得率為24.29% 、25.10% 、29.53% 、27.88%、25.67%。可見，超聲溫度40℃時得率最高，溫度升高有利于蠶蛹油的萃取，但溫度過高，溶劑揮發嚴重，得率降低。

2.2 響應曲面法提取蛹油的工藝參數優化

2.2.1 試驗結果及其預測值

石油醚為提取溶劑、料液比為1∶40時，超聲波輔助提取蛹油的試驗結果及其預測值見表2。利用Design－Expert7.1.6軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合，獲得超聲波提取蛹油得率對自變量超聲功率(A)、超聲時間(B)和超聲溫度(C)的二次多項回歸模型方程為:Y=26.69 －0.30A －0.13B+0.92C －0.07AB+0.69AC+0.21BC+0.34A2－0.092B2+0.02C2，其中 Y為蛹油得率的預測值，－1、0、1 分別為 A、B、C 3 個自變量的編碼值。

表2 試驗設計與結果

由表3可見，二次多項回歸模型不顯著(P＞0.01)，失擬項顯著(P ＜0.05)，說明該模型是不合適的。模型的校正決定系數R2=－0.838 7，說明該模型不可以解釋響應值的變化，相關系數R=0.442 3，說明該模型擬合程度不好，試驗誤差大，模型不合適。

表3 回歸模型方差分析結果

從表4回歸方程系數顯著性檢驗可知，各項均不顯著。但是可以看出各因子對得率影響的由大到小順序為:超聲溫度(B)、超聲時間(C)、超聲功率(A)。

表4 回歸方差系數顯著性檢驗結果

2.2.2 響應面分析和優化

回歸方程的響應曲面及其等高圖見圖1－圖3。從圖1可以看出，在超聲時間為最佳值(C=30 min)時，超聲功率和超聲時間溫度2因素的交互作用不顯著。超聲功率在20～90 W時，蛹油得率變化不規則;隨著溫度的增加，得率變化也不規則。

圖2顯示了在超聲溫度為最佳值(B=40℃)時，超聲時間和超聲功率2因子交互作用不顯著。超聲功率為40～80 W時，蛹油的得率呈減少趨勢，在80～100 W時，得率突然增加，說明模型設計有問題;而隨著時間的增加，得率呈明顯的遞增趨勢。

圖1 超聲功率(A)、超聲溫度(B)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應面和等高線

圖2 超聲功率(A)、超聲時間(C)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應面和等高線

圖3顯示了在超聲功率為最佳值(A=60 W)時，在試驗水平范圍之內，超聲時間和超聲溫度2因子交互作用不顯著。溫度在30～50℃范圍內，蛹油的得率呈減少趨勢，但變化不大;隨著時間的增加，蛹油得率呈遞增趨勢，變化也不大。

2.2.3 優化條件下超聲波提取蛹油得率

在響應曲面法優化的工藝參數，即超聲功率80.8 W、超聲時間 29.9 min、超聲溫度 40.8 ℃條件下，蛹油得率的理論值為29.64%。為檢驗響應曲面法優化結果的可靠性，采用上述優化條件提取蛹油，考慮實際操作的便利性，將條件優化為:超聲功率80 W，超聲時間30 min，超聲溫度40℃，在此條件下蛹油實際得率的平均值為26.81%，與理論預測值相比，其相對誤差小于1%，因此，基于響應曲面法所得的優化提取工藝參數準確可靠，具有實用價值。

2.3 超聲輔助萃取蛹油理化性質

超聲波輔助萃取的蛹油與單純溶劑萃取法萃取的蛹油提取率及品質差異見表5。與單純溶劑萃取法相比，超聲波輔助萃取蛹油的得率大為提高，由24.46%提高到27.17%，且提取時間由2h縮短到1 h，萃取的蛹油品質與單純溶劑萃取法萃取的蛹油品質相當。

圖3 超聲時間(B)、超聲溫度(C)及其交互作用對超聲提取蛹油的響應面和等高線

表5 溶劑萃取法與超聲波輔助萃取法萃取的蠶蛹油差異

3 結論與討論

超聲波提取技術作為一種新的提取分離技術進入了油脂工業，Zhang等［12］利用超聲波輔助萃取亞麻籽油，Zhang等［13］利用超聲波輔助萃取杏仁油，李林強等［14］利用超聲波輔助萃取華山松籽油等都取得了良好的效果。超聲波對油脂萃取分離的強化作用主要源于其空化效應，而超聲空化又引起了湍動效應、聚能效應、微擾效應和界面效應，因而超聲波可強化萃取分離過程的傳質速率和效果，從而有利于油脂的提取［15－16］。本試驗利用超聲波輔助萃取落葉松毛蟲蛹油，并利用響應曲面法優化萃取工藝。與單純溶劑萃取法相比，超聲波輔助萃取法顯著提高了提取率，縮短了提取時間。原因可能是由于超聲波產生空化作用加快了物料界面擴散層上的分子擴散，使細胞中的油脂加速滲透出來，伴隨著空化作用的同時，還有機械振動作用、擊碎作用、化學效應等多種形式的作用，這些都十分有利于油脂的提?。?5］。超聲輔助萃取法萃取的落葉松毛蟲蛹油的酸價稍低于溶劑萃取法萃取的落葉松毛蟲蛹油酸價，可能是由于萃取時間較短，脂肪酸酸解較少的緣故［17］。

超聲波輔助萃取落葉松毛蟲蛹油比單純溶劑萃取法提取率明顯提高，提取時間顯著縮短，所提油脂品質良好。經RMS優化的工藝條件為:超聲功率80 W，超聲時間30 min，超聲溫度40℃，在此條件下蛹油實際得率的平均值為26.81%。

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