響應面分析法優化超聲提取樟樹籽油的工藝

熊建華 吳 琴 林麗萍 李世傳 湯凱潔

（江西農業大學食品科學與工程學院，南昌 330045）

樟樹（Cinnamomum Camphora）為樟科屬常綠喬木植物，主要生長在熱帶和亞熱帶地區。果期8～11月，是樟屬植物中經濟價值最大的樹種之一。是天然樟腦、芳香油、油脂的重要資源，其木材、根、葉、果實皆含精油［1－3］，以往主要是對根、莖、葉進行利用與加工，近年來對樟樹籽的研究增多，樟樹籽，又名樟梨、吞樟大木姜子、樟子等，扁球形，富含油脂，含油率達40%左右，油脂中以癸酸、月桂酸等中碳鏈脂肪酸為主，癸酸（C10）已應用于醫藥工業合成魚腥草素等消炎藥，主含癸酸的樟樹籽脂肪油已被試制中碳酸三甘酯用于治療脂肪代謝紊亂病癥，并能降血脂及膽固醇，樟樹籽是一種極具開發價值的植物資源［4－5］。

超聲波輔助技術作為一種先進的提取方法，具有操作簡便快捷、提取溫度低、提取率高、提取物的結構不被破壞等特點，現已廣泛應用于天然產物有效成分的提取方面［6－7］，本研究采用超聲波法提取樟樹籽油，并利用響應面設計優化其工藝參數，希望為開發利用樟樹資源及工業化生產樟樹籽油提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

樟樹籽：2011年11月采摘于江西南昌，55～60℃烘箱干燥，粉碎，貯存于干燥器中，備用。

101－4－BS型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海躍進醫療器械廠；FLB－100型粉碎機：上海菲力博食品機械有限公司；KQ3200DB型數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；RE3000A 04087型旋轉蒸發儀：上海亞榮生化儀器廠；Shz－Ⅲ循環水真空泵：鞏義市予華儀器責任有限公司；DL－1020低溫冷卻液循環泵：寧波江南儀器廠。

1.2　試驗方法

1.2.1 樟樹籽油提取

在250 mL三角瓶中，準確稱取烘干至恒重適量的樟樹籽粉，按一定的液料比加入提取溶劑，置于超聲波提取器中，于設定功率超聲提取一定時間后，真空抽濾，濾液使用旋轉蒸發儀回收提取溶劑，（100±5）℃烘箱干燥，除去殘余溶劑，直至前后2次質量差不超過0.001 g，得到樟樹籽油。按下式計算樟樹籽油提取率：

樟樹籽油提取率 ＝（樟樹籽油質量／樟樹籽粉質量）×100%

1.2.2 樟樹籽油提取的單因素試驗

分別以不同的提取溶劑（石油醚、丙酮、正己烷、乙醚），液料比（mL／g）（5、10、15、20、25、30），提取時間（10、20、30、40、50、60 min）及提取功率（75、90、105、120、135、150 W）為單因素，考察各因素對樟樹籽油提取得率的影響。

1.2.3 樟樹籽油提取工藝的響應面法優化

根據單因素試驗結果，采用Box－Behnken設計方法，以液料比、提取時間和超聲功率為響應變量，分別以X1、X2和X3表示，并以 －1、0、1分別代表變量的水平，以樟樹籽油提取率（Y）為響應值，通過響應曲面分析（response surface analysis，RSA）進行提取條件的優化。Box－Behnken設計試驗因素和水平見表1，采用SASV8軟件對試驗數據進行回歸分析［8－9］。

表1　響應面分析因子及水平表

2　結果與分析

2.1　單因素試驗結果

2.1.1 提取劑對樟樹籽油提取率的影響

不同溶劑對樟樹籽油提取率的影響如圖1所示。由圖1可知，石油醚對樟樹籽油的提取效果最佳，丙酮次之，正己烷與乙醚效果均不太理想。因此選擇石油醚做為提取溶劑。

圖1　溶劑對樟樹籽油提取率的影響

2.1.2 液料比對樟樹籽油提取率的影響

采用石油醚作為提取溶劑，考查不同液料比對樟樹籽油提取率的影響，結果如圖2。由圖2可以看出，提取率隨著液料比的增加而增加，當液料比達到15 mL／g時，樟樹籽油提取率最高，當料液比再增加時，提取率變化不明顯。最佳液料比為15 mL／g，因此選擇10、15、20 mL／g為優化時料液比的3個水平。

圖2　料液比對提取率的影響

2.1.3 提取時間對樟樹籽油提取率的影響

固定液料比，石油醚作提取劑條件下，不同提取時間對樟樹籽油提取率的影響如圖3所示。由圖3可以看出，隨著提取時間的延長，樟樹籽油提取率顯著提高，但提取時間超過30 min后，樟樹籽油提取率反而下降，可能是由于提取時間過長，部分脂肪水解或揮發所致。最佳提取時間為30 min，因此選擇20、30、40 min為優化時提取時間的3個水平。

圖3　時間對提取率的影響

2.1.4 超聲功率對樟樹籽油提取率的影響

固定液料比，石油醚作提取劑條件下，不同超聲功率對樟樹籽油提取率的影響如圖4所示。由圖4可以看出，樟樹籽油提取率隨超聲功率的增多而增加，當超聲功率大于135W后，樟樹籽油提取率有所降低，但功率為120 W時與135 W時相近，為節約能源，選擇105、120、135 W為優化時超聲功率的3個水平。

圖4　功率對提取率的影響

2.2　Box－Behnken設計試驗

2.2.1 模型的建立與顯著性檢驗

結合單因素試驗，選擇液料比、超聲時間、超聲功率3因素3水平，進行Box－Behnken中心組合試驗設計和響應面分析，以確定樟樹籽油超聲提取的最佳工藝條件，試驗設計及結果見表2。

表2　響應面試驗設計方案及試驗結果

以樟樹籽油提取率（Y）為響應值，應用 SAS RSREG程序進行進行響應面回歸分析，得到擬合方程：Y＝36．69－0．7363X1＋0．3550X2＋0．2488X3－0．1125X1X2－0．3100X1X3－0．0675X2X3－1．3100X12－2．0875X22－1．5100X32

回歸方程中各變量對響應值影響的顯著性由F檢驗來判定，概率“P＞F”值越小，則相應變量的顯著程度越高。“P＞F”＜0.01時，影響為極顯著，“P＞F”＜0.05時，影響顯著。對表2中試驗結果進行回歸分析，得到的方差分析結果如表3所示。

表3　回歸分析結果

由表3可知，料液比、提取時間和超聲功率3個因素對樟樹籽油提取率的影響順序為：料液比＞提取時間＞超聲功率。經方差分析得到：X1、X12、X22、X32影響極顯著，X2項顯著，總體來說一次項和二次項的影響是極顯著，因而，各具體試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系，但各種因素的交互作用的影響均不顯著，說明各因素之間的交互作用很小。

整體模型的P＜0.01，表明該二次方程對試驗擬合較好。相關系數R2為0.9883，說明模型響應值（樟樹籽油提取率）的變化98.83%來自所選因變量，即提取液料比、提取時間和超聲功率值，因此，回歸方程可以較好地描述隨機因子與響應值之間的關系。

根據回歸方程，做出響應曲面圖及其等高線圖（圖5～圖7），所擬合的響應曲面和等高線圖能比較直觀的反應各因素和各因素間的交互作用。3個圖中的等高線均為比較圓的形狀，同時在兩個因子中一個因子低編碼值和高編碼值時，響應值Y隨著另一因子的變化趨勢相同。說明兩因子交互效應不顯著，這與方差分析的結果相吻合。圖5～圖7顯示，3個響應曲面均為開口向下的凸形曲面，同時等高線最小圓的中心在所選的－1～1范圍內，說明響應值（樟樹籽油提取率）在3個因子設計的范圍內存在最大值。

圖5　Y＝f（X1，X2）的響應面圖和等高線圖

圖6　Y＝f（X1，X3）的響應面圖和等高線圖

圖7　Y＝f（X2，X3）的響應面圖和等高線圖

2.2.2 最佳工藝條件的預測與檢驗

為確定各因素的最佳取值，利用SAS軟件進行嶺脊分析，得出回歸模型存在最大值點，Y的最大估計值為 36.83%，此時（X1，X2，X3）的代碼值為（－0.298 055，0.091 268，0.110 923）。與之對應的實際值為料液比（X1）＝13.51，時間（X2）＝30.91，功率（X3）＝121.66 W。為實際操作方便，選取料液比X1＝14 mL／g，X2＝31 min，X3＝120 W，在此優化條件下共進行3次平行驗證試驗，結果見表4。試驗結果樟樹籽油提取率為37.45%與預測值36.83%是非常接近的，相對誤差1.68%。

表4　驗證試驗結果（n＝3）

2.3　樟樹籽油的質量指標

本試驗提取得到的油脂具有樟樹籽油特有的芳香氣味，無異雜味，淺棕黃色，澄清透亮，經檢測分析，理化指標及脂肪酸組成見表5和表6。

表5　樟樹籽油主要理化性質

表6　樟樹籽油脂肪酸組成

3　結論

通過單因素試驗和Box－Behnken試驗設計及響應面分析方法，對超聲提取樟樹籽油的工藝進行優化，最佳工藝條件為液料比14 mL／g、超聲時間31 min、超聲功率 120 W，測得的實際提取率為37.45%，與預測值相對誤差為1.68%，并得到樟樹籽油提取率與超聲處理各因素變量的二次回歸方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好。

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