微波輔助溶劑法提取橡膠籽油工藝*

仵緣，蔣丹，3，包瑛，楊志達，劉宇，黃耀江

1(中央民族大學生命與環境科學學院，北京，100081)

2(北京市食品環境與健康工程技術研究中心，北京，100081)

3(遼寧出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，遼寧大連，116001)

4(內蒙古通遼市扎魯特旗動物疫病預防控制中心，內蒙古通遼，029100)

橡膠籽(rubber seed)為大戟科橡膠樹的有性繁殖器官，呈卵圓形，褐色并帶有銀灰色斑紋，由種殼和種仁組成，種仁在種殼內部，外表包有柔軟的薄膜層，是天然橡膠種植業的副產品之一，主要分布在我國的云南、海南等省［1］。其中橡膠籽仁作為一種獨特的熱帶木本植物油料，含油量很高，為38%～52%，其中含有飽和脂肪酸25.24%，不飽和脂肪酸74.52%［2］。研究者發現，利用橡膠籽油制備的生物柴油，其潤滑性優于石化柴油，燃燒性能好而且具有綠色環保資源可再生等優點。史亞亞等研究將樟樹籽油通過酯交換法制備的生物柴油效率較高［3］。我國現有橡膠種植面積約49.3萬hm2，橡膠籽資源豐富［4］。據推測，我國橡膠籽年產量高達80萬t以上，預計可產生橡膠籽油35萬t［5］。隨著我國橡膠籽產業的發展，橡膠籽油將成為一種新型的植物油源。

本文采用響應面法優化橡膠籽油的提取工藝，結合有機溶劑與微波提取的優勢，以橡膠籽仁為油脂提取原料，石油醚為溶劑，探究提取溫度、提取時間、液料比以及微波功率四因素對橡膠籽油得率的影響，從而優化工藝條件，并采用氣相色譜法分析橡膠籽油脂肪酸的組成以及相對含量。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

橡膠籽，產于海南省，除雜、去殼、干燥、粉碎并通過20目以下備用。

XH100B微波萃取儀，北京祥鵠科技發展有限公司;R系列旋轉蒸發儀器，上海申生科技有限公司;SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司;ST-02A高速多功能粉碎機，北京京創泰寧偉業科技發展有限公司;HH-2數顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;KQ-400KDE型高功率數控超聲波清洗器，昆山市超聲波儀器有限公司;Agilent6890氣相色譜儀，HP-INNOWAX毛細管柱(30 m×0.32mm);22種脂肪酸甲酯混合標品(由北京市理化測試中心提供)。

無水乙醇溶液，乙醚溶液，異辛烷溶液，石油醚溶液，甲醇溶液，三氟化硼甲醇溶液，正己烷溶液，NaOH，NaCl，無水 Na2SO4:均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 微波輔助提取橡膠籽油

稱取橡膠籽粉末于燒瓶中，按一定的液料比加入石油醚溶液，放入微波反應器中，在一定的微波功率和溫度下，提取一定時間后，取出冷卻至室溫后倒出提取液，用石油醚分次洗滌燒瓶殘渣，合并提取液，最后進行抽濾使用旋轉蒸發儀回收石油醚，減壓蒸餾后得到橡膠籽油，稱重。

1.2.2 橡膠籽油提取率的計算公式

式中:m1為橡膠籽粉末的質量;m2為提取橡膠籽油質量。

1.2.3 響應面法試驗

結合單因素實驗的結果，采用4因素3水平的響應面分析方法，分別用A、B、C、D代表變量的因素，以+1、1、-1分別代表變量的水平。橡膠籽油得率Y為響應值(表1)。

表1 響應面因素水平表Table 1 Factors and levels of RSM

1.2.4 橡膠籽油脂肪酸成分的測定

1.2.4.1 油的衍生化處理

利用三氟化硼-甲醇快速甲酯化法［6］，稱取150 mg橡膠籽油置于50 mL的燒瓶中，添加4 mL NaOH甲醇溶液及沸石于燒瓶中，然后接上冷凝器，通入氮氣在70～80℃水浴中回流至油滴消失。用移液管從冷凝器頂部加入5 mL三氟化硼甲醇溶液與沸騰的溶液里，繼續煮沸3 min，從冷凝器頂部加入10 mL的異辛烷溶液于沸騰的混合溶液里。取下冷凝器，拿出燒瓶，立即加入20 mL的飽和NaCl溶液，塞住燒瓶，猛烈振搖15s，繼續加入飽和NaCl溶液至燒瓶頂部，靜置分層，吸取1～2 mL上層異辛烷溶液與玻璃瓶中，加入適量無水Na2SO4去除溶液中痕量的水，最后進行氣相測定分析。

1.2.4.2 氣相色譜條件

色譜柱型HP-INNOWAX(length:30 m，ID:0.32 mm);檢測器FID，檢測器溫度為260℃。采用程序升溫，首先保持柱溫50℃(2 min)，然后以10℃/min升溫至160℃保持柱溫2 min，以2.5℃/min升溫至195℃保持2 min，以3℃/min升溫至210℃保持30 min;進樣口溫度為230℃，分流比50∶1，尾吹氣流量30 mL/min，進樣量 1.0 μL。

1.2.4.3 數據處理

應用峰面積歸一化法分析橡膠籽油中脂肪酸的種類及其各成分的相對百分含量。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗及其分析

2.1.1 溶劑的選擇

溶劑對橡膠籽油的提取影響很大，本實驗用無水乙醇、乙醚、石油醚(60～90℃)等溶劑提取橡膠籽油，首先考慮溶劑對油脂組分的選擇性和黏度，其次選擇成本低，效率高，無毒無污染及易回收的溶劑。

稱取20目的橡膠籽粉末15 g，在反應溫度80℃，提取時間2 h，液料比7∶1工藝條件下，考察不同提取溶劑對得率的影響。由表2可知，石油醚溶液提取的橡膠仔油得率最高，乙醚次之，無水乙醇提取的得率最低，由于低碳醇易與H2O互溶，結合緊密，不易于揮發，溶液中殘留較多溶劑;同時，由于石油醚溶液回收率最高，乙醚沸點較低易于揮發，不易回收，存在安全隱患。因此結合實驗室條件，操作安全性，產品成本及環境保護等因素，石油醚溶液作為橡膠籽油提取實驗中最佳的提取溶劑。

表2 溶劑對橡膠籽油得率的影響Table 2 Effect of reaction factors on extraction yield of rubber seed oil

2.1.2 提取溫度對橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為提取溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在微波功率500 W，液料比7∶1，提取時間為2 h的條件下，探討提取溫度對得率的影響。

由圖1可知，隨著溫度的升高，橡膠籽油的得率也逐漸提高，溫度達至 80℃時，橡膠籽油得率39.83%，達到最高。由于溫度升高加快了分子的熱運動，促進其擴散，從而有利于橡膠籽油更好地溶解在石油醚中，但隨著溫度的升高，石油醚的蒸發量增加，導致參與反應的石油醚量減少，減少了溶劑與物料的接觸面積，降低了擴散速率［7］;另外，石油醚變為蒸氣需帶走大量的熱量，冷卻回流下來的石油醚需要從體系中吸收熱量，這需要一個過程，因此橡膠籽油的得率有所下降。同時高溫會導致橡膠籽油的組分分解，因此橡膠籽油提取的最佳溫度為80℃。

圖1 提取溫度對橡膠籽油提取率的影響Fig.1 Effects of extraction temperature on extraction rate

2.1.3 提取時間對橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為橡膠籽油提取的溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在提取溫度80℃，液料比7∶1，微波功率500 W的條件下，研究提取時間對得率的影響。

圖2 時間對橡膠籽油提取率的影響Fig.2 Effects of extraction time on extraction rate

由圖2可知，隨著時間的增加，橡膠籽油的得率上升比較明顯，2 h之后，橡膠籽油得率開始下降。這是由于索式抽提是利用溶劑濃度差的原理，是一個動態平衡的過程。當體系未達到平衡時，延長提取時間可以提高橡膠籽油的得率。直到體系達到平衡，此時橡膠籽油在石油醚中達到飽和狀態。然而，提取時間不能太長，提取時間過長容易造成橡膠籽中的其他物質被提取出來，影響油脂含量以及油脂的品質，并且降低橡膠籽油的得率，造成污染和資源的浪費。因此，考慮能耗及成本因素，最佳提取時間2 h。

2.1.4 液料比對橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為提取溶劑，20目的橡膠籽粉末15g，在提取溫度80℃，提取時間為2 h，微波功率500 W的條件下，探討液料比對得率的影響。如圖3所示，由于滲入細胞內的溶劑迅速升溫，使細胞內壓急劇增大，導致細胞破裂，使溶劑更容易將橡膠籽油帶出。但隨著液料比的增大，橡膠籽油的得率上升的較快。這是因為隨著液料比的增加，增加了橡膠籽油與石油醚的接觸機會，接觸面積增大，并且擴大了固液濃度差，提高油脂分子的傳質速率以及擴散速度。但是隨著液料比進一步增加，提取率下降，同時增加能耗和時間，液面厚度可能一定程度上影響了微波的吸收。因此，最佳液料比7∶1。

圖3 液料比對橡膠籽油提取率的影響Fig.3 Effects of ratio of material to Petroleumether on extraction rate

2.1.5 微波功率對橡膠籽油得率的影響

以石油醚溶液作為橡膠籽油提取的溶劑，20目的橡膠籽粉末15 g，在提取溫度80℃，時間2 h，液料比為7∶1的條件下，探討微波功率對橡膠籽油得率的影響。

圖4 微波功率對橡膠籽油提取率的影響Fig.4 Effects of extraction microwave power on extraction rate

由圖4可知，功率較低時，橡膠籽油得率較低，隨著微波功率的增加，加熱程度隨著增加，橡膠籽粉末分子運動加劇，加快橡膠籽油提取效率，在微波功率達到500 W之后，橡膠籽油得率逐漸的減少。可能由于高微波功率導致的熱效應對提取物而言可能是一種損害，加速了提取物在提取劑中的降解和揮發，破環了橡膠籽油的成分，影響提取物的提取效果。所以，微波提取橡膠籽油的最佳功率約為500 W。

2.2 響應面實驗結果與分析

2.2.1 實驗結果

采用Design-Expert 8.0.6軟件進行試驗設計，根據Box-Behnken中心組合設計原理，本實驗以橡膠籽油得率為響應值，利用該軟件設計了4因素3水平的響應面法試驗，共有29個試驗點，其中24個為析因點，用于考察4個因素對橡膠籽油得率的影響是否顯著;5個為中心點，用于估計試驗誤差。因素水平如表1所示，試驗設計與結果見表3。

表3 響應面分析因素水平表Table 3 Variable and level in response surface design

以橡膠籽油得率為響應值，利用Design-Expert 8.0.6軟件根據Box-Behnken設計4個因素在3個水平上進行回歸擬合，得到橡膠籽油得率與各因素之間的二次回歸方程。回歸方程方差分析結果如表4所示。

表4 響應面分析方案及結果Table 4 Process variable and levels in response surface design arrangement and experimental response values

由表5模型系數的顯著性檢驗可知，提取功率一次項呈顯著性水平，二次項提取溫度、提取時間、液料比、提取功率呈極顯著性水平。由F值可知影響橡膠籽油提取率的因素依次是微波功率＞液料比＞時間＞溫度。此外方差分析結果中R2=0.825 5.R2Adj=0.898 5說明該模型擬合較好;由失擬檢驗P=0.932 8可以進一步說明該模型擬合較好。

利用軟件對試驗結果進行二次多元回歸擬合，對表4的數據進行方差分析后得到模型的二次多項回歸方程為:

Y/%=42.09+0.24A+0.24B+0.39C+1.97D+1.27AB-0.67AC+0.49AD+0.03BC-0.63BD-0.90CD-2.62A2-2.64B2-3.59C2-3.57D2

表5 回歸模型方差分析Table 5 Analysis of variance for regression equation

2.2.2 響應面法分析結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件得到響應面直觀圖可以反映出各個因素的交互作用，該軟件得到的響應面分析的結果見圖5～圖10。等高線可以直觀的反映出變量之間的交互作用，圓形表示2個變量之間的交互作用不明顯，橢圓形則表示交互作用明顯［8］。

圖5為液料比(7∶1)，功率(500 W)，提取溫度與時間交互作用的等高線和3D圖。由圖5可知，在提取時間一定的條件下，隨著溫度的升高，橡膠籽油得率變化不明顯;當溫度達到一定時(75～85℃))隨著提取時間的延長，橡膠籽油得率呈逐漸增加的趨勢，最后慢慢減少。從等高線圖上看，提取時間與溫度的交互作用顯著性明顯。

圖5 提取溫度和時間對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面Fig.5 Response surface and contour plots of effect of tempera-ture and time on the extraction yield of rubber seed oil

圖6為時間(2 h)，功率(500 W)，提取溫度與液料比交互作用的等高線和3D圖。由圖6可知，在提取液料比一定的條件下，隨著溫度的升高，橡膠籽油得率變化不明顯，當溫度達到一定(75～85℃)，橡膠籽油得率先升高再降低。從等高線圖上看，溫度和液料比交互作用顯著性明顯。

圖6 提取溫度和液料比對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面圖Fig.6 Response surface and contour plots of effect of temper-ature and material to solvent ratio on the extraction yield of rubber seed oil

圖7為時間(2 h)，液料比(7∶1)，提取溫度與微波功率交互作用的等高線和3D圖。由圖7可知，當微波功率在一定條件下，隨著溫度的提高，橡膠籽油得率逐漸升高最后開始減少;當提取溫度達到一定時(75～85℃)，隨著微波功率的增大，橡膠籽油得率變化非常明顯，先增大后減小。從等高線圖上看，溫度與微波功率的相互作用一般。

圖8為溫度(80℃)，微波功率(500 W)，提取時間與液料比交互作用的等高線和3D圖。由圖8可知，當液料比在一定條件下，隨著提取時間的延長，橡膠籽油得率緩慢的增加，然后慢慢的減少;當提取時間達到一定條件(1～3h)，隨著液料比的增加橡膠籽油的得率逐漸的減少。從等高線圖上看，提取時間與液料比交互作用顯著性不明顯。

圖7 提取溫度和微波功率對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面Fig.7 Response surface and contour plots of effect of temperature and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

圖8 提取時間和液料比對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面Fig.8 Response surface and contour plots of effect of time and material to solvent ratio on the extraction yield of rubber seed oil

圖9為溫度(80℃)，液料比(7∶1)，提取時間與微波功率交互作用的等高線和3D圖。由圖9可知，當微波功率達到一定條件下，隨著時間的延長，橡膠籽油得率逐漸升高，保持不變;當時間達到一定條件時(1～3h)，隨著微波功率的增大，橡膠籽油的得率逐漸增大。從等高線圖上看，提取時間與微波功率交互作用一般。

圖10為溫度(80℃)，時間(2 h)，液料比與微波功率交互作用的等高線和3D圖，由圖可知當微波功率達到一定條件下，隨著液料比的增加，橡膠籽油得率先增加后減少;當液料比達到一定條件時(6～8)，隨著微波功率的增加，橡膠籽油得率一直增加，然后保持不變。從等高線圖上看，液料比與微波功率的交互作用顯著性明顯。

從圖5～圖10的等高線響應面圖可以看出，溫度與時間、溫度與液料比、液料比與微波功率有顯著性交互作用。但是，溫度與微波功率、時間與液料比、時間與微波功率的交互作用不明顯。通過對以上圖形和方差分析的結果表明，功率是影響橡膠籽油得率的主要因素，其次是液料比，最后是時間和溫度。

圖9 提取時間和微波功率對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面Fig.9 Response surface and contour plots of effect of time and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

圖10 提取液料比和微波功率對橡膠籽油得率影響的等高線與響應面Fig.10 Response surface and contourplots of effect of material to solvent ratio and microwave power on the extraction yield of rubber seed oil

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析，微波輔助溶劑法提取橡膠籽油的最佳提取工藝是提取溫度為80.4℃，提取時間為2 h，提取液料比為7∶1，微波功率為555.5 W，在此條件下理論提取率的預測值為42.38%，考慮到實際情況，最佳提取工藝是提取溫度80℃，提取時間為2 h，提取料液比為7∶1，微波功率為555W，在此條件下，重復3次驗證實驗結果，所得到的橡膠籽油的得率為41.32%，真實值與預測值的誤差為2.5%。兩者誤差吻合較好，說明模型可行。因此采用響應面法優化的提取工藝參數能為橡膠籽油資源開發利用提供一定的理論基礎。

2.3 橡膠籽油脂肪酸成分的分析

將脂肪酸甲酯標準品和橡膠籽油樣品在上述色譜條件下分離，其分離效果好，根據各脂肪酸甲酯出峰規律確定每種脂肪酸相對保留時間，并且根據保留時間對橡膠籽油成分定性。

圖11 脂肪酸甲酯標準品氣相色譜圖Fig.11 Gas chromatogram of Fatty acid standard substance

根據圖11、圖12和表6可以看出，橡膠籽油中油脂的脂肪酸組成主要分布在C16～C18之間，其中含量約占總量的98%，橡膠籽油由9種脂肪酸組成，與普通植物油相似。飽和脂肪酸包括:肉豆蔻酸(0.115 74%)、花生酸(0.244 23%)、硬脂酸(6.609 85%)、棕櫚酸(9.645 46%)，占橡膠油總量的16.615 28%，其中不飽和脂肪酸包括:棕櫚油酸(0.288 59%)、亞油酸(40.911 7%)、α-亞麻酸(18.403 1%)、油酸(23.632 4%)、二十碳烯酸(0.1489 2%)占橡膠籽油總量83.384 72%。因此可以采用高溫氣相酯化-酯交換方法對橡膠籽油進行改性制備生物柴油［9］。

圖12 橡膠籽油氣相色譜圖Fig.12 Gas chromatogram of rubber seed oil acid

表6 橡膠籽油的脂肪酸成分Table 6 The constituent of rubber seed oil acid

3 結論

(1)本文采用響應面分析法優化微波輔助溶劑法提取橡膠籽油的工藝，影響橡膠籽油得率的主次因素依次是:微波功率＞液料比＞時間＞溫度;確定最優的工藝條件為:提取溫度80℃，提取時間2 h，液料比7∶1，微波功率555W，在此條件下，橡膠籽油得率為41.32%。

(2)微波輔輔助石油醚法提取的橡膠籽油中脂肪酸組成與含量基本一致，采用氣相色譜法對橡膠籽油脂肪酸成分進行分析，共測定出9種脂肪酸，均主要含有棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和α-亞麻酸;因此微波輔助溶劑法是一種綠色、高效和安全的提取油脂方法，具有潛在的應用前景。

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