紫蘇籽精油提取工藝及其脂肪酸構(gòu)成的研究

李占君 張志環(huán) 張厚良 郭興 祖元剛 楊逢建

摘 要：為研究紫蘇籽精油提取工藝及其脂肪酸構(gòu)成，采用微波輔助提取工藝，Box-Behnken設(shè)計方法對實驗影響因素進(jìn)行評價，通過二次多項式模型對微波輔助提取工藝予以優(yōu)化，并對所得脂肪酸進(jìn)行GC-MS分析。最終優(yōu)化所得各實驗影響因素參數(shù)：體積分?jǐn)?shù)70 % 乙醇/水混合溶液為提取溶劑，預(yù)浸提處理45 min，微波時間 8 min，微波功率523 W，料液比 1：9 g/ml， 紫蘇籽精油實際提取率為38.02 %與預(yù)期理論值38.66 %吻合度較好，氣相色譜可知：該種紫蘇籽精油不飽和脂肪酸含量較高，α-亞麻酸含量為64.41%。結(jié)論： 響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取紫蘇籽精油工藝，能夠較好地模擬和預(yù)測實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：紫蘇籽精油;微波輔助;響應(yīng)面優(yōu)化;最佳工藝參數(shù)：氣相色譜分析;α-亞麻酸

中圖分類號：TQ645.2? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-8023（2019）01-0036-06

Abstract： In order to study the extraction process and composition of essential oil of Perilla seed， microwave assisted extraction technology was applied， Box-Behnken design method was used to evaluate the experimental factors. The correlation analysis of mathematical-regression models indicated that quadratic polynomial model could be employed to optimize the microwave assisted extraction， and the fatty acids were analyzed by GC-MS. Finally， the parameters of influencing factors were optimized： 70 % of ethanol/water as the extraction solvent， microwave pre-invasion treatment time of 45 min， microwave time of 8 min， microwave power of 523 W， and solid-liquid ratio of 1：9 g/ml. The actual yield was 38.02 %， which well matched with the predicted value of 38.66 %. The GC-MS showed that， the content of α-Linolenic acid was 64.41%， which with higher unsaturated fatty acid content. Conclusion： the results showed that the method of response surface optimization could simulate and predict well the extraction of essential oil from Perilla seed assisted with microwave.

Keywords： Perilla seed essential oil; microwave assisted; response surface optimization; optimum parameters; GC-MS; α-Linolenic acid

0 引言

紫蘇Perilla frutescens （L.） Britt.為一年生、唇形科蘇屬、草本植物，又叫做赤蘇、紅紫蘇、紅蘇[1-3]。紫蘇籽精油中不飽和性脂肪酸含量較高，代表性不飽和脂肪酸為α-亞麻酸，是一種營養(yǎng)價值較高的天然植物油，現(xiàn)階段紫蘇籽精油的研究越來越受關(guān)注[4-5]。相關(guān)研究表明：紫蘇油在消炎、抗病毒和鎮(zhèn)靜等諸多醫(yī)療方面具有較好的療效，在食品、保健領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[6-7]。油脂提取常見方法包括：超聲輔助提取法、微波輔助提取法、傳統(tǒng)性索氏提取法、機(jī)械壓榨法以及超臨界CO2提取法等[8]。微波輔助提取法具有較高的輔助穿透性、提取過程中受熱條件好、高選擇性等特點，在植物活性物質(zhì)分離、純化的過程中得以廣泛性應(yīng)用[9-10]。

采用響應(yīng)面分析法對微波輔助提取法工藝參數(shù)予以優(yōu)化，針對紫蘇籽精油中脂肪酸構(gòu)成以及α-亞麻酸含量進(jìn)行測定和分析，為紫蘇籽精油在食品、醫(yī)療和油化工等諸多行業(yè)內(nèi)的綜合利用與開發(fā)提供有現(xiàn)實可靠的理論性依據(jù)與參考依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

材料：紫蘇籽，2017年9月份選購于黑龍江省伊春市，鐵力林業(yè)局茂林河林場， 顆粒干燥、飽滿、無霉變。

試劑：無水乙醇、超純水及其余試劑均為國產(chǎn)分析純，都是購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2設(shè)備與儀器

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（型號：6890N-5975B，美國安捷倫儀器有限公司）;臺式數(shù)控超聲波清洗器（型號：KQ-250DB，昆山市超聲儀器有限公司）;電子天平（型號：JA2003，上海精科廠）;轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（型號：RE-52AA，上海亞榮）;中藥粉碎機(jī)（型號：FW-135，天津奈斯特儀器有限公司）;電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號：101-1，北京科偉永興儀器有限公司）;循環(huán)水式多用真空泵（型號：SHB-IV， 鄭州長城科工貿(mào)有限公司）;冰箱（型號：TCL BCD-226K3，TCL集團(tuán)股份有限公司）;其他玻璃器皿（天津化學(xué)玻璃儀器廠）。

2 實驗方法

2.1 原材料的預(yù)處理

對實驗所需紫蘇籽進(jìn)行前期低溫烘干預(yù)處理，紫蘇籽粉碎至40目，紫蘇籽粉末于恒溫干燥箱中二次烘干，保證處理后的紫蘇籽粉末含水率≤5%，留以備用[11-12]。

2.2 紫蘇籽精油的提取

將經(jīng)過預(yù)處理的實驗材料置于微波輔助環(huán)境中，通過改變影響因素來影響最終提取效果，每組實驗往復(fù)3次，待反應(yīng)混合溶液冷卻至室溫，予以抽濾，以懸蒸的形式進(jìn)行溶劑分離[13-14]。紫蘇籽精油提取率計算公式為：

2.3 單因素析因?qū)嶒?/p>

2.3.1 乙醇/水（v/v）體積分?jǐn)?shù)

準(zhǔn)確稱量紫蘇籽粉末10 g，預(yù)處理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波時間3 min，微波功率 230 W，同時選取體積分?jǐn)?shù)為50 %、60 %、70 %、80 %、90 % 進(jìn)行單因素實驗。

2.3.2 微波功率

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液為提取溶劑，準(zhǔn)確稱量紫蘇籽粉末10 g，預(yù)處理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波時間3 min，同時選取120、230、385、540、700 W進(jìn)行單因素實驗。

2.3.3 微波時間

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液為提取溶劑，準(zhǔn)確稱量紫蘇籽粉末10 g，預(yù)處理浸提45 min，料液比1：10 g/ml，微波功率230 W，同時選取2、4、6、8、10 min進(jìn)行單因素實驗。

2.3.4 料液比

70 % 乙醇/水（v/v）混合溶液為提取溶劑，準(zhǔn)確稱量紫蘇籽粉末10 g，預(yù)處理浸提45 min，微波功率230 W，微波時間3 min，同時選取液料比1：6、1：8、1：10、1：12、1：14 g/ml進(jìn)行單因素實驗。

2.4 響應(yīng)面的分析因素和水平的選取

運用Box-Behnken試驗設(shè)計原理對影響紫蘇籽精油提取率較為顯著的微波功率（W）、微波時間（min）以及料液比（g/ml）進(jìn)行三因素三水平的建立。見表1。

2.5 GC-MS的測定與分析條件

氣相色譜條件：色譜柱： HP- 5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;升溫程序為150 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至250 ℃，保持1 min;載氣為高純氦氣（99.99 %）流速40 ml/min;進(jìn)樣量1 μl;分流比10：1;進(jìn)樣口溫度：250 ℃。

質(zhì)譜條件：電子轟擊（EI）離子源;傳輸線溫度280 ℃;離子源溫度250 ℃;質(zhì)量掃描范圍50 ～ 1 000 m/z，全掃描。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素實驗

3.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的選擇

當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)低于70 % 時，提取率會隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的提高而相應(yīng)得到提升，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為70 % 時，此時提取率提高幅度最大。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)大于70 %時，提取率提高幅度變小，甚至有下降的趨勢發(fā)生;這主要是因為乙醇溶液中的水分對紫蘇籽物料起到一定程度的溶脹作用，這有利于提取反應(yīng)混合溶液體系內(nèi)物料與乙醇的接觸面積，對提取過程有積極、促進(jìn)性作用。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)過大時，一方面乙醇混合溶液內(nèi)部水分過少，使得物料溶脹不充分;另一方面混合溶液在乙醇體積分?jǐn)?shù)過高的情況下，輔助提取反應(yīng)過程中乙醇溶液會發(fā)生爆沸、揮發(fā)，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)提取率降低。在考慮實驗效果與具體操作的情況下，選擇體積分?jǐn)?shù)為70 %的乙醇作為最佳提取溶劑。

3.1.2 微波功率的選擇

當(dāng)微波功率低于540 W時，提取率會因微波功率的加強(qiáng)而相應(yīng)得以提升，且提升幅度較大、明顯。主要因為這一階段隨著微波功率的加強(qiáng)，反應(yīng)混合溶液體系內(nèi)部在微波驅(qū)動力的作用下會產(chǎn)生大量氣泡，該現(xiàn)象對混合體系內(nèi)有機(jī)溶劑的浸入，對穿透物料粉末細(xì)胞組織有促進(jìn)作用，最終達(dá)到提取率提升的目的。當(dāng)微波功率達(dá)到540 W并繼續(xù)加強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)部提取率提升幅度變小、逐漸變得不為明顯，這是由于微波功率過高，導(dǎo)致溶劑過于沸騰，使得提取溶劑發(fā)生揮發(fā)、溢出，提取率受到影響，因此，選擇540 W進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

3.1.3 微波時間的選擇

當(dāng)微波時間低于6 min時，提取率會因微波時間的增加而相應(yīng)得以提升，且提升幅度較大。主要因為在這一階段隨著微波時間的延長，紫蘇籽粉末內(nèi)部細(xì)胞所吸收的微波能量會隨著時間的延長而得以增加，進(jìn)而使得細(xì)胞發(fā)生破裂，該現(xiàn)象對混合體系內(nèi)有機(jī)溶劑浸入、穿透物料粉末細(xì)胞組織有一定的促進(jìn)性作用，最終達(dá)到提取率提升的目的。當(dāng)時間達(dá)到6 min并繼續(xù)延長時間，系統(tǒng)內(nèi)部提取率提升幅度變小，這主要是因為當(dāng)時間超過6 min時，混合溶液體系內(nèi)部能量吸收以及溶液體系內(nèi)部趨于飽和狀態(tài)，致使提取率受到影響，因此，選擇6 min進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

3.1.4 料液比的選擇

當(dāng)液料比低于1：10時，提取率會因料液比的增加而相應(yīng)得以提升，且提升幅度較大、明顯。主要因為在這一階段紫蘇籽粉末提取不充分，仍有部分油脂未被提出存留在紫蘇籽粉末中，適當(dāng)?shù)奶岣吡弦罕葧沟没旌先芤禾幱谝环N不飽和狀態(tài)，對混合體系內(nèi)有機(jī)溶劑浸入、穿透物料粉末細(xì)胞組織有一定的促進(jìn)性作用，最終達(dá)到提取率提升的目的。當(dāng)料液比高于1：10時，反應(yīng)混合溶液內(nèi)部濃度過于稀釋，過多的溶劑會吸收一定能量的微波，使得提取率有所下降，操作成本過高，因此選擇1：10進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

3.2 提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

3.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化方案及結(jié)果

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，運用Box-Behnken試驗設(shè)計原理選取對影響紫蘇籽精油提取率較為顯著的微波功率（W），微波時間（min）以及料液比（g/ml）這三因素予以三因素三水平的建立，對紫蘇籽精油的提取工藝予以優(yōu)化。對表 1中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析處理，在表2的17個實驗中具體分為兩組實驗編組，分別為1～12是析因試驗，13～17是中心實驗，以紫蘇籽精油提取率為（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行回歸擬合，最終得到的二次多元回歸模型為：

對表3方差分析可知，響應(yīng)值會受到所得回歸方程中各變量影響因素的影響，而呈現(xiàn)顯著程度上的差異。在F值與影響程度二者之間符合正相關(guān)性的基礎(chǔ)上，以F值來判斷各影響因素顯著程度的強(qiáng)弱，最終可得出F值與影響程度的趨勢。

實驗操作過程中，影響因素影響程度為：A微波時間（min） > B微波功率（W）> C料液比（g/ml），其中A微波時間（min）與C料液比（g/ml）對紫蘇籽精油提取率的影響交互性較為顯著， A2、B2、C2最為顯著。表中總模型方程 （Pr? > F） < 0.000 1，說明不同處理條件情況下整體模型具有一定程度的差異性極顯著性。而模型中（Pr > F失擬）0.352 8 > 0.05，表明各影響因素之間的影響不為顯著。對表4分析可知，Adj.R-Squared = 0.948 6，表明該模型響應(yīng)值變化的可解釋度為94.86 %，說明該模型模型擬合度較高，能夠?qū)φw實驗過程中所優(yōu)化各影響因素，進(jìn)行合理的分析與預(yù)測。對微波功率與微波時間，微波時間與料液比，微波功率與料液比，三組參數(shù)之間的交互作用分析可知：紫蘇籽精油提取率均具有顯著性的影響。

對表4回歸模型的決定系數(shù)分析可知，回歸系數(shù)R2 = 0.977 5，表明模型相關(guān)度較好，實驗情況合理。

響應(yīng)面對微波時間與微波功率、微波時間與料液比、微波功率與料液比的優(yōu)化實驗傘壯圖，得出最佳工藝參數(shù)為：溶劑體積分?jǐn)?shù)70 %乙醇，預(yù)浸提處理45 min，微波時間8 min，微波功率523 W，料液比1：9 g/ml，理論預(yù)期提取率為38.66 %。

3.2.2 工藝驗證性實驗

為了檢驗試驗結(jié)果可靠性，通過對響應(yīng)面數(shù)據(jù)的分析，以優(yōu)化得出的實驗參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)驗證試驗，所得到實際值平均提取值為38.02 %與理論預(yù)期值38.66 %接近，說明該種優(yōu)化方式能夠較好地模擬和預(yù)測提取率。

3.3 紫蘇籽精油脂肪酸構(gòu)成分析實驗

氣相色譜分析，由表5得知，該種紫蘇籽不飽和脂肪酸含量較高，其不飽和脂肪酸的類型依次為棕櫚酸、油酸、α-亞麻酸、肉豆寇酸;其中α-亞麻酸在脂肪酸中的相對含量最高為64.41%，油酸相對含量為13.52%，肉豆寇酸相對含量為13.02%，棕櫚酸相對含量為7.02%。

4 結(jié)論

本實驗采用RSM的三因素三水平Box-Behnken設(shè)計方法，對伊春地域性紫蘇籽精油微波輔助提取進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取紫蘇籽精油的工藝具有可行性，經(jīng)統(tǒng)計分析、驗證性實驗最終得出影響提取率各因素影響程度為：A微波時間（min） > B微波功率（W） > C料液比（g/ml），其中A微波時間（min）與C料液比（g/ml）對紫蘇籽精油提取率的影響交互性較為顯著;最佳工藝參數(shù)為：體積分?jǐn)?shù)70 % 乙醇/水混合溶液為提取溶劑，預(yù)浸提處理45 min，微波時間8 min，微波功率523 W，料液比1：9 g/ml，其實際平均提取率為38.02%與理論預(yù)期值38.66 %接近，可見該模型的回歸方程能較好地模擬和預(yù)測紫蘇油的提取率。氣相色譜分析可知：紫蘇籽精油中α-亞麻酸相對含量最高為64.41%，提取出的紫蘇籽精油脂色澤淡黃、澄清，具有一定的芳香氣息，因此該項研究能夠為紫蘇籽精油的綜合利用與開發(fā)提供現(xiàn)實可靠的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

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