超聲波輔助提取翅堿蓬籽油脂的工藝優化

李煦，徐美，劉長霞，高宗迪，范小振*

滄州師范學院化學與化工學院（滄州 061000）

翅堿蓬屬于藜科的草本植物，其分布在全國沿海各地，生于鹽堿土地和灘涂地帶，是鹽堿地的典型指示植物[1]。研究表明，翅堿蓬籽的脂肪含量為37%，其中不飽和脂肪酸、必需脂肪酸含量高，不飽和脂肪酸含量占到脂肪含量的90%左右[2]。翅堿蓬籽油中富含硼、鐵、鋅等13種微量元素，其中鐵含量達7.095 7～7.302 1 mg/kg[3]。因此翅堿蓬籽油具有開發為高級保健食用油脂的價值。

翅堿蓬籽油在工業生產中也有廣泛的利用價值，如可以使用翅堿蓬籽油來制備共軛亞油酸，共軛亞油酸在醫藥方面可用來抗腫瘤、動脈粥樣硬化和降低體內脂肪含量[4-5]。也可以制備硬脂酸，硬脂酸可以用作化學用品的原料，化學用品如表面活性劑、化妝品、涂料等[6]。

中國鹽生植物的種類豐富，品種約占全球鹽生植物的40%，其中有許多種植物具有重要經濟價值。翅堿蓬籽含有豐富的營養物質，但翅堿蓬籽一直被當作廢棄物，開發利用程度低，造成資源上的浪費。滄州沿海地區范圍較大的鹽堿地已成為經濟和生態環境發展的瓶頸，鹽生植物的開發與利用對加快鹽堿地改良、農業發展具有重要的現實意義。

超聲波處理法提取油脂的工藝除利用超聲波所具有的空化作用外，還可利用超聲波具有的熱效應、乳化、擴散、擊碎等許多次級效應，可以有效加速植物種子種的油脂成分在溶劑中擴散、釋放，提高提取油脂提取工藝過程的傳質速率，對油脂提取具有很強的促進作用，現已被越來越多地應用于油脂提取工藝中[7-9]。張郁松[10]分別采用壓榨法、索氏法、水代法、超聲波輔助法及超臨界流體法對核桃油脂的提取效果進行比較，結果表明超聲波輔助法操作簡單、提取率最高。

為開發翅堿蓬的經濟價值，變廢為寶，減少資源的浪費，同時也為實現滄州沿海地區較大范圍鹽堿地的綜合利用，選擇超聲波處理法對翅堿蓬籽中的油脂進行提取，通過正交試驗設計、響應面試驗設計進一步優化試驗方法，探究超聲波輔助提取翅堿蓬籽油的最佳工藝條件，為翅堿蓬籽在食品開發利用方面的研究提供新思路和新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

翅堿蓬籽（采集于河北省滄州市沿海地區，采集到的樣品籽皮混雜，需進行進一步處理）；石油醚（60～90 ℃，天津市光復科技發展有限公司）。

1.2 儀器與設備

XO-SM 200型超聲波微波組合反應系統（南京先歐儀器制造有限公司）；766-0型遠紅外輻射干燥箱（江蘇省南通農業科學儀器廠）；FA 2004 N型電子天平（上海精密科學儀器有限公司）；SL-100型高速多功能粉碎機（浙江省永康市松青五金廠）；DZTW型調溫電熱套（北京市永光明醫療儀器廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 翅堿蓬籽的預處理

將翅堿蓬籽自然晾干，依次過40～60目篩，通過逐級篩分進行籽皮分離，去掉種皮和雜質，獲得飽滿的黑色翅堿蓬種籽顆粒。將籽皮分離后得到的翅堿蓬種籽顆粒在高速多功能粉碎機中粉碎，于60 ℃下干燥6 h，過100目篩，得到翅堿蓬籽原料（100目）[11]。

1.3.2 超聲波法提取翅堿蓬籽油脂的工藝流程

1.3.3 翅堿蓬籽油提取率計算方法

1.3.4 單因素試驗

依據上述提取方法，每次試驗準確稱取5 g（精確到0.001 g）翅堿蓬籽原料，以翅堿蓬籽油提取率為參考指標，選取超聲波功率、液料比和提取時間3個因素為變量進行單因素試驗，考察各因素變量對翅堿蓬籽油提取率的影響。試驗為間歇操作過程，超聲波周期性施加，即超聲波施加3 s，停止1 s，反復進行。

超聲波功率單因素試驗：提取時間30 min、液料比8:1（mL/g），考察超聲波功率120，240，360，480和540 W對提取率的影響。抽濾后，收集所得濾液加入無水NaSO4后進行蒸餾操作，去除溶劑后，置于干燥器中至恒重，稱取提取油脂的重量，計算油脂得率。液料比單因素試驗：超聲波功率360 W、時間30 min、考察液料比6:1，8:1，10:1，12:1和14:1（mL/g）對提取率的影響，其他程序如上。提取時間單因素試驗：超聲波功率360 W、液料比8:1（mL/g），考察提取時間10，20，30，40和50 min對提取率的影響，其他程序如上。每組試驗重復3次，計算提取率，取平均值。

1.3.5 正交試驗設計

根據單因素試驗結果，選取超聲波功率（A）、液料比（B）和提取時間（C）為設計因素，選取L9(33)正交表進行試驗，以翅堿蓬籽油脂提取率為指標進行正交試驗，試驗設計如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表

1.3.6 Box-Benhnken中心組合試驗設計

在單因素基礎上，每個因素選取3個對翅堿蓬籽油提取率影響較大的水平，建立三因素三水平的Box-Benhnken中心組合試驗，以提取率為響應值，各因素的3個水平采用-1、0、1進行編碼，如表2。

表2 響應面設計試驗因素水平和編碼

1.3.7 翅堿蓬籽油理化指標的測定

取提取后的翅堿蓬籽油脂分別參照GB/T 5532—2008《動植物油脂、碘值的測定》、GB/T 5530—2005《動植物油脂、酸值和酸度測定》、GB/T 5534—2008《動植物油脂皂化值的測定》、GB/T 5538—2005《動植物油脂過氧化值的測定》對其碘值、酸值、皂化值、過氧化值進行測定。

1.3.8 數據處理

試驗數據采用Origin 8.5軟件作圖，Design-Expert 8.0.6軟件進行方差分析，采用Minitab 16軟件對正交試驗和Box-Benhnken中心組合試驗結果進行雙樣本t檢驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波功率對提取率的影響

如圖1所示，提取率隨著超聲波功率的增大呈先增加后減小趨勢，超聲波功率360 W時，翅堿蓬籽油提取率最大，超聲波功率高于360 W時，提取率隨功率增大而下降。這可能是由于超聲波具有無選擇性的破壞作用，高功率條件下，空化作用不僅破碎細胞壁，也破壞欲提取物質的分子結構，對于特定的物質，超聲波作用的效果取決于超聲波鞏固率和提取物的結構與性質，不同的提取物有不同的超聲功率[12]。因此用超聲波提取翅堿蓬籽油的最優功率為360 W。

2.1.2 料液比對提取率的影響

如圖2所示，在原料質量不變的情況下增加石油醚的用量，提取率在前期階段出現顯著提升，再增加提取劑用量，呈現下降趨勢。這是可能是在前期階段對于一定量的翅堿蓬籽，增加提取劑的用量會增大體系的滲透壓，使油脂更多的溶出，提取率上升。但液料比增加，同樣會增加超聲波破碎細胞的阻力，使細胞破碎程度下降，從而降低油脂的提取率[13]。因此用超聲波提取翅堿蓬籽油的最優液料比8:1（mL/g）。

圖1 超聲波功率對提取率的影響

2.1.3 提取時間對提取率的影響

從圖3中看出在10～30 min時，提取率隨著時間的增長而提高，在30 min達到最大提取率。提取時間高于30 min時，提取率略有降低，可能是提取時間過長導致油脂發生分解，因此提取時間選擇為30 min。

圖3 提取時間對提取率的影響

2.2 正交優化試驗

根據單因素試驗結果，選取超聲波功率（A）、液料比（B）和提取時間（B）為設計因素，選取L9(33)正交表進行試驗，以翅堿蓬籽油脂提取率為指標進行正交試驗，試驗結果如表3所示。

根據表3中的極差分析得出RB＞RC＞RA，即對翅堿蓬籽油提取率影響因素由大到小分別為液料比、提取時間、超聲波功率。由正交試驗得出最優組合工藝為B2C2A2，即正交試驗得出的最優工藝條件為：液料比8:1（mL/g）、提取時間30 min、超聲波功率為360 W。根據表4方差分析可知，因素B（液料比）對試驗結果影響顯著，因素A（超聲波功率）和因素（C）提取時間對試驗結果影響不顯著。

表3 正交設計試驗表與結果

表4 正交試驗方差分析

在正交試驗得出的優化條件下進行5次平行試驗，翅堿蓬籽油提取率平均值為22.46%，表明工藝較為穩定可靠。

2.3 BBD試驗結果及數據分析

2.3.1 BBD試驗設計方案及結果

以單因素試驗結果為依據，利用Design Expert 8.0.6 統計分析軟件設計出的試驗方案及試驗結果如表5所示，以翅堿蓬籽油提取率為響應值，以超聲功率（A）、液料比（B）和提取時間（C）為自變量，建立三因素三水平中心組合試驗設計共包括17個試驗方案。

以A、B和C為響應變量，以R為響應值，通過非線性回歸得到的二次方程為：提取率=-12.073 50+0.040 296 5A+4.930 75B+0.459 67C-8.958 33×10-4AB-9.791 67×10-5AC+5.000 00×10-4BC-4.109 38×10-5A2-0.278 56B2-7.167 50×10-3C2。

對方程進行方差分析，結果見表6。模型的F=31.37，p＜0.000 1，差異極顯著。失擬差中的p=0.086 3＞0.05，說明響應面模型所設計并進行的試驗誤差較小。通過對試驗模型進行可信性分析，得到決定系數R2=0.987 2，響應值的變化有98.72%來源于所選因素，表明方程對超聲波處理法提取翅堿蓬籽中油脂工藝擬合度較好。二次模型可以合理性地描述各試驗因素與響應值，以確定提取翅堿蓬籽油的最佳工藝條件[14]。通過模型系數的顯著性分析，可以看出液料比對提取率的影響極其顯著，料液比與超聲功率的交互作用對提取率有顯著影響，A2、B2和C2均對模型體現極顯著性。A、B和C 3個因素的p值分別為0.279 9，0.000 8和0.789 9，所以3個因素對提取率的影響順序是B＞A＞C，即對提取率影響因素由強到弱依次為：液料比、超聲波功率、提取時間。

表5 響應面試驗設計及結果

表6 回歸模型及方差分析

2.3.2 響應曲面分析

響應面圖形是響應值對各試驗因子所構成三維空間的曲面圖，從響應面分析圖上可形象地看出最佳參數及各參數之間的相互作用[15-16]。如圖4所示，各曲面存在最高和最低點，翅堿蓬籽油的提取率隨著A、B、C 3個因素的增加先增大后下降。圖中等高線均為圓形，說明雙因素相互作用沒有顯著性。表5的方差分析中反映AB兩因素相互作用顯著，其等高線為橢圓形，且等高線密集，與方差分析的結果一致。

圖4 兩因素交互作用對提取率影響

2.3.3 響應面法最佳工藝驗證試驗

利用響應面法得出的最佳工藝條件為：A 363.89 W、B 8.29:1（mL/g）、C 29.86 min。在試驗儀器的現實要求下，得出最佳工藝條件為：超聲波功率365 W、液料比8:1（mL/g）、提取時間30 min。在最佳工藝條件下進行試驗，得出的提取率平均為22.48%。Design Expert 8.0.6軟件計算得到的理論值為22.561 5%，與試驗值的相對誤差為0.16%，說明響應面法得出的最佳工藝條件可行。

2.4 驗證性試驗結果

在響應面的最佳工藝條件和正交試驗的最佳工藝條件下分別進行5組平行試驗，使用Minitab 16軟件中的雙樣本t檢驗對兩者的提取率進行對比，來驗證提油的效果，驗證試驗結果見表7。

表7中雙樣本t驗證結果指出，p=0.896＞0.05，說明兩種試驗方法的最佳工藝條件下的提取率差異不顯著，結果相符[17]。

2.5 翅堿蓬籽油理化性質分析

對響應面法最佳優化條件下的翅堿蓬籽油脂進行理化性質分析，按照相關國標測定翅堿蓬籽油的碘值、酸值、皂化值、過氧化值，結果如表8所示。

表7 驗證試驗結果

表8 翅堿蓬籽油理化性質指標

酸值大小是脂肪中游離脂肪酸含量的標志，酸值越小說明油脂質量越好，新鮮程度越高，翅堿蓬籽油酸值為1.91 mg KOH/g，數值低于3 mg KOH/g，達到食用植物油的要求。碘值表示有機化合物中不飽和程度，碘值越高，油脂不飽和程度越大，翅堿蓬籽油的碘值為151.71 g I/100 g，大于130 g I/100 g，符合干性油脂指標。皂化值反映油脂的平均分子量，翅堿蓬籽油的皂化值為192.89 mg KOH/g，此結果與青果果仁油皂化值基本一致[18]。過氧化值反應油脂和脂肪酸等被氧化程度的大小，翅堿蓬籽油的過氧化值為2.53 mmol/kg，與特級初榨橄欖油（2.56 mmol/kg）[19]和油茶籽油（2.58 mmol/kg）[20]相比類似。

根據各理化指標的檢測結果可知，翅堿蓬籽油的各理化性質均符合食用植物油的標準。

3 結論

以翅堿蓬籽（100目）為原料，選擇超聲波處理法優化翅堿蓬籽油提取工藝。

在單因素試驗基礎上，利用正交試驗法和響應面法進一步優化提取工藝。使用Minitab 16軟件中的雙樣本t檢驗對響應面法和兩者的提取率進行對比，兩種試驗方法的最佳工藝條件下的出油率差異不顯著，二者對翅堿蓬籽油脂提取工藝的優化結果基本一致。

采用正交法得到超聲波處理法提取翅堿蓬籽油的最佳工藝條件為：超聲波功率為360 W、液料比8:1（mL/g）、提取時間30 min。在最佳工藝條件下，得到翅堿蓬籽油提取率平均值為22.46%。

采用響應面法得到超聲波處理法提取翅堿蓬籽油的最佳工藝條件為：超聲波功率365 W、液料比8:1（mL/g）、提取時間30 min。在最佳工藝條件下，翅堿蓬籽的提取率平均為22.48%。

應用國標方法測定翅堿蓬籽油的各項理化指標，其檢測結果均達到食用植物油的要求，其中皂化值與青果果仁油皂化值基本一致，說明翅堿蓬籽油具有作為食用油開發的價值。