響應面法優化紅果參油的提取工藝

陳曉娟，陳聰穎，譚麗彬，李 佳，顧仁勇

(吉首大學 化學化工學院，湖南 吉首 416000)

紅果參[Campnumoea lancifolia ( Roxb.) Merr]系桔梗科多年生草本長葉輪鐘草。其味甘、微苦，性平；具益氣補虛、祛瘀止血功效[1]；紅果參果實營養豐富，尤其是VC和Ca、P等元素較為豐富[2]。隨著有關紅果參中多糖、黃酮類化學物的提取及抗氧化的研究報道[3-4]，紅果參的開發利用也日益受到人們重視，在湖南湘西地區和云南曲靖地區已經開展了紅果參的人工種植。功能性油脂是一類具有特殊生理功能的油脂，對人體有一定保健功能和藥用功能，尤其對預防高血壓、心臟病、癌癥等有積極作用，主要是由于其含有多不飽和脂肪酸和磷脂[5-7]。通常，由植物的果實、種子等提取出的油脂稱為天然植物油脂[8]，近年來，從常見的植物如菜籽、棕櫚、大豆和花生等的研究不斷見諸報道[9]。它是功能性油脂的主要來源，如枸杞籽油、亞麻籽油、葡萄籽油等，其中均含有大量的亞油酸，油茶籽油中油酸含量超過70%[10]。現今充分利用植物油脂的天然無毒性開發各種功能性食品和保健品既順應時代的發展又滿足了人類對天然產品返璞歸真的渴望[11-12]。

本文研究了紅果參油的提取工藝，優化提取條件，開發出新資源產品，為紅果參這一新型特色水果資源的綜合開發利用提供試驗基礎及理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅果參：曲靖萬遠中藥材種植合作社提供的成熟新鮮果實，經粗破碎后在恒溫干燥箱中60℃烘干備用；石油醚(b.p 60～90℃，分析純)：成都金山化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

KM-410A超聲波清洗機：廣州市科潔盟實驗儀器有限公司；101-2AB型電熱鼓風干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；FW80高速萬能粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；JA2003電子天平：上海舜宇橫平科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅果參油的提取方法

取適量新鮮紅果參，經粗破碎后于60℃恒溫干燥箱中干燥8～10h，然后用粉碎機粉碎至80目。稱取所需量并粉碎物料，分裝于燒杯中，加入石油醚，于超聲功率為240W的超聲波清洗機中調定適宜條件后進行提取，抽濾，濾液于100℃恒溫水浴蒸發溶劑，最后將樣品放置于干燥箱中80℃干燥，冷卻后稱粗油重[13]。按下式計算紅果參提取率(%)：

提取率(%) = 紅果參油的質量(g)/干燥紅果參原料質量(g)×100

1.3.2 單因素試驗

采用單因素試驗法，以提取率為指標，初步優選料液比、超聲處理溫度、超聲處理時間三個因素的最優條件。三因素的水平如下：

料液比：1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7(g/mL)

處理溫度：30、40、50、60、70 (℃)

處理時間：20、30、40、50、60 (min)

1.3.3 響應面優化試驗[14-15]

在單因素試驗基礎上，根據Box-Behnken 中心組合設計原理，選取料液比、超聲溫度、超聲時間為考察因素，以提取率為響應值，進行中心組合試驗設計，優選紅果參油提取的工藝參數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對提取率的影響

固定超聲處理溫度50℃，處理時間40min，料液比分別為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7g/mL，按照1.3.1所述方法提取紅果參油，不同料液比所得提取率見圖1。

圖1 料液比對提取率的影響Fig.1 Effect of material -water ratio on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖1可見，隨著溶劑用量(料液比)加大，紅果參油提取率逐步增加，料液比由1∶3(g/mL)增大至1∶6(g/mL)時，提取率由3.21%增加到9.2%。再繼續增大溶劑用量，提取率增加不明顯。導致這種現象的原因是當溶劑用量較小時，與底物接觸不充分，導致提取效果較差。當溶劑量的增大到一定值時，溶劑與底物達到充分接觸，即便再增加溶劑作用效果已不明顯。綜合經濟成本與提取率，料液比為 1∶6(g/mL)最適宜。

2.1.2 超聲處理溫度對提取率的影響

選擇料液比1∶6(g/mL)，固定超聲時間40min，超聲溫度分別為20、30、40、50、60℃，按照1.3.1所述方法提取紅果參油，不同溫度下提取率見圖2。

圖2 超聲處理溫度對提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasound treatment temperature on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖3可見，隨超聲處理溫度升高，紅果參油提取率呈現先增大后減少的變化趨勢，超聲溫度為50℃時提取率最高，達到了8.92%。當超聲處理溫度較低時，分子擴散運動能力較小，物料的空化作用不夠完全，影響油脂提取率；而當溫度高于 50℃ 后，此時接近石油醚的初始沸點，且物料略有糊化而造成提取率降低。綜合經濟成本，選擇超聲處理溫度為 45℃為宜。

2.1.3 超聲處理時間對提取率的影響

選取料液比1∶6(g/mL)、超聲溫度 45℃，超聲處理時間分別為30、40、50、60、70min，按1.3.1所述方法提取紅果參油，不同提取時間的提取率見圖2。

圖3 超聲波處理時間對提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasound treatment time on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖3可見，隨著超聲時間的延長，紅果參油提取率不斷提高。超聲時間由30min增加到50min時，提取率由8.95%增加到10.44%，超過50min后，提取率增加不明顯。這是由于超聲波作用在開始階段對紅果參細胞膜的破碎作用較大，溶出物多，得率不斷升高，當溶解度達到飽和時，有效成分不再溶出，故選擇超聲處理時間為50min最佳。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 試驗方案與結果

根據Box-Benhnken 中心組合試驗設計原理，在單因素試驗基礎上，選取料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時間(C)為考察因素，以紅果參提取率(Y)為響應值，進行 Box-Benhnken 中心組合試驗，因子水平編碼見表1，試驗方案及結果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Experimental variables and levels

表2 試驗設計及結果Table2 Experimental design arrangement and results

2.2.2 模型建立與方差分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對17個試驗點的提取率進行回歸分析，得到紅果參油提取得率的回歸方程為: 提取率(Y)=-96.67+4.79A-62.80B-0.076C+3.76AB+0.015AC-1.03BC-0.067A2-73.33B2-3.60×10-3C2對回歸模型進行方差分析，結果見表3。

表3 方差分析表Table 3 ANOVA for the regression response surface model

注: *為顯著( p<0.05)，**為極顯著( p<0.01)。

由表3可見，所得二次方程模型極顯著(P<0.01)，失擬項不顯著(P>0.05)，表明回歸方程具有顯著意義。回歸決定系數 R2=0.9259，說明響應值的變化有 92.59% 來源于所選因子變化，擬合程度好，模型能夠較好的描述紅果參油提取試驗結果，能很好地對響應值進行預測。精密度(Adeq Precision)值大于4.0視為合理，本試驗精密度為8.180，表明其為一個適宜的信號[16-17]。從方差分析結果可知，因素A(超聲溫度)、B(超聲時間)和C(料液比)對提取率具有極顯著的影響(P<0.01)；二次項A2對響應值曲線效應影響極顯著(P<0.01)；交互項AC對響應值影響顯著(P<0.01)，AB和BC影響不顯著(P>0.05)，表明超聲溫度與超聲時間對提取率具有協同作用，超聲溫度與料液比、料液比與時間的交互作用均較弱；由各因素 F 值可以得出，三個因素對提取率影響的主次順序為:料液比> 超聲時間>超聲溫度。

2.2.3 因素交互效應分析

為考察因素對紅果參油提取率的交互效應，采用降維分析得回歸方程如下：

YAC=-96.67+4.79A-0.076C+0.015AC-0.067A2-3.60×10-3C2

YAB= -96.67+4.79A-62.80B+3.76AB-0.067A2-73.33B2

YBC= -96.67-62.8B-0.076C-1.03BC-73.33B2-3.60×10-3C2

依據回歸方程作交互因素的響應面和等高線圖見圖4～圖6。

圖4 超聲溫度和超聲時間影響提取率的響應面(a)及等高線圖(b)Fig.4 Response surface(a)and contour line(b)of material -water ratio and ultrasound time to Hong Guo Ginseng 0il yield

響應面圖坡度大表明因素對響應值影響大，等高線密集呈橢圓形表示兩因素交互影響較大，而坡度平緩、等高線呈圓形則與之相反。圖4可看出，響應值(提取率)沿A (超聲溫度)方向移動的響應面坡度明顯要比沿C(超聲時間)方向更加陡峭，等高線更加密集，表明超聲時間對響應值的貢獻更大。等高線的形狀接近橢圓，表明兩因素的交互作用較強，結果與方差分析結果一致，也即超聲溫度和超聲時間對紅果參油提取效果存在明顯的協同效應。

圖5 超聲溫度和料液比對紅果參油提取率的響應面(a)及等高線圖(b)Fig.5 Response surface(a)and contour line(b)of ultrasound temperature and material -water ratio to Hong Guo Ginseng 0il yield

圖5可看出，響應值(提取率)沿A (超聲溫度)方向移動的響應面坡度明顯要比沿B(料液比)方向更加陡峭，等高線更加密集，表明超聲時間對響應值的貢獻比料液比更大。等高線的形狀接近圓形，表明兩因素的不存在明顯交互作用。

圖6 料液比和超聲時間對紅果參油提取率的響應面(a)及等高線圖(b)Fig.6 Response surface(a)and contour line(b)of material -water ratio and ultrasound time to Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖6可看出，響應值(提取率)沿B (料液比)方向移動的響應面坡度與沿C(超聲時間)方向接近，等高線密集程度基本一致，表明料液比和超聲時間對響應值的貢獻相當。等高線的形狀接近圓形，表明兩因素不存在交互作用。

2.2.4 最優條件的求解及驗證試驗

采用Design-Expert 8.0.6對回歸方程進行數學處理，分析得到最優響應值時各因素取值為：超聲溫度45.78℃，料液比1∶5(g/mL)，超聲時間為58.44min，此時提取率的模型理論預測值為12.878%。考慮實際可操作性，選定優化工藝條件參數為超聲溫度46℃，料液比為1∶5，超聲時間為58min。

以優化后的工藝條件進行紅果參油提取的驗證試驗，三次平行試驗所得提取率的平均值為12.2%,與模型理論預測值誤差在 1% 以內,表明優化得到的工藝參數準確可靠。

3 結論

采用Box-Behnken試驗設計，以提取率為響應值，優化超聲波輔助溶劑法提取紅果參油的最佳工藝。料液比、超聲時間和超聲溫度對提取率均存在極顯著影響，且3個因素的影響順序為料液比>超聲時間>超聲溫度與超聲時間之間存在明顯的交互效應。通過回歸優化及驗證試驗所得紅果參油的最佳提取工藝為：超聲溫度46℃，料液比為1∶5，超聲時間為58min，以此工藝處理提取率為12.2%。此工藝為紅果參這一野果的綜合開發利用提供了指導方向，具有較高應用價值。