響應面法優化超聲輔助水酶法提取辣木籽油

張秀芬，黃珍玲，吳玲玲，何文，李恒銳，莫周美，謝君鋒

（廣西南亞熱帶農業科學研究所，廣西 崇左 532415）

辣木又名鼓槌樹、馬蘿卜樹、雞腿樹，屬辣木科（Moringaceae）辣木屬（Moringa），是多年生熱帶落葉喬木[1]，原產于印度西北部喜馬拉雅山脈南麓[2]，廣泛種植于東亞、東南亞、波利尼西亞、西印度群島[3]，在我國廣西、廣東、云南等地區均有種植，辣木具有極高營養價值和諸多生理活性。辣木的葉、芽、花和籽仁均可食用，常被用于糖尿病、高血壓、高血脂、肥胖病、貧血等疾病的預防和治療。此外，辣木種子（辣木籽）富含油脂、蛋白質、多糖、礦物質等，其含油量在35%～40%之間，多為油脂和單不飽和脂肪酸，其成分及含量與橄欖油、茶油十分相似，具有良好的抗氧化性和耐煎炸性，被譽為“油中珍品”，是有助于人體健康的功能性食用油[4-8]。

近年來，人們采用壓榨法、溶劑法、超聲波輔助溶劑法、超臨界CO2萃取法、水酶法、微波輔助提取技術、濕法超微粉碎結合水酶法等方法技術提取辣木籽油。但是壓榨法提取率低；有機溶劑法污染環境；超臨界CO2萃取和微波輔助提取法設備昂貴；水酶法雖然安全、經濟，但是提取效率卻不高；而超聲輔助水酶法設備簡單、對環境友好、可以縮短提取時間，提高提取效率[4-5，9-10]。本試驗采用超聲波輔助水酶法提取辣木籽油，以提取率為評價標準，研究提取時間、提取溫度、超聲功率、酶添加量、pH值對辣木籽油提取率的影響，旨在確定辣木籽油的最佳提取工藝條件，為辣木資源的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

辣木種子：成都源滋初生物科技有限公司；石油醚（沸點60℃～90℃）：天津市光復精細化工研究所；果膠酶（500 U/mg）：上海源葉生物科技有限公司；鹽酸、NaOH：國藥集團化學試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FW135型中草藥粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；XM-P30H超聲波清洗機：小美超聲儀器（昆山）有限公司；TP-214電子分析天平：丹佛儀器（北京）有限公司；CT15RT臺式高速冷凍離心機：上海天美科學儀器有限公司；DHG-9203A鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料含油率的測定

辣木籽去殼后，用中草藥粉碎機粉碎，過60目篩后得到辣木籽粉末。參考GB/T 14488.1—2008《植物油料含油量測定》方法，以石油醚為有機提取溶劑，稱取一定的辣木籽粉末，采用索氏提取法提取，重復提取3次，最終收集粗油脂，測定原料的含油率。

1.3.2 辣木籽油的提取

辣木籽→去殼、烘干→粉碎、過60目篩→加水煮沸10 min→冷卻至室溫（22℃～26℃）→調節pH值→添加果膠酶→超聲提取→離心（4 000 r/min、20 min）→分離油脂。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 pH值對辣木籽油提取率的影響

準確稱取5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，沸水浴煮沸10 min，冷卻至常溫（22℃～26℃）后，用6 mol/L 鹽酸或 NaOH 調整 pH 值為 2.0、3.5、5.0、6.5、8.0，加入質量濃度為0.50%的果膠酶，超聲功率60 W，提取溫度50℃，超聲輔助提取1 h，考察pH值對辣木籽油提取率的影響。

1.3.3.2 果膠酶添加量對辣木籽油提取率的影響

準確稱取5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，沸水浴煮沸10 min，冷卻至常溫（22℃～26℃）后，用6 mol/L鹽酸調整pH值為3.5，分別加入0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%果膠酶，超聲功率60 W，提取溫度50℃，超聲輔助提取1 h，考察果膠酶添加量對提取率的影響。

1.3.3.3 提取時間對辣木籽油提取率的影響

準確稱取5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，沸水浴煮沸10 min，冷卻至常溫（22℃～26℃）后，用6 mol/L鹽酸調整pH值為3.5，加入0.50%果膠酶，超聲功率60 W，溫度50℃，提取時間分別為 1、5、10、15、20 h，考察提取時間對提取率的影響。

1.3.3.4 提取溫度對辣木籽油提取率的影響

準確稱取5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，沸水浴煮沸10 min，冷卻至常溫（22℃～26℃）后，用6 mol/L鹽酸調整pH值為3.5，加入0.50%果膠酶，超聲功率60 W，提取時間10 h，提取溫度分別為30、40、50、60、70℃，考察提取溫度對提取率的影響。

1.3.3.5 超聲功率對辣木籽油提取率的影響

準確稱取5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，沸水浴煮沸10 min，冷卻至常溫（22℃～26℃）后，用6 mol/L鹽酸調整pH值為3.5，加入0.50%果膠酶，提取溫度50℃，提取時間10 h，超聲功率分別為30、40、60、80、100 W，考察超聲功率對提取率的影響。

1.3.4 響應面法優化試驗

以提取辣木籽油的單因素試驗結果為依據，以影響辣木籽油提取率較大的提取時間、提取溫度、超聲功率為試驗因素，辣木籽油提取率為響應值，以Box-Benhnken為原理建立三因素三水平的中心組合試驗。響應面法試驗因素水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken中心組合試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiment

1.4 數據處理

響應面試驗設計及分析采用Design Expert 8.0，采用SPSS 22.0進行顯著性分析，采用Origin 8.6繪圖[11]。

2 結果與分析

2.1 辣木籽含油率的測定結果

利用索氏提取法提取的辣木籽含油率為36.67%，符合相關文獻報道（含量為 36.10%～37.4%）[6，10，12]。因此，該測定值可繼續進行下一步試驗數據的分析和處理。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 pH值對提取率的影響

pH值對提取率的影響如圖1所示。

圖1 pH值對提取率的影響Fig.1 Effects of pH on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

如圖1所示，隨著pH值的升高，提取率先升高后降低。當pH值為3.5時，提取率最大，為25.85%。因此，超聲輔助水酶法提取辣木籽油的最適pH值應控制在3.5左右。

2.2.2 果膠酶添加量對提取率的影響

果膠酶添加量對提取率的影響見圖2。

圖2 果膠酶添加量對提取率的影響Fig.2 Effects of enzyme concentration on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

由圖2可知，當果膠酶添加量為0.50%時，辣木籽油提取率最高，為25.75%。當果膠酶添加量低于或大于0.50%時，辣木籽油的提取率均降低。這是由于隨著酶添加量的增加，酶與底物接觸機會增大，酶解細胞壁徹底，使油脂從細胞中分離出來提取效率升高。而當酶量添加到一定程度時，過量的酶會導致多糖降解，致使提取效率降低。因此，超聲輔助水酶法提取辣木籽油的最適果膠酶添加量為0.50%。

2.2.3 提取時間對提取率的影響

提取時間對提取率的影響見圖3。

圖3 提取時間對提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

由圖3可知，隨著提取時間的延長，辣木籽油提取率呈現先上升后下降的趨勢。當提取時間為15 h時，提取率最高為29.7%，然而提取10 h后，隨著提取時間的延長，辣木油提取率增加已不太明顯，對其進行方差分析發現，10 h與15 h之間辣木籽油提取率已無明顯差異，進一步延長提取時間已沒有太大的意義。因而，選擇10 h為超聲輔助水酶法提取辣木籽油的最佳提取時間。

2.2.4 提取溫度對提取率的影響

提取溫度對提取率的影響見圖4。

圖4 提取溫度對提取率的影響Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，辣木籽油提取率呈現先上升后下降的趨勢，當提取溫度達到60℃時，辣木籽油提取率最高，達到30.8%。過低或過高的溫度均會影響酶的活性，甚至可能使酶蛋白變性，進而影響酶的催化反應速度，從而降低提取率。鑒于50℃與60℃的提取率無顯著性差異，因此，選擇超聲輔助水酶法提取辣木籽油的最佳提取溫度為50℃。

2.2.5 超聲功率對提取率的影響

超聲功率對提取率的影響見圖5。

圖5 超聲功率對提取率的影響Fig.5 Effects of ultrasonic power on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

由圖5可知，隨著超聲功率的增加，辣木籽油提取率呈先上升后下降的趨勢，當超聲功率為80 W時，辣木籽油提取率最大，可能是由于隨著超聲功率的增加，超聲波產生高速、強烈的空化效應和攪拌作用，破壞了油脂細胞，使溶劑滲透到油脂細胞中將油脂溶出，當超聲功率達到一定值時，油脂細胞內外滲透壓達到平衡，增大功率反而不利于油脂的浸出[8]，因此最佳的超聲功率為80 W。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 響應面設計結果

在單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken中心組合試驗設計對辣木籽油提取進行優化，響應面設計及結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design and results

通過Design Expert 8.0軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合，得到與A、B、C 3個因素相關的辣木籽油提取率Y的二次多項回歸模型為Y=29.15+2.27A+3.44B+0.96C+2.69AB+1.17AC+0.35BC-3.04A2-3.45B2-2.76C2，方程中二次項系數的正、負反映影響方向，系數為正，表示與響應值正相關，反之為負相關。由于該自變量的二次項系數均為負值，推斷出該方程所代表的拋物面開口向下，具有極大值點，符合實際意義，能進行優化分析。對該模型進行顯著性方差分析[13]，結果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

在統計學上，模型的決定系數R2表示特定模型中X值的變化決定Y的變化，R2值越大（max=1.000 0），說明模型具有的顯著性越高，p值進一步說明R2值的有效性。由表3可知，回歸模型的F值為24.41，p值＜0.01，表明回歸模型極顯著；失擬項p值為0.475 0＞0.05，表明差異不顯著，說明該模型與試驗有良好的擬合性[14]。此模型的 R2=0.969 1，R2Adj=0.929 4，能夠解釋試驗92.94%的響應值變異，表明模型與真實數據擬合程度較好，具有實踐指導意義，因此可用該模型優化辣木籽油的提取工藝[15]。

根據p值的大小可以看出模型一次項A、B對響應值影響極顯著（p＜0.01），C對響應值影響不顯著（p＞0.05）；模型交互項 AB 影響極顯著（p＜0.01），AC、BC 影響不顯著（p＞0.05）；二次項 A2、B2、C2影響均極顯著（p＜0.01）。根據F值可以看出，各因素對辣木籽油提取率的影響順序為提取溫度（B）＞提取時間（A）＞超聲功率（C）。

2.3.2 響應面試驗結果分析

不同試驗因素的交互作用對辣木籽油提取率的影響，見圖6～圖8。響應曲面的坡度越陡峭，反映處理因素的改變對響應值的影響越深；相反，坡面越平緩，影響程度越低。響應面在底面的投影，即等高線圖，該圖的形狀反映兩因素交互效應的強弱，越接近橢圓表示交互作用越明顯，圓形則為交互作用不明顯[16]。

圖6 提取溫度和提取時間對辣木籽油提取率的影響Fig.6 Effects of extraction temperature and time on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

圖7 提取溫度和超聲功率對辣木籽油提取率的影響Fig.7 Effects of extraction temperature and ultrasonic power on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

圖8 提取時間和超聲功率對辣木籽油提取率的影響Fig.8 Effects of time and ultrasonic power on extraction efficiency of Moringa oleifera seed oil

由圖6可知，提取時間和提取溫度交互項響應面坡度較陡，說明兩者交互作用對辣木籽油提取率有較大影響。由等高線可知，提取溫度對響應值的影響大于提取時間，且兩者間交互作用顯著。上述分析與模型回歸的方差分析基本一致。

由圖7可知，提取溫度和超聲功率對辣木籽油提取率交互作用不顯著，當超聲功率一定時，隨著提取溫度的升高，提取率先升高后降低；當提取溫度一定時，隨著超聲功率的增大，提取率變化不大。由等高線圖可知，超聲功率對辣木籽油提取率的影響相對較小。

由圖8可知，提取時間和超聲功率對辣木籽油提取率交互作用不顯著，當超聲功率一定時，隨著提取時間的延長，提取率先升高后降低，當提取時間一定時，隨著超聲功率的增大，提取率變化不大。

根據所建立的模型得到最佳工藝條件為提取時間12.06 h、提取溫度54.20℃、超聲功率84.02 W，此時辣木籽油提取效率為31.72%。

2.3.3 驗證試驗

為了進一步確定提取辣木籽油的最佳工藝條件，利用Design-Expert 8.0繼續分析。根據模型預測結果進行近似驗證試驗，并綜合經濟原則和實際操作的可行性，調整最優試驗條件為提取時間12 h、提取溫度54℃、超聲功率為84 W，進行3次平行試驗以確保試驗的準確性，此時辣木籽油提取率為30.56%，與預測值無顯著性差異，說明該響應面法優化辣木籽油的提取條件具有可行性。

3 討論與結論

辣木籽油具有良好的感官品質、較好的營養保健功能、良好的熱穩定性，具有替代傳統煎炸植物油的應用前景。Gharsallah等[17]研究了辣木籽的化學組成及油脂特性，辣木種子中蛋白質、纖維、灰分、總糖和脂肪的含量分別為33.39%、3.90%、3.10%、10.13%和41.7%。辣木籽油中的脂肪酸主要是油酸（C18：1），含量為73.36%，這與徐華等[4]對辣木籽油脂肪酸成分測定結果（油酸含量75.77%）、李美萍等[9]對辣木籽油的脂肪酸組成測定結果（油酸含量65.94%）基本一致；種子油中還含有大量的生育酚，以α-生育酚為主（51%）[17]。由于辣木籽油含有大量的不飽和脂肪酸和大量生育酚，使其具有良好的抗氧化性、耐煎炸性、降低患冠心病風險的優良性質[18]。

本試驗在單因素試驗的基礎上，采用響應面優化酶法輔助超聲提取辣木籽油，最佳工藝為5.00 g辣木籽粉末，加40 mL超純水，果膠酶添加量0.50%，54℃酶解12h，超聲功率84W，此時辣木籽油提取率為30.56%。Mat Yusoff等[18]使用復合酶（蛋白酶 ∶纖維素酶=3 ∶1）提取辣木籽油，當料液比 1 ∶8（w/w）、pH4.5、酶添加量2%、40℃酶解1 h時，辣木籽油的提取率為70%。本研究提取率遠低于Mat Yusoff等[18]使用復合酶的提取率，可能是因為辣木籽細胞中含有大量蛋白質，蛋白質在水溶液中發生乳化，從而包裹油分子，使油不容易被提取，蛋白酶對脂多糖、脂蛋白具有分解作用，有利于油脂從復合體中釋放，從而提高提取率[20]。本試驗中使用果膠酶加超聲進行提取，提取率比鄧韋絲等[19]單用果膠酶的高，說明超聲有助于辣木籽油的浸出，可能是超聲波的空化、乳化與擊碎等聯合作用破壞了組織結構，加速了油類物質的浸出。