花椒籽油提取工藝的優(yōu)化

王莉，姚柯兵

山西省呂梁學(xué)院生命科學(xué)系（呂梁 033000）

花椒籽中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、脂肪酸、生物堿、揮發(fā)油、礦物質(zhì)以及木質(zhì)素等[1-3]*，其中α-亞麻酸的含量為17%～24%，α-亞麻酸具有抗腫瘤、降血脂、降血壓、抑制衰老等重要生理功能，能夠參與生命過(guò)程，提高人體自身免疫力[4]*。花椒籽中還含有Na、Mg、K、Ca、Zn、Mn、Fe、Sr等礦物元素，花椒籽胚乳細(xì)胞內(nèi)含有豐富的油滴及淀粉粒，可以用來(lái)提取花椒籽油[5-7]*。花椒籽油碘值較高，在空氣中易氧化聚合形成堅(jiān)硬膜層，可以用來(lái)生產(chǎn)肥皂、涂料、潤(rùn)滑油等化工產(chǎn)品[8-9]*。研究花椒籽油提取工藝，對(duì)開(kāi)發(fā)花椒副產(chǎn)物利用率、提高其應(yīng)用價(jià)值有一定的研究意義[10]*。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

花椒籽（山西省呂梁市汾陽(yáng)市）；無(wú)水乙醇（天津市匯杭化工科技有限公司）。

1.2 主要試驗(yàn)儀器與設(shè)備

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京科偉永興儀器有限公司）；800Y多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；JA203電子分析天平（上海豪晟科技儀器有限公司）；DZ-101S集熱式磁力攪拌器（金壇區(qū)西城基銘試驗(yàn)儀器廠）；L-530離心機(jī)（湖南湘儀試驗(yàn)儀器開(kāi)發(fā)有限公司）；2L-ARE旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海皓莊儀器開(kāi)發(fā)有限公司）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 浸提法提取花椒籽油的試驗(yàn)流程[11-13]*

無(wú)水乙醇浸提法提取花椒籽油的工藝流程：花椒籽預(yù)處理→花椒籽烘干→粉粹→稱重→溶液浸提→離心分離→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→花椒籽油。

花椒籽預(yù)處理：去除花椒籽中殘余的殼和細(xì)枝，挑揀出完整的花椒籽顆粒。

花椒籽烘干：設(shè)置電熱鼓風(fēng)干燥箱的溫度70 ℃、干燥時(shí)間6 h，將花椒籽顆粒中的水分烘干至5%左右[14]*。

粉碎：用多功能粉碎機(jī)將花椒籽粉碎3 min，過(guò)0.425 mm的篩，粉碎程度越高，越有利于物料與溶劑接觸充分，有利于花椒籽油的浸提，但如果粉碎度太大，會(huì)造成乳狀液過(guò)多，影響其提取率。

稱重：使用電子分析天平準(zhǔn)確稱取10 g花椒粉于燒杯中。

溶液浸提：將稱取的花椒粉加入無(wú)水乙醇中浸提，通過(guò)控制無(wú)水乙醇的添加量來(lái)控制料液比，改變水浴溫度來(lái)控制提取溫度[15-16]*。

離心分離：調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min、離心時(shí)間5 min，離心后除去殘?jiān)占后w，靜置片刻后，進(jìn)行過(guò)濾分離。

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)：使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將分離得到的液體進(jìn)行蒸發(fā)，在真空0.08 MPa、溫度50 ℃的條件下，使溶液沸騰，回收無(wú)水乙醇，無(wú)水乙醇不再滴出時(shí)，蒸發(fā)結(jié)束，得到花椒籽油。

花椒籽油的出油率（%）按式（1）計(jì)算。

出油率=提取的花椒籽油的質(zhì)量（g）/花椒籽質(zhì)量（g）×100% （1）

2.2 單因素試驗(yàn)

研究料液比、提取溫度、提取時(shí)間和提取次數(shù)對(duì)花椒籽油提取率的影響，各單因素水平如表1所示[17]*。

表1 單因素試驗(yàn)水平

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

在對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后，運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，研究三個(gè)因素的兩兩之間的交互作用，用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)[18-19]*。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 不同料液比對(duì)花椒籽出油率的影響

從圖1可以看出，固定提取溫度70 ℃、提取時(shí)間2.5 h、提取次數(shù)3次，隨著液體占比的增加，花椒籽出油率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1∶5（g/mL）時(shí)，花椒籽出油率達(dá)到最高值，出油率為19.01%，之后則隨液體占比的增加，出油率開(kāi)始下降。液體占比較少時(shí)，溶液黏度大，花椒粉末溶解不充分，液體占比增加后，花椒籽油的溶解度增大。但當(dāng)液體占比增大到一定數(shù)值時(shí)，花椒籽出油率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能由于液體占比過(guò)多會(huì)使物料吸收的溶劑量逐漸增加，出現(xiàn)乳狀液狀態(tài)，影響花椒籽出油率。由此得出影響花椒籽油提取率中料液比三個(gè)較優(yōu)水平為1∶4，1∶5和1∶6（g/mL）。

圖1 不同料液比對(duì)花椒籽出油率的影響

3.1.2 提取溫度對(duì)花椒籽出油率的影響

如圖2所示，提取溫度從40 ℃上升到60 ℃時(shí)，花椒籽出油率呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明溫度升高，花椒粉在無(wú)水乙醇中的溶解度增大，出油率提高。提取溫度為60℃時(shí)，花椒籽出油率達(dá)到最大值，為23.07%。溫度再升高時(shí)，花椒籽出油率開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。無(wú)水乙醇的沸點(diǎn)為78.4 ℃，從試驗(yàn)現(xiàn)象觀察到，提取溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，就會(huì)有乙醇?xì)怏w產(chǎn)生，溫度再升高，伴隨著無(wú)水乙醇蒸發(fā)，花椒籽出油率受到影響。由此得出花椒籽油提取溫度三個(gè)較優(yōu)水平為50，60和70 ℃。

圖2 提取溫度對(duì)花椒籽出油率的影響

3.1.3 提取時(shí)間對(duì)花椒籽出油率的影響

由圖3可以看出，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，花椒籽出油率整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，提取時(shí)間越長(zhǎng)，花椒籽油提取得越充分，提取溫度為2.5 h時(shí)，花椒籽出油率最高，達(dá)到17.57%。繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，花椒籽出油率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，可能是花椒籽油存在揮發(fā)的情況，影響了花椒籽出油率，而且提取時(shí)間也會(huì)影響花椒籽油的品質(zhì)。由此得出花椒籽油提取溫度三個(gè)較優(yōu)水平為2，2.5和3 h。

圖3 提取時(shí)間對(duì)花椒籽出油率的影響

3.1.4 提取次數(shù)對(duì)花椒籽出油率的影響

由圖4可以看出，提取次數(shù)分別為1，2，3，4和5次時(shí)，花椒籽出油率分別為13.80%，17.63%，19.05%，19.28%和19.11%。提取次數(shù)越大，花椒籽出油率越高。提取次數(shù)為3，4和5次時(shí)花椒籽出油率幾乎不變，說(shuō)明提取3次時(shí)花椒籽油提取得比較充分，提取次數(shù)過(guò)多時(shí)，過(guò)程繁瑣，對(duì)出油率影響不大，故此因素可固定在提取次數(shù)3次。

圖4 提取次數(shù)對(duì)花椒籽出油率的影響

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)4組單因素試驗(yàn)的分析，選擇對(duì)于花椒籽出油率影響較大的3個(gè)因素（料液比、提取溫度、提取時(shí)間）來(lái)設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以花椒籽出油率為響應(yīng)值。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表2，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合，可以得出花椒籽出油率對(duì)于三個(gè)因素（料液比、提取溫度、提取時(shí)間）的二元多次回歸方程：

3.2.2 模擬回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表4。

表4 二次回歸方程的方差分析

由表4可見(jiàn)，回歸模型P值＜0.01，表現(xiàn)為差異極顯著，說(shuō)明該模型極顯著。失擬項(xiàng)差異不顯著，確定系數(shù)R2*=0.996 6，校正系數(shù)R2*（adj）=0.960 0，表明模型失擬項(xiàng)不顯著，擬合程度好，綜上所述該模型結(jié)果可以對(duì)花椒籽出油率進(jìn)行預(yù)測(cè)。從表4可以看出，B、AB、A2*、B2*均達(dá)到差異極顯著水平（P＜0.01），因素A對(duì)花椒籽出油率影響顯著（0.05＜P＜0.01），C、AC、BC對(duì)花椒籽出油率影響不顯著（P＞0.05）。由F值可知，F(xiàn)B=23.89＞FA=6.30＞FC=2.83，影響花椒籽出油率因素順序分別為B（提取溫度）＞A（料液比）＞C（提取時(shí)間）。

3.2.3 響應(yīng)面的交互作用試驗(yàn)圖形的分析

根據(jù)回歸方程得出各因素交互作用對(duì)花椒籽出油率的響應(yīng)面的圖，從響應(yīng)面的等高線圖中可以看出，橢圓形即表示因素兩兩交互作用顯著，而圓形則相反。

3.2.3.1 料液比和提取溫度對(duì)花椒籽出油率的影響

料液比和提取溫度對(duì)花椒籽出油率的影響如圖5所示。等高線呈現(xiàn)橢圓形，說(shuō)明料液比和提取溫度交互作用極顯著（P＜0.01）。響應(yīng)面坡度變化比較明顯，當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，花椒籽的出油率先隨著料液比中液體占比的增加以及提取溫度的升高而顯著增加至最大值，之后降低。

圖5 料液比和提取溫度交互作用對(duì)花椒籽出油率影響

3.2.3.2 料液比和提取時(shí)間對(duì)花椒籽出油率的影響

由圖6可看出，料液比對(duì)花椒籽出油率的影響比提取時(shí)間的大，且曲線較平緩，說(shuō)明料液比和提取溫度交互作用不明顯，這兩種影響因素的量需要適宜時(shí)才能得到最佳效果。

圖6 料液比和提取時(shí)間交互作用對(duì)花椒籽出油率的影響

3.2.3.3 提取溫度和提取時(shí)間對(duì)花椒籽出油率的影響

由圖7可知，提取溫度對(duì)花椒籽出油率的影響比提取時(shí)間的大，曲線較平緩，說(shuō)明提取時(shí)間和提取溫度交互作用不明顯。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

用Design Expert 8.0.5.0軟件選擇逐步回歸方法對(duì)二次多項(xiàng)式回歸方程做進(jìn)一步優(yōu)化，得到的花椒籽油提取工藝最優(yōu)參數(shù)為料液比1∶5.090（g/mL）、提取溫度59.075 ℃、提取時(shí)間2.697 h。但考慮到實(shí)際操作的局限性，將花椒籽油提取工藝參數(shù)修正為料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時(shí)間2.7 h。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)得出，花椒籽油提取工藝的最佳參數(shù)：料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時(shí)間2.7 h，此參數(shù)下出油率為23.38%。具體見(jiàn)表5和表6。

表5 試驗(yàn)因素水平表

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)

4 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)的分析可以得出，影響花椒籽出油率的大小順序依次是提取溫度、料液比、提取時(shí)間。提取溫度具有極顯著性差異，料液比具有顯著性差異，提取時(shí)間不具有顯著性差異。三個(gè)因素兩兩之間均存在不同程度的相互作用，其中，料液比和提取溫度的交互作用明顯，料液比和提取時(shí)間的交互作用不明顯，提取溫度和提取時(shí)間的交互作用不明顯。無(wú)水乙醇提取花椒籽油的最適工藝條件參數(shù)為料液比1∶5（g/mL）、提取溫度59 ℃、提取時(shí)間2.7 h，提取次數(shù)3次，在此條件下花椒籽出油率為23.38%。