響應面優化超聲波輔助提取經烘烤預處理奇亞籽油工藝的研究

何亞芬，張繼紅，余中霞，方文超

（上饒市檢驗檢測認證院藥品檢測分院，上饒 334000）

奇亞籽（Chia Seed）是一種唇形科鼠尾草類植物—芡歐鼠尾草（Salvia hispanical）的種子，呈橢圓形，長約2 mm，直徑約為1 mm，顏色有白色、灰色或黑色等［1］。奇亞籽主要產于墨西哥、危地馬拉、秘魯等國家［2］。奇亞籽內部存在大量的脂肪酸、維生素、膳食纖維、蛋白質、礦物質等，有益于抗氧化、降血脂、改善心血管功能等［3］。奇亞籽油中不飽和脂肪質量分數為88.80%，其中α －亞麻酸（C18∶3n3）質量分數最高為62.90%，亞油酸（C18∶2n6c）質量分數為18.25%［4］。高濃度的ω－3脂肪酸有益于降低患冠心病、高血壓、Ⅱ型糖尿病的風險。因此，奇亞籽油對人體而言是富有營養且比較安全的，有著較大的應用潛力［5］。

奇亞籽油是以奇亞籽為原料的產品之一。從種子中獲取油脂類物質，可以采用壓榨法［6］、溶劑提取法［7］、超臨界流體萃取法［8］、水酶法提取［9］、超聲波輔助提取技術［10］等。其中，超聲波輔助提取法具有易于操作、提取率高、保持提取物完整性等［11］優勢。研究分析了烘烤時間、烘烤溫度、料液比、超聲時間對奇亞籽的出油率的影響。在單因素實驗的基礎上應用響應面法，確定最優工藝條件，為奇亞籽油的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

1.1.2 儀器與設備

8860 氣相色譜儀（配氫火焰離子化檢測器），FA2004B萬分之一電子天平，DFT －100A 高速粉碎機，DHG－9243BS －Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱，KQ －60E超聲波清洗儀，TGL－15B離心機，N－1100 旋轉蒸發儀，SX3 －3 －10 節能纖維馬弗爐，8100 型凱氏定氮儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 奇亞籽主要成分分析

根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中的直接干燥法測定含水量；根據GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》測定灰分含量；根據GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》測定粗脂肪含量；根據GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》測定膳食纖維含量；根據GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》測定粗蛋白含量。

1.2.2 奇亞籽油脂提取工藝

將原料奇亞籽篩選，除去雜質。將奇亞籽平鋪1 cm左右厚度在托盤中，置電熱鼓風干燥箱中，控制一定烘烤時間（10、20、30、40、50、60 min）和烘烤溫度（60、90、120、150、180、210 ℃）對奇亞籽進行烘烤預處理。將預處理好的奇亞籽用高速粉碎機粉碎后過24 目篩，稱取約10.0 g奇亞籽粉，提取溶劑為石油醚（60 ～90 ℃），在設定的料液比（1.0∶7.5、1.0∶10.0、1.0∶12.5、1.0∶15.0、1.0∶17.5 g／mg）、提取時間（20、30、40、50、60、70 min）下，超聲提取溫度40 ℃，超聲頻率40 kHz攪拌浸提。浸提完畢后，在8 000 r／min下高速離心5 min，移出上清液進行旋轉蒸發回收溶劑45℃，整體轉移到電熱鼓風干燥箱中，（100±5）℃干燥至質量不再變化，即得到奇亞籽油。

隨著計算機網絡技術的不斷發展，學習資源的獲取變得更加快捷、方便，同時帶來的也有信息的淺層解讀、知識的碎片化，由此阻礙了學習的深度發生。《教育信息化十年發展規劃（2010—2020年）》指出，教育信息化的價值觀是促進技術與教育的雙向融合創新，形成優良的學習生態，使學習具有可持續性[1]。同時，培養具有自主學習能力、問題解決能力、創新能力的學生是當前教育變革的首要任務。因此，在信息化學習環境中，如何既提供豐富的學習資源，又抑制學生機械學習、淺層解讀知識，是當前教育亟待解決的問題。

1.2.3 奇亞籽出油率計算

式中：m1為奇亞籽油質量／g；m 為奇亞籽粉質量／g。

1.2.4 奇亞籽油脂肪酸組成分析

1.2.4.1 奇亞籽油甲酯化

根據GB 5009. 168—2016《食品安全國家標準食品中脂肪酸的測定》進行甲酯化處理。在定性分析時，采用37 種脂肪酸甲酯的保留時間，采用面積歸一化法對奇亞籽油脂中的脂肪酸相對含量進行定量計算。

1.2.4.2 脂肪酸組成分析氣相色譜條件

氫火焰離子化檢測器（flame ionization，FID）；色譜柱SP－2560（100 m ×250 μm ×0.2 μm）；程序升溫條件：100 ℃（2 min），按10 ℃／min 升溫至180 ℃（6 min），按1 ℃／min 升溫至200 ℃（20 min），按4 ℃／min升溫至230 ℃（16.5 min），載氣：高純氮氣（He純度≥99.999%）；柱流速：0.7 mL／min；進樣口溫度：245 ℃；分流比100∶1；進樣量1 μL；檢測器溫度：245 ℃。

1.2.5 數據分析

2 結果與討論

2.1 奇亞籽主要成分和脂肪酸組成

奇亞籽主要成分見表1。奇亞籽油主要脂肪酸組成見表2。

表1 奇亞籽主要成分

表2 奇亞籽油主要脂肪酸組成

2.2 單因素實驗

2.2.1 提取溶劑的選擇

為揭示出提取溶劑和出油率的關系，選擇提取奇亞籽油的最優溶劑，奇亞籽經過在150 ℃烘烤40 min預處理、料液比為1∶150（g／mL）、超聲時間50 min工藝下依次考察使用功甲醇、無水乙醇、正庚烷、乙酸乙酯、正己烷和石油醚（60 ～90 ℃）時，奇亞籽出油率的大小，提取溶劑對奇亞籽出油率的影響如圖1 所示。

圖1 提取溶劑對奇亞籽出油率的影響

對圖1 進行分析可得，提取溶劑類型和出油率有著緊密的關聯，影響出油率從低到高的順序為甲醇＜無水乙醇＜正庚烷＜乙酸乙酯＜正己烷＜石油醚；乙酸乙酯、正己烷、石油醚為提取溶劑，出油率分別為（31.33 ±1.75）%、（32.90 ±1.23）%、（36.14 ±1.05）%。石油醚作為提取溶劑，出油率最高，故選用石油醚作為提取溶劑。

2.2.2 料液比對奇亞籽出油率的影響

料液比也在一定程度上決定了出油率的高低，奇亞籽經過在150 ℃烘烤40 min 預處理、石油醚為提取溶劑、超聲時間50 min 的提取條件下分別考察料液比對奇亞籽出油率的影響結果見圖2。料液比不超過1.0∶5.0 ～1.0∶15.0 這一范圍時，出油率和料液比之間為正相關關系，在料液比為1.0∶15.0 時出油率達到36.39%。在1.0∶15.0 ～1.0∶17.5時，出油率逐漸趨于平穩。原因是奇亞籽粉末質量不變的情況下，如果溶劑較少，奇亞籽油的含量比較高，在一定程度上阻礙了油脂的浸出；在溶劑不斷增多的過程中，奇亞籽油的含量不斷降低，對油的溶出的阻礙作用不斷減小［12］。進一步的增多溶劑，濃度差的改變對出油率的影響減小，此時主要起到稀釋作用。溶劑用量越大，經濟成本越高，故選用料液比為1.0∶15.0（g／mL）。

圖2 液料比、超聲時間、烘烤時間、烘烤溫度對奇亞籽出油率的影響

2.2.3 超聲時間對奇亞籽出油率的影響

保持150 ℃烘烤40 min 預處理、料液比為1.0∶15.0（g／mL）、溶劑使用石油醚不變，探究超聲時間對奇亞籽出油率的影響。由圖2 可見，超聲時間在一定程度上決定了出油率的高低，超聲時間越長，超聲波對奇亞籽作用越充分，奇亞籽的出油率越高，但達到一定時間后，溶劑中奇亞籽油脂的濃度逐漸增加，最終體系滲透壓趨于平穩，當超聲時間達到50 min后，出油率逐漸下降。這是因為超聲時間過長使得部分油脂分子裂解，且超聲波過程中產生的局部過熱造成了某些揮發性成分的損失，從而導致奇亞籽的出油率減小。故選取超聲時間為50 min時能達到最佳提取效果。

2.2.4 烘烤時間對奇亞籽出油率的影響

奇亞籽經過在150 ℃烘烤預處理、料液比為1.0∶15.0（g／mL）、石油醚為提取溶劑、超聲時間為50 min的提取條件下考察烘烤時間對奇亞籽出油率的影響。由圖2 可見，在烘烤時間不斷變長的過程中，奇亞籽的出油率呈現上升趨勢，55 ～70 min 時，奇亞籽的出油率逐漸平穩。故選擇烘烤時間為40 min。

2.2.5 烘烤溫度對奇亞籽出油率的影響

奇亞籽經過在40 min 烘烤預處理、料液比為1.0∶15.0（g／mL）、石油醚為提取溶劑、超聲時間為50 min的提取條件下分別考察烘烤溫度對奇亞籽出油率的影響。由圖2 可見，出油率基本和烘烤溫度之間為正相關關系，150 ～210 ℃時，奇亞籽的出油率逐漸平穩。在150 ℃時出油率達到（37.36 ±0.98）%，在180 ～210 ℃烘烤時出現了油脂溢出的現象，并可以聞到淡淡的焦糊味，產品的感官受到影響［13］。故選擇烘烤溫度為150 ℃。

2.3 響應面法實驗設計及結果

結合單因素實驗結果，針對烘烤溫度、烘烤時間、料液比、超聲時間4 個相關因素，以奇亞籽出油率為響應值進行Box － Behnken 響應面優化組合。響應面實驗因素與水平見表3，響應面實驗設計及結果見表4，方差分析見表5。

表3 響應面實驗因素與水平

表4 響應面實驗設計及結果

表5 方差分析

對表5 中數據進行擬合回歸處理，建立出油率（Y）與烘烤溫度（A）、烘烤時間（B）、料液比（C）、超聲時間（D）的二次多項回歸方程為：

Y ＝39.30 ＋0.20A ＋0.17B ＋0.95C ＋0.39D ＋0.11AB ＋0.035AC －0.21AD －0.030BC －5.00 ×10－3BD ＋0.13CD－0.94A2－0.98B2－1.55C2－0.56D2

結合表5 對模型進行的方差分析結果進行分析能夠確定，模型P ＜0.000 1，證明符合極顯著水平，失擬項P ＝0.131 9 ＞0.05，即為不顯著。因變量和自變量存在顯著的線性關系（R2＝0.975 9），該回歸模型的調整決定系數7 說明該模型可以解釋95.17%的響應值變化，變異系數為0.66，說明該方程擬合程度良好，由此揭示出出油率和各因素的關聯，實驗誤差可以接受，實驗預測數據滿足可靠性要求，所以通過模型對奇亞籽油的提取實驗展開分析和預測是可行的。

回歸方程各項方差分析表明，因素C、D、A2、B2、C2、D2對奇亞籽的出油率具有極顯著的影響（P ＜0.01），因素A、B對奇亞籽的出油率具有顯著的影響（P ＜0.05）。由F值越大影響的效果越顯著可知，各因素對奇亞籽出油率的影響程度依次為C（料液比）＞D（超聲時間）＞A（烘烤溫度）＞B（烘烤時間）。

對各因素交互作用的響應面圖進行分析能夠確定，全部因素構成的均為開口向下，中心部分向上凸起的響應曲面圖，曲面中的最高點并未超過實驗設計范圍。響應曲面的陡峭程度反映的是各項因素的影響程度，曲面越陡峭代表影響越大［14］；等高線直接呈現出變量的交互作用，橢圓形代表交互作用強，圓形代表交互作用弱。

響應面優化設計最終確定了最佳工藝條件，理論出油率為39.54%。利用回歸數學模型確定最優工藝條件為：烘烤溫度160 ℃，烘烤時間46 min，料液比1.0∶17.0（g／mL），超聲時間55 min，在此條件下進行實驗，得到奇亞籽出油為（39.41 ±0.72）%，與預測值接近。

3 結論

此次結合單因素實驗結果，按照Box －Behnken實驗設計原理，運用響應面法優化超聲波輔助提取經烘烤預處理奇亞籽油脂的工藝。利用回歸數學模型確定最優工藝條件為：烘烤溫度160 ℃，烘烤時間46 min，料液比1.0∶17.0（g／mL），超聲時間55 min。在最優工藝條件下，奇亞籽的出油率為（39.41 ±0.72）%。