扶慶權(quán)

（南京曉莊學(xué)院生物化工與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211171）

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取海蓬子籽油工藝

扶慶權(quán)

（南京曉莊學(xué)院生物化工與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211171）

以成熟海蓬子種子為原料、石油醚為提取溶劑，采用微波輔助法提取海蓬子籽油。在微波溫度、微波時(shí)間、料液比和微波功率對(duì)海蓬子籽油得率影響4 個(gè)單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取海蓬子籽油的最佳工藝條件。結(jié)果表明，微波輔助提取海蓬子籽油的最佳工藝條件為：微波溫度55 ℃、微波時(shí)間5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W。在此條件下，海蓬子籽油得率為32.58%。與傳統(tǒng)索氏抽提法相比，微波輔助提取海蓬子籽油的得率提高了0.15%，而提取時(shí)間僅為索氏抽提法的1.39%。

海蓬子；籽油；微波；提??；響應(yīng)面法

海蓬子（Salicornia bigenlovii Torr.），又稱(chēng)鹽角草、海蘆筍、海蟲(chóng)草、富貴菜、海甲菜、抽筋菜等[1-2]，為藜科鹽角草屬一年生雙子葉草本植物[3]。海蓬子原產(chǎn)于歐洲和北美地區(qū)，抗鹽分能力極強(qiáng)，可用海水直接灌溉。海蓬子于2000年開(kāi)始引進(jìn)我國(guó)種植，主要分布在我國(guó)的東南沿海地區(qū)及遼寧、河北、山西、寧夏、甘肅等地。海蓬子種子含有多種營(yíng)養(yǎng)成分和活性物質(zhì)，種子蛋白質(zhì)含量高達(dá)42.59%[4]，氨基酸組成均衡，含有人體必需的8 種氨基酸[5]，且多種氨基酸含量超過(guò)雞蛋[4]。種子含油量高達(dá)31.10%[6]，不飽和脂肪酸含量占總油量高達(dá)89.78%[7]，其中亞油酸含量高達(dá)74.00%[8]，其組成與紅花油中脂肪酸含量基本相當(dāng)[6]。海蓬子種子含有豐富的黃酮類(lèi)物質(zhì)、多糖、皂苷、葉綠素，新鮮干燥的海蓬子種子總黃酮、多糖、皂苷和葉綠素分別高達(dá)6.81%[9]、2.00%[10]、1.014%[11]、0.075%[12]。此外，種子還含有豐富的生物堿等活性物質(zhì)[13]。因此，海蓬子種子不僅具有藥用和保健價(jià)值，還具有抗氧化[14-15]、抗腫瘤[16]、抗炎[17]、免疫調(diào)節(jié)活性[18]、減肥、降血壓和降血糖[19]等多種生理活性功能。

目前，海蓬子籽油的提取多采用溶劑浸提法[20]、索氏抽提法[7]和超臨界CO2流體萃取法[21]。溶劑浸提法和索氏抽提法不易破壞有效成分，但抽提時(shí)間長(zhǎng)且有效成分不易完全提出。超臨界CO2流體萃取法提取效率高且提取完全，但成本較高。微波技術(shù)作為一種新興的技術(shù)具有得率高、溶劑用量少、設(shè)備簡(jiǎn)單等多種優(yōu)點(diǎn)[22]，已在提取許多植物有效成分黃酮、多酚和多糖等方面廣泛應(yīng)用[23-25]，但目前很少在植物油脂提取方面進(jìn)行應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以海蓬子為研究材料，采用 微波輔助提取海蓬子籽油，并通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化海蓬子籽油的最佳提取工藝條件，為工業(yè) 提取海蓬子籽油提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 材料與試劑

海蓬子種子由江蘇省鹽城市綠苑海蓬子開(kāi)發(fā)有限公司提供。

無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚（沸程60～90 ℃）均為分析純 南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MWave-5000微波儀 上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；AUY120型電子天平 日本島津公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海雅榮生化儀器設(shè)備有限公司；GZX-9070MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)。

1.3 方法

1.3.1 海蓬子種子預(yù)處理

海蓬子種子浸泡在清水中脫皮，50 ℃烘干，高速粉碎機(jī)粉碎過(guò)60 目篩，用袋子密封后于干燥處保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 海蓬子籽油的提取工藝

準(zhǔn)確稱(chēng)取1 g海蓬子種子粉于50 mL三頸燒瓶中，采用有機(jī)溶劑進(jìn)行微波輔助提取海蓬子籽油。提取液趁熱進(jìn)行真空抽濾，濾渣用25 mL的溶劑分3 次洗滌，合并濾液及洗滌液于圓底燒瓶，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓蒸餾，干燥制得淡綠色海蓬子籽油，稱(chēng)質(zhì)量按下式計(jì)算得率：

式中：m為海蓬子籽油質(zhì)量/g；M為海蓬子種子粉質(zhì)量/g。

1.3.3 海蓬子籽油提取溶劑的選擇

分別選用無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、正己烷和石油醚作為提取劑，采用料液比1∶12（g/mL）、500 W微波功率于60 ℃輔助處理3 min，平行實(shí)驗(yàn)3 次，以確定最佳提取溶劑。

1.3.4 海蓬子籽油提取單因素試驗(yàn)

1.3.4.1 微波溫度對(duì)海蓬子籽油得率的影響

在微波時(shí)間3 min、料液比1∶14（g/mL）、微波功率500 W、石油醚作溶劑的條件下，設(shè)置溫度分別為45、50、55、60、65 ℃，考察微波溫度對(duì)海蓬子籽油得率的影響。

1.3.4.2 料液比對(duì)海蓬子籽油得率的影響

在微波時(shí)間3 min、微波功率500 W、微波溫度55 ℃、石油醚作溶劑的條件下，分別選取料液比為1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20（g/mL），考察料液比對(duì)海蓬子籽油得率的影響。

1.3.4.3 微波時(shí)間對(duì)海蓬子籽油得率的影響

在料液比1∶14（g/mL）、微波功率500 W、微波溫度55 ℃、石油醚作溶劑的條件下，分別微波處理海蓬子粉2、4、6、8、10 min，考察微波時(shí)間對(duì)海蓬子籽油得率的影響。

1.3.4.4 微波功率對(duì)海蓬子籽油得率的影響

在微波時(shí)間3 min、料液比1∶14（g/mL）、微波溫度55 ℃、石油醚作溶劑的條件下，依次變化微波功率為300、400、500、600、700 W，考察微波功率對(duì)海蓬子籽油得率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取微波溫度、微波時(shí)間、料液比和微波功率作為自變量，海蓬子籽油得率為因變量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化組合，優(yōu)化提取海蓬子籽油的最佳工藝條件，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平編碼表Table1 Coded levels for independent variables used in Box-Behnken design

1.3.6 索氏抽提法提取海蓬子籽油

索氏抽提法測(cè)定海蓬子籽油含量參照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測(cè)定》[26]。精確稱(chēng)取干燥的海蓬子種子粉1 g于濾紙筒內(nèi)，將濾紙筒放入索氏抽提器內(nèi)，連接已干燥至恒質(zhì)量的接收瓶，由抽提器冷凝管上端加入石油醚至瓶?jī)?nèi)容積的2/3處，水浴上加熱使石油醚不斷回流提取，抽提6 h。取下抽提瓶，回收溶劑，將抽提瓶與其內(nèi)容物干燥2 h，取出放干燥器內(nèi)冷卻30 min，稱(chēng)質(zhì)量，并重復(fù)操作至質(zhì)量恒定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Design-Expert 8.0軟件對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有試驗(yàn)平行測(cè)定3 次，通過(guò)F值考察模型及各因素的顯著性（P＜0.05），并根據(jù)回歸方程和響應(yīng)面分析各因素之間交互作用的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取溶劑的選擇

表2 不同有機(jī)溶劑對(duì)海蓬子籽油得率的影響Table2 Effects of different organic solvents on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由表2可知，用乙酸乙酯、石油醚作為有機(jī)溶劑時(shí)，海蓬子籽油得率都相對(duì)較高。使用石油醚提取的海蓬子籽油澄清透明，色澤呈青綠色；而乙酸乙酯提取的海蓬子籽油得率雖比石油醚略高，但海蓬子籽油微濁，且乙酸乙酯溶劑易暴沸，故本實(shí)驗(yàn)選擇石油醚作為微波輔助提取海蓬子籽油的有機(jī)溶劑。

2.2 海蓬子籽油提取的單因素試驗(yàn)

2.2.1 微波溫度對(duì)海蓬子籽油得率的影響

圖1 微波溫度對(duì)海蓬子籽油得率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖1可看出，微波溫度對(duì)海蓬子籽油得率有較大影響，當(dāng)微波溫度逐漸升高時(shí)，得率亦隨之增加。溫度達(dá)到55 ℃，得率最高，再繼續(xù)升高溫度，得率有了明顯的降低。這可能是由于溫度升高，接近石油醚的沸點(diǎn)，溶劑有可能損失所致。故確定55 ℃為最佳微波提取溫度。

2.2.2 微波時(shí)間對(duì)海蓬子籽油得率的影響

圖2 微波時(shí)間對(duì)海蓬子籽油得率的影響Fig.2 Effect of microwave irradiation time on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. Seeds

由圖2可看出，微波時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)海蓬子籽油得率有較大影響，微波時(shí)間少于6 min時(shí)，隨微波處理時(shí)間延長(zhǎng)，得率逐漸升高，而后隨著微波處理時(shí)間延長(zhǎng)，得率反而下降。這可能是由于微波時(shí)間延長(zhǎng)，海蓬子籽油中部分低沸點(diǎn)的成分隨著介質(zhì)的沸騰有所揮發(fā)[27]。故確定最佳微波時(shí)間為6 min。

2.2.3 料液比對(duì)海蓬子籽油得率的影響

由圖3可看出，在料液比為1∶12（g/mL）之前，海蓬子籽油得率隨溶劑量的增加而逐漸提高，此后隨著料液比的增加海蓬子籽油得率開(kāi)始下降。這可能是當(dāng)溶劑過(guò)少時(shí)，不能使有效成分充分溶于溶劑。當(dāng)料液比超過(guò)1∶12（g/mL）后，可能由于溶劑量增加導(dǎo)致溶液的溫度下降[28]，海蓬子籽油得率反而開(kāi)始下降。故確定1∶12（g/mL）為最佳料液比。

圖3 料液比對(duì)海蓬子籽油得率的影響Fig.3 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

2.2.4 微波功率對(duì)海蓬子籽油得率的影響

圖4 微波功率對(duì)海蓬子籽油得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖4可看出，海蓬子籽油在微波功率為600 W時(shí)得率最高，隨后則呈下降趨勢(shì)。功率太低，試驗(yàn)溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)溫度，提取效率低。但功率過(guò)大時(shí)可能會(huì)造成海蓬子籽油有效成分的破壞。故確定最佳微波功率為600 W。

2.3 海蓬子籽油最佳提取工藝條件的確定

2.3.1 二次響應(yīng)面回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)自變量編碼X1、X2、X3和X4進(jìn)行回歸分析，由Design-Expert 8.0擬合出二次多項(xiàng)回歸方程如下：

由表4方差分析可以看出，方程中因素X1、X2、X3、XX、XX、XX、XX、XX、XX、、、、121314232434對(duì)海蓬子籽油得率的影響極其顯著（P＜0.01）；因素X4對(duì)海蓬子籽油得率的影響不顯著（P＞0.05）。根據(jù)二次多項(xiàng)回歸方程的一次項(xiàng)系數(shù)的大小，可以判斷出對(duì)提取海蓬子籽油影響的大小因素依次是微波溫度、微波時(shí)間、料液比和微波功率，說(shuō)明微波溫度對(duì)海蓬子籽油的提取影響最顯著。方程復(fù)相關(guān)系數(shù)的平方（R2）為0.986 4，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有98.64%來(lái)源于所選變量，且模型P值遠(yuǎn)小于0.01，表示模型方程極顯著，失擬性在0.05水平上不顯著（P=0.169 1＞0.05），故模型的選取是適合的。為0.972 9，說(shuō)明建立模型能夠解釋97.29%的響應(yīng)值的變化，能較好地描述海蓬子籽油得率隨提取條件改變的規(guī)律。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table3 Experimental arrangement and results of response surface methodology

表4 回歸模型的ANOVA分析Table4 Analysis (ANOVA) of variance for the established regression model

2.3.2 兩因素交互作用的響應(yīng)面分析

圖5 微波溫度和微波時(shí)間及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.5 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and microwave irradiation time on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖5可知，當(dāng)微波時(shí)間與微波溫度增大或減小時(shí)，海蓬子籽油得率隨之增大或減小，而當(dāng)微波時(shí)間達(dá)到6 min左右、微波溫度約為55 ℃，得率也相對(duì)最高。超過(guò)此范圍，得率則下降，說(shuō)明微波時(shí)間過(guò)高或微波溫度過(guò)大都不適合海蓬子籽油的提取，故本試驗(yàn)中微波時(shí)間與微波溫度交互作用極為顯著。

由圖6可以看出，當(dāng)微波溫度與料液比增大或減小時(shí)，海蓬子籽油得率隨之增大或減小，而當(dāng)微波溫度達(dá)到55 ℃左右、料液比約為1∶12（g/mL），得率也相對(duì)最高。超過(guò)此范圍，得率則下降，說(shuō)明微波溫度過(guò)高或溶劑量過(guò)大都不適合海蓬子籽油的提取，故本試驗(yàn)中微波溫度與料液比交互作用極為顯著。

圖6 微波溫度與料液比及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.6 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and solid-to-liquid ratio on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

圖7 微波溫度與微波功率及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.7 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and microwave power on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖7可知，在微波功率一定情況下，海蓬子籽油得率隨著微波輻射溫度的增高呈現(xiàn)先明顯增大而后又緩慢下降的趨勢(shì)；在不同微波溫度條件下，海蓬子籽油得率隨微波功率變化而略有不同。故本試驗(yàn)中，微波溫度與微波功率的交互作用極為顯著。

由圖8可知，當(dāng)微波時(shí)間與溶劑量增大或減小時(shí)，海蓬子籽油得率隨之增大或減小，而當(dāng)微波時(shí)間達(dá)到6 min左右、料液比約為1∶12（g/mL）時(shí)，得率也相對(duì)最高。超過(guò)此范圍，得率則下降，說(shuō)明微波時(shí)間過(guò)高或溶劑量過(guò)大都不適合海蓬子籽油的提取，故本試驗(yàn)中微波時(shí)間與料液比交互作用極為顯著。

圖8 微波時(shí)間與料液比及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.8 Contour and response surface plots for the effect of microwave irradiation time and solid-to-liquid ratio on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

圖9 微波時(shí)間與微波功率及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.9 Contour and response surface plots for the effect of microwave irradiation time and microwave power on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖9可知，在微波功率一定情況下，海蓬子籽油得率隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先明顯增大而后又緩慢下降的趨勢(shì)；在不同微波時(shí)間條件下，海蓬子籽油得率隨微波功率變化而略有不同。故本試驗(yàn)中，微波溫度與微波功率的交互作用極其顯著。

圖10 料液比與微波功率及其交互作用對(duì)海蓬子籽油得率影響的等高線(xiàn)及響應(yīng)面圖Fig.10 Contour and response surface plots for the effect of solid-toliquid ratio and microwave power on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由圖10可知，在微波功率一定情況下，海蓬子籽油得率隨著溶劑量增大先呈現(xiàn)明顯增大而后又下降的趨勢(shì)；在不同料液比條件下，海蓬子籽油得率隨微波功率變化而略有不同。故本試驗(yàn)中微波溫度與微波功率的交互作用極為顯著。

2.3.3 模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

用Design-Expert 8.0軟件對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)化預(yù)測(cè)，得到最優(yōu)化工藝組合：X1=55 ℃、X2=4.92 min、X3=1∶10.03（g/mL）、X4=699.97 W，即微波溫度55 ℃、微波時(shí)間4.92 min、料液比1∶10.03（g/mL）、微波功率699.97 W，此時(shí)可得到的最大響應(yīng)值是32.65%。

為了檢驗(yàn)此方法的可靠性，同時(shí)考慮操作的便利性，將海蓬子籽油提取最佳條件修正為：微波溫度55 ℃、微波時(shí)間5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W，按修正后條件進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)得到的海蓬子籽油得率為32.58%，與理論值相差0.07%。因此響應(yīng)面法對(duì)海蓬子籽油提取條件的優(yōu)化具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2.4 索氏抽提法與微波輔助提取法對(duì)比

表5 兩種提取方法的結(jié)果比較Table5 Comparison of microwave-assisted extraction and Soxhlet extraction

分別使用索氏抽提法和微波輔助提取法提取海蓬子籽油，表5結(jié)果顯示微波輔助提取法對(duì)海蓬子籽油的提取時(shí)間更短，而兩種方法的得率相當(dāng)。

3 結(jié) 論

響應(yīng)面分析法優(yōu)化確定海蓬子籽油的最佳提取工藝條件為：微波溫度55 ℃、微波時(shí)間5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W。此條件下，海蓬子籽油得率可達(dá)32.65%。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該提取條件進(jìn)行修正后，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際數(shù)值為32.58%，與預(yù)測(cè)值差異較小，說(shuō)明該工藝可用于海蓬子種子中油脂的提取。微波輔助提取法較索氏抽提法海蓬子籽油得率提高了0.15%，而提取時(shí)間僅為索氏抽提的1.39%。

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Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Seed Oil from Salicornia bigenlovii Torr. Using Response Surface Methodology

FU Qing-quan
(School of Biochemical and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

The microwave-assisted extraction of seed oil from Salicornia bigenlovii Torr. using petroleum ether as the extraction solvent was optimized by response surface methodology. The extraction yield of seed oil was investigated with respect to extraction temperature, extraction time, solid-to-liquid ratio, and microwave power. The results showed that the optimal extraction conditions for Salicornia bigenlovii Torr. seed oil were as follows: temperature, 55 ℃; extraction time, 5 min; solid-to-liquid ratio, 1:10 (g/mL); and microwave power, 700 W. Under these optimal conditions, the extraction yield of Salicornia bigenlovii Torr. seed oil was 32.58%, a 0.15% increase over that obtained by traditional Soxhlet extraction. Moreover, the extraction time was only 1.39% of that required by Soxhlet extraction.

Salicornia bigenlovii Torr.; seed oil; microwave; extraction; response surface methodology

TS209

A

1002-6630（2014）20-0098-07

10.7506/spkx1002-6630-201420020

2014-05-04

扶慶權(quán)（1975—），男，工程師、實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，研究方向?yàn)榛钚晕镔|(zhì)提取及食品添加劑應(yīng)用。

E-mail：fuqingquan@126.com