劉運(yùn)偉 李占君

摘 要：為研究塔拉籽油脂提取工藝，選用超聲提取法展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響油脂提取率的因素進(jìn)行單因素、響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得出最佳提取工藝：60目塔拉籽粉末10 g，溶劑無(wú)水乙醇，料液比1∶12 g/mL，超聲時(shí)間16 min，超聲功率85 W，超聲水浴溫度51 ℃。最終驗(yàn)證得出實(shí)際平均提取率7.35%與理論預(yù)期值7.43%±0.017%很接近，實(shí)驗(yàn)效果較好。結(jié)果證明，超聲提取能夠有效地提取塔拉籽粉末油脂，同時(shí)響應(yīng)面工藝優(yōu)化合理、有效。

關(guān)鍵詞：塔拉籽油;超聲提取;影響因素;響應(yīng)面; 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

Abstract：In order to study the extraction process of Tara seed oil， the ultrasonic extraction method was used to carry out the experiments， the single factor and response surface optimization experiments were carried out for the factors affecting the oil extraction yield. The results showed that the optimal factors were： 60 mesh tara seed powder 10 g， solvent absolute ethanol， solid liquid ratio 1∶12 g/mL， ultrasonic time 16 min， ultrasonic power 85 W， ultrasonic water bath temperature 51 ℃. Finally， the experimental results showed that the actual average extraction yield 7.35% was close to the theoretical expected value 7.43% ± 0.017%， and the experimental results were better. The results prove that ultrasonic extraction can effectively extract oil from tara seed powder， and the optimization of response surface technology is reasonable and effective.

Keywords：Tara seed oil; ultrasonic extraction; effect factor; response surface; experimental optimization

0 引言

塔拉（Caesalpinia spinosa Kuntze）亦稱刺云石，豆科蘇木亞科云實(shí)屬，多年生珍貴資源型種質(zhì)植物。我國(guó)境內(nèi)分布程度較低，主要以次灌木和小喬木群落形式分布于干旱、長(zhǎng)日照區(qū)域，云南省有分布[1-3]。飽滿的塔拉籽中富含大量的種胚蛋白、單寧和脂肪，含有多種不同類型的不飽和脂肪酸，其代表性不飽和脂肪酸為亞麻酸。該種油脂營(yíng)養(yǎng)程度較高，在食品、藥品、醫(yī)療、保健、日化、抗機(jī)體衰老和改善人體腸道內(nèi)環(huán)境等方面具重要的作用和意義[4-7]。

現(xiàn)階段動(dòng)、植物活性物質(zhì)分離純化的工藝有常溫自然浸提、傳統(tǒng)索氏提取、揮發(fā)油回流蒸餾、普通溶劑浸提、超聲提取、微波提取、超聲-微波協(xié)同提取和CO2流體超臨界提取等[8-12]。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，超聲提取能夠保證目標(biāo)物質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效、綠色環(huán)保的提取分離目的。因此超聲提取在生物工程、制藥工程、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品、藥品研發(fā)和檢測(cè)等領(lǐng)域認(rèn)可度較高，并得到廣泛性的應(yīng)用[13-14]。

本研究主要以超聲提取為提取、分離方式，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)面對(duì)整體實(shí)驗(yàn)工藝予以系統(tǒng)性研究和優(yōu)化，最終能夠?yàn)閯?dòng)、植物活性物質(zhì)提取、檢測(cè)等領(lǐng)域提供科學(xué)、現(xiàn)實(shí)、可靠的理論與數(shù)據(jù)性的參考。

1 實(shí)驗(yàn)用品

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

優(yōu)質(zhì)、飽滿塔拉籽，2017年采收于云南昆明;無(wú)水乙醇、超純水等。

1.2 儀器

理化干燥箱（型號(hào)：LG100B，上海儀器總廠）;微型中藥粉碎機(jī)（型號(hào)：HC-250T，浙江河城工貿(mào)有限公司）;標(biāo)準(zhǔn)分樣篩（型號(hào)：JH0004，迪勝）;電子分析天平（型號(hào)：UH620H，日本SHIMADZU島津）;臺(tái)式數(shù)控超聲波清洗器（型號(hào)：KQ-100DE，昆山市超聲儀器有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（型號(hào)：RE-52AA，上海亞榮）等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 塔拉籽粉末的制備

前期對(duì)塔拉籽低溫、恒溫烘干脫水，再以點(diǎn)式觸發(fā)、間歇粉碎的形式制備塔拉籽粉末，粉末置于恒溫鼓風(fēng)烘箱在溫度60 ℃下脫水干燥至≤5%，過(guò)篩獲取60目干燥粉末備用[15-17]。

2.2 塔拉籽油的超聲提取

將干燥60目塔拉籽粉末按照實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行油脂超聲提取，待提取完畢的混合溶液冷卻至室溫，通過(guò)抽濾實(shí)現(xiàn)固液分離;再以旋蒸實(shí)現(xiàn)油液分離[18-19]，提取所得塔拉籽油的提取率計(jì)算公式為：

2.3 單因素分析

2.3.1料液比

60目塔拉籽粉末10 g，無(wú)水乙醇為提取溶劑，水浴溫度40 ℃，提取15 min，功率強(qiáng)度100 W，提取1次，該種條件下對(duì)料液比1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16 g/mL對(duì)提取率影響進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 提取時(shí)間

60目塔拉籽粉末10 g，無(wú)水乙醇為提取溶劑，料液比1∶12 g/mL，水浴溫度40 ℃，功率強(qiáng)度100 W，提取1次，對(duì)提取時(shí)間5、10、15、20、25 min的影響展開(kāi)研究。

2.3.3 提取功率

60目塔拉籽粉末10 g，無(wú)水乙醇為提取溶劑，料液比1∶12 g/mL，水浴溫度40 ℃，時(shí)間15 min，提取1次，研究40、60、80、100 W梯度功率變化對(duì)提取的影響。

2.3.4 水浴溫度

60目塔拉籽粉末10 g，無(wú)水乙醇為提取溶劑，料液比1∶12 g/mL，時(shí)間15 min，功率強(qiáng)度100 W，提取次數(shù)1次，研究40、50 、60、70 、80 ℃溫度區(qū)間變化對(duì)提取率的影響。

2.4 影響因素的響應(yīng)面優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)差異性顯著分析的基礎(chǔ)上，選取顯著性影響的提取時(shí)間（min）、功率強(qiáng)度（W）和水浴溫度（℃）予以響應(yīng)面的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，因素編碼設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素分析實(shí)驗(yàn)

3.1.1 料液比

由圖1分析可知，不同料液比對(duì)塔拉籽油提取率的影響程度，在料液比為1∶8～1∶12區(qū)間范圍內(nèi)混合溶液體系對(duì)塔拉籽油提取不充分，當(dāng)料液比提升至1∶12時(shí)，油脂提取率及其變化率均為最佳值，混合溶液體系塔拉籽油溶解能力得到加強(qiáng)。當(dāng)料液比為1∶12～1∶16時(shí)，超聲振蕩在混合溶液體系內(nèi)部形成“空穴效應(yīng)”所釋放出的能量會(huì)因溶液體積過(guò)大而被過(guò)度吸收、損耗，進(jìn)而影響溶劑對(duì)塔拉籽粉末的浸入與穿梭，致使提取率下降。所以，選取料液比1∶12進(jìn)行研究。

3.1.2 提取時(shí)間

由圖2可知，提取時(shí)間對(duì)塔拉籽油提取率有不同程度上的影響。在5～15 min時(shí)提取率與提取時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)性，15 min處提取率為最大值;在15～25 min時(shí)，油脂提取率的變化率開(kāi)始變小，這主要是因?yàn)?，?dāng)15～25 min時(shí)，混合溶液體系內(nèi)部對(duì)塔拉籽油的溶解性開(kāi)始趨于飽和，不利于提取的進(jìn)行。因此，選取15 min 進(jìn)行深度優(yōu)化。

3.1.3 提取功率

功率對(duì)提取率的影響如圖3所示，以功率梯度區(qū)間變化展開(kāi)該組研究，當(dāng)功率為40～80 W時(shí)，功率的加強(qiáng)有利于提取率的提升，80 W處為提取率的最大值;當(dāng)功率80～100 W時(shí)，由于功率的過(guò)度加強(qiáng)，提取混合溶液體系內(nèi)部振蕩所產(chǎn)生的“空穴效應(yīng)”過(guò)于劇烈，溶劑大量揮發(fā)、逸散，提取率的變化率開(kāi)始變小，該種條件不利于提取的進(jìn)行。故選擇功率80 W進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.1.4 提取溫度

由圖4分析得出，當(dāng)提取溫度為40～50 ℃時(shí)，溫度與提取率二者呈現(xiàn)正相關(guān)特性，溫度的升高有利于提取率的提升，50 ℃為最佳點(diǎn)，此處提取率及其變化率均為最大值;當(dāng)50～80 ℃時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)使混合溶液體系內(nèi)的溶劑在種子粉末和溶液之間往復(fù)、穿梭活動(dòng)更為劇烈，溶劑大量揮發(fā)、逸散，提取率的變化率開(kāi)始變小，該種條件不利于提取的進(jìn)行。故選擇溫度50 ℃進(jìn)行優(yōu)化研究。

在前期單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)用SPSS17.0軟件對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析得出，料液比對(duì)塔拉籽油提取率差異性影響不顯著（P>0.05），而提取時(shí)間、功率、溫度條件適宜時(shí)提取率得到不同程度的提升，說(shuō)明時(shí)間、功率、溫度對(duì)該種油脂提取率差異性影響顯著極顯著（P<0.01）。故優(yōu)化實(shí)驗(yàn)組以提取時(shí)間、功率、溫度展開(kāi)。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化

3.2.1 因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為了更進(jìn)一步研究和優(yōu)化塔拉籽油的超聲提取工藝，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用Design-Expert V 8.0.6 軟件，對(duì)表1顯著性影響因素提取時(shí)間（min）、功率強(qiáng)度（W）和水浴溫度（℃）予以設(shè)計(jì)、優(yōu)化，表2為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)變量因素編碼實(shí)驗(yàn)表，其響應(yīng)值Y與提取率相對(duì)應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中包括17組實(shí)驗(yàn)（n>3）;經(jīng)分析優(yōu)化得出相應(yīng)回歸方程為：

對(duì)表3數(shù)據(jù)研究分析得出：A、B、C三因素組合形成互擾AB、AC、BC對(duì)提取率的響應(yīng)值Y具有不同程度的影響，單一因素影響強(qiáng)弱排序?yàn)椋築 >A > C，組合互擾因素影響強(qiáng)弱為：AC >BC >AB，B2 >A2 >C2;兩種組合互擾因素影響顯著程度最高的分別為AC和B2。

因PModel <0.000 1，模型失擬項(xiàng)0.169 4>0.05，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型整體差異性極顯著，模型失擬項(xiàng)0.169 4表明該模型失擬項(xiàng)不顯著，模型吻合度較好，且A、B、C三因素之間不存在顯著性互擾。

對(duì)表4數(shù)據(jù)分析，因R2 = 0.977 0和調(diào)整R2 = 0.947 4，說(shuō)明所得回歸模型擬合度較高，線性關(guān)系較好，模型對(duì)實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)響應(yīng)值Y能夠較好地預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)值程度為97.70%。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)相應(yīng)傘狀、等高線如圖5—7所示。

以提取率Y為響應(yīng)值的模型優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)組合互擾因素AB、AC、BC傘壯圖以及等高線進(jìn)行研究分析，通過(guò)回歸模擬對(duì)響應(yīng)值的影響變化規(guī)律擬合與優(yōu)化，最佳合理實(shí)驗(yàn)因素為：無(wú)水乙醇為提取溶劑，料液比為1∶12 g/mL，超聲時(shí)間為16 min，超聲功率為85 W，超聲水浴溫度為51 ℃，理論預(yù)期提取率為7.43%。

3.2.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

對(duì)響應(yīng)面優(yōu)化所得影響因素參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，最終驗(yàn)證得出實(shí)際平均提取率7.35%與理論值7.43%±0.017 %很吻合，實(shí)驗(yàn)效果較好，充分說(shuō)明該種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)整體的優(yōu)化現(xiàn)實(shí)、合理和有效。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)超聲提取對(duì)60目塔拉籽粉末進(jìn)行油脂工藝實(shí)驗(yàn)，在單因素影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)影響塔拉籽油提取率的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行響應(yīng)面的系統(tǒng)性研究、討論和優(yōu)化。得出最佳工藝條件為：60目塔拉籽粉末10 g，無(wú)水乙醇為提取溶劑，料液比1∶12 g/mL，超聲時(shí)間16 min，超聲功率85 W，超聲水浴溫度51 ℃。最終驗(yàn)證得出實(shí)際平均提取率7.35%與理論預(yù)期值7.43%±0.017%很接近，實(shí)驗(yàn)效果很好。該項(xiàng)研究能夠?yàn)槭称?、藥品以及油脂化學(xué)工藝等領(lǐng)域提供可靠、有效的理論與數(shù)據(jù)支撐。

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