响应曲面法优化韭菜籽油的微波提取工艺研究

李 超，王卫东，孙月娥

（徐州工程学院食品工程学院，江苏徐州221008）

响应曲面法优化韭菜籽油的微波提取工艺研究

李 超，王卫东*，孙月娥

（徐州工程学院食品工程学院，江苏徐州221008）

首先优化出了微波提取韭菜籽油的最佳工艺参数，然后将微波提取和其它提取方法进行了对比。结果表明：微波提取韭菜籽油最佳工艺参数为：提取时间99s、液料比9.8mL/g以及提取功率193W，在该提取条件下，韭菜籽油的得率为22.24%；与其它提取方法相比，微波提取时间短，得率高。

韭菜籽油，微波提取，Box-Behnken实验设计

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

韭菜籽 徐州市益农种业有限公司；正己烷、石油醚、乙醚乙酸乙酯、无水Na2SO4分析纯，上海世义精密仪器有限公司；水 去离子水。

标准检验筛 浙江上虞华美仪器纱筛厂；微型高速万能试样粉碎机 上海楚柏实验室设备有限公司；FA2104N电子分析天平 上海精密科学仪器有限公司；CW-2000型超声-微波协同萃取仪 上海新拓分析仪器科技有限公司；SENCO R201L旋转蒸发器 上海申生科技有限公司；SHZ-D（Ш）循环水式真空泵 巩义市英峪予华仪器厂；XMT-152电热恒温干燥箱、数显式电热恒温水浴锅 上海跃进医疗器械厂；SHJM-1数显恒温搅拌电热套 山东省鄄城现代实验仪器厂；索氏提取器 自行组装。

1.2 实验方法

1.2.1 提取方法

1.2.1.1 微波提取 韭菜籽粉碎后过60目筛，称取约5g置于100mL三角瓶中，加入一定体积的萃取剂，提取一定时间后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。超声波处于关闭状态。

1.2.1.2 索氏提取 韭菜籽粉碎后过60目筛，称取约5g，用滤纸包好，放入索氏提取器中，加入石油醚50mL，在65℃水浴中恒温5h后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。

1.2.1.3 有机溶剂回流提取 韭菜籽粉碎后过60目筛，称取约5g，放置于100mL圆底烧瓶中，加入石油醚50mL，在65℃水浴中提取2h后加入无水Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。

1.2.2 工艺优化设计

1.2.2.1 单因素实验 分别以不同的提取剂种类、提取时间、液料比和微波功率为影响因素，考察其对得率的影响。

1.2.2.2 Box-Behnken实验 根据Box-Behnken实验设计原理，在单因素实验的基础上，选取提取时间、液料比和微波功率3个影响因素，采用3因素3水平的响应曲面分析方法，实验因素与水平设计见表1。共15个实验点，其中12个为析因点，3个为中心点。

表1 因素水平表

式中，EY为预测响应值，xi和xj为自变量代码值，β0为常数项，βi为线性系数，βij为交互项系数，βii为二次项系数，ε为随机误差。按照Box-Behnken实验设计的统计学要求，对上述方程的各项回归系数进行回归拟合。

1.2.3 得率（EY）的计算

设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为：

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 提取剂种类的影响 作为提取挥发油的理想溶剂应具有以下特性：对挥发油的溶解性好，选择性好，性质稳定，价格低廉，来源广泛。韭菜籽油的提取属于固-液萃取过程，提取效果主要由原料颗粒度和溶剂的性质决定。从图1可知，4种溶剂中出油率最高的为22.434%，最低的为14.688%，相差7.746%，石油醚比乙醚的出油率高52.74%（p＜0.05），因此本实验选用石油醚为韭菜籽油的提取剂。

2.1.2 提取时间的影响 由图2可知，在提取时间为100s之前，韭菜籽油不能充分地转移到溶液中，随着提取时间的增加，挥发油的含量增加，在100s时达到峰值；之后继续增加时间，韭菜籽油得率明显下降。这可能是因为随着提取时间的增加，温度急剧升高，导致挥发油分解或挥发所致［8］，故以提取时间100s作为后续实验的提取时间。

图1 提取剂种类对得率的影响

图2 提取时间对得率的影响

2.1.3 液料比的影响 由图3可知，提取剂的增加，更有利于挥发油的溶出，这是因为溶剂和原料间的浓度差越大，其提取效率就越高，目标物质就越容易溶出，然而在液料比增加到10mL/g之后，挥发油的得率变化不大，表明提取基本完全，为节省后续处理时间，选择液料比为10mL/g。

图3 液料比对得率的影响

2.1.4 微波功率的影响 由图4可知，随着微波功率的增加，物质的加热程度也随之增加，使挥发油能够容易地被提取出来，即得率增加；在微波功率达到200W之后，挥发油得率有减少趋势，这可能是由于高微波功率导致的热效应使挥发油分解或挥发所致［9-10］。因此，200W为最佳微波功率。

图4 微波功率对得率的影响

2.2 Box-Behnken实验设计

2.2.1 模型的建立及其显著性检验 利用 Design expert V7.0.0统计软件，通过逐步回归对表2实验数据进行回归拟合，得到挥发油得率对以上三个因素的二次多项回归模型为：

表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果

表2 Box-Behnken实验结果

对该模型进行方差分析，结果见表3；模型的响应面图见图5～图7。

由表3可见，模型具有高度的显著性（p＜0.01），失拟项（p＞0.10）不显著，=0.9146，S/N（信噪比）为12.679，远大于4，可知回归方程拟合度和可信度均很高，实验误差较小，故可用此模型对微波提取韭菜籽油的工艺结果进行分析和预测。

2.2.2 响应曲面分析与优化 根据回归方程，作响应曲面图，考察所拟合的响应曲面的形状，分析提取时间、液料比和微波功率对得率的影响。其响应曲面图如图5～图7所示，3组图直观地反映了各因素对响应值的影响。

比较图5～图7并结合表3中p值可知：模型的一次项x3（p＜0.05）极显著，其他一次项不显著；交互项都不显著；二次项都极显著，表明各影响因素对韭菜籽油得率的影响不是简单的线性关系。

为进一步确定最佳提取工艺参数，对所得方程进行逐步回归，删除不显著项，然后求一阶偏导，并令其为0，可得最佳工艺参数为提取时间99s，液料比为9.8mL/g，微波功率为193W，此时韭菜籽油得率为22.13%。为检验Box-Behnken实验设计所得结果的可靠性，采用上述优化提取条件下进行韭菜籽油的微波提取3次，实际测得的平均得率为22.24%，与理论预测值相比，其相对误差约为0.11%。因此，基于Box-Behnken实验设计所得的最佳工艺参数准确可靠，具有实用价值。

图5 提取时间、液料比及其相互作用对得率影响的响应面

图6 提取时间、微波功率及其相互作用对得率影响的响应面

图7 液料比、微波功率及其相互作用对得率影响的响应面

2.3 不同提取方法的比较

由表4可以看出，微波提取韭菜籽油的得率是索氏提取（常作为测定植物中挥发油总量的方法）得率的95%，比有机溶剂回流提取的得率高31.81%；但是微波提取的提取时间少于100s，而其它提取方法则需要2h以上，提取时间大大缩短。由此可知，微波提取是一种非常有效的提取韭菜籽油的方法。

表4 不同提取方法得率的比较

3 结论

3.1 由单因素实验和Box-Behnken实验设计，得到微波提取韭菜籽油的最佳工艺参数为：提取时间99s，液料比为9.8mL/g，微波功率为193W，此时韭菜籽油得率为22.24%。

3.2 实验还讨论比较了微波提取与其它提取方法的效果差异，结果表明，微波提取时间短，得率高。

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Optimization of microwave extraction of oil from Semen Allii tuberosi by response surface methodology

LI Chao，WANG Wei-dong*，SUN Yue-e
（College of Food Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221008，China）

Firstly the microwave extraction parameters of oil from Semen AIIii tuberosi were optimizated.And then，the effects of microwave extraction and other extraction techniques were compared.The results showed that the microwave assisted extraction parameters were extraction time 99s，solvent to material ratio 9.8mL/g，microwave power 193W and the extraction yield（EY）was 22.24%under this extraction condition.Compared with other extraction techniques，microwave extraction had higher yield and shorter extraction time.

Semen AIIii tuberosi oil；microwave extraction；Box-Behnken experimental design

TS255.1

B

1002-0306（2010）07-0283-04

韭菜籽为百合科植物韭菜（Allium tuberosum Rottl.）的干燥成熟种子，为常用中药［1］。其原产亚洲东南部，我国各地均有栽培或野生［2］，以河北、山西、吉林、江苏、山东、安徽、河南等地产量较大。其性温，味微甘，具有补肾阳、暖腰膝、壮阳固精之功效，临床上主治阳痿遗精、腰膝酸软、冷痛、遗尿、尿频、白浊带下等症［3］。另有报道，韭菜籽还有抗衰老、抗突变、杀虫、抗菌等作用，用于治疗持续性呃逆［4-5］。由于其疗效显著，在临床上被广泛应用。因此，市场上对韭菜籽的需求量也在日益增加，且韭菜籽的资源广泛，如能对其进行系统深入的研究，必将会产生广阔的经济前景。韭菜籽主要有效成分之一为韭菜籽油，韭菜籽油的传统提取方法通常有索氏提取法和有机溶剂提取法等［6-7］，这些传统方法的最大缺点就是耗时长，为此本文采用耗时很短的微波提取技术对韭菜籽油进行了一定的研究，为其在产品方面的开发提供强有力的理论依据和技术支持。

2009-08-28 *通讯联系人

李超（1978-），男，讲师，博士，研究方向：天然产物化学。

徐州工程学院培育项目（XKY2008322）。