八角金盘籽油超声提取工艺优化及脂肪酸组成分析

蒋新龙 蒋益花

(浙江树人大学生物与环境工程学院，杭州 310015)

八角金盘(Fatsiajaponica)为五加科八角金盘属常绿灌木。原产我国台湾和日本，现长江流域以南地区广泛分布。其根、叶、花和种子均具有一定的药用价值，许多学者对其中的成分及其提取工艺进行了研究。八角金盘根、叶、花和种子中含多种三萜皂苷，苷元有齐墩果酸、常春藤苷元和刺囊酸等，还有角鲨烯、长链脂肪酸及甲酯[1-3]，梁志远等[4]用GC-MS分析了八角金盘茎、叶、花(果实)中精油的化学成分，卫强等[5]对八角金盘叶化学成分及其抗肿瘤活性做了研究，黄建丹等[6]初步研究了八角金盘花黄酮提取工艺优化及其氧化活性。目前，关于八角金盘籽油的研究鲜见报道。为了科学、充分地利用八角金盘籽油资源，采用响应面实验设计方法(RSD)对影响籽油出油率的关键因素进行条件优化，通过气相色谱(GC)分析其脂肪酸组成，为其进一步开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

八角金盘籽：市售，选取颗粒饱满、无霉烂变质的为试材，经干燥、拣选、去壳、粉碎后制成40～60目籽粉，备用。37种脂肪酸混合标准品(Sigma Aldrich)；其他试剂均为分析纯。

Agilent 7890A气相色谱仪；KQ5200DE型超声波清洗器；UV-1600型紫外/可见分光光度计；RE-52A型旋转蒸发器。

1.2 八角金盘籽油超声提取条件的优化

1.2.1 提取方法

八角金盘籽→除杂→烘干→粉碎(→过筛→称重→加石油醚→超声波辅助萃取→抽滤→浓缩→八角金盘籽油。

准确称取5.000 0 g粉碎成40目的的八角金盘籽粉，装入烧瓶中用石油醚于设置的条件下超声回流提取，超声结束后进行减压抽滤，滤液用旋转蒸发器浓缩，浓缩物放恒温鼓风干燥箱干燥，直到恒重，每组实验重复3次，取平均值。按公式计算八角金盘籽油的出油率。

式中：m为八角金盘籽的质量/g；m2为空瓶质量/g；m1为空瓶和八角金盘籽油的质量/g。

1.2.2 提取优化实验

理想提取溶剂的确定：分别以石油醚(60～90 ℃)、正己烷、无水乙醇、丙酮作为提取溶剂，在超声温度50 ℃，超声时间15 min，超声功率160 W，液料比8 mL/g的条件下进行萃取，以出油率、油脂品质、溶剂毒性、溶剂价格为综合考察指标，确定理想的提取溶剂。

单因素实验：采用1.2.1超声波辅助提取法，提取条件为：超声温度30 ℃、超声功率200 W、液料比5 mL/g，考察超声时间(10、15、20、25、30 min)对出油率的影响；超声时间20 min、超声功率200 W，液料比5 mL/g，考察超声温度(30、40、50、60、70 ℃) 对出油率的影响；超声温度50 ℃、超声时间20 min，液料比5 mL/g，考察超声功率(80、100、120、140、160、200 W)对出油率的影响；超声温度50 ℃、超声时间20 min、超声功率200 W，考察液料比(1、2、4、6、8、10 mL/g)对出油率的影响。

响应面实验：根据超声处理温度、超声处理时间、超声功率以及液料比4个单因素实验结果，确定响应面实验因素水平，见表1。用Design-Expert软件设计响应面实验，选用Box-Behnken实验设计，做四因素三水平共 29个实验点(5个中心点)的响应面分析实验。

表1 响应面实验因素水平

1.3 八角金盘籽油理化性质分析

密度测定参考GB/T 5526—1985；折光率测定参考GB/T 5527—2008；苯并(α)芘测定参考GB/T 22509—2008；酸价测定参考GB/T 5530—2005；过氧化值测定参考GB/T 5538—2005；碘值测定参考GB/T 5532—2008。平行测定3次，取平均值。

1.4 八角金盘籽油的GC成分分析

用Agilent 7890A气相色谱仪，脂肪酸组成测定参照 GB/T 5009.168—2016的内标法气相色谱分析。

GC分析条件：色谱柱：CNW CD-2560(100 m×0.25 mm×0.20 μm)；检测器类型：FID；检测器温度：260 ℃；进样口温度：250 ℃；进样量：1 μL；升温程序：130 ℃保持5 min，再以4 ℃/min的速率升温至240 ℃并保持30 min；分流比：10∶1；载气流速：0.5 mL/min。

1.5 统计方法及分析软件

指标均重复测定3次并取平均值，利用Origin 8软件作图；应用SPSS20.0软件进行数据统计，并用Duncan多重比较(SSR法)检验各处理平均数之间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 提取优化实验

2.1.1 提取溶剂的选择

溶剂的极性对油脂的提取率有显著影响。表2为不同有机溶剂对八角金盘籽油提取质量的影响，依据相似相溶原理，因为油脂属非极性或极性小的物质，所以提取溶剂应为非极性或极性较小的有机溶剂。结果表明极性最小的正己烷提取率最高，符合相似相溶规律。从提取的油脂品质考虑，正己烷和石油醚提取的油脂杂质少、色泽浅、澄清度高，但正己烷的毒性相对较高[7]。综合各方面考虑选用石油醚(60～90 ℃)作为提取溶剂。

表2 不同有机溶剂对提取的比较

2.1.2 单因素实验

提取温度的影响：温度不仅影响溶剂和油脂的分子运动，而且还会引起油脂分子结构的改变。由图1可知，随超声温度的升高八角金盘籽油出油率先升高后降低，在50 ℃时出油率达到最大值。在较低的温度时，温度的提高使分子运动加剧，同时溶剂和油脂的黏度降低，使出油率增大；当温度接近石油醚的沸点时，溶剂挥发加快，减少了溶剂与八角金盘籽粉的有效接触面积，而且随温度的升高，还会使八角金盘籽油脂分子的结构发生改变，从而使出油率下降。因此50 ℃为较理想的提取温度。

提取时间的影响：有效浓度差是超声波辅助溶剂法提取油脂的主要推动力。刚开始时，有效成分浓度差较大，随着油脂的不断溶出，溶剂中的油脂与八角金盘籽粉末中的油脂浓度差不断减小，达到平衡后，提取溶剂的损耗挥发和油脂夹带作用也会造成油脂的损失；另外超声波具有较强的机械剪切作用，长时间的作用会使大分子的脂肪断裂[8]，图1可知，超声时间20 min较为适宜。

超声波功率的影响：随超声波功率的增加，其产生的机械作用和空化作用越剧烈，界面扩散层上的分子扩散就越快，油脂渗透出来的速度就越快[9]。但超声波功率过高，超声波较强的机械剪切作用也会使大分子的脂肪断裂[9]。由图1可知，超声波功率160 W较为适宜。

液料比的影响：提取溶剂用量的增加相当于降低了油的浓度，增加了溶剂与八角金盘籽细胞中油脂的浓度差，增加了传质推动力，从而提高了油脂在提取剂中的扩散速度。当溶剂用量增大到一定程度后，八角金盘籽中油脂含量逐渐减少，再增加溶剂用量，出油率也基本保持不变，继续增加溶剂用量，出油率趋向稳定，而且溶剂用量过大，会造成溶剂回收困难和生产成本增加。由图1可知，液料比8 mL/g较为适宜。

图1 超声波辅助提取八角金盘籽油单因素实验结果

2.1.3 响应面实验

2.1.3.1 实验结果

表3 响应面实验数据

2.1.3.2 方差分析

采用Designexpert程序对所得数据进行回归分析，回归分析结果见表4。从表4中可以看出，液料比(D)的P值小于0.01，说明液料比对八角金盘油的提取影响极显著；超声温度(A)、超声时间(B)和超声功率(C)的P值都大于0.05，说明这3个因素对八角金盘油的提取影响都不显著，方差分析说明各个实验因素对八角金盘油的提取影响由大到小的顺序依次为：液料比(D)、超声时间(B)、超声功率(C)、超声温度(A)。方差分析也说明各个具体实验因素与响应值都不是简单的线性关系。

表4 方差分析

注：* 表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

2.1.3.3 拟合模型的建立

对响应面测试数据进行回归拟合，确立回归方程：Y=34.82+0.093A+0.23B+0.19C+0.77D-0.29AB+1.000E-002AC+0.00AD+0.13BC+0.32BD+0.12CD-0.41A2-0.21B2-0.073C2-0.75D2

由于该方程的二次项系数都为负值，所以方程代表的抛物面的开口向下，有极大值。由表4 可以看出，模型的P<0.05(显著)，失拟项检验的P=0.084 9(不显著)，表明模型充分拟合实验数据，该方程是八角金盘油的提取率与提取工艺参数的合适数学模型。方差分析说明各个具体实验因素与响应值都不是简单的线性关系。

2.1.3.4 交互作用分析

在超声温度、液料比、超声功率、超声时间4个因素中任取两个作为X和Y，以提取率作为Z，作出相应的三维曲面图。相比而言，超声时间(B)与液料比(D)的交互作用较大，如图2所示，表现为曲线比较陡，这与回归分析的结果吻合。

2.1.3.5 最优工艺验证

利用软件绘出回归模型的等值线(见图2)，并确定模型的极大值点，预测所得最大出油率为35.60%。利用软件得出油提取的最优条件为超声温度(47.73 ℃)、超声时间(30.00 min)、超声功率(200 W)和液料比(9.62 mL/g)。结合实际实验条件，得到最优条件为超声温度48 ℃、超声时间30.00 min、超声功率200 W和液料比9.6 mL/g 。根据实际最优工艺进行验证实验，在此条件下测定出油率，平行测定3次，得最大出油率为35.55%。根据预测最优条件进行验证实验，实验结果与预测值无显著差异。

图2 三维曲面和回归模型等值线

2.2 八角金盘籽油理化性质

由表5可知，八角金盘籽油的酸值(KOH)为 2.88 mg/g，低于3.00 mg/g，符合食用植物油国家标准。过氧化值是衡量油脂被氧化的程度，数值越高，油品越差，八角金盘籽油的过氧化值为6.63 mmol/kg，八角金盘籽油的过氧化值低于食用植物油国家标准。碘值是判断油脂脂肪酸不饱和程度的指标，八角金盘籽油的碘值为97.23 g/100 g，属于非干性油，说明八角金盘籽油不饱和程度较低。此外，八角金盘籽油相对密度为 0.892 8，所制八角金盘籽油为澄清透明的浅黄色液体。因此，以测定的理化指标判断，八角金盘籽油达到食用植物油国家标准。

表5 八角金盘籽油理化特性

注：GB / T 2716—2005标准要求酸值/ (mgKOH/g) ≤ 3；过氧化值/ (gI/100 g)≤ 0.25，1 mmol/kg=39.4 gI/100 g。

2.3 八角金盘籽油脂肪酸组成及含量分析

根据1.4方法，对八角金盘籽油进行GC分析，八角金盘籽油的脂肪酸组成分析结果见图3和表6。油酸加热温度为150 ℃时开始发生顺反异构化转化反应[10]。由表6可见，反油酸可能是由GC分析预处理过程中油酸转变而成的，该组分实际为油酸，这与郑联合等[11]的研究结果一致。由表6可知，从八角金盘籽油中共鉴定出15种脂肪酸，主要脂肪酸为油酸(87.02%)、亚油酸(7.00%)、顺-10-十五烯酸(3.08%)、硬脂酸(0.86%)，4种主要脂肪酸质量分数占97.96%。其中不饱和脂肪酸质量分数为97.10%，尤其以油酸为主。尽管以油酸为主的八角金盘籽油不饱和脂肪酸含量很高，因为油酸是单不饱和脂肪酸，所以不饱和程度并不高，这与2.2碘值分析结果一致，八角金盘籽油属于非干性油。油酸抗氧化稳定性好，有助于降低人体血液中低密度脂蛋白胆固醇含量，同时维持高密度脂蛋白胆固醇水平，具有营养保健和药疗功效[12]，营养界把油酸称为“安全脂肪酸” ，油酸的含量多少，是评定食用油品质的重要标志[13]。所以八角金盘籽油可作为高血脂、冠状动脉粥样硬化、心血管病人的长期食疗保健油品，具有很好的开发应用前景。

图3 八角金盘籽油脂组份分析色谱图

序号脂肪酸保留时间/min相对质量分数/%1C15.1(顺-10-十五烯酸) 28.5463.080 72C16.0(棕榈酸) 29.3210.127 13C16.1(棕榈油酸 ) 29.6180.116 44C17.0(十七烷酸 ) 30.5130.031 45C17.1(顺-10-十七烯酸 ) 31.2820.013 26C18.0(硬脂酸 ) 31.7370.863 17C18.1n9t(反油酸) 32.49787.024 48C18.2n6t(反亚油酸) 33.5650.020 89C18.2n6c(亚油酸 ) 33.8366.980 310C18.3n6(γ-亚麻酸 ) 35.2410.061 011C18.3n3(α-亚麻酸 ) 35.8480.274 212C20.3n6(顺-8,11,14-二十碳三烯酸 ) 38.3210.017 213C22.1n9(芥酸) 38.5000.040 114C23.0(二十三碳酸 ) 39.7850.252 615C22.6n3(顺式-4,7,10,13,16,19-二十二碳六烯酸 ) 44.8140.235 8

3 结论

在单因素实验的基础上，运用响应面设计的理论与方法，确定了最佳提取工艺：石油醚为提取剂，超声时间30 min，超声功率200 W，超声温度48 ℃，液料比为9.6 mL/g。在此条件下，八角金盘籽油出油率为35.55%。经方差分析和响应面结果得知，在本实验范围内，各因素对八角金盘籽油提取率的影响作用大小顺序为液料比>超声时间>超声功率>超声温度，且液料比对八角金盘油的提取影响极显著，而它们之间的交互影响却不显著。响应面分析法可以有效地优化超声波辅助提取法提取八角金盘籽油的工艺条件。本实验建立的优化模型对八角金盘籽油的开发利用具有指导意义。

八角金盘籽油色泽浅，以测定的理化指标判断，八角金盘籽油达到食用植物油国家标准。GC 分析得到八角金盘籽油主要成分有油酸、亚油酸、顺-10-十五烯酸、硬脂酸，以单不饱和脂肪酸油酸为主，不饱和脂肪酸占97.10%。八角金盘籽油具有较高的利用价值，可作为优质食用油源和功能性食用油开发利用。