超声波辅助提取翅碱蓬籽油脂的工艺优化

李煦，徐美，刘长霞，高宗迪，范小振*

沧州师范学院化学与化工学院（沧州 061000）

翅碱蓬属于藜科的草本植物，其分布在全国沿海各地，生于盐碱土地和滩涂地带，是盐碱地的典型指示植物[1]。研究表明，翅碱蓬籽的脂肪含量为37%，其中不饱和脂肪酸、必需脂肪酸含量高，不饱和脂肪酸含量占到脂肪含量的90%左右[2]。翅碱蓬籽油中富含硼、铁、锌等13种微量元素，其中铁含量达7.095 7～7.302 1 mg/kg[3]。因此翅碱蓬籽油具有开发为高级保健食用油脂的价值。

翅碱蓬籽油在工业生产中也有广泛的利用价值，如可以使用翅碱蓬籽油来制备共轭亚油酸，共轭亚油酸在医药方面可用来抗肿瘤、动脉粥样硬化和降低体内脂肪含量[4-5]。也可以制备硬脂酸，硬脂酸可以用作化学用品的原料，化学用品如表面活性剂、化妆品、涂料等[6]。

中国盐生植物的种类丰富，品种约占全球盐生植物的40%，其中有许多种植物具有重要经济价值。翅碱蓬籽含有丰富的营养物质，但翅碱蓬籽一直被当作废弃物，开发利用程度低，造成资源上的浪费。沧州沿海地区范围较大的盐碱地已成为经济和生态环境发展的瓶颈，盐生植物的开发与利用对加快盐碱地改良、农业发展具有重要的现实意义。

超声波处理法提取油脂的工艺除利用超声波所具有的空化作用外，还可利用超声波具有的热效应、乳化、扩散、击碎等许多次级效应，可以有效加速植物种子种的油脂成分在溶剂中扩散、释放，提高提取油脂提取工艺过程的传质速率，对油脂提取具有很强的促进作用，现已被越来越多地应用于油脂提取工艺中[7-9]。张郁松[10]分别采用压榨法、索氏法、水代法、超声波辅助法及超临界流体法对核桃油脂的提取效果进行比较，结果表明超声波辅助法操作简单、提取率最高。

为开发翅碱蓬的经济价值，变废为宝，减少资源的浪费，同时也为实现沧州沿海地区较大范围盐碱地的综合利用，选择超声波处理法对翅碱蓬籽中的油脂进行提取，通过正交试验设计、响应面试验设计进一步优化试验方法，探究超声波辅助提取翅碱蓬籽油的最佳工艺条件，为翅碱蓬籽在食品开发利用方面的研究提供新思路和新途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

翅碱蓬籽（采集于河北省沧州市沿海地区，采集到的样品籽皮混杂，需进行进一步处理）；石油醚（60～90 ℃，天津市光复科技发展有限公司）。

1.2 仪器与设备

XO-SM 200型超声波微波组合反应系统（南京先欧仪器制造有限公司）；766-0型远红外辐射干燥箱（江苏省南通农业科学仪器厂）；FA 2004 N型电子天平（上海精密科学仪器有限公司）；SL-100型高速多功能粉碎机（浙江省永康市松青五金厂）；DZTW型调温电热套（北京市永光明医疗仪器厂）。

1.3 试验方法

1.3.1 翅碱蓬籽的预处理

将翅碱蓬籽自然晾干，依次过40～60目筛，通过逐级筛分进行籽皮分离，去掉种皮和杂质，获得饱满的黑色翅碱蓬种籽颗粒。将籽皮分离后得到的翅碱蓬种籽颗粒在高速多功能粉碎机中粉碎，于60 ℃下干燥6 h，过100目筛，得到翅碱蓬籽原料（100目）[11]。

1.3.2 超声波法提取翅碱蓬籽油脂的工艺流程

1.3.3 翅碱蓬籽油提取率计算方法

1.3.4 单因素试验

依据上述提取方法，每次试验准确称取5 g（精确到0.001 g）翅碱蓬籽原料，以翅碱蓬籽油提取率为参考指标，选取超声波功率、液料比和提取时间3个因素为变量进行单因素试验，考察各因素变量对翅碱蓬籽油提取率的影响。试验为间歇操作过程，超声波周期性施加，即超声波施加3 s，停止1 s，反复进行。

超声波功率单因素试验：提取时间30 min、液料比8:1（mL/g），考察超声波功率120，240，360，480和540 W对提取率的影响。抽滤后，收集所得滤液加入无水NaSO4后进行蒸馏操作，去除溶剂后，置于干燥器中至恒重，称取提取油脂的重量，计算油脂得率。液料比单因素试验：超声波功率360 W、时间30 min、考察液料比6:1，8:1，10:1，12:1和14:1（mL/g）对提取率的影响，其他程序如上。提取时间单因素试验：超声波功率360 W、液料比8:1（mL/g），考察提取时间10，20，30，40和50 min对提取率的影响，其他程序如上。每组试验重复3次，计算提取率，取平均值。

1.3.5 正交试验设计

根据单因素试验结果，选取超声波功率（A）、液料比（B）和提取时间（C）为设计因素，选取L9(33)正交表进行试验，以翅碱蓬籽油脂提取率为指标进行正交试验，试验设计如表1所示。

表1 正交试验因素水平表

1.3.6 Box-Benhnken中心组合试验设计

在单因素基础上，每个因素选取3个对翅碱蓬籽油提取率影响较大的水平，建立三因素三水平的Box-Benhnken中心组合试验，以提取率为响应值，各因素的3个水平采用-1、0、1进行编码，如表2。

表2 响应面设计试验因素水平和编码

1.3.7 翅碱蓬籽油理化指标的测定

取提取后的翅碱蓬籽油脂分别参照GB/T 5532—2008《动植物油脂、碘值的测定》、GB/T 5530—2005《动植物油脂、酸值和酸度测定》、GB/T 5534—2008《动植物油脂皂化值的测定》、GB/T 5538—2005《动植物油脂过氧化值的测定》对其碘值、酸值、皂化值、过氧化值进行测定。

1.3.8 数据处理

试验数据采用Origin 8.5软件作图，Design-Expert 8.0.6软件进行方差分析，采用Minitab 16软件对正交试验和Box-Benhnken中心组合试验结果进行双样本t检验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声波功率对提取率的影响

如图1所示，提取率随着超声波功率的增大呈先增加后减小趋势，超声波功率360 W时，翅碱蓬籽油提取率最大，超声波功率高于360 W时，提取率随功率增大而下降。这可能是由于超声波具有无选择性的破坏作用，高功率条件下，空化作用不仅破碎细胞壁，也破坏欲提取物质的分子结构，对于特定的物质，超声波作用的效果取决于超声波巩固率和提取物的结构与性质，不同的提取物有不同的超声功率[12]。因此用超声波提取翅碱蓬籽油的最优功率为360 W。

2.1.2 料液比对提取率的影响

如图2所示，在原料质量不变的情况下增加石油醚的用量，提取率在前期阶段出现显著提升，再增加提取剂用量，呈现下降趋势。这是可能是在前期阶段对于一定量的翅碱蓬籽，增加提取剂的用量会增大体系的渗透压，使油脂更多的溶出，提取率上升。但液料比增加，同样会增加超声波破碎细胞的阻力，使细胞破碎程度下降，从而降低油脂的提取率[13]。因此用超声波提取翅碱蓬籽油的最优液料比8:1（mL/g）。

图1 超声波功率对提取率的影响

2.1.3 提取时间对提取率的影响

从图3中看出在10～30 min时，提取率随着时间的增长而提高，在30 min达到最大提取率。提取时间高于30 min时，提取率略有降低，可能是提取时间过长导致油脂发生分解，因此提取时间选择为30 min。

图3 提取时间对提取率的影响

2.2 正交优化试验

根据单因素试验结果，选取超声波功率（A）、液料比（B）和提取时间（B）为设计因素，选取L9(33)正交表进行试验，以翅碱蓬籽油脂提取率为指标进行正交试验，试验结果如表3所示。

根据表3中的极差分析得出RB＞RC＞RA，即对翅碱蓬籽油提取率影响因素由大到小分别为液料比、提取时间、超声波功率。由正交试验得出最优组合工艺为B2C2A2，即正交试验得出的最优工艺条件为：液料比8:1（mL/g）、提取时间30 min、超声波功率为360 W。根据表4方差分析可知，因素B（液料比）对试验结果影响显著，因素A（超声波功率）和因素（C）提取时间对试验结果影响不显著。

表3 正交设计试验表与结果

表4 正交试验方差分析

在正交试验得出的优化条件下进行5次平行试验，翅碱蓬籽油提取率平均值为22.46%，表明工艺较为稳定可靠。

2.3 BBD试验结果及数据分析

2.3.1 BBD试验设计方案及结果

以单因素试验结果为依据，利用Design Expert 8.0.6 统计分析软件设计出的试验方案及试验结果如表5所示，以翅碱蓬籽油提取率为响应值，以超声功率（A）、液料比（B）和提取时间（C）为自变量，建立三因素三水平中心组合试验设计共包括17个试验方案。

以A、B和C为响应变量，以R为响应值，通过非线性回归得到的二次方程为：提取率=-12.073 50+0.040 296 5A+4.930 75B+0.459 67C-8.958 33×10-4AB-9.791 67×10-5AC+5.000 00×10-4BC-4.109 38×10-5A2-0.278 56B2-7.167 50×10-3C2。

对方程进行方差分析，结果见表6。模型的F=31.37，p＜0.000 1，差异极显著。失拟差中的p=0.086 3＞0.05，说明响应面模型所设计并进行的试验误差较小。通过对试验模型进行可信性分析，得到决定系数R2=0.987 2，响应值的变化有98.72%来源于所选因素，表明方程对超声波处理法提取翅碱蓬籽中油脂工艺拟合度较好。二次模型可以合理性地描述各试验因素与响应值，以确定提取翅碱蓬籽油的最佳工艺条件[14]。通过模型系数的显著性分析，可以看出液料比对提取率的影响极其显著，料液比与超声功率的交互作用对提取率有显著影响，A2、B2和C2均对模型体现极显著性。A、B和C 3个因素的p值分别为0.279 9，0.000 8和0.789 9，所以3个因素对提取率的影响顺序是B＞A＞C，即对提取率影响因素由强到弱依次为：液料比、超声波功率、提取时间。

表5 响应面试验设计及结果

表6 回归模型及方差分析

2.3.2 响应曲面分析

响应面图形是响应值对各试验因子所构成三维空间的曲面图，从响应面分析图上可形象地看出最佳参数及各参数之间的相互作用[15-16]。如图4所示，各曲面存在最高和最低点，翅碱蓬籽油的提取率随着A、B、C 3个因素的增加先增大后下降。图中等高线均为圆形，说明双因素相互作用没有显著性。表5的方差分析中反映AB两因素相互作用显著，其等高线为椭圆形，且等高线密集，与方差分析的结果一致。

图4 两因素交互作用对提取率影响

2.3.3 响应面法最佳工艺验证试验

利用响应面法得出的最佳工艺条件为：A 363.89 W、B 8.29:1（mL/g）、C 29.86 min。在试验仪器的现实要求下，得出最佳工艺条件为：超声波功率365 W、液料比8:1（mL/g）、提取时间30 min。在最佳工艺条件下进行试验，得出的提取率平均为22.48%。Design Expert 8.0.6软件计算得到的理论值为22.561 5%，与试验值的相对误差为0.16%，说明响应面法得出的最佳工艺条件可行。

2.4 验证性试验结果

在响应面的最佳工艺条件和正交试验的最佳工艺条件下分别进行5组平行试验，使用Minitab 16软件中的双样本t检验对两者的提取率进行对比，来验证提油的效果，验证试验结果见表7。

表7中双样本t验证结果指出，p=0.896＞0.05，说明两种试验方法的最佳工艺条件下的提取率差异不显著，结果相符[17]。

2.5 翅碱蓬籽油理化性质分析

对响应面法最佳优化条件下的翅碱蓬籽油脂进行理化性质分析，按照相关国标测定翅碱蓬籽油的碘值、酸值、皂化值、过氧化值，结果如表8所示。

表7 验证试验结果

表8 翅碱蓬籽油理化性质指标

酸值大小是脂肪中游离脂肪酸含量的标志，酸值越小说明油脂质量越好，新鲜程度越高，翅碱蓬籽油酸值为1.91 mg KOH/g，数值低于3 mg KOH/g，达到食用植物油的要求。碘值表示有机化合物中不饱和程度，碘值越高，油脂不饱和程度越大，翅碱蓬籽油的碘值为151.71 g I/100 g，大于130 g I/100 g，符合干性油脂指标。皂化值反映油脂的平均分子量，翅碱蓬籽油的皂化值为192.89 mg KOH/g，此结果与青果果仁油皂化值基本一致[18]。过氧化值反应油脂和脂肪酸等被氧化程度的大小，翅碱蓬籽油的过氧化值为2.53 mmol/kg，与特级初榨橄榄油（2.56 mmol/kg）[19]和油茶籽油（2.58 mmol/kg）[20]相比类似。

根据各理化指标的检测结果可知，翅碱蓬籽油的各理化性质均符合食用植物油的标准。

3 结论

以翅碱蓬籽（100目）为原料，选择超声波处理法优化翅碱蓬籽油提取工艺。

在单因素试验基础上，利用正交试验法和响应面法进一步优化提取工艺。使用Minitab 16软件中的双样本t检验对响应面法和两者的提取率进行对比，两种试验方法的最佳工艺条件下的出油率差异不显著，二者对翅碱蓬籽油脂提取工艺的优化结果基本一致。

采用正交法得到超声波处理法提取翅碱蓬籽油的最佳工艺条件为：超声波功率为360 W、液料比8:1（mL/g）、提取时间30 min。在最佳工艺条件下，得到翅碱蓬籽油提取率平均值为22.46%。

采用响应面法得到超声波处理法提取翅碱蓬籽油的最佳工艺条件为：超声波功率365 W、液料比8:1（mL/g）、提取时间30 min。在最佳工艺条件下，翅碱蓬籽的提取率平均为22.48%。

应用国标方法测定翅碱蓬籽油的各项理化指标，其检测结果均达到食用植物油的要求，其中皂化值与青果果仁油皂化值基本一致，说明翅碱蓬籽油具有作为食用油开发的价值。