响应面法优化辣木籽油超声辅助提取工艺及其脂肪酸组成

李美萍，李彩林，张生万，张金才

(1.山西大学 生命科学学院，太原030006； 2.山西大学 资源与环境工程研究所，太原030006)

辣木属于辣木科辣木属的热带落叶木本蔬菜及油料植物，其叶子、花、嫩芽、籽实均可直接食用[1-2]，用其根磨成的粉是制作咖喱粉的原料之一，辣木树亦被称为“奇迹之树”。辣木籽和叶子中含有丰富的营养成分，可改善各种疾病，如降低血糖、改善睡眠、清肠及促进人体新陈代谢等[3-4]，此外辣木籽还被广泛用于化妆美容行业[5-6]。

近年来人们采用不同的方法对辣木籽油进行提取，如压榨法[7]、超临界CO2流体萃取法[8-9]、微波辅助提取法[10-11]、超声辅助溶剂提取法[12-13]等。但压榨法提油率低，超临界CO2流体萃取法和微波辅助提取法提取率虽高，但设备昂贵，而超声辅助溶剂提取法具有缩短提取时间、提高提取效率等优点。本文对超声辅助正己烷高效提取辣木籽油工艺进行了研究，通过响应面分析法对提取工艺条件进行了优化，对比了超声辅助正己烷提取和直接正己烷浸提条件下提取时间、料液比和提取温度对辣木籽出油率的影响，并通过GC-MS联用技术对辣木籽油中脂肪酸组成进行了分析鉴定，为更好地开发和利用辣木资源提供了一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原料与试剂

辣木籽，购于云南。将辣木籽脱壳后取籽仁，干燥、粉碎过40目筛后得到辣木籽粉，置于干燥器中备用。

正己烷、甲醇、无水硫酸钠、氢氧化钾，分析纯。

1.1.2 仪器与设备

九阳粉碎机，40目标准检验筛，BS124S电子分析天平，KQ3200DA型数控超声波清洗器，SHB-IIIA循环水式多用真空泵，RE-52AA旋转蒸发器，数显恒温水浴锅，安捷伦7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 辣木籽含油率的测定

参照GB/T 14488.1—2008方法测定。

1.2.2 辣木籽油的提取

称取恒重的辣木籽粉5 g于250 mL磨口三角瓶中，按比例加入一定量的正己烷，置于超声波清洗器中，在一定超声功率、提取温度下提取一定时间，提取结束后抽滤，减压蒸除滤液中溶剂，60℃下干燥至恒重得到辣木籽油，称重并按下式计算辣木籽出油率，相同条件下平行测定3次，取其平均值。

辣木籽出油率=辣木籽油质量/辣木籽粉质量×100%

1.2.3 辣木籽油脂肪酸组成分析

1.2.3.1 样品的甲酯化

参照丁鹏霞等[13]的方法。取辣木籽油0.2 g置于6 mL正己烷中，加入1.4 mL 2 mol/L的KOH-CH3OH溶液，充分振荡2 min后于室温下放置20 min，再加入2 mL蒸馏水摇匀后待其分层，取上清液并加入适量无水硫酸钠，得到的样液待GC-MS分析。

1.2.3.2 GC-MS分析条件

GC条件：Rtx-Wax毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；载气为氦气，流速1.0 mL/min；分流比10∶1；进样口温度250℃；程序升温为初始温度50℃，保持2 min，以5℃/min升温至140℃，保持10 min，再以1℃/min升温至160℃，保持10 min，接着以1℃/min升温至180℃，保持10 min，再以1℃/min升温至200℃，保持10 min，接着以1℃/min升温至220℃，保持10 min，最后以2℃/min升温至230℃，保持17 min。

MS条件：电子电离源(EI)；电子电离能量70 eV；离子源温度230℃；四级杆温度150℃；质量扫描范围(m/z)30～500，质谱库为NIST11；扫描模式为全扫描。

1.2.3.3 定性和定量分析

按1.2.3.2中的分析条件对提取的辣木籽油进行GC-MS测定，质谱图经人工解析并与标准质谱库NIST11进行对照来确定脂肪酸结构，利用峰面积归一化法计算各脂肪酸的相对含量。

2 结果与讨论

2.1 辣木籽含油率

经测定，辣木籽含油率平均值为37.40%。

2.2 辣木籽油提取的单因素试验

2.2.1 料液比对辣木籽出油率的影响

在提取时间30 min、提取温度30℃的条件下，一组在超声功率60 W下提取，另一组直接浸提，考察不同料液比对辣木籽出油率的影响，结果如图1所示。

图1 不同料液比对辣木籽出油率的影响

由图1可知，超声辅助正己烷提取辣木籽的出油率明显高于直接浸提法，说明超声有助于辣木籽油的提取，且随着料液比增加，两种方法辣木籽出油率均呈先上升后下降的趋势，当两者的料液比为 1∶9 时辣木籽出油率均达到最大。这是因为适当的料液比使原料浸泡充分从而将原料中的油脂充分溶出[14]，但当溶剂量达到一定值时，辣木籽中油脂含量逐渐减小，增大料液比已不能提高辣木籽出油率。因此，选取料液比为1∶9。

2.2.2 提取温度对辣木籽出油率的影响

在提取时间30 min、料液比1∶9的条件下，一组在超声功率60 W下提取，另一组直接浸提，考察不同提取温度对辣木籽出油率的影响，结果如图2所示。

图2 不同提取温度对辣木籽出油率的影响

由图2可知，超声辅助正己烷提取辣木籽的出油率明显高于直接浸提法，随着提取温度的升高，两种方法辣木籽出油率均呈先上升后下降的趋势。这是因为随着温度的升高，溶剂分子和油脂分子运动速度加快，从而增大了出油率，但当温度过高时溶剂挥发速度过快，减少了与样品的接触，从而导致出油率下降。因此，选取提取温度为35℃。

2.2.3 提取时间对辣木籽出油率的影响

在提取温度35℃、料液比1∶9的条件下，一组在超声功率60 W下提取，另一组直接浸提，考察不同提取时间对辣木籽出油率的影响，结果如图3所示。

图3 不同提取时间对辣木籽出油率的影响

由图3可知，超声辅助正己烷提取辣木籽的出油率明显高于直接浸提法，随着提取时间的延长，辣木籽的出油率增加，但当提取时间达到40 min后两者的出油率均变化缓慢。这是由于当提取时间达40 min时，辣木籽中的油脂几乎完全溶出，延长提取时间已不能明显提高出油率，因此选取提取时间为40 min。

2.2.4 超声功率对辣木籽出油率的影响

在提取温度35℃、料液比1∶9、提取时间40 min条件下，考察不同超声功率对辣木籽出油率的影响，结果如图4所示。

图4 不同超声功率对辣木籽出油率的影响

由图4可知，随着超声功率的增加，辣木籽出油率总体呈先上升后下降的趋势，当超声功率为120 W时，辣木籽出油率达到最大。这是由于随着超声功率增加，超声波产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏了油脂细胞，使溶剂渗透到油脂细胞中将油脂溶出，当超声功率达到一定值时油脂细胞内外渗透压达到平衡，增大功率反而不利于油脂的溶出，因此选取超声功率为120 W。

2.3 辣木籽油提取的响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken模型，选取料液比(A)、提取时间(B)、提取温度(C)、超声功率(D)为自变量，以出油率(Y)为响应值，设计四因素三水平响应面优化试验，响应面试验因素水平、响应面试验设计及结果分别见表1和表2。

表1 响应面试验因素水平

表2 响应面试验设计及结果

续表2

试验号ABCDY/%1700-1133.49518100-132.32019-10-1033.9882010-1033.7862100-1-133.394221-10034.51123-1-10034.48924-100133.780250-10-133.58626000036.782270-11035.10028100132.47629000036.340

2.3.1 模型方程的建立与显著性检验

根据表2试验结果，对各因素回归拟合，获得出油率(Y)的回归方程：

Y=36.40-0.16A-0.11B-0.018C+0.20D-0.041AB-9.000E-003AC-0.30AD-0.13BC+0.14BD+0.058CD-1.54A2-0.65B2-0.90C2-2.16D2

从方程中二次项系数的值均为负数，可以得知该方程代表的抛物面开口向下，因而具有极大值点，可以进行优化分析，方程一次项系数绝对值大小可以判断各因素对响应值的影响程度[15-16]，由此可以得出影响辣木籽出油率的因素主次顺序为超声功率> 料液比>提取时间>提取温度。对模型进行方差分析，结果见表3。

由表3可以看出，试验建立的回归模型P值小于0.000 1，达到极显著水平，失拟项(P=0.510 0)不显著，R2为0.977 9，说明回归模型和预测值之间有较好的拟合度[17-18]，因此利用该模型对辣木籽油提取工艺条件进行分析和预测是可靠的。另外，回归模型的一次项A、D的P值分别为0.044 8、0.017 6(P<0.05)，说明料液比和超声功率对出油率的影响是显著的；一次项B、C的P值分别为0.150 3、0.809 7(P>0.05)，说明提取时间和提取温度对出油率的影响不显著；二次项A2、B2、C2、D2的P值均小于0.000 1，说明它们对出油率的影响均极显著；交互项AD的P值为0.034 8(P<0.05)，说明料液比和超声功率的交互作用对出油率的影响显著，交互项AB、AC、BC、BD、CD的P值均大于0.05，说明料液比与提取时间、料液比与提取温度、提取时间与提取温度、提取时间与超声功率、提取温度与超声功率的交互作用于对出油率的影响不显著。由P值大小可知，4个因素对出油率影响顺序依次为超声功率>料液比>提取时间>提取温度，这与前面的结论一致。

表3 回归模型方差分析

2.3.2 最佳工艺条件的确定与验证

根据响应面模型预测得到最佳提取工艺条件为料液比1∶8.94、提取温度34.99℃、提取时间39.20 min、超声功率120.44 W，在此条件下辣木籽出油率的预测值为36.42%。考虑到试验的可行性，将提取条件调整为料液比1∶9、提取温度35℃、提取时间39 min、超声功率120 W，在此条件下测得辣木籽的出油率为36.10%(提取效率为96.52%)，实测值是预测值的99.12%，表明此提取条件是可行的。

2.4 GC-MS联用分析辣木籽油脂肪酸组成

通过GC-MS联用法对辣木籽油的脂肪酸组成进行分析，结果见表4。

由表4可知，超声辅助正己烷提取的辣木籽油中共鉴定出21种脂肪酸。其中，不饱和脂肪酸11种(9-棕榈油酸、10-棕榈油酸、油酸、反油酸、13-十八碳烯酸、8,11-十八碳二烯酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、11-二十碳烯酸和芥酸)，含量为80.10%，饱和脂肪酸10种，含量为 19.89%，且单不饱和脂肪酸油酸含量最高，为65.94%，饱和脂肪酸棕榈酸含量次之，为7.21%。由于辣木籽油富含单不饱和脂肪酸，因此其具有良好的抗氧化性和耐煎炸性[19]。

表4 辣木籽油脂肪酸组成及含量

3 结 论

对超声辅助正己烷提取辣木籽油工艺条件进行优化，通过单因素试验和响应面试验得到最佳提取工艺条件为料液比1∶9、提取时间39 min、提取温度35℃、超声功率120 W，在此条件下出油率为36.10%，提取效率达96.52%。气相色谱-质谱联用对辣木籽油脂肪酸组成分析表明，辣木籽油中脂肪酸主要为单不饱和脂肪酸，且油酸含量最高，为65.94%。