响应面法优化多香果油树脂超声波提取工艺

刘煜宇，连培康，郭伟康，包秀萍*，罗建飞，陈联明

1. 云南瑞升烟草技术（集团）有限公司（昆明 650106）；2. 江西中烟工业有限责任公司（南昌 330096）；3. 江西中烟工业有限责任公司赣州卷烟厂（赣州 341000）

多香果（Pimenta officinalisL.）是桃金娘科多香果属的一种植物，别名众香子、牙买加胡椒，分布于西印度群岛和中美州[1-2]。干燥种子可产生类似丁香、肉桂、豆蔻3种混合辛香料的强烈芳香气味，主要成分为丁子香酚，被广泛用作烘烤、腌制食品和肉馅的香料。多香果还可作为天然抗氧化剂用于肉制品，安全用量为670 mg/kg。

超声提取技术的基本原理主要是利用超声波的空化作用加速植物有效成分的浸出提取，具有提取时间短、温度低、产率高等优点[3]。传统多香果提取工艺是水蒸气蒸馏法[4]，此方法时间长、能耗大、得率低。也有采用超临界和亚临界提取[5-6]，但是设备投资较大，成本较高。前人还研究多香果粉对肉丸中N-亚硝胺的抑制作用[7-8]。但是对超声波提取多香果油树脂未见报道，试验通过响应面法优化多香果油树脂的超声波条件[9-14]，提取其主要香味成分，并用气相色谱-质谱法对挥发性致香成分进行检测[15]，与未经超声波的多香果油树脂进行对照，为多香果油树脂香料的开发应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器设备及试剂

多香果（牙买加进口）。

CHYZ-2L三频流体循环超声波萃取机[诚洋生物科技（北京）有限公司]；QE-04A高速中药粉碎机（武义县屹立工具有限公司）；电子天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；BUCHIR-3000型旋转蒸发仪（瑞士BUCHI公司）；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司）；Agilent 6890N/ 5975气相色谱-质谱联用仪（美国安捷伦公司）。

无水乙醇（AR，四川西陇化工有限公司）；无水硫酸钠（AR，广东汕头市西陇化工厂）；二氯甲烷（AR，天津市博迪化工有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 提取方法

多香果粉碎过0.425 mm（40目）筛，以此为原料，并加入质量20倍的75%乙醇，以此为溶剂，按设计条件进行超声波提取，采用旋转蒸发仪回收溶剂，所得样品为多香果油树脂。对照样品未经过超声波处理，其余条件相同。

1.2.2 响应面法试验设计

因素水平提取工艺设计：根据相关资料和预备性试验，以超声波频率、提取温度和提取时间为主要影响因素，以多香果油树脂提取率为考察指标，利用响应面法的Box-Behnken Design（BBD）设计，每个因素取3个水平，以-1，0和+1编码，进行试验设计（表1）。提取率按式（1）计算。

表1 试验因素水平编码

1.2.3 GC-MS分析条件

1.2.3.1 色谱条件

TR-5MS，60 m×0.25 mm×0.25 μm，载气为氦气（99.999%），进样量1 mL，分流比15∶1，柱流速，恒流0.8 mL/min。程序升温：初始温度80 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升至240 ℃，保持30 min。传输线温度250 ℃；进样口温度250 ℃。

1.2.3.2 质谱条件

EI能量70 eV，溶剂延迟6 min，扫描离子范围50～650 amu，所得图谱经计算机谱库（NIST14、Wiley275）检索，并结合标准质谱图和有关文献，确定挥发性成分。并用内标法测定出各挥发性成分的含量。

2 结果与讨论

2.1 响应面试验结果及分析

2.1.1 响应面试验结果

按照响应面法BBD试验设计进行三因素三水平试验，结果见表2。

试验方案的17个试验点中包括12个析因点（序号1～12）及5个中心点（序号13～17），以多香果油树脂提取率Y作为响应面分析的响应值。

2.1.2 响应面试验结果分析

对表2试验数据进行多元回归拟合，得到多香果油树脂提取率Y对超声波频率（A）、提取温度（B）和提取时间（C）的二次多项回归方程模型：Y= -52.948 5+0.666 3A+1.082 6B+0.514 4C+0.001 9AB-0.002 3AC+0.002 3BC-0.005 1A2-0.011 4B2-0.004 7C2。

表2 试验设计及结果

该二次回归方程方差分析结果和回归方程系数显著性检验结果见表3。三因素交互作用对多香果油树脂提取率的响应面分析结果见图1～图6。

图6 提取温度-提取时间对提取率的响应面分析

表3 回归方程模型的方差分析结果

图1 超声波频率-提取温度对提取率的等高线图

图2 超声波频率-提取温度对提取率的响应面分析

图3 超声波频率-提取时间对提取率的等高线图

图4 超声波频率-提取时间对提取率的响应面分析

图5 提取温度-提取时间对提取率的等高线图

由表3数据和图1～图6可以看出，模型统计学意义上差异极显著（p＜0.01），失拟项不显著，说明没有未知因素对试验结果干扰。模型的决定系数R2为0.9877，说明模型与实际情况拟合较好，可用于分析和预测超声波提取多香果的实际情况。修正决定系数R2为0.9720，大于0.9，说明模型能解释多香果油树脂提取率响应值的变化。

由表3可知：一次项A、B和C均为极显著水平（p＜0.01），二次项A2、B2和C2均为极显著水平（p＜0.01），说明超声波频率、提取温度和提取时间对多香果油树脂提取率有极显著影响。AB、AC和BC交互项差异显著（p＜0.05），说明这3个因素的交互作用对多香果油树脂提取率都有显著影响。

2.1.3 验证试验

对方程最优条件（超声波频率64 kHz、提取温度58 ℃和提取时间56 min）进行3次试验，多香果油树脂提取率的平均值为13.45%，与预测值13.80%接近，证明该模型可靠，适用于对多香果油树脂的超声波提取工艺优化。

2.2 多香果油树脂样品的挥发性成分分析

通过超声波提取多香果油树脂，能够有效提高多香果浸膏提取率，与未超声波的多香果油树脂对比，主要有效成分含量显著提升，其挥发性成分总离子流图见图7。

图7 多香果油树脂挥发性成分的总离子流图

据表4可知，超声波提取的多香果油树脂的挥发性成分共鉴定出化合物77种，未超声波提取的对照样品共鉴定出化合物68种。主要致香组分有丁子香酚8927.616 μg/g、甲基丁香酚9630.215 μg/g、α-松油醇1309.413 μg/g，含量均明显高于对照样品（丁子香酚59.403 μg/g、甲基丁香酚72.769 μg/g，α-松油醇15.413 μg/g），分别是对照的150，132和85倍，说明超声波能够显著提高多香果浸膏提取率，有效富集多香果中的主要香味物质。

表4 多香果油树脂挥发性化学成分

接表4

接表4

3 结论

多香果油树脂超声波提取工艺的最佳提取条件为超声波频率64 kHz、提取温度58 ℃和提取时间56 min，此时提取率为13.45%。挥发性成分分析结果表明，多香果油树脂中含有大量的致香成分，如丁子香酚、甲基丁香酚和α-松油醇等物质，与未超声波的多香果油树脂挥发性成分对比，主要挥发性成分含量分别是对照的150，132和85倍。优化工艺能够充分溶出多香果中主要成分，有效提升油树脂中致香成分含量，产品具有强烈的香气和风味。