响应面法优化超声波辅助提取石榴籽油的研究

来源:用户上传      作者: 王丽萍,樊明涛

　　摘 要：采用超声波辅助有机溶剂法对3种不同品种石榴籽油进行提取。在单因素试验基础上，选择液料比、超声波功率、处理时间、处理温度为自变量，石榴籽油提取率为响应值，采用Box-Behnken试验设计方法，研究各自变量及其交互作用对石榴籽油提取率的影响。利用Design Expert软件得到回归方程的预测模型并进行响应面分析。结果表明，提取温度、时间、液料比3个因素对石榴籽油提取率都有显著影响，温度和时间、液料比和其他3个因素的交互作用都有显著影响。确定超声波辅助提取石榴籽油的最佳条件为：提取温度39.93 ℃，时间33.20 min，超声波功率346.24 W，液料比11.40 mL・g-1，此时提取率为96.48％。
　　关键词：石榴籽油；超声波；提取；响应面法
　　中图分类号： TS255.1 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.02.015
　　
　　Optimization on Ultrasonic-assisted Extraction Technology of Oil from Pomegranate Seeds with Response Surface Analysis
　　WANG Li-ping，FAN Ming-tao
　　(College of Food Science and Engineering, Northwest Agricuttural and Forestry University, Yangling, Shaanxi 712100, China)
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ultrasonic-assisted extraction technology was used to extract seed oil from three different kinds of pomegranate. Based on the single factor analysis, the effect of liquid-solid ratio, ultrasonic power, extraction temperature and extraction time on enhancing oil yield from pomegranate seed was evaluated by response surface analysis. A 4-factor, 3-level Box-Behnken experimental design was applied and the interactions of each factor on the oil yield were also investigated. The results showed that the temperature, extraction time and liquid-solid ratio had significant effects on extraction yield, the interaction of extraction temperature and time was very significant, the interactions of liquid-solid ratio and other three factors were significant. The optimal conditions were at 39.93 ℃ extraction temperature, 11.40 mL・g-1 liquid-solid ratio, 346.24 W ultrasonic power, 33.20 min extraction time. Under such conditions, the oil yield was 96.48%．
　　Key words: pomegranate seed oil；ultrasound；extraction；response surface
　　
　　2011年临潼全区石榴产量高达6万t左右，出口量达10万kg。目前，石榴的主要加工品是石榴汁饮料、石榴酒等[1]，在加工过程中，作为废物的石榴籽占到石榴总质量的20%~30％[2]，造成资源浪费。石榴籽中平均含油量为13.72%[3]，石榴籽油中石榴酸的含量为64% ~83%，具有防治高血脂症、心脑血管疾病，抗肿瘤等作用[4]，是一种极具开发价值的功能性油脂，可以作为保健品、化妆品[5]和药品[6]的原料。合理利用石榴籽，可产生明显经济效益与社会效益。石榴籽同葡萄籽一样十分坚硬，不能用压榨的办法获得籽油，只能采用溶剂提取的办法，但目前关于这方面的报道还比较少。
　　笔者基于陕西临潼丰富的石榴资源，选取陕西临潼3个不同石榴品种为原料，研究了用超声波辅助有机溶剂法提取石榴籽油的最佳工艺条件，并运用响应面分析法研究影响石榴籽油提取率的主要因素，为石榴籽的综合开发利用提供切实的理论依据。
　　1 材料和方法
　　1.1 材 料
　　石榴籽：购买于陕西临潼，品种分别为：净皮石榴、酸石榴、玉石榴（水晶石榴），经过酿酒后清洗筛选所得。
　　试剂：石油醚（沸程60～90 ℃）、乙酸乙酯、正己烷、乙醚，均为分析纯。
　　主要仪器与设备：KH-250DE型数控超声波清洗器，江苏昆山超声仪器公司；R-200型旋转蒸发仪，瑞士BUCHI公司；FW-135型中药粉碎机，天津奈斯特仪器有限公司；101-1型电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司。
　　1.2 试验方法
　　1.2.1 工艺流程 石榴籽清洗→干燥→粉碎→称取→超声波处理→抽滤分离→旋转蒸发（回收溶剂）→干燥(去除残留溶剂)→石榴籽油。
　　1.2.2 石榴籽中粗脂肪的测定及提取溶剂的选择 通过索氏方法（GB/T 5512-2008）对石榴籽中粗脂肪进行提取，以此为对照，衡量超声提取的效果。
　　为了确定较优的提取溶剂，选择最常用的石油醚（沸程60～90 ℃）、乙酸乙酯、正己烷、乙醚4种溶剂进行试验，以石榴籽油得率来确定较理想的提取溶剂。
　　1.2.3 超声波辅助提取单因素试验 根据相关资料[7-11]，选用料液比、超声波功率、提取温度、提取时间作为考察因子，以3种不同石榴籽油的提取率作为试验指标进行试验设计。
　　1.2.4 正交试验 由以上单因素试验得出的结果，利用Design expert设计响应面试验[12-15]，从而优化得到超声波辅助提取石榴籽油的最佳工艺条件。
　　1.2.5 公式计算 石榴籽油提取率计算公式为：
　　w1=×100%
　　式中 w1―石榴籽油提取率（%）；
　　 w―索氏抽提法测得的石榴籽油得率（%）；
　　 w1―超声波法测得的石榴籽油得率（%）。
　　2 结果与分析
　　2.1 溶剂筛选及粗脂肪的测定结果
　　由图1可以看出，石油醚提取3种不同石榴籽油的得率均为最高，其次为正己烷，考虑到石油醚价格便宜，所以选择石油醚为提取溶剂。
　　从图1还可看出，用4种不同溶剂提取，净皮石榴籽出油率最高，其次为酸石榴籽，白石榴籽最低，可能因为白石榴为软籽石榴，含油量低，适合于鲜食，而净皮石榴籽中含油量较高，也是目前加工比例比较高的品种，加工果汁后剩余的籽可用来提油。

　　2.2 单因素试验结果
　　2.2.1 料液比单因素试验结果 由图2可以看出，随着液料比的增大，3种不同石榴籽油的提取率逐渐增大，当液料比在4~10 mL・g-1时，提取率上升幅度较大，液料比大于10 mL・g-1后，提取率变化不大，综合考虑，选择最佳液料比为10 mL・g-1，能够获得较好的提取率。
　　2.2.2 温度单因素试验结果 由图3可以看出，在较低温度时，随着提取温度的上升，石榴籽油的提取率上升较快；当温度达到40 ℃，提取率达到最大值；当温度高于40 ℃时，提取率反而下降，可能是因为所用石油醚的沸程是60~90 ℃，当温度较高时，石油醚运动加剧，易于挥发，不容易浸入石榴籽的油细胞与油发生作用，导致提取率下降。因此，综合考虑，选择提取温度为40 ℃。
　　2.2.3 功率单因素试验结果 超声波功率在280～350 W时，随着超声波功率增大，提取率随之上升（图4），原因是随着超声波功率的增大，石榴籽油和溶剂分子的振荡速度加快，促使石榴籽油溶出加快，从而使石榴籽油提取率升高；当超声波功率大于350 W时，石榴籽油提取率反而降低，原因是在高强度的超声波功率下，空化作用破坏了油脂分子结构，反而使提取率下降，综合考虑选择超声波功率为350 W。
　　2.2.4 时间单因素试验结果 随着超声波处理时间的延长，石榴籽油得率不断提高，当处理时间在10～20 min之间时，随时间的延长，石榴籽油提取率上升较快，而当处理时间在20～30 min时，随提取时间的延长，石榴籽油提取率的上升速度明显减慢，30 min以后，提取率已经达到最大值，随时间的延长基本不变化，当提取时间超过30 min时，提取率还稍有下降（图5），因此，本试验选择较佳的超声波处理时间为30 min。
　　2.3 响应面试验结果分析
　　依据单因素试验结果进行响应面法Box-Behnken模型试验设计，因素水平编码见表1，试验设计与数据分析见表2。
　　利用Design Expert软件对表2试验数据进行回归分析，得二次多元回归模型为:
　　Y=96.35+0.32A+0.21B+0.076C+0.41D-0.79AB+0.076AC-0.17AD-0.12BC+0.16BD-0.26CD-0.86A2-0.46B2-0.77C2-0.51D2
　　对模型进行方差分析，结果见表3。由表3可以看出，模型的F=52.101 0＞F0.01(14，4)=14.4，P＜0.000 l，表明模型高度显著，不同处理间的差异极显著；失拟项F=2.212 6＜F0.05(14，10)=2.91，失拟项P=0.23＞0.05，说明模型失拟度不显著；模型的调整确定系数R2Adj=0.962 3，说明该模型能解释96.23%响应值的变化，因而拟合程度良好，试验误差小，可以用此模型对超声波辅助有机溶剂提取石榴籽油进行分析和预测。对模型进行回归方程系数显著性检验：一次项A、D(P＜0.000 1)极显著，B(P=0.000 2)显著；交互项AB(P＜0.000 1)极显著，AD(P=0.034 3)，BD(P=0.042)，CD (P=0.002 8)显著；二次项A2、B2、C2、D2(P＜0.000 1)极显著，表明温度、时间、功率、液料比，以及温度与时间、液料比与其他各因素的交互作用对石榴籽油提取率都有显著影响。
　　2.3.1 温度与时间的影响及交互作用分析 提取温度和时间的交互作用极显著（P＜0.000 1）（图6），石榴籽油提取率主要受温度和时间的共同影响，两者对提取率的提高起到了关键性的作用，提取率随着温度的升高而迅速增大，当温度为40 ℃时，提取率达到最大值。在确定提取时间时，应综合考虑设备能耗与得率的关系，选择能使系统能耗经济平衡的最佳时间及方式。当提取温度在40 ℃时，只需要很短的时间便可得到较高的提取率；温度在35 ℃时，适当增加萃取时间，提取率大幅度提高；在温度为30 ℃时，需要35 min才能得到较高的提取率。这表明，在本试验水平范围内，适当升高温度有利于石榴籽油的提取。
　　2.3.2 温度与液料比的影响及交互作用分析 温度和液料比的交互作用显著（P=0.034 3）（图7），石榴籽油提取率受温度和液料比的共同影响，当温度为40 ℃，液料比为8.5 mL・g-1，提取率即可达到较高水平。在温度为35 ℃时，适当增加液料比，提取率迅速上升，而当温度为30 ℃时，即使用大量溶剂，提取率也无法达到较高的水平，可见温度过低时，石榴籽油无法完全浸出。综合考虑溶剂用量与提取率的关系，选择最佳提取条件为温度40 ℃，及较少溶剂用量。
　　2.3.3 时间与液料比的影响及交互作用分析 时间和液料比交互作用显著（P=0.042）(图8)，提取率受时间和液料比的共同影响，当时间为30 min时，适当增大液料比，提取率迅速增大，液料比为10 mL・g-1时，石榴籽油提取率即可达到最高值。
　　2.3.4 功率与液料比的影响及交互作用分析 超声波功率与液料比交互作用显著（P=0.002 8）(图9)，提取率受功率和液料比的共同影响，随着液料比的增大，提取率迅速增大，当液料比为7 mL・g-1时，即使增大功率，提取率变化不大，当液料比为8.5 mL・g-1时，增大功率，提取率迅速增大，而当液料比为10 mL・g-1时，仅需315 W，提取率便可达到较高值，由此可见，本试验适当增大液料比有助于提取率的增大。
　　功率与温度（P=0.304 7）及功率与时间（P=0.110 3）的交互作用都不显著，提取率主要受温度和时间的影响，受功率的影响不大，当温度为40 ℃，时间为30 min时，功率为315 W，提取率即可达到较高水平。
　　从图6~9的响应面图可看出，温度和液料比是影响超声波辅助有机溶剂提取石榴籽油提取率的最显著因素，时间、功率分别次之。通过对回归模型求解方程，得出最大提取率为96.48％，对应的提取条件为：提取温度39.93 ℃，时间33.20 min，超声波功率346.24 W，液料比11.40 mL・g-1。
　　3 结 论
　　采用超声波辅助提取技术对不同品种石榴籽进行提油，选择石油醚为浸提溶剂，发现净皮石榴籽含油量最高，通过单因素试验和Box-Behnken试验设计以及响应面分析对超声波提取工艺进行优化，得出较优工艺条件为：提取温度39.93 ℃，时间33.20 min，超声波功率346.24 W，液料比11.40 mL・g-1，在此条件下，石榴籽油的提取率可达到96.48％。得到石榴籽油提取率与超声波处理各因素变量的二次方程模型，该模型回归极显著，对试验拟合较好，有一定应用价值。
　　
　　参考文献：
　　[1] 张海峰, 白洁, 张英. 我国石榴资源及其开发利用的研究进展[J]. 综述与评述, 2009, 12(8): 1-3.
　　[2] 杭志奇, 韩清波, 许景松. 石榴籽成分分析[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(33): 18740-18741.
　　[3] 牛俊丽, 李新. 石榴种子含油量的测定[J]. 新疆农业科学, 2001, 38:176.
　　[4] Wiesmanz K. Pomegranate oil analysis with emphasis on MALDI-TOF/MS triacylglycerol fingerprinting[J]. Food Chemistry, 2007, 55(25): 10405-10414.

　　[5] 苑兆和, 尹燕雷,朱丽琴, 等. 石榴保健功能的研究进展[J]. 山东林业科技, 2008(1): 91-93.
　　[6] 王晓瑜, 高晓黎, 买尔旦・马合木提. 石榴的药理学研究进展[J]. 中国医药导报, 2008, 5(7): 13-15.
　　[7] 高振鹏, 岳田利, 袁亚宏, 等. 超声波强化有机溶剂提取石榴籽油的工艺优化[J]. 农业机械学报, 2008, 39(5): 77-80.
　　[8] Vilkhu K, Mawson R, Simons L, et al. Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry:A review[J]. Innovative Food science & Emering Technologies, 2008 (9): 161-169.
　　[9] Abbasi H, Rezaei K, Rashidi L.Extraction of essential oils from the seeds of pomegranate using organic solvents and supercritical CO2[J]. AOCS, 2008 (85): 83-89.
　　[10] 苗利利,邓红,仇农学. 石榴籽油的超声辅助提取工艺及GC-MS分析[J].食品工业科技, 2008, 29(5): 226-231.
　　[11] 张立华, 张元湖, 刘静, 等. 石榴籽油超声波辅助萃取工艺研究[J]. 中国粮油学报, 2009, 24(4): 82-86.
　　[12] 王永菲, 王成国. 响应面法的理论与应用[J]. 中央民族大学学报:自然科学版, 2005, 14(3): 236-240.
　　[13] 易军鹏, 朱文学, 马海乐, 等.牡丹籽油超声波辅助提取工艺的响应面法优化[J]. 农业机械学报, 2009, 40(6):104-110.
　　[14] 马志虎, 侯喜林, 汤兴利, 等.响应面法优化超临界CO2萃取韭菜籽油[J]. 中国油脂, 2009, 34 (7) : 13-17.
　　[15] Zhang Q A, Zhang Z Q, Fan X H, et al. Response surface optimization of ultrasound-assisted oil extraction from autoclaved almond powder[J]. Food Chemistry, 2009(116): 513-518.

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1630637.htm