响应面法优化落葵籽油提取工艺及其成分的GC-MS分析

刘丽娜

(包头轻工职业技术学院，内蒙古 包头 014035)

落葵为落葵科落葵属一年或多年生的草本植物，在我国各地均有种植。落葵风味独特，不论是幼苗还是嫩梢，口感均油润柔软，清脆爽口[1]。落葵营养丰富，含有多种无机盐和维生素，其中维生素以胡萝卜素和维生素C含量最高，无机盐以钙盐最为丰富[2]。成熟的落葵果实为紫黑色，含有大量的种子和色素，而且卡路里低、脂肪含量少，落葵还含有多种药用成分如皂苷、葡聚糖、黏多糖等[3]。经常食用，有降血压、益汗、清热、预防便秘等疗效，是一种适宜老年人食用的保健蔬菜[4]。

落葵籽为卵圆形, 直径4～6 mm, 富含油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸，而且含有一定量的必需脂肪酸，是一种理想的膳食用油，落葵籽油具有保健作用，又具有芳香味，因此，落葵籽油可单独或与其他食用油调和后作为调味品在食品中应用[5]。本文利用正交试验优化落葵籽油脂提取的工艺参数，包括料液比、提取温度、提取时间和超声波功率。此外，利用GC-MS方法对落葵籽油的脂肪酸组分进行了分析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

落葵籽：烟台奇山种业有限责任公司。

石油醚(沸程30～60 ℃，分析纯)；亚硫酸钠(分析纯)；正己烷(分析纯)。

1.2 仪器设备

电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司；普通电动粉碎机；KQ5200E型超声波清洗器 江苏昆山超声仪器有限公司；RE-5298型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；6890 GC/5973 MSD气相色谱-质谱联用仪 安捷伦公司。

1.3 试验方法

1.3.1 超声波辅助提取落葵籽精油工艺流程[6]

清洗→干燥→风选→粉碎过筛→称重→超声波浸提→料液抽滤分离→真空浓缩→落葵籽油。

1.3.2 落葵籽油得率计算方法

式中：W为落葵籽出油率(%)；m1为接收瓶和瓶内落葵籽油的质量(g)；m2为接收瓶的质量(g)；m3为落葵籽的质量(g)。

1.4 提取工艺优化

1.4.1 单因素试验

1.4.1.1 超声波提取功率的筛选

在提取温度40 ℃、提取时间25 min、料液比1∶10的条件下，分别测定超声波提取功率为115，125，135，145，155 W条件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.2 提取温度的筛选

在超声波提取功率135 W、提取时间25 min、料液比1∶10的条件下，分别测定提取温度为30，35，40，45，50，55 ℃条件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.3 提取时间的筛选

在超声波提取功率135 W、提取温度40 ℃、料液比1∶10的条件下，分别测定提取时间为15，20，25，30，35，40 min条件下落葵籽油的提取率。

1.4.1.4 料液比的筛选

在超声波提取功率135 W、提取温度40 ℃、提取时间25 min的条件下，分别测定落葵籽粉与石油醚料液比为1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14条件下落葵籽油的提取率。

1.4.2 响应面法试验设计

通过前期单因素试验，选取超声波提取功率、 提取温度、提取时间、料液比4个主要影响因素为研究对象，将超声波提取功率(A)、提取温度(B)、提取时间(C)、料液比(D)设计3个水平，因素水平见表1，响应面分析方案见表2。

表1 超声波辅助提取落葵籽油因素水平表Table 1 Factors and levels of ultrasonic-assisted extraction of Basella alba seed oil

表2 Box-Behnken设计方案及响应值Table 2 Box-Behnken design scheme and response values

1.5 落葵籽油组分分析

1.5.1 甲酯化方法

吸取提取的落葵籽精油样品0.5 mL，置于试管中，加入2 mL正己烷，1 mL 0.5 mol/L的KOH-CH3OH溶液，混匀，70 ℃水浴10 min，再加入2 mL蒸馏水，超声处理5 min，吸取上层清液，用亚硫酸钠干燥，静置，澄清后吸取上清液用于GC-MS分析。

1.5.2 GC-MS分析

气相色谱分析条件：DB-5石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；柱温100 ℃(保持1 min)；升温速度10 ℃/min，保持10 min；汽化温度270 ℃；载气N2，流量，1 mL/min；进样量1 μL；分流比20∶1。

质谱条件：EI离子源，电离能量70 eV；倍增器电压400 V；分辨率1250 Hz；离子源温度200 ℃；传输线温度250 ℃；质量范围20～500 amu；扫描时间0.5 s。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 超声波提取功率对落葵籽油提取率的影响

由图1可知，随着超声功率的增加，落葵籽油的提取率显著增加。这是因为超声波的作用促进了细胞壁的破坏[7]，早期超声功率越大，落葵籽油的提取率越大。超声功率超过135 W时, 产量显著下降，这可能是由于超声功率的增大使局部瞬时温度升高，部分落葵籽油挥发或发生变化，造成油脂损耗，导致落葵籽油的提取率下降，因此135 W是最佳提取功率。

图1 超声波提取功率对落葵籽油提取率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic extraction power on extraction rate of Basella alba seed oil

2.1.2 提取温度对落葵籽油提取率的影响

图2 提取温度对落葵籽油提取率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of Basella alba seed oil

由图2可知，当提取温度在30～40 ℃时，落葵籽油提取率随着温度的升高而增加，而当提取温度超过40 ℃时，落葵籽油提取率下降。 这是由于随着温度的升高，液体介质的表面张力和黏度降低，液体的蒸汽压增加，在液体介质之间容易形成空化气泡，从而产生空化作用，致使超声波强度降低，提取率随之降低[8]。

2.1.3 提取时间对落葵籽油提取率的影响

图3 提取时间对落葵籽油提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of Basella alba seed oil

由图3可知，随着提取时间的延长，落葵籽油提取率增加，提取时间在25 min时，落葵籽油提取率呈现最大值，之后随着时间的延长，落葵籽油提取率呈现缓慢减小趋势，说明提取25 min以后再延长时间不能显著提升提取效果。所以，提取时间在25 min最佳。

2.1.4 料液比对落葵籽油提取率的影响

图4 料液比对落葵籽油提取率的影响Fig.4 Effect of ratio of material to liquid on extraction rate of Basella alba seed oil

由图4可知，随着料液比的增加，落葵籽油提取率也随之增加，但从料液比为1∶10开始，涨幅趋缓，落葵籽油提取率曲线已趋于水平。从节约原料等方面考虑，最终选取1∶10为最适料液比。

2.2 回归模型的方差分析

表3 响应面回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface regression model

续 表

注：“*”表示差异显著(P<0.05)，“** ”表示差异极显著(P<0.01)。

由表3可知，此模型的P值<0.01，为极显著，失拟项为0.5867>0.05, 说明失拟项不显著，理论与实际的拟合性大，表明该方程对实验结果拟合良好，实验误差小，因此，可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。另外, 模型所选的4个因素中，二次项对落葵籽提取率的影响都显著，其中超声功率对落葵籽提取率的影响最大，料液比和提取温度次之，提取时间影响最小；交互项均无显著性。表明超声波功率、提取温度、提取时间、料液比都对落葵籽的提取影响显著，但各因素之间没有影响[9]。

2.3 回归方程

利用 Design-Expert 8.0.6软件对表3数据进行处理，得二次多项式模型回归方程：

Y=12.63+0.63A+0.058B-0.030C+0.22D+0.16AB+0.13AC-0.42AD+0.44BC+0.067BD+0.37CD-1.00A2-0.89B2-0.17C2-0.66D2。

式中：Y为落葵籽提取率，%；A为超声波功率，W；B为提取温度，℃；C为提取时间，min；D为料液比。

2.4 响应面交互作用分析

响应面图是回归方程的形象描述，能够直观反映各个因素与响应值之间的关系以及两因素间交互作用的类型。根据Design-Expert 8.0.6软件分析实验数据并获得响应模型，保持4个变量因素中的1个不改变，得到超声波功率、料液比、提取时间、提取温度之间及每2个因素之间的三维响应面曲线和等高线图，结果见图5。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

由图5(a)～图5(f)可知，4个变量：超声功率、提取温度、提取时间、料液比，在两两交互时，保持其中两个变量不变，随着另外两个变量的增加，出油效率呈现先上升，当达到一定值时又下降的趋势。其中AC、AD、BC、CD的交互作用为显著，BD和AB的相互作用不显著。由图5(c)和图5(e)可知，三维图较陡，说明超声提取功率和料液比、提取温度和料液比的交互作用对落葵籽油提取率影响显著。由图5(a)、图5(b)、图5(d)、图5(f)可知，三维图较平缓，说明超声提取功率和提取温度、超声提取功率和提取时间、提取温度和提取时间、料液比和提取时间的交互作用对落葵籽油提取率影响不显著。

通过实验设计优化得到落葵籽油提取的最佳工艺参数为超声功率135 W、提取温度40 ℃、提取时间25 min、料液比1∶10，该条件下出油效率预测值为14.20%。在此条件下进行3次平行验证实验，得该条件下出油效率平均值为14.13%。实测值与预测值之间具有良好的拟合性，从而证实了模型的有效性。

2.5 落葵籽油色谱分析结果

对超声波辅助提取方法提取的落葵籽油进行GC-MS分析,确定了良好的GC分析方法。通过GC-MS分析，从落葵籽油中鉴定出19个组分，并采用峰面积归一法测定各组分相对含量，结果见表4。

表4 落葵籽油化学成分分析结果Table 4 The analysis results of chemical constituents of Basella alba seed oil

2.6 GC-MS分析结果

由图6可知，落葵籽油的主要成分有酯、烷、脂肪酸等化合物，其中以脂肪酸含量最高，分离出的5种饱和脂肪酸，分别是棕榈酸、硬脂酸、花生酸、木腊酸和山嵛酸；分离出的4种不饱和脂肪酸，分别是油酸、亚油酸、棕榈油酸和11-二十碳烯酸。

图6 落葵籽油GC-MS分析总离子流图Fig.6 Total ion chromatogram of Basella alba seed oil by GC-MS analysis

3 讨论

选取石油醚为提取溶剂，采用超声波辅助提取，由正交试验可知最佳提取条件：超声波功率135 W、提取温度40 ℃、提取时间25 min、料液比1∶10。超声波辅助提取具有提取时间短、能耗低等优点[10]，因此，用于提取落葵籽油是切实可行的。经GC-MS分析落葵籽油的化学成分，共鉴定出19个组分。