響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取石榴籽油的研究

王麗萍,樊明濤

摘要：采用超聲波輔助有機(jī)溶劑法對(duì)3種不同品種石榴籽油進(jìn)行提取。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇液料比、超聲波功率、處理時(shí)間、處理溫度為自變量，石榴籽油提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究各自變量及其交互作用對(duì)石榴籽油提取率的影響。利用Design Expert軟件得到回歸方程的預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，提取溫度、時(shí)間、液料比3個(gè)因素對(duì)石榴籽油提取率都有顯著影響，溫度和時(shí)間、液料比和其他3個(gè)因素的交互作用都有顯著影響。確定超聲波輔助提取石榴籽油的最佳條件為：提取溫度39.93 ℃，時(shí)間33.20 min，超聲波功率346.24 W，液料比11.40 mL·g-1，此時(shí)提取率為96.48％。

關(guān)鍵詞：石榴籽油；超聲波；提??；響應(yīng)面法

中圖分類號(hào)： TS255.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：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，F(xiàn)AN 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年臨潼全區(qū)石榴產(chǎn)量高達(dá)6萬(wàn)t左右，出口量達(dá)10萬(wàn)kg。目前，石榴的主要加工品是石榴汁飲料、石榴酒等[1]，在加工過(guò)程中，作為廢物的石榴籽占到石榴總質(zhì)量的20%~30％[2]，造成資源浪費(fèi)。石榴籽中平均含油量為13.72%[3]，石榴籽油中石榴酸的含量為64% ~83%，具有防治高血脂癥、心腦血管疾病，抗腫瘤等作用[4]，是一種極具開發(fā)價(jià)值的功能性油脂，可以作為保健品、化妝品[5]和藥品[6]的原料。合理利用石榴籽，可產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。石榴籽同葡萄籽一樣十分堅(jiān)硬，不能用壓榨的辦法獲得籽油，只能采用溶劑提取的辦法，但目前關(guān)于這方面的報(bào)道還比較少。

筆者基于陜西臨潼豐富的石榴資源，選取陜西臨潼3個(gè)不同石榴品種為原料，研究了用超聲波輔助有機(jī)溶劑法提取石榴籽油的最佳工藝條件，并運(yùn)用響應(yīng)面分析法研究影響石榴籽油提取率的主要因素，為石榴籽的綜合開發(fā)利用提供切實(shí)的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1材料

石榴籽：購(gòu)買于陜西臨潼，品種分別為：凈皮石榴、酸石榴、玉石榴（水晶石榴），經(jīng)過(guò)釀酒后清洗篩選所得。

試劑：石油醚（沸程60～90 ℃）、乙酸乙酯、正己烷、乙醚，均為分析純。

主要儀器與設(shè)備：KH-250DE型數(shù)控超聲波清洗器，江蘇昆山超聲儀器公司；R-200型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士BUCHI公司；FW-135型中藥粉碎機(jī)，天津奈斯特儀器有限公司；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1工藝流程石榴籽清洗→干燥→粉碎→稱取→超聲波處理→抽濾分離→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)（回收溶劑）→干燥(去除殘留溶劑)→石榴籽油。

1.2.2 石榴籽中粗脂肪的測(cè)定及提取溶劑的選擇通過(guò)索氏方法（GB/T 5512-2008）對(duì)石榴籽中粗脂肪進(jìn)行提取，以此為對(duì)照，衡量超聲提取的效果。

為了確定較優(yōu)的提取溶劑，選擇最常用的石油醚（沸程60～90 ℃）、乙酸乙酯、正己烷、乙醚4種溶劑進(jìn)行試驗(yàn)，以石榴籽油得率來(lái)確定較理想的提取溶劑。

1.2.3超聲波輔助提取單因素試驗(yàn)根據(jù)相關(guān)資料[7-11]，選用料液比、超聲波功率、提取溫度、提取時(shí)間作為考察因子，以3種不同石榴籽油的提取率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.2.4正交試驗(yàn)由以上單因素試驗(yàn)得出的結(jié)果，利用Design expert設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)[12-15]，從而優(yōu)化得到超聲波輔助提取石榴籽油的最佳工藝條件。

1.2.5 公式計(jì)算石榴籽油提取率計(jì)算公式為：

w1=×100%

式中 w1—石榴籽油提取率（%）；

w—索氏抽提法測(cè)得的石榴籽油得率（%）；

w1—超聲波法測(cè)得的石榴籽油得率（%）。

2結(jié)果與分析

2.1 溶劑篩選及粗脂肪的測(cè)定結(jié)果

由圖1可以看出，石油醚提取3種不同石榴籽油的得率均為最高，其次為正己烷，考慮到石油醚價(jià)格便宜，所以選擇石油醚為提取溶劑。

從圖1還可看出，用4種不同溶劑提取，凈皮石榴籽出油率最高，其次為酸石榴籽，白石榴籽最低，可能因?yàn)榘资駷檐涀咽?，含油量低，適合于鮮食，而凈皮石榴籽中含油量較高，也是目前加工比例比較高的品種，加工果汁后剩余的籽可用來(lái)提油。

2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 料液比單因素試驗(yàn)結(jié)果由圖2可以看出，隨著液料比的增大，3種不同石榴籽油的提取率逐漸增大，當(dāng)液料比在4~10 mL·g-1時(shí)，提取率上升幅度較大，液料比大于10 mL·g-1后，提取率變化不大，綜合考慮，選擇最佳液料比為10 mL·g-1，能夠獲得較好的提取率。

2.2.2溫度單因素試驗(yàn)結(jié)果由圖3可以看出，在較低溫度時(shí)，隨著提取溫度的上升，石榴籽油的提取率上升較快；當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃，提取率達(dá)到最大值；當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，提取率反而下降，可能是因?yàn)樗檬兔训姆谐淌?0~90 ℃，當(dāng)溫度較高時(shí)，石油醚運(yùn)動(dòng)加劇，易于揮發(fā)，不容易浸入石榴籽的油細(xì)胞與油發(fā)生作用，導(dǎo)致提取率下降。因此，綜合考慮，選擇提取溫度為40 ℃。

2.2.3功率單因素試驗(yàn)結(jié)果超聲波功率在280～350 W時(shí)，隨著超聲波功率增大，提取率隨之上升（圖4），原因是隨著超聲波功率的增大，石榴籽油和溶劑分子的振蕩速度加快，促使石榴籽油溶出加快，從而使石榴籽油提取率升高；當(dāng)超聲波功率大于350 W時(shí)，石榴籽油提取率反而降低，原因是在高強(qiáng)度的超聲波功率下，空化作用破壞了油脂分子結(jié)構(gòu)，反而使提取率下降，綜合考慮選擇超聲波功率為350 W。

2.2.4時(shí)間單因素試驗(yàn)結(jié)果隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，石榴籽油得率不斷提高，當(dāng)處理時(shí)間在10～20 min之間時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，石榴籽油提取率上升較快，而當(dāng)處理時(shí)間在20～30 min時(shí)，隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)，石榴籽油提取率的上升速度明顯減慢，30 min以后，提取率已經(jīng)達(dá)到最大值，隨時(shí)間的延長(zhǎng)基本不變化，當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)30 min時(shí)，提取率還稍有下降（圖5），因此，本試驗(yàn)選擇較佳的超聲波處理時(shí)間為30 min。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面法Box-Behnken模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平編碼見表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析見表2。

利用Design Expert軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得二次多元回歸模型為:

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

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表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，表明模型高度顯著，不同處理間的差異極顯著；失擬項(xiàng)F=2.212 6＜F0.05(14，10)=2.91，失擬項(xiàng)P=0.23＞0.05，說(shuō)明模型失擬度不顯著；模型的調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.962 3，說(shuō)明該模型能解釋96.23%響應(yīng)值的變化，因而擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)超聲波輔助有機(jī)溶劑提取石榴籽油進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。對(duì)模型進(jìn)行回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)：一次項(xiàng)A、D(P＜0.000 1)極顯著，B(P=0.000 2)顯著；交互項(xiàng)AB(P＜0.000 1)極顯著，AD(P=0.034 3)，BD(P=0.042)，CD (P=0.002 8)顯著；二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2(P＜0.000 1)極顯著，表明溫度、時(shí)間、功率、液料比，以及溫度與時(shí)間、液料比與其他各因素的交互作用對(duì)石榴籽油提取率都有顯著影響。

2.3.1溫度與時(shí)間的影響及交互作用分析提取溫度和時(shí)間的交互作用極顯著（P＜0.000 1）（圖6），石榴籽油提取率主要受溫度和時(shí)間的共同影響，兩者對(duì)提取率的提高起到了關(guān)鍵性的作用，提取率隨著溫度的升高而迅速增大，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，提取率達(dá)到最大值。在確定提取時(shí)間時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)備能耗與得率的關(guān)系，選擇能使系統(tǒng)能耗經(jīng)濟(jì)平衡的最佳時(shí)間及方式。當(dāng)提取溫度在40 ℃時(shí)，只需要很短的時(shí)間便可得到較高的提取率；溫度在35 ℃時(shí)，適當(dāng)增加萃取時(shí)間，提取率大幅度提高；在溫度為30 ℃時(shí)，需要35 min才能得到較高的提取率。這表明，在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，適當(dāng)升高溫度有利于石榴籽油的提取。

2.3.2溫度與液料比的影響及交互作用分析溫度和液料比的交互作用顯著（P=0.034 3）（圖7），石榴籽油提取率受溫度和液料比的共同影響，當(dāng)溫度為40 ℃，液料比為8.5 mL·g-1，提取率即可達(dá)到較高水平。在溫度為35 ℃時(shí)，適當(dāng)增加液料比，提取率迅速上升，而當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，即使用大量溶劑，提取率也無(wú)法達(dá)到較高的水平，可見溫度過(guò)低時(shí)，石榴籽油無(wú)法完全浸出。綜合考慮溶劑用量與提取率的關(guān)系，選擇最佳提取條件為溫度40 ℃，及較少溶劑用量。

2.3.3 時(shí)間與液料比的影響及交互作用分析時(shí)間和液料比交互作用顯著（P=0.042）(圖8)，提取率受時(shí)間和液料比的共同影響，當(dāng)時(shí)間為30 min時(shí)，適當(dāng)增大液料比，提取率迅速增大，液料比為10 mL·g-1時(shí)，石榴籽油提取率即可達(dá)到最高值。

2.3.4功率與液料比的影響及交互作用分析超聲波功率與液料比交互作用顯著（P=0.002 8）(圖9)，提取率受功率和液料比的共同影響，隨著液料比的增大，提取率迅速增大，當(dāng)液料比為7 mL·g-1時(shí)，即使增大功率，提取率變化不大，當(dāng)液料比為8.5 mL·g-1時(shí)，增大功率，提取率迅速增大，而當(dāng)液料比為10 mL·g-1時(shí)，僅需315 W，提取率便可達(dá)到較高值，由此可見，本試驗(yàn)適當(dāng)增大液料比有助于提取率的增大。

功率與溫度（P=0.304 7）及功率與時(shí)間（P=0.110 3）的交互作用都不顯著，提取率主要受溫度和時(shí)間的影響，受功率的影響不大，當(dāng)溫度為40 ℃，時(shí)間為30 min時(shí)，功率為315 W，提取率即可達(dá)到較高水平。

從圖6~9的響應(yīng)面圖可看出，溫度和液料比是影響超聲波輔助有機(jī)溶劑提取石榴籽油提取率的最顯著因素，時(shí)間、功率分別次之。通過(guò)對(duì)回歸模型求解方程，得出最大提取率為96.48％，對(duì)應(yīng)的提取條件為：提取溫度39.93 ℃，時(shí)間33.20 min，超聲波功率346.24 W，液料比11.40 mL·g-1。

3結(jié)論

采用超聲波輔助提取技術(shù)對(duì)不同品種石榴籽進(jìn)行提油，選擇石油醚為浸提溶劑，發(fā)現(xiàn)凈皮石榴籽含油量最高，通過(guò)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析對(duì)超聲波提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出較優(yōu)工藝條件為：提取溫度39.93 ℃，時(shí)間33.20 min，超聲波功率346.24 W，液料比11.40 mL·g-1，在此條件下，石榴籽油的提取率可達(dá)到96.48％。得到石榴籽油提取率與超聲波處理各因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，有一定應(yīng)用價(jià)值。

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