超聲波輔助提取烏桕籽油的工藝優(yōu)化研究

王文靜，董泰瑋

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，陜西 咸陽 712046； 2.成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，成都 611137)

烏桕既可作為觀賞風(fēng)景樹，又可作為經(jīng)濟(jì)林木[1-2]。其中烏桕籽含油量高達(dá)40%以上，單位面積含油量遠(yuǎn)高于油棕、油桐以及油茶等作物[3]，烏桕籽油是制造高級燃料、涂料、潤滑劑、殺菌劑等的優(yōu)質(zhì)原料[4-6]。Gao等[7]以烏桕籽油為原料制備了高性能的柴油替代品。Ren[8]、Salema[9]等在此基礎(chǔ)上證實(shí)了微波加熱促進(jìn)烏桕籽油定向裂解，制備出更高性能的烴類燃料。李科等[10]以烏桕籽油為原料，通過水解、酯化等工藝合成了高性能的增塑劑——環(huán)氧脂肪酸異辛酯。此外，相關(guān)研究[11-12]還表明烏桕籽油含有大量有益于人體健康的微量元素。

針對烏桕籽油的提取，主要有溶劑浸出法、水劑法、壓榨法等。而這些方法或多或少會破壞烏桕籽油中的不穩(wěn)定組分，存在原料浪費(fèi)、動力消耗較大等缺點(diǎn)。超聲波輔助提取工藝是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化等多級效應(yīng)，以促進(jìn)目標(biāo)成分與溶劑間的傳質(zhì)作用，從而達(dá)到深度提取[13]，具有快速、價廉、高效等特點(diǎn)，在醫(yī)藥化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[14]。目前，大多數(shù)研究以烏桕籽油為原料制備酯類、柴油等烴類物質(zhì)，而對于采用超聲波輔助提取烏桕籽油的研究甚少。本文采用超聲波輔助提取烏桕籽油，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken法設(shè)計(jì)四水平三因素實(shí)驗(yàn)對工藝條件進(jìn)一步優(yōu)化，以選擇擬合度較高且適合描述各因素與油脂得率關(guān)系的最佳模型，為后續(xù)深入研究烏桕籽油提取工藝提供一定的基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

烏桕籽，產(chǎn)于陜西漢中；無水乙醇、正己烷、石油醚等，分析純，天津天泰精細(xì)化學(xué)品有限公司。

KQ-500DE超聲波清洗器；FA1004B型電子分析天平；粉碎機(jī)，浙江九陽股份有限公司；恒溫干燥箱；RE-52C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理

將烏桕籽簡單篩選以除去雜質(zhì)，然后放入干燥箱中，保持溫度40～45℃，干燥1 h后去皮得烏桕籽仁。

1.2.2 烏桕籽油提取

將得到的烏桕籽仁放入粉碎機(jī)中粉碎至40目，準(zhǔn)確稱取一定量烏桕籽粉(m1)于錐形瓶中，加入溶劑后在超聲波體系下提取油脂。提取一定時間后分離出烏桕籽殘?jiān)?，將得到的濾液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中除去溶劑，得到烏桕籽油(m2)，根據(jù)下式計(jì)算烏桕籽油的得率(Y)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 溶劑類型的選擇

準(zhǔn)確稱取3 g的烏桕籽粉3份，按照料液比1∶10，分別加入30 mL無水乙醇、正己烷或石油醚，在超聲波功率200 W、提取溫度40℃下超聲提取90 min，計(jì)算不同溶劑下烏桕籽油的得率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 溶劑類型對得率影響

由圖1可知，無水乙醇作為溶劑時，烏桕籽油得率最高，而石油醚作為溶劑時，其得率最低，這與劉旭輝等[15]的研究結(jié)果類似。這可能是因?yàn)橐掖即嬖诜肿娱g氫鍵，相較于正己烷和石油醚揮發(fā)性小，故而烏桕籽油得率略高。因此，本研究選用無水乙醇作為溶劑進(jìn)行烏桕籽油的提取。

2.1.2 料液比的選擇

在提取溫度40℃、超聲波功率200 W、提取時間90 min時，不同料液比對烏桕籽油得率的影響如圖2所示。

圖2 料液比對得率的影響

由圖2可知，隨著料液比增大，烏桕籽油得率增大，這是因?yàn)榱弦罕仍龃笠环矫鏁垢嗟挠椭苡谝掖贾校岣呷芙饴?，另一方面會降低提取濾液的黏度，油脂更易分離[16]。繼續(xù)增大料液比，烏桕籽油的得率減小。因此，選擇料液比為1∶10。

2.1.3 提取溫度的選擇

在料液比1∶10、超聲波功率200 W、提取時間90 min時，不同提取溫度對烏桕籽油得率的影響如圖3所示。

圖3 提取溫度對得率的影響

由圖3可知，提取溫度升高，烏桕籽油得率急劇升高，當(dāng)提取溫度為45℃時，烏桕籽油得率達(dá)到最大，繼續(xù)升溫后烏桕籽油得率略有減小。因?yàn)闇囟鹊纳呒铀倭朔肿娱g的傳質(zhì)效果，使得溶質(zhì)的溶解性增強(qiáng)。當(dāng)溫度過高時又會影響溶劑的揮發(fā)性，降低烏桕籽油得率。因此，選擇提取溫度為45℃。

2.1.4 超聲波功率的選擇

在料液比1∶10、提取溫度45℃、提取時間90 min時，不同超聲波功率對烏桕籽油得率的影響如圖4所示。

圖4 超聲波功率對得率的影響

由圖4可知，隨著超聲波功率的增大，烏桕籽油得率先增大后減小。當(dāng)超聲波功率為200 W時，烏桕籽油得率最大，為32.58%。超聲波功率升高，所引起的空化效應(yīng)增強(qiáng)，傳質(zhì)效果增大。但繼續(xù)升高超聲波功率，所產(chǎn)生的空化效應(yīng)趨于飽和，反而產(chǎn)生大量氣泡[17]，降低了傳質(zhì)效果。因此，選擇超聲波功率為200 W。

2.1.5 提取時間的選擇

在料液比1∶10、提取溫度45℃、超聲波功率200 W時，不同提取時間對烏桕籽油得率的影響如圖5所示。

圖5 提取時間對得率的影響

由圖5可知，隨著提取時間的延長，烏桕籽油得率逐漸增大，在90 min后增幅明顯放緩。因?yàn)樵谔崛〕跗?，油脂擴(kuò)散到乙醇中的速率較快，隨著提取時間的延長，乙醇中油脂的含量逐漸增大，最終油脂在烏桕籽和乙醇中達(dá)到動態(tài)平衡，此時已基本提取完全。因此，考慮到提取工藝的經(jīng)濟(jì)性和高效性[18]，選擇提取時間為90 min。

2.2 Box-Behnken法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以烏桕籽油得率為響應(yīng)值，選取料液比、提取溫度、超聲波功率和提取時間為考察因素，采用Box-Behnken法設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)因素和水平見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素和水平

根據(jù)Box-Behnken法共設(shè)計(jì)29組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。其中1～24為析因?qū)嶒?yàn)，25～29為零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

采用Design-Expert 8.0軟件對Box-Behnken法所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。通過對比線性模型、兩因素交互模型、二次模型和立方模型的擬合值，最終優(yōu)選出擬合度和吻合性較高的二次模型。方程如下：

Y=35.58+1.22A+3.18B+1.67C+2.73D+0.27AB-0.22AC-0.88AD-0.18BC-0.63BD+0.55CD-3.83A2-3.67B2-4.05C2-4.09D2

由表3可知，該模型的P值小于0.000 1，說明具有高度的顯著性，R2=0.99，失擬項(xiàng)的P值大于0.05，說明不存在失擬項(xiàng)因素，因此可以用該模型預(yù)測值代替實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。一次項(xiàng)A、B、C、D和二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2的P值均小于0.000 1，同樣說明具有高度顯著性。影響烏桕籽油得率的因素主次順序?yàn)椋禾崛囟?提取時間>超聲波功率>料液比。

表3 方差分析

2.2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)預(yù)測得到最優(yōu)的工藝條件為：料液比1∶10.67，提取溫度46.98℃，超聲波功率210.74 W，提取時間99.09 min。最優(yōu)條件下的烏桕籽油得率預(yù)測值可達(dá)36.88%。

2.2.3 優(yōu)化方案的驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際操作情況，微調(diào)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件為料液比1∶11、提取溫度47℃、超聲波功率210 W、提取時間100 min，在此條件下進(jìn)行3組平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，烏桕籽油得率分別為36.75%、36.24%和35.92%，與預(yù)測的烏桕籽油得率相對誤差分別為0.35%、1.74%和2.60%，均在5%以內(nèi)，說明經(jīng)過Box-Behnken法所優(yōu)化的超聲波輔助提取烏桕籽油工藝條件可靠。

3 結(jié) 論

采用響應(yīng)面分析中Box-Behnken法優(yōu)化了超聲波輔助提取烏桕籽油的工藝條件，建立了適合于描述各因素與烏桕籽油得率的二次模型，影響烏桕籽油得率因素主次順序?yàn)樘崛囟?提取時間>超聲波功率>料液比。最優(yōu)的工藝條件為：料液比1∶11，提取溫度47℃，超聲波功率210 W，提取時間100 min。在優(yōu)化工藝條件下，烏桕籽油得率可達(dá)36%左右。