響應(yīng)面法優(yōu)化鳳丹牡丹籽油超聲提取工藝

馬曉，陳剛，申珂琪，胡春瑞

1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院（鄭州 450046）；2.鄭州師范學(xué)院（鄭州 450044）

牡丹屬毛茛科芍藥屬灌木[1]。中國(guó)是牡丹資源最豐富的國(guó)家[2]。牡丹常分為觀賞牡丹和藥用牡丹[3]。牡丹籽油具有很高的安全性[4]，不僅可供食用，還有醫(yī)療、保健價(jià)值[5-6]，被稱為植物油中的珍品[7]。油用牡丹的實(shí)用性增強(qiáng)，而有關(guān)科學(xué)研究也必須跟隨其步伐，才能夠保證油用牡丹資源的充分利用[8]。

目前，需對(duì)傳統(tǒng)的提取工藝進(jìn)行必要的改善，以此提高出油率、保證工業(yè)化安全生產(chǎn)[9]。近幾年，超聲波輔助提取油脂技術(shù)被普遍應(yīng)用。利用此技術(shù)可有效提高出油率，縮短提油時(shí)間，還能保證油脂品質(zhì)[10]。利用超聲波輔助提取技術(shù)，可使細(xì)胞中可溶成分更好釋放出來(lái)[11]。因而超聲波有利于油脂的提取[12]。

響應(yīng)面分析法通常是利用中心組合試驗(yàn)擬合出一個(gè)完整的二次多項(xiàng)式模型，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果表達(dá)方面更加優(yōu)良[13-14]。以鳳丹牡丹籽粒為試驗(yàn)材料，以石油醚為浸提試劑，采用響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)得出最佳提取工藝條件，從而提高牡丹籽油得率，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

鳳丹牡丹種子：2017年8月采收的實(shí)生苗鳳丹牡丹種子，室內(nèi)陰干后于2017年9月手工剝殼后獲得種仁。

1.1.2 主要儀器和試劑

XH-200DE智能溫控雙頻超聲波合成/萃取儀（北京祥鵠科技發(fā)展有限公司）；JA3003N型電子天平（上海菁海儀器有限公司）；FOSS SCINO CT410旋風(fēng)磨（杭州嘉維創(chuàng)新科技有限公司）；鼓風(fēng)干燥箱（鄭州宏朗干燥箱有限公司）；SOX406脂肪測(cè)定儀（海能儀器有限公司）。

石油醚（60～90 ℃）。

1.2 方法

1.2.1 材料的預(yù)處理方法

挑選飽滿、大小正常、沒(méi)有機(jī)械傷和沒(méi)有霉變的牡丹籽粒，去殼后放置在干燥箱中65 ℃烘至恒質(zhì)量。將烘干后的牡丹籽粒經(jīng)旋風(fēng)磨磨粉，用棕色磨砂廣口瓶密封后放置4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 提取工藝

稱取65 ℃烘干至恒質(zhì)量的牡丹籽粉40 g于三口瓶中，按照響應(yīng)面設(shè)計(jì)組合因素的液料比、超聲功率和超聲時(shí)間加入一定量的石油醚于三口瓶中。

用回流萃取法分離溶劑混合物，將混合物用濾紙封口，置于脂肪抽提儀的漏斗中，65 ℃回流1.5 h后，取下抽提杯，放置通風(fēng)處使溶劑揮發(fā)，放入鼓風(fēng)干燥箱中，烘干抽提杯中殘留的溶劑，冷卻至室溫后稱質(zhì)量。

1.2.3 牡丹籽油得率的測(cè)定

籽油得率按照計(jì)算如式（1）。

式中：m1是抽提杯和提取所得脂肪的質(zhì)量之和，g；m2為抽提杯原質(zhì)量，g；m為牡丹籽粉質(zhì)量，g。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化提取籽油方法

為得到牡丹籽油的最佳提取工藝，通過(guò)響應(yīng)面分析試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)提取鳳丹牡丹籽油的最佳提取條件的組合。以液料比、超聲功率和超聲時(shí)間為自變量，以鳳丹牡丹籽油得率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)。試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

表1 CCD設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Microsoft Office Excel 2010統(tǒng)計(jì)、計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用軟件Design-Expert 7.0進(jìn)行回歸分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)表1的自變量編碼水平，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)共20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中6個(gè)為中心點(diǎn)，在各個(gè)影響因素均為零水平的基礎(chǔ)上重復(fù)6次試驗(yàn)，用來(lái)估計(jì)試驗(yàn)的誤差，剩下的14個(gè)點(diǎn)為析因點(diǎn)，分析A液料比、B超聲功率、C超聲時(shí)間3個(gè)因素對(duì)鳳丹牡丹籽油得率的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 響應(yīng)面模型建立與方差分析

2.2.1 鳳丹牡丹籽油得率的響應(yīng)面模型建立與方差分析

建立以A、B、C為自變量的關(guān)于籽油得率R的多元二次回歸模型，對(duì)表2中20個(gè)響應(yīng)值進(jìn)行擬合，得到方程為：R=30.77-1.05A-0.27B-0.44C-0.063AB-0.055AC+0.10BC-2.14A2-2.02B2-2.43C2。

由表3可知，回歸決定系數(shù)R2=0.853，說(shuō)明有85.36%的響應(yīng)面值符合此模型，試驗(yàn)因素影響較大，相關(guān)性高；精密度值為0.218，方程合理；變異系數(shù)CV為6.95%，數(shù)值較小，此方程具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 籽油得率回歸方程可靠性分析

由表4失擬性p=0.279差異不顯著，表明方程具有較高擬合度，試驗(yàn)誤差小，該方程二次項(xiàng)中的A2、B2、C2均表現(xiàn)出極顯著的差異（p＜0.01）。該模型具有應(yīng)用意義，可用于試驗(yàn)分析。

表4 籽油得率回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

2.2.2 鳳丹牡丹籽油得率的響應(yīng)面曲面圖分析

鳳丹牡丹籽油得率的響應(yīng)面曲面圖和等高線圖見(jiàn)圖1。響應(yīng)面曲面圖和等高線圖用于2種因素交互作用的分析，是由每2種試驗(yàn)因素與響應(yīng)值構(gòu)成的曲面圖，曲面圖反映3個(gè)變量因素，其中1個(gè)變量取零水平時(shí)，另外2個(gè)因素對(duì)鳳丹牡丹籽油得率的影響。曲面圖坡度越陡，說(shuō)明條件變化對(duì)牡丹籽油得率的影響越大；相反，影響越小。在同一條等高線上牡丹籽油的得率相同，在等高線的中心牡丹籽油得率最高，越靠近外圍牡丹籽油得率越低。

根據(jù)響應(yīng)曲面的特征，對(duì)圖1所有曲面圖進(jìn)行分析。由圖1（a）可知，液料比較高時(shí)，等高線相對(duì)密集，說(shuō)明液料比較高時(shí)，超聲功率對(duì)籽油得率有影響，增大超聲功率可提高籽油得率。超聲功率到達(dá)一定的值時(shí)，增大液料比對(duì)籽油得率的影響不大。由圖1（b）可知，超聲時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，增大液料比對(duì)提高籽油得率有影響，超聲時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，增大液料比，籽油得率也不會(huì)明顯提高。由圖1（c）可知，超聲功率較高時(shí)，增大超聲時(shí)間對(duì)提高籽油得率有影響，超聲功率達(dá)到一定值時(shí)，增大超聲時(shí)間，籽油得率不會(huì)明顯提高。

圖1 任意2個(gè)變量交互作用的響應(yīng)曲面圖

2.3 提取籽油最佳組合工藝的確定及驗(yàn)證

對(duì)建立的二次回歸方程求極值，得到超聲輔助提取鳳丹牡丹籽油的理論最佳工藝為：液料比1∶9.74（mL/g），超聲功率290 W，超聲時(shí)間39.5 min。在此條件下，籽油的理論得率為30.855%?？紤]實(shí)際操作方便，調(diào)整液料比10∶1（mL/g）、超聲功率290 W、超聲時(shí)間40 min，以此為最佳工藝條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量鳳丹牡丹籽油得率。結(jié)果顯示，在該工藝條件下，油用牡丹籽粒的提油得率為29.01%±0.23%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為5.98%，證明響應(yīng)面優(yōu)化得到的工藝條件準(zhǔn)確可靠，可用于鳳丹牡丹籽油提取的預(yù)測(cè)說(shuō)明。

3 結(jié)論

采用石油醚提取，超聲輔助的方法提取鳳丹牡丹籽油，進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立籽油得率的多元二次回歸方程模型，通過(guò)對(duì)方程分析，優(yōu)化出提取鳳丹牡丹籽油的最佳工藝條件為：液料比10∶1（mL/g）、超聲功率290 W、超聲時(shí)間40 min，在最佳條件下，實(shí)際測(cè)得鳳丹牡丹籽油得率為29.01%，達(dá)到回歸模型理論值（30.855%）的94.02%，相對(duì)誤差值是5.98%。說(shuō)明響應(yīng)面法優(yōu)化建立的回歸方程模型，科學(xué)可靠，可為實(shí)際生產(chǎn)提供參考價(jià)值。