响应面法优化微波辅助提取海蓬子籽油工艺

扶庆权

（南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，江苏 南京 211171）

摘 要：以成熟海蓬子种子为原料、石油醚为提取溶剂，采用微波辅助法提取海蓬子籽油。在微波温度、微波时间、料液比和微波功率对海蓬子籽油得率影响4 个单因素试验的基础上，通过响应面法优化微波辅助提取海蓬子籽油的最佳工艺条件。结果表明，微波辅助提取海蓬子籽油的最佳工艺条件为：微波温度55 ℃、微波时间5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W。在此条件下，海蓬子籽油得率为32.58%。与传统索氏抽提法相比，微波辅助提取海蓬子籽油的得率提高了0.15%，而提取时间仅为索氏抽提法的1.39%。

关键词：海蓬子；籽油；微波；提取；响应面法

Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Seed Oil from Salicornia bigenlovii Torr.
Using Response Surface Methodology

FU Qing-quan

(School of Biochemical and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

Abstract: The microwave-assisted extraction of seed oil from Salicornia bigenlovii Torr. using petroleum ether as the extraction solvent was optimized by response surface methodology. The extraction yield of seed oil was investigated with respect to extraction temperature, extraction time, solid-to-liquid ratio, and microwave power. The results showed that the optimal extraction conditions for Salicornia bigenlovii Torr. seed oil were as follows: temperature, 55 ℃; extraction time,
5 min; solid-to-liquid ratio, 1:10 (g/mL); and microwave power, 700 W. Under these optimal conditions, the extraction yield of Salicornia bigenlovii Torr. seed oil was 32.58%, a 0.15% increase over that obtained by traditional Soxhlet extraction. Moreover, the extraction time was only 1.39% of that required by Soxhlet extraction.

Key words: Salicornia bigenlovii Torr.; seed oil; microwave; extraction; response surface methodology

中图分类号：TS209 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）20-0098-07

doi:10.7506/spkx1002-6630-201420020

海蓬子（Salicornia bigenlovii Torr.），又称盐角草、海芦笋、海虫草、富贵菜、海甲菜、抽筋菜等[1-2]，为藜科盐角草属一年生双子叶草本植物[3]。海蓬子原产于欧洲和北美地区，抗盐分能力极强，可用海水直接灌溉。海蓬子于2000年开始引进我国种植，主要分布在我国的东南沿海地区及辽宁、河北、山西、宁夏、甘肃等地。海蓬子种子含有多种营养成分和活性物质，种子蛋白质含量高达42.59%[4]，氨基酸组成均衡，含有人体必需的8 种氨基酸[5]，且多种氨基酸含量超过鸡蛋[4]。种子含油量高达31.10%[6]，不饱和脂肪酸含量占总油量高达89.78%[7]，其中亚油酸含量高达74.00%[8]，其组成与红花油中脂肪酸含量基本相当[6]。海蓬子种子含有丰富的黄酮类物质、多糖、皂苷、叶绿素，新鲜干燥的海蓬子种子总黄酮、多糖、皂苷和叶绿素分别高达6.81%[9]、2.00%[10]、1.014%[11]、0.075%[12]。此外，种子还含有丰富的生物碱等活性物质[13]。因此，海蓬子种子不仅具有药用和保健价值，还具有抗氧化[14-15]、抗肿瘤[16]、抗炎[17]、免疫调节活性[18]、减肥、降血压和降血糖[19]等多种生理活性功能。

目前，海蓬子籽油的提取多采用溶剂浸提法[20]、索氏抽提法[7]和超临界CO2流体萃取法[21]。溶剂浸提法和索氏抽提法不易破坏有效成分，但抽提时间长且有效成分不易完全提出。超临界CO2流体萃取法提取效率高且提取完全，但成本较高。微波技术作为一种新兴的技术具有得率高、溶剂用量少、设备简单等多种优点[22]，已在提取许多植物有效成分黄酮、多酚和多糖等方面广泛应用[23-25]，但目前很少在植物油脂提取方面进行应用。本实验以海蓬子为研究材料，采用微波辅助提取海蓬子籽油，并通过响应面法优化海蓬子籽油的最佳提取工艺条件，为工业提取海蓬子籽油提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

海蓬子种子由江苏省盐城市绿苑海蓬子开发有限公司提供。

无水乙醇、乙酸乙酯、正己烷、石油醚（沸程60～90 ℃）均为分析纯 南京化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

MWave-5000微波仪 上海新仪微波化学科技有限公司；SHB-III循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；AUY120型电子天平 日本岛津公司；
RE-52A旋转蒸发仪 上海雅荣生化仪器设备有限公司；GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3 方法

1.3.1 海蓬子种子预处理

海蓬子种子浸泡在清水中脱皮，50 ℃烘干，高速粉碎机粉碎过60 目筛，用袋子密封后于干燥处保存备用。

1.3.2 海蓬子籽油的提取工艺

准确称取1 g海蓬子种子粉于50 mL三颈烧瓶中，采用有机溶剂进行微波辅助提取海蓬子籽油。提取液趁热进行真空抽滤，滤渣用25 mL的溶剂分3 次洗涤，合并滤液及洗涤液于圆底烧瓶，旋转蒸发仪进行减压蒸馏，干燥制得淡绿色海蓬子籽油，称质量按下式计算得率：

式中：m为海蓬子籽油质量/g；M为海蓬子种子粉质量/g。

1.3.3 海蓬子籽油提取溶剂的选择

分别选用无水乙醇、乙酸乙酯、正己烷和石油醚作为提取剂，采用料液比1∶12（g/mL）、500 W微波功率于60 ℃辅助处理3 min，平行实验3 次，以确定最佳提取溶剂。

1.3.4 海蓬子籽油提取单因素试验

1.3.4.1 微波温度对海蓬子籽油得率的影响

在微波时间3 min、料液比1∶14（g/mL）、微波功率500 W、石油醚作溶剂的条件下，设置温度分别为45、50、55、60、65 ℃，考察微波温度对海蓬子籽油得率的影响。

1.3.4.2 料液比对海蓬子籽油得率的影响

在微波时间3 min、微波功率500 W、微波温度55 ℃、石油醚作溶剂的条件下，分别选取料液比为1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20（g/mL），考察料液比对海蓬子籽油得率的影响。

1.3.4.3 微波时间对海蓬子籽油得率的影响

在料液比1∶14（g/mL）、微波功率500 W、微波温度55 ℃、石油醚作溶剂的条件下，分别微波处理海蓬子粉2、4、6、8、10 min，考察微波时间对海蓬子籽油得率的影响。

1.3.4.4 微波功率对海蓬子籽油得率的影响

在微波时间3 min、料液比1∶14（g/mL）、微波温度55 ℃、石油醚作溶剂的条件下，依次变化微波功率为300、400、500、600、700 W，考察微波功率对海蓬子籽油得率的影响。

1.3.5 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，选取微波温度、微波时间、料液比和微波功率作为自变量，海蓬子籽油得率为因变量进行响应面优化组合，优化提取海蓬子籽油的最佳工艺条件，试验因素水平见表1。

表 1 Box-Behnken试验因素与水平编码表

Table 1 Coded levels for independent variables used in Box-Behnken design

1.3.6 索氏抽提法提取海蓬子籽油

索氏抽提法测定海蓬子籽油含量参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》[26]。精确称取干燥的海蓬子种子粉1 g于滤纸筒内，将滤纸筒放入索氏抽提器内，连接已干燥至恒质量的接收瓶，由抽提器冷凝管上端加入石油醚至瓶内容积的2/3处，水浴上加热使石油醚不断回流提取，抽提6 h。取下抽提瓶，回收溶剂，将抽提瓶与其内容物干燥2 h，取出放干燥器内冷却30 min，称质量，并重复操作至质量恒定。

1.4 数据统计与分析

采用Design-Expert 8.0软件对响应面试验得到的数据进行分析。所有试验平行测定3 次，通过F值考察
模型及各因素的显著性（P＜0.05），并根据回归方程和响应面分析各因素之间交互作用的显著性。

2 结果与分析

2.1 提取溶剂的选择

表 2 不同有机溶剂对海蓬子籽油得率的影响

Table 2 Effects of different organic solvents on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由表2可知，用乙酸乙酯、石油醚作为有机溶剂时，海蓬子籽油得率都相对较高。使用石油醚提取的海蓬子籽油澄清透明，色泽呈青绿色；而乙酸乙酯提取的海蓬子籽油得率虽比石油醚略高，但海蓬子籽油微浊，且乙酸乙酯溶剂易暴沸，故本实验选择石油醚作为微波辅助提取海蓬子籽油的有机溶剂。

2.2 海蓬子籽油提取的单因素试验

2.2.1 微波温度对海蓬子籽油得率的影响

图 1 微波温度对海蓬子籽油得率的影响

Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图1可看出，微波温度对海蓬子籽油得率有较大影响，当微波温度逐渐升高时，得率亦随之增加。温度达到55 ℃，得率最高，再继续升高温度，得率有了明显的降低。这可能是由于温度升高，接近石油醚的沸点，溶剂有可能损失所致。故确定55 ℃为最佳微波提取温度。

2.2.2 微波时间对海蓬子籽油得率的影响

图 2 微波时间对海蓬子籽油得率的影响

Fig.2 Effect of microwave irradiation time on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. Seeds

由图2可看出，微波时间的长短对海蓬子籽油得率有较大影响，微波时间少于6 min时，随微波处理时间延长，得率逐渐升高，而后随着微波处理时间延长，得率反而下降。这可能是由于微波时间延长，海蓬子籽油中部分低沸点的成分随着介质的沸腾有所挥发[27]。故确定最佳微波时间为6 min。

2.2.3 料液比对海蓬子籽油得率的影响

由图3可看出，在料液比为1∶12（g/mL）之前，海蓬子籽油得率随溶剂量的增加而逐渐提高，此后随着料液比的增加海蓬子籽油得率开始下降。这可能是当溶剂过少时，不能使有效成分充分溶于溶剂。当料液比超过1∶12（g/mL）后，可能由于溶剂量增加导致溶液的温度下降[28]，海蓬子籽油得率反而开始下降。故确定1∶12（g/mL）为最佳料液比。

图 3 料液比对海蓬子籽油得率的影响

Fig.3 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

2.2.4 微波功率对海蓬子籽油得率的影响

图 4 微波功率对海蓬子籽油得率的影响

Fig.4 Effect of microwave power on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图4可看出，海蓬子籽油在微波功率为600 W时得率最高，随后则呈下降趋势。功率太低，试验温度达不到预设温度，提取效率低。但功率过大时可能会造成海蓬子籽油有效成分的破坏。故确定最佳微波功率为600 W。

2.3 海蓬子籽油最佳提取工艺条件的确定

2.3.1 二次响应面回归模型的建立及显著性检验

根据表3的试验数据，对自变量编码X1、X2、X3和X4进行回归分析，由Design-Expert 8.0拟合出二次多项回归方程如下：

Y=－32.09－1.95X1－0.93X2＋0.23X4＋2.57X1X2＋1.49X1X3＋1.16X1X4＋1.45X2X3－1.31X3X4－3.19X12－2.72X22－2.89X32－0.79X42

由表4方差分析可以看出，方程中因素X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4、X12、X22、X32、X42对海蓬子籽油得率的影响极其显著（P＜0.01）；因素X4对海蓬子籽油得率的影响不显著（P＞0.05）。根据二次多项回归方程的一次项系数的大小，可以判断出对提取海蓬子籽油影响的大小因素依次是微波温度、微波时间、料液比和微波功率，说明微波温度对海蓬子籽油的提取影响最显著。方程复相关系数的平方（R2）为0.986 4，说明响应值的变化有98.64%来源于所选变量，且模型P值远小于0.01，表示模型方程极显著，失拟性在0.05水平上不显著（P=0.169 1＞0.05），故模型的选取是适合的。R2Adj为0.972 9，说明建立模型能够解释97.29%的响应值的变化，能较好地描述海蓬子籽油得率随提取条件改变的规律。

表 3 响应面试验设计与结果

Table 3 Experimental arrangement and results of
response surface methodology

表 4 回归模型的ANOVA分析

Table 4 Analysis (ANOVA) of variance for the established
regression model

注：*.差异显著，P＜0.05；**.差异极显著，P＜0.01。

2.3.2 两因素交互作用的响应面分析

图 5 微波温度和微波时间及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.5 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and microwave irradiation time on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图5可知，当微波时间与微波温度增大或减小时，海蓬子籽油得率随之增大或减小，而当微波时间达到6 min左右、微波温度约为55 ℃，得率也相对最高。超过此范围，得率则下降，说明微波时间过高或微波温度过大都不适合海蓬子籽油的提取，故本试验中微波时间与微波温度交互作用极为显著。

由图6可以看出，当微波温度与料液比增大或减小时，海蓬子籽油得率随之增大或减小，而当微波温度达到55 ℃左右、料液比约为1∶12（g/mL），得率也相对最高。超过此范围，得率则下降，说明微波温度过高或溶剂量过大都不适合海蓬子籽油的提取，故本试验中微波温度与料液比交互作用极为显著。

图 6 微波温度与料液比及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.6 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and solid-to-liquid ratio on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

图 7 微波温度与微波功率及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.7 Contour and response surface plots for the effect of extraction temperature and microwave power on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图7可知，在微波功率一定情况下，海蓬子籽油得率随着微波辐射温度的增高呈现先明显增大而后又缓慢下降的趋势；在不同微波温度条件下，海蓬子籽油得率随微波功率变化而略有不同。故本试验中，微波温度与微波功率的交互作用极为显著。

由图8可知，当微波时间与溶剂量增大或减小时，海蓬子籽油得率随之增大或减小，而当微波时间达到6 min左右、料液比约为1∶12（g/mL）时，得率也相对最高。超过此范围，得率则下降，说明微波时间过高或溶剂量过大都不适合海蓬子籽油的提取，故本试验中微波时间与料液比交互作用极为显著。

图 8 微波时间与料液比及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.8 Contour and response surface plots for the effect of microwave irradiation time and solid-to-liquid ratio on the yield of oil from Salicornia bigenlovii Torr. seeds

图 9 微波时间与微波功率及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.9 Contour and response surface plots for the effect of microwave irradiation time and microwave power on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图9可知，在微波功率一定情况下，海蓬子籽油得率随着微波时间的延长呈现先明显增大而后又缓慢下降的趋势；在不同微波时间条件下，海蓬子籽油得率随微波功率变化而略有不同。故本试验中，微波温度与微波功率的交互作用极其显著。

图 10 料液比与微波功率及其交互作用对海蓬子籽油得率影响的
等高线及响应面图

Fig.10 Contour and response surface plots for the effect of solid-to-liquid ratio and microwave power on the yield of oil from
Salicornia bigenlovii Torr. seeds

由图10可知，在微波功率一定情况下，海蓬子籽油得率随着溶剂量增大先呈现明显增大而后又下降的趋势；在不同料液比条件下，海蓬子籽油得率随微波功率变化而略有不同。故本试验中微波温度与微波功率的交互作用极为显著。

2.3.3 模型的验证实验

用Design-Expert 8.0软件对模型进行最优化预测，得到最优化工艺组合：X1=55 ℃、X2=4.92 min、X3=1∶10.03（g/mL）、X4=699.97 W，即微波温度55 ℃、微波时间4.92 min、料液比1∶10.03（g/mL）、微波功率699.97 W，此时可得到的最大响应值是32.65%。

为了检验此方法的可靠性，同时考虑操作的便利性，将海蓬子籽油提取最佳条件修正为：微波温度55 ℃、微波时间5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W，按修正后条件进行3 次平行实验得到的海蓬子籽油得率为32.58%，与理论值相差0.07%。因此响应面法对海蓬子籽油提取条件的优化具有一定的应用价值。

2.4 索氏抽提法与微波辅助提取法对比

表 5 两种提取方法的结果比较

Table 5 Comparison of microwave-assisted extraction and Soxhlet extraction

分别使用索氏抽提法和微波辅助提取法提取海蓬子籽油，表5结果显示微波辅助提取法对海蓬子籽油的提取时间更短，而两种方法的得率相当。

3 结 论

响应面分析法优化确定海蓬子籽油的最佳提取工艺条件为：微波温度55 ℃、微波时间5 min、料液比1∶10（g/mL）、微波功率700 W。此条件下，海蓬子籽油得率可达32.65%。根据实际情况对该提取条件进行修正后，进行验证实验得出实际数值为32.58%，与预测值差异较小，说明该工艺可用于海蓬子种子中油脂的提取。微波辅助提取法较索氏抽提法海蓬子籽油得率提高了0.15%，而提取时间仅为索氏抽提的1.39%。

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