响应面优化塔拉籽油超声提取工艺研究
刘运伟 李占君
摘 要：为研究塔拉籽油脂提取工艺，选用超声提取法展开实验，对影响油脂提取率的因素进行单因素、响应面优化实验。实验得出最佳提取工艺：60目塔拉籽粉末10 g，溶剂无水乙醇，料液比1∶12 g/mL，超声时间16 min，超声功率85 W，超声水浴温度51 ℃。最终验证得出实际平均提取率7.35%与理论预期值7.43%±0.017%很接近，实验效果较好。结果证明，超声提取能够有效地提取塔拉籽粉末油脂，同时响应面工艺优化合理、有效。
关键词：塔拉籽油;超声提取;影响因素;响应面; 实验优化
Abstract：In order to study the extraction process of Tara seed oil， the ultrasonic extraction method was used to carry out the experiments， the single factor and response surface optimization experiments were carried out for the factors affecting the oil extraction yield. The results showed that the optimal factors were： 60 mesh tara seed powder 10 g， solvent absolute ethanol， solid liquid ratio 1∶12 g/mL， ultrasonic time 16 min， ultrasonic power 85 W， ultrasonic water bath temperature 51 ℃. Finally， the experimental results showed that the actual average extraction yield 7.35% was close to the theoretical expected value 7.43% ± 0.017%， and the experimental results were better. The results prove that ultrasonic extraction can effectively extract oil from tara seed powder， and the optimization of response surface technology is reasonable and effective.
Keywords：Tara seed oil; ultrasonic extraction; effect factor; response surface; experimental optimization
0 引言
塔拉（Caesalpinia spinosa Kuntze）亦称刺云石，豆科苏木亚科云实属，多年生珍贵资源型种质植物。我国境内分布程度较低，主要以次灌木和小乔木群落形式分布于干旱、长日照区域，云南省有分布[1-3]。饱满的塔拉籽中富含大量的种胚蛋白、单宁和脂肪，含有多种不同类型的不饱和脂肪酸，其代表性不饱和脂肪酸为亚麻酸。该种油脂营养程度较高，在食品、药品、医疗、保健、日化、抗机体衰老和改善人体肠道内环境等方面具重要的作用和意义[4-7]。
现阶段动、植物活性物质分离纯化的工艺有常温自然浸提、传统索氏提取、挥发油回流蒸馏、普通溶剂浸提、超声提取、微波提取、超声-微波协同提取和CO2流体超临界提取等[8-12]。实际应用过程中，超声提取能够保证目标物质性质稳定的前提下，实现高质高效、绿色环保的提取分离目的。因此超声提取在生物工程、制药工程、医学检验、食品、药品研发和检测等领域认可度较高，并得到广泛性的应用[13-14]。
本研究主要以超声提取为提取、分离方式，在单因素实验的基础上应用响应面对整体实验工艺予以系统性研究和优化，最终能够为动、植物活性物质提取、检测等领域提供科学、现实、可靠的理论与数据性的参考。
1 实验用品
1.1 实验材料
优质、饱满塔拉籽，2017年采收于云南昆明;无水乙醇、超纯水等。
1.2 仪器
理化干燥箱（型号：LG100B，上海仪器总厂）;微型中药粉碎机（型号：HC-250T，浙江河城工贸有限公司）;标准分样筛（型号：JH0004，迪胜）;电子分析天平（型号：UH620H，日本SHIMADZU岛津）;台式数控超声波清洗器（型号：KQ-100DE，昆山市超声仪器有限公司）;旋转蒸发仪（型号：RE-52AA，上海亚荣）等。
2 实验方法
2.1 塔拉籽粉末的制備
前期对塔拉籽低温、恒温烘干脱水，再以点式触发、间歇粉碎的形式制备塔拉籽粉末，粉末置于恒温鼓风烘箱在温度60 ℃下脱水干燥至≤5%，过筛获取60目干燥粉末备用[15-17]。
2.2 塔拉籽油的超声提取
将干燥60目塔拉籽粉末按照实验参数进行油脂超声提取，待提取完毕的混合溶液冷却至室温，通过抽滤实现固液分离;再以旋蒸实现油液分离[18-19]，提取所得塔拉籽油的提取率计算公式为：
2.3 单因素分析
2.3.1料液比
60目塔拉籽粉末10 g，无水乙醇为提取溶剂，水浴温度40 ℃，提取15 min，功率强度100 W，提取1次，该种条件下对料液比1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16 g/mL对提取率影响进行研究实验。
2.3.2 提取时间
60目塔拉籽粉末10 g，无水乙醇为提取溶剂，料液比1∶12 g/mL，水浴温度40 ℃，功率强度100 W，提取1次，对提取时间5、10、15、20、25 min的影响展开研究。
2.3.3 提取功率
60目塔拉籽粉末10 g，无水乙醇为提取溶剂，料液比1∶12 g/mL，水浴温度40 ℃，时间15 min，提取1次，研究40、60、80、100 W梯度功率变化对提取的影响。
2.3.4 水浴温度
60目塔拉籽粉末10 g，无水乙醇为提取溶剂，料液比1∶12 g/mL，时间15 min，功率强度100 W，提取次数1次，研究40、50 、60、70 、80 ℃温度区间变化对提取率的影响。
2.4 影响因素的响应面优化
在单因素实验以及数据差异性显著分析的基础上，选取显著性影响的提取时间（min）、功率强度（W）和水浴温度（℃）予以响应面的设计、优化，因素编码设计见表1。
3 实验结果与分析
3.1 单因素分析实验
3.1.1 料液比
由图1分析可知，不同料液比对塔拉籽油提取率的影响程度，在料液比为1∶8～1∶12区间范围内混合溶液体系对塔拉籽油提取不充分，当料液比提升至1∶12时，油脂提取率及其变化率均为最佳值，混合溶液体系塔拉籽油溶解能力得到加强。当料液比为1∶12～1∶16时，超声振荡在混合溶液体系内部形成“空穴效应”所释放出的能量会因溶液体积过大而被过度吸收、损耗，进而影响溶剂对塔拉籽粉末的浸入与穿梭，致使提取率下降。所以，选取料液比1∶12进行研究。
3.1.2 提取时间
由图2可知，提取时间对塔拉籽油提取率有不同程度上的影响。在5～15 min时提取率与提取时间呈现正相关性，15 min处提取率为最大值;在15～25 min时，油脂提取率的变化率开始变小，这主要是因为，当15～25 min时，混合溶液体系内部对塔拉籽油的溶解性开始趋于饱和，不利于提取的进行。因此，选取15 min 进行深度优化。
3.1.3 提取功率
功率对提取率的影响如图3所示，以功率梯度区间变化展开该组研究，当功率为40～80 W时，功率的加强有利于提取率的提升，80 W处为提取率的最大值;当功率80～100 W时，由于功率的过度加强，提取混合溶液体系内部振荡所产生的“空穴效应”过于剧烈，溶剂大量挥发、逸散，提取率的变化率开始变小，该种条件不利于提取的进行。故选择功率80 W进行优化研究。
3.1.4 提取温度
由图4分析得出，当提取温度为40～50 ℃时，温度与提取率二者呈现正相关特性，温度的升高有利于提取率的提升，50 ℃为最佳点，此处提取率及其变化率均为最大值;当50～80 ℃时，过高的温度会使混合溶液体系内的溶剂在种子粉末和溶液之间往复、穿梭活动更为剧烈，溶剂大量挥发、逸散，提取率的变化率开始变小，该种条件不利于提取的进行。故选择温度50 ℃进行优化研究。
在前期单因素实验基础上，应用SPSS17.0软件对单因素实验数据方差分析得出，料液比对塔拉籽油提取率差异性影响不显著（P>0.05），而提取时间、功率、温度条件适宜时提取率得到不同程度的提升，说明时间、功率、温度对该种油脂提取率差异性影响显著极显著（P<0.01）。故优化实验组以提取时间、功率、温度展开。
3.2 响应面优化
3.2.1 因素优化实验
为了更进一步研究和优化塔拉籽油的超声提取工艺，根据Box-Behnken试验设计原理，应用Design-Expert V 8.0.6 软件，对表1显著性影响因素提取时间（min）、功率强度（W）和水浴温度（℃）予以设计、优化，表2为优化实验变量因素编码实验表，其响应值Y与提取率相对应，优化设计过程中包括17组实验（n>3）;经分析优化得出相应回归方程为：
对表3数据研究分析得出：A、B、C三因素组合形成互扰AB、AC、BC对提取率的响應值Y具有不同程度的影响，单一因素影响强弱排序为：B >A > C，组合互扰因素影响强弱为：AC >BC >AB，B2 >A2 >C2;两种组合互扰因素影响显著程度最高的分别为AC和B2。
因PModel 0.05，说明该实验优化设计模型整体差异性极显著，模型失拟项0.169 4表明该模型失拟项不显著，模型吻合度较好，且A、B、C三因素之间不存在显著性互扰。
对表4数据分析，因R2 = 0.977 0和调整R2 = 0.947 4，说明所得回归模型拟合度较高，线性关系较好，模型对实验中相应响应值Y能够较好地预测和设计，预测、设计值程度为97.70%。优化实验相应伞状、等高线如图5—7所示。
以提取率Y为响应值的模型优化，对优化实验组合互扰因素AB、AC、BC伞壮图以及等高线进行研究分析，通过回归模拟对响应值的影响变化规律拟合与优化，最佳合理实验因素为：无水乙醇为提取溶剂，料液比为1∶12 g/mL，超声时间为16 min，超声功率为85 W，超声水浴温度为51 ℃，理论预期提取率为7.43%。
3.2.2 验证性实验
对响应面优化所得影响因素参数进行实验性验证，最终验证得出实际平均提取率7.35%与理论值7.43%±0.017 %很吻合，实验效果较好，充分说明该种实验方法对实验整体的优化现实、合理和有效。
4 结论
本研究通过超声提取对60目塔拉籽粉末进行油脂工艺实验，在单因素影响实验数据的基础上，对影响塔拉籽油提取率的各项影响因素进行响应面的系统性研究、讨论和优化。得出最佳工艺条件为：60目塔拉籽粉末10 g，无水乙醇为提取溶剂，料液比1∶12 g/mL，超声时间16 min，超声功率85 W，超声水浴温度51 ℃。最终验证得出实际平均提取率7.35%与理论预期值7.43%±0.017%很接近，实验效果很好。该项研究能够为食品、药品以及油脂化学工艺等领域提供可靠、有效的理论与数据支撑。
【参 考 文 献】
[1]李占君，劉运伟，张忠林，等.塔拉多糖的脱色工艺化研究[J].植物研究，2018，38（3）：475-480.
LI Z J， LIU Y W， ZHANG Z L， et al. Decolorization process of polysaccharide from Tara seed[J]. Bulletin of Botanical Research， 2018， 38（3）： 475-480.
[2]袁德成，赵寒梅，杨逢建.塔拉种子多糖脱蛋白的正交优化及其抗氧化性研究[J].植物研究，2018，38（1）：155-160.
YUAN D C， ZHAO H M， YANG F J. Study on orthogonal optimization and antioxidation of polysaccharide from Tara seeds[J]. Bulletin of Botanical Research， 2018， 38（1）： 155-160.
[3]赵寒梅，袁德成，杨逢建.响应面优化塔拉种子多糖的超声波提取及其抗氧化性研究[J].植物研究，2017，37（4）：635-640.
ZHAO H M， YUAN D C， YANG F J. Optimization of ultrasonic extraction of polysaccharides from Tara seed and its antioxidant activity[J]. Bulletin of Botanical Research， 2017， 37（4）： 635-640.
[4]普凤仙，张建云，包松莲，等.塔拉胶理化性质分析[J].西部林业科学，2018，47（1）：11-17.
PU F X， ZHANG J Y， BAO S L， et al. The physico-chemical properties of Tara gum[J]. Journal of West China Forestry Science， 2018， 47（1）： 11-17.
[5]张国财，赵博，刘春延，等.响应面法优化超声波—微波协同提取富硒蛹虫草硒多糖工艺[J].食品科学，2016，37（12）：33-39.
ZHANG G C， ZHAO B， LIU C Y， et al. Optimization of ultrasound-microwave assisted extraction of selenium-containing polysaccharides from se-enriched Cordyceps militaris by response surface methodology[J]. Food Science， 2016， 37（12）： 33-39.
[6]李占君，张琳，祖元刚，等.二氧化碳超临界提取塔拉籽油及其品质分析[J].植物研究，2015，35（3）：467-470.
LI Z J， ZHANG L， ZU Y G， et al. Tara oil extraction by supercritical carbon dioxide and its quality[J]. Bulletin of Botanical Research， 2015， 35（3）： 467-470.
[7]魏文恺，郝建平，王峰，等.响应面法优化野葛叶中叶绿素超声波提取工艺[J].食品工业科技，2015，36（11）：202-206.
WEI W K， HAO J P， WANG F， et al. Optimization of ultrasonic-assisted extraction process of chlorophyll from Pueraria lobata using response surface methodology[J]. Science and Technology of Food Industry， 2015， 36（11）： 202-206.
[8]LI Z J， YANG F J， YANG L， et al. Comparison of the antioxidant effects of carnosic acid and synthetic antioxidants on tara seed oil[J]. Chemistry Central Journal， 2018， 12（1）： 37.
[9]张海容，刘娟，魏增云，等.响应面法优化超声提取中药茜草中多糖工艺[J].中成药，2015，37（10）：2321-2325.
ZHANG H R， LIU J， WEI Z Y， et al. Optimization of ultrasonic extraction of polysaccharide from Chinese medicine Rubia cordifolia by response surface method[J]. Chinese Traditional Patent Medicine， 2015， 37（10）： 2321-2325.
[10]富臻，李波，王源，等.塔拉豆荚中鞣质化合物及其抗氧化活性[J].中国实验方剂学杂志，2016，22（10）：55-59.
FU Z， LI B， WANG Y， et al. Tannins in pods of Tara and their antioxidant activities[J]. Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae， 2016， 22（10）： 55-59.
[11]宋思圆，苏平，王丽娟，等.响应面试验优化超声提取黄秋葵花果胶多糖工艺及其体外抗氧化活性[J].食品科学，2017，38（2）：283-289.
SONG S Y， SU P， WANG L J， et al. Optimization of ultrasonic-assisted extraction by response surface methodology and antioxidant activities of pectic polysaccharide from okra flowers[J]. Food Science， 2017， 38（2）： 283-289.
[12]王婧，刘慧婷，柴庆凯，等.响应面分析法优化超声提取党参皂苷的工艺研究[J].天津农业科学，2017，23（10）：14-20.
WANG J， LIU H T， CHAI Q K， et al. Study on optimization of ultrasonic extraction of saponin from Codonopsis pilosula by response surface method[J]. Tianjin Agricultural Sciences， 2017， 23（10）： 14-20.
[13]陈金娥，高瑞苑，张海容.响应面法优化胡麻籽壳多糖超声提取工艺[J].中国油脂，2017，42（9）：145-148.
CHEN J E， GAO R Y， ZHANG H R. Optimization of ultrasound-assisted extraction of polysaccharide from flaxseed shell using response surface methodology[J]. China Oils and Fats， 2017， 42（9）： 145-148.
