陳芹芹 李淑燕 楊 陽 胡雪芳 姜 莎 李 珊 倪元穎
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取蘋果籽油的工藝研究
陳芹芹 李淑燕 楊 陽 胡雪芳 姜 莎 李 珊 倪元穎
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
通過預(yù)試驗選取液料比、超聲頻率和超聲時間作為Box-Behnken設(shè)計的變量,利用響應(yīng)面法分析得到超聲波輔助提取蘋果籽油的優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明,超聲波輔助提取蘋果籽油的適宜工藝參數(shù)是液料比 12.6,超聲頻率 60 kHz,超聲時間 35 min,超聲溫度 40℃,物料粉碎度為 60目,在此條件下的蘋果籽油提取率達到 21.06%。
超聲波輔助提取 優(yōu)化 蘋果籽油 響應(yīng)面法
我國蘋果資源豐富,自 1992年起,我國的蘋果產(chǎn)量已居世界首位[1],2008年產(chǎn)量達 2 700萬噸,占世界總產(chǎn)量的 40%以上。加入世界貿(mào)易組織之后,蘋果是我國為數(shù)不多的具有明顯國際競爭力的農(nóng)產(chǎn)品之一。近年來我國蘋果加工業(yè)飛速發(fā)展,形成規(guī)模宏大的蘋果產(chǎn)業(yè)化格局。蘋果產(chǎn)業(yè)逐漸成為我國農(nóng)村經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一,在國民經(jīng)濟中的地位和作用日益顯著。但與此同時,蘋果加工業(yè)的崛起又不可避免地出現(xiàn)了蘋果殘渣連年增多的現(xiàn)象。長期以來,蘋果籽和蘋果渣一起作為廢渣拋棄。由于廢蘋果渣含水量大,酸度高,因此腐敗變質(zhì)特別快,對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染,同時資源遭到嚴重的浪費[2]。目前,蘋果籽資源還未引起人們足夠的重視,資源優(yōu)勢并未轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢,國內(nèi)外對蘋果籽及蘋果籽油特性的研究剛起步。在國外,Kamel B S[3]對蘋果籽、柑橘籽、楓樹果籽及南瓜籽進行了脂肪和蛋白質(zhì)含量的測定,并分析了各自的脂肪酸成分。結(jié)果表明,蘋果籽中油酸和亞油酸的含量較高,分別為 40.1%、45.8%。Lu Y R等[4]用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對蘋果籽的正己烷提取物進行脂肪酸成分分析。結(jié)果表明,亞油酸的含量最高,達51.2%。其次為棕櫚酸、亞麻酸、硬脂酸、油酸 (含量分別為 10.5%、5.6%、4.1%、4.3%)。不飽和脂肪酸的含量在蘋果籽油中占 2/3左右。在國內(nèi),對蘋果籽的研究主要集中在蘋果籽油的提取及其理化指標、脂肪酸組分分析上[5-10]。
超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械以及材料為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一,是通過聲波的產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的[11]。超聲波技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從廢水處理、造紙工業(yè)、生活和服務(wù)業(yè)、醫(yī)學(xué)不斷擴展到油脂工業(yè),從油脂的提取到深加工,廣泛應(yīng)用超聲波來改善品質(zhì)、提高效率等。超聲波輔助提取已應(yīng)用于大豆油、薏苡籽油、核桃仁油、蒿籽油等油脂的提取[12-15]。
以超聲波輔助提取為手段,選擇 Box-Behnken設(shè)計和響應(yīng)曲面(RS M)分析方法,研究超聲時間、料液比、超聲頻率等因素對蘋果籽油得率的影響以及它們之間的交互作用,從而確定超聲波輔助提取蘋果籽油的適宜工藝,以期為蘋果籽資源的深加工利用提供理論基礎(chǔ)。
蘋果籽:富士和秦冠混合蘋果籽,由煙臺北方安得利果汁股份有限公司榨汁后的蘋果皮渣中分選,熱風(fēng)干燥后備用,含水量為 5.86%,-18℃保存;正己烷:分析純,北京化工廠。
KQ-250DE型數(shù)控超聲清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;Sartorious BP221S電子天平:德國 Sar2 torious公司;WKX高速粉碎機:北京環(huán)亞天元機械技術(shù)有限公司;索式提取器:北京市朝龍玻璃儀器廠;標準分樣篩:上海精密儀器儀表有限公司;DZF -6050型真空干燥箱:上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠。
超聲波輔助提取蘋果籽油的工藝流程如下:
蘋果籽→粉碎過篩→稱重→正己烷提取 (超聲波輔助提取)→抽濾,取濾液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→真空干燥至恒重→蘋果籽油
在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上,選取超聲時間、料液比、超聲頻率進行多因素優(yōu)化試驗。參照文獻報道[16-17],多因素實驗采用 Box-Behnken設(shè)計,利用響應(yīng)曲面法進行分析優(yōu)化。
對響應(yīng)曲面分析得到的優(yōu)化條件進行驗證試驗,試驗平行 3次,計算蘋果籽油的平均提取率。
根據(jù)國標 (GB/T5009.6-1985)中的方法,采用的提取溶劑為正己烷[18-20],提取溫度為 85℃,索式抽提時間為 8 h,得到的蘋果籽油經(jīng)真空干燥至恒重,平行提取 3次,計算平均提取率。
超聲波輔助提取蘋果籽油的得率 =me/m0× 100%
索氏提取蘋果籽油的得率 =m1/m0×100%
其中:me代表超聲波輔助提取得到的蘋果籽油的質(zhì)量/g,m0代表蘋果籽粉的質(zhì)量/g;m1代表索氏提取的蘋果籽油的質(zhì)量/g。
影響超聲波輔助提取蘋果籽油的因素有液料比、超聲時間、超聲頻率、超聲溫度、物料粉碎度等。通過預(yù)試驗發(fā)現(xiàn),前 3者是影響蘋果籽油得率的主要因素。因此,選取液料比、超聲時間和超聲頻率作為 Box-Behnken設(shè)計的因素,超聲溫度設(shè)定為40℃,蘋果籽的粉碎度設(shè)定為 60目。Box-Behnken設(shè)計的三因素三水平的配制如表 1所示,試驗方案及結(jié)果如表 2所示。
試驗方案的 15個試驗點中包括 12個析因點 (1~12)及 3個中心點(13~15),中心點重復(fù)的目的是估計整個試驗的純試驗誤差[21]。以蘋果籽油的得率Y作為響應(yīng)面分析的響應(yīng)值。對應(yīng) Y建立如下的擬合方程:
式中:Y是響應(yīng)值,A0是截距項,A1、A2、A3為一次項系數(shù),A11、A22、A33是平方項系數(shù),A12、A13、A23是交互項系數(shù)。
表 1 Box-Behnken設(shè)計的因素
表2 試驗方案及結(jié)果
方程(1)的準確性通過多元回歸系數(shù) R2及修正的多元回歸系數(shù) Adj.R2檢驗。統(tǒng)計軟件是采用國際上認可的 SAS統(tǒng)計分析軟件?;貧w方程系數(shù)的顯著性分析見表 3。
表 3 二次多項式的回歸方程系數(shù)的顯著性分析
得到的二元多項式如下:
方程(2)中二次多項式的 R2=97.98%,Adj.R2=94.33%。
由表 3可以知道,液料比、超聲時間、液料比和超聲頻率的交互項、超聲頻率的平方項及超聲時間的平方項對蘋果籽油得率的影響都達到了極顯著的水平(P<0.01),超聲頻率對蘋果籽油得率的影響達到了顯著的水平 (P<0.05)。模型的方差分析見表4。
表4 方差分析
由表 4可以看到模型的 P值(P=0.001 031)< 0.01,且 Adj.R2=94.33%,說明模型擬合良好;由失擬檢驗 P=0.514 036可以進一步說明模型擬合比較理想。
將α=0.05水平上不顯著的項剔除掉得到的最終模型為:
利用 RS M圖(圖 1~圖 3)可以更直觀的看出最佳點及參數(shù)間的交互作用,圖中超聲時間、液料比、超聲頻率對提取率的影響很顯著,且液料比和超聲頻率的交互作用明顯。由統(tǒng)計軟件及RS M的立體圖得到超聲波輔助提取蘋果籽油的得率極值出現(xiàn)在液料比 12.6,超聲頻率 60 kHz,超聲時間 35 min附近。
圖 1 液料比和超聲頻率的響應(yīng)曲面(超聲時間 =30 min)
圖 2 液料比和超聲時間的響應(yīng)曲面(超聲頻率 =60 kHz)
圖 3 超聲頻率和超聲時間的響應(yīng)曲面(液料比 =10)
按試驗優(yōu)化條件下進行驗證試驗 (如表 5)得到的蘋果籽油平均得率為 21.06%,接近且略高于預(yù)測值 20.74%。由此證明試驗?zāi)J胶侠?結(jié)果理想。
表 5 驗證實驗條件和結(jié)果
采用超聲波輔助提取和索式提取蘋果籽油的提取條件、得率及色澤的比較如表 6所示。
表 6 超聲波輔助提取法和索式提取法的比較
將液料比、超聲時間、超聲頻率作為 Box-Be2 hnken設(shè)計的變量,通過響應(yīng)面分析的結(jié)果表明:液料比、超聲時間、液料比和超聲頻率的交互項、超聲頻率的平方項及超聲時間的平方項對蘋果籽油得率的影響均達到了極顯著的水平(P<0.01);超聲頻率對蘋果籽油的得率達到了顯著的水平 (P<0.05)。超聲波輔助提取蘋果籽油的最佳工藝參數(shù)為:液料比 12.6,超聲頻率 60 kHz,超聲時間 35 min。超聲波輔助提取蘋果籽油的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是:Y=20.55+ 0.23X1+0.155X2+0.317 5X3-0.342 5X1X2-0.676 25X2X2-0.351 25X3X3,此模型在實驗范圍內(nèi)可以準確預(yù)測蘋果籽油的得率。
用超聲波輔助提取蘋果籽油的得率是 21.06%,接近索氏提取法的得率 24.76%,說明超聲波輔助提取法的提取率相對較高。超聲波輔助提取法具有普適性、低溫、提取時間短、能耗低、綜合經(jīng)濟效益顯著的優(yōu)點,并且超聲波輔助提取法得到的蘋果籽油色澤淺、品質(zhì)高。因此,利用超聲波輔助提取蘋果籽油的工藝是完全可行的。
[1]葉興乾.果品蔬菜加工工藝學(xué):第二版[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002:232
[2]李錫鈞.蘋果皮渣的綜合利用 [J].包裝與食品機械, 2001,19(3):32
[3]KamelB S.Nutritional properties of some agricultural seed by2 products[J].Journal of Food Quality,1981,5(2):139-144
[4]Lu Y R,Foo L Y.Constitution of some chemical components of apple seed[J].Food chemistry,1998,61(2):29-33
[5]李嶸,張媛,王喆之.蘋果種籽中脂肪酸組分分析[J].植物生理學(xué)通訊,2006,42(5):955-957
[6]李志西,李元瑞,于修燭,等.蘋果籽及其油的理化特性[J].中國油脂,2005,30(11):71-73
[7]婁在祥,王洪新.蘋果籽油提取工藝研究[J].糧食食品科技,2006,14(6):36-38
[8]張郁松,寇煒材,賈穎周.水酶法提取蘋果籽油的工藝研究[J].糧油加工,2007(4):49-51
[9]羅倉學(xué),王旭,韓五剛.超聲波輔助提取蘋果籽油的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2006,32(3):103-105
[10]楊繼紅,李元瑞,劉拉平.蘋果籽油的超臨界萃取試驗研究[J].糧食加工與食品機械,2006(7):47-50
[11]席細平,馬重芳,王偉.超聲波技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西化工,2007,27(1):25-29
[12]LiH Z,Pordesimo L,Weiss J.High intensity ultrasoundassisted extraction of oil from soybeans[J].Food Research International,2004(37):731-738
[13]Hu A J,Zhao SN,Liang H H,et al.Ultrasound assisted su2 percritical fluid extraction of oil and coixenolide from adlay seed[J].Ultrasonics Sonochemistry,2007,(14):219-224
[14]吳素萍.超聲波提取蒿籽油工藝條件的探討[J].糧油加工,2007,(12):68-71
[15]周如今,顧立軍,黎周國,等.超聲強化提取核桃仁油的研究[J].食品科學(xué),2003,24(10):113-117
[16]Ozkal S G,YenerM E,BayindirliL.Response surfaces of apricot kernel oil yield in supercritical carbon dioxide[J]. LWT-Food Science and Technology,2005,(38):611-616
[17]Sonsuzer S,Sahin S,YilmazL.Optimization of supercritical CO2 extraction of Thymbra spicata oil[J].Journalof Super2 critical Fluids,2004,(30):189-199
[18]Yin J Z,WangA Q,WeiW,et al.Analysisof the operation conditions for supercritical fluid extraction of seed oil[J]. Separation and Purification Technology,2005,(43):163 -167
[19]Ozkal S G,Salgn U,YenerM E.Supercritical carbon diox2 ide extraction of hazelnut oil[J].Journal of Food Engineer2 ing,2005,(69):217-223
[20]Bhattacharjee P,SinghalR S,Tiwari S R.Supercritical car2 bon dioxide extraction of cottonseed oil[J].Journal of Food Engineering,2007,(79):892-898
[21]蒙哥馬利.實驗設(shè)計與分析:第三版[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,1998:621-622.
OptimizingUltrasonic-Assisted Extraction ofApple Seed Oilwith Response SurfaceMethodology
Chen Qinqin Li Shuyan Yang Yang Hu Xuefang Jiang Sha Li Shan Ni Yuanying
(College of Food Science&Nutritional Engineering,China AgriculturalUniversity,Beijing 100083)
Ultrasonic-assisted extraction technology of apple seed oil was optimized.Liquid-to-solid ratio, ultrasonic frequency and ultrasonic ti me selected via pre-experiments were considered as the factors for Box-Be2 hnken design.Results:The optimum parameters of ultrasonic-assisted extraction of apple seed oil are liquid-tosolid ratio 12.6,ultrasonic frequency 60 kHz,ultrasonic time 35 min,extraction temperature 60℃,and material particle size 60 mesh.The yield of apple seed oil is 21.06%under the optimum conditions.
ultrasonic-assisted extraction,opti mization,apple seed oil,response surface methodology
TS224 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)05-0052-05
國家科技支撐計劃(2006BAD05A13)
2009-06-01
陳芹芹,女,1985年出生,博士,天然產(chǎn)物提取及功能食品研發(fā)
倪元穎,女,1960年出生,教授,博士生導(dǎo)師,果蔬加工、天然產(chǎn)物提取和功能食品開發(fā)