陳曉娟，陳聰穎，譚麗彬，李 佳，顧仁勇

(吉首大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

紅果參[Campnumoea lancifolia ( Roxb.) Merr]系桔梗科多年生草本長(zhǎng)葉輪鐘草。其味甘、微苦，性平；具益氣補(bǔ)虛、祛瘀止血功效[1]；紅果參果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，尤其是VC和Ca、P等元素較為豐富[2]。隨著有關(guān)紅果參中多糖、黃酮類化學(xué)物的提取及抗氧化的研究報(bào)道[3-4]，紅果參的開(kāi)發(fā)利用也日益受到人們重視，在湖南湘西地區(qū)和云南曲靖地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展了紅果參的人工種植。功能性油脂是一類具有特殊生理功能的油脂，對(duì)人體有一定保健功能和藥用功能，尤其對(duì)預(yù)防高血壓、心臟病、癌癥等有積極作用，主要是由于其含有多不飽和脂肪酸和磷脂[5-7]。通常，由植物的果實(shí)、種子等提取出的油脂稱為天然植物油脂[8]，近年來(lái)，從常見(jiàn)的植物如菜籽、棕櫚、大豆和花生等的研究不斷見(jiàn)諸報(bào)道[9]。它是功能性油脂的主要來(lái)源，如枸杞籽油、亞麻籽油、葡萄籽油等，其中均含有大量的亞油酸，油茶籽油中油酸含量超過(guò)70%[10]。現(xiàn)今充分利用植物油脂的天然無(wú)毒性開(kāi)發(fā)各種功能性食品和保健品既順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展又滿足了人類對(duì)天然產(chǎn)品返璞歸真的渴望[11-12]。

本文研究了紅果參油的提取工藝，優(yōu)化提取條件，開(kāi)發(fā)出新資源產(chǎn)品，為紅果參這一新型特色水果資源的綜合開(kāi)發(fā)利用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅果參：曲靖萬(wàn)遠(yuǎn)中藥材種植合作社提供的成熟新鮮果實(shí)，經(jīng)粗破碎后在恒溫干燥箱中60℃烘干備用；石油醚(b.p 60～90℃，分析純)：成都金山化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KM-410A超聲波清洗機(jī)：廣州市科潔盟實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；FW80高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；JA2003電子天平：上海舜宇橫平科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紅果參油的提取方法

取適量新鮮紅果參，經(jīng)粗破碎后于60℃恒溫干燥箱中干燥8～10h，然后用粉碎機(jī)粉碎至80目。稱取所需量并粉碎物料，分裝于燒杯中，加入石油醚，于超聲功率為240W的超聲波清洗機(jī)中調(diào)定適宜條件后進(jìn)行提取，抽濾，濾液于100℃恒溫水浴蒸發(fā)溶劑，最后將樣品放置于干燥箱中80℃干燥，冷卻后稱粗油重[13]。按下式計(jì)算紅果參提取率(%)：

提取率(%) = 紅果參油的質(zhì)量(g)/干燥紅果參原料質(zhì)量(g)×100

1.3.2 單因素試驗(yàn)

采用單因素試驗(yàn)法，以提取率為指標(biāo)，初步優(yōu)選料液比、超聲處理溫度、超聲處理時(shí)間三個(gè)因素的最優(yōu)條件。三因素的水平如下：

料液比：1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7(g/mL)

處理溫度：30、40、50、60、70 (℃)

處理時(shí)間：20、30、40、50、60 (min)

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)[14-15]

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理，選取料液比、超聲溫度、超聲時(shí)間為考察因素，以提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選紅果參油提取的工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)提取率的影響

固定超聲處理溫度50℃，處理時(shí)間40min，料液比分別為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7g/mL，按照1.3.1所述方法提取紅果參油，不同料液比所得提取率見(jiàn)圖1。

圖1 料液比對(duì)提取率的影響Fig.1 Effect of material -water ratio on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖1可見(jiàn)，隨著溶劑用量(料液比)加大，紅果參油提取率逐步增加，料液比由1∶3(g/mL)增大至1∶6(g/mL)時(shí)，提取率由3.21%增加到9.2%。再繼續(xù)增大溶劑用量，提取率增加不明顯。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)溶劑用量較小時(shí)，與底物接觸不充分，導(dǎo)致提取效果較差。當(dāng)溶劑量的增大到一定值時(shí)，溶劑與底物達(dá)到充分接觸，即便再增加溶劑作用效果已不明顯。綜合經(jīng)濟(jì)成本與提取率，料液比為 1∶6(g/mL)最適宜。

2.1.2 超聲處理溫度對(duì)提取率的影響

選擇料液比1∶6(g/mL)，固定超聲時(shí)間40min，超聲溫度分別為20、30、40、50、60℃，按照1.3.1所述方法提取紅果參油，不同溫度下提取率見(jiàn)圖2。

圖2 超聲處理溫度對(duì)提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasound treatment temperature on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖3可見(jiàn)，隨超聲處理溫度升高，紅果參油提取率呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)，超聲溫度為50℃時(shí)提取率最高，達(dá)到了8.92%。當(dāng)超聲處理溫度較低時(shí)，分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力較小，物料的空化作用不夠完全，影響油脂提取率；而當(dāng)溫度高于 50℃ 后，此時(shí)接近石油醚的初始沸點(diǎn)，且物料略有糊化而造成提取率降低。綜合經(jīng)濟(jì)成本，選擇超聲處理溫度為 45℃為宜。

2.1.3 超聲處理時(shí)間對(duì)提取率的影響

選取料液比1∶6(g/mL)、超聲溫度 45℃，超聲處理時(shí)間分別為30、40、50、60、70min，按1.3.1所述方法提取紅果參油，不同提取時(shí)間的提取率見(jiàn)圖2。

圖3 超聲波處理時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasound treatment time on Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖3可見(jiàn)，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，紅果參油提取率不斷提高。超聲時(shí)間由30min增加到50min時(shí)，提取率由8.95%增加到10.44%，超過(guò)50min后，提取率增加不明顯。這是由于超聲波作用在開(kāi)始階段對(duì)紅果參細(xì)胞膜的破碎作用較大，溶出物多，得率不斷升高，當(dāng)溶解度達(dá)到飽和時(shí)，有效成分不再溶出，故選擇超聲處理時(shí)間為50min最佳。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Benhnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)為考察因素，以紅果參提取率(Y)為響應(yīng)值，進(jìn)行 Box-Benhnken 中心組合試驗(yàn)，因子水平編碼見(jiàn)表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平表Table 1 Experimental variables and levels

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Experimental design arrangement and results

2.2.2 模型建立與方差分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的提取率進(jìn)行回歸分析，得到紅果參油提取得率的回歸方程為: 提取率(Y)=-96.67+4.79A-62.80B-0.076C+3.76AB+0.015AC-1.03BC-0.067A2-73.33B2-3.60×10-3C2對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方差分析表Table 3 ANOVA for the regression response surface model

注: *為顯著( p<0.05)，**為極顯著( p<0.01)。

由表3可見(jiàn)，所得二次方程模型極顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，表明回歸方程具有顯著意義?；貧w決定系數(shù) R2=0.9259，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有 92.59% 來(lái)源于所選因子變化，擬合程度好，模型能夠較好的描述紅果參油提取試驗(yàn)結(jié)果，能很好地對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。精密度(Adeq Precision)值大于4.0視為合理，本試驗(yàn)精密度為8.180，表明其為一個(gè)適宜的信號(hào)[16-17]。從方差分析結(jié)果可知，因素A(超聲溫度)、B(超聲時(shí)間)和C(料液比)對(duì)提取率具有極顯著的影響(P<0.01)；二次項(xiàng)A2對(duì)響應(yīng)值曲線效應(yīng)影響極顯著(P<0.01)；交互項(xiàng)AC對(duì)響應(yīng)值影響顯著(P<0.01)，AB和BC影響不顯著(P>0.05)，表明超聲溫度與超聲時(shí)間對(duì)提取率具有協(xié)同作用，超聲溫度與料液比、料液比與時(shí)間的交互作用均較弱；由各因素 F 值可以得出，三個(gè)因素對(duì)提取率影響的主次順序?yàn)?料液比> 超聲時(shí)間>超聲溫度。

2.2.3 因素交互效應(yīng)分析

為考察因素對(duì)紅果參油提取率的交互效應(yīng)，采用降維分析得回歸方程如下：

YAC=-96.67+4.79A-0.076C+0.015AC-0.067A2-3.60×10-3C2

YAB= -96.67+4.79A-62.80B+3.76AB-0.067A2-73.33B2

YBC= -96.67-62.8B-0.076C-1.03BC-73.33B2-3.60×10-3C2

依據(jù)回歸方程作交互因素的響應(yīng)面和等高線圖見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 超聲溫度和超聲時(shí)間影響提取率的響應(yīng)面(a)及等高線圖(b)Fig.4 Response surface(a)and contour line(b)of material -water ratio and ultrasound time to Hong Guo Ginseng 0il yield

響應(yīng)面圖坡度大表明因素對(duì)響應(yīng)值影響大，等高線密集呈橢圓形表示兩因素交互影響較大，而坡度平緩、等高線呈圓形則與之相反。圖4可看出，響應(yīng)值(提取率)沿A (超聲溫度)方向移動(dòng)的響應(yīng)面坡度明顯要比沿C(超聲時(shí)間)方向更加陡峭，等高線更加密集，表明超聲時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)更大。等高線的形狀接近橢圓，表明兩因素的交互作用較強(qiáng)，結(jié)果與方差分析結(jié)果一致，也即超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)紅果參油提取效果存在明顯的協(xié)同效應(yīng)。

圖5 超聲溫度和料液比對(duì)紅果參油提取率的響應(yīng)面(a)及等高線圖(b)Fig.5 Response surface(a)and contour line(b)of ultrasound temperature and material -water ratio to Hong Guo Ginseng 0il yield

圖5可看出，響應(yīng)值(提取率)沿A (超聲溫度)方向移動(dòng)的響應(yīng)面坡度明顯要比沿B(料液比)方向更加陡峭，等高線更加密集，表明超聲時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)比料液比更大。等高線的形狀接近圓形，表明兩因素的不存在明顯交互作用。

圖6 料液比和超聲時(shí)間對(duì)紅果參油提取率的響應(yīng)面(a)及等高線圖(b)Fig.6 Response surface(a)and contour line(b)of material -water ratio and ultrasound time to Hong Guo Ginseng 0il yield

由圖6可看出，響應(yīng)值(提取率)沿B (料液比)方向移動(dòng)的響應(yīng)面坡度與沿C(超聲時(shí)間)方向接近，等高線密集程度基本一致，表明料液比和超聲時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的貢獻(xiàn)相當(dāng)。等高線的形狀接近圓形，表明兩因素不存在交互作用。

2.2.4 最優(yōu)條件的求解及驗(yàn)證試驗(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6對(duì)回歸方程進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，分析得到最優(yōu)響應(yīng)值時(shí)各因素取值為：超聲溫度45.78℃，料液比1∶5(g/mL)，超聲時(shí)間為58.44min，此時(shí)提取率的模型理論預(yù)測(cè)值為12.878%。考慮實(shí)際可操作性，選定優(yōu)化工藝條件參數(shù)為超聲溫度46℃，料液比為1∶5，超聲時(shí)間為58min。

以優(yōu)化后的工藝條件進(jìn)行紅果參油提取的驗(yàn)證試驗(yàn)，三次平行試驗(yàn)所得提取率的平均值為12.2%,與模型理論預(yù)測(cè)值誤差在 1% 以內(nèi),表明優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以提取率為響應(yīng)值，優(yōu)化超聲波輔助溶劑法提取紅果參油的最佳工藝。料液比、超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)提取率均存在極顯著影響，且3個(gè)因素的影響順序?yàn)榱弦罕?超聲時(shí)間>超聲溫度與超聲時(shí)間之間存在明顯的交互效應(yīng)。通過(guò)回歸優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)所得紅果參油的最佳提取工藝為：超聲溫度46℃，料液比為1∶5，超聲時(shí)間為58min，以此工藝處理提取率為12.2%。此工藝為紅果參這一野果的綜合開(kāi)發(fā)利用提供了指導(dǎo)方向，具有較高應(yīng)用價(jià)值。