響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取花椒精油的工藝研究

黃志遠(yuǎn)，劉長(zhǎng)玲

(1.長(zhǎng)春醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，長(zhǎng)春 130031；2.吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)是蕓香科花椒屬落葉小喬木的果實(shí)，因在我國(guó)陜川一帶種植廣

泛，故又名“川椒”[1,2]。作為“八大調(diào)味料”之一，花椒味辛而麻，獨(dú)特的芳香使其廣泛應(yīng)用于食品烹飪中，如川菜中常使用花椒增香提味，以此增加菜肴的口感?；ń方?jīng)過提取加工可得到花椒精油，其成分主要包括檸檬烯、花椒烯、花椒酰胺以及植物甾醇和不飽和有機(jī)酸等[3]，該類物質(zhì)是花椒香味的主要來源，可作為高檔的調(diào)味品、香料用在食品行業(yè)，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)花椒精油還有較強(qiáng)的藥理活性，如殺蟲殺菌、止痛止癢的功效[4,5]。

花椒精油的巨大開發(fā)前景使得該產(chǎn)品的提取已成為現(xiàn)階段食藥行業(yè)的研究熱點(diǎn)。目前，有關(guān)花椒精油的提取方法主要有壓榨法、水蒸氣蒸餾法、浸取法、微波法等[6-8]，其中壓榨法、水蒸氣蒸餾法、浸取法存在出油率不高或者能耗較大的缺點(diǎn)，使其在工業(yè)放大過程中受到了一定的限制，微波法由于提取方便、提取時(shí)間短、耗能少、有效成分得率高等特點(diǎn)而廣泛用在植物精油的工業(yè)提取中[9]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上采用微波輔助提取花椒精油，并通過響應(yīng)面法對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化分析，以期為花椒精油的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

花椒：產(chǎn)地四川漢源；無水乙醇：蘇州歐特化工有限公司。

1.1.2 主要儀器

FW-100型高速萬能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；BSM-2200.2型電子天平 上海涵金科技有限公司；WBFY-201型微波反應(yīng)器 上海耀特儀器設(shè)備有限公司；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州潤(rùn)華電器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 花椒精油的提取

花椒精油的提取采用高經(jīng)梁等人的方法[10]。將花椒放入60 ℃的恒溫干燥箱中干燥4 h，用粉碎機(jī)粉碎，過60目篩，精密稱取20.0 g花椒粉末置于500 mL的錐形瓶中，按液料比10∶1(mL/g)加入無水乙醇后，放入600 W的微波反應(yīng)器中預(yù)處理6 min。預(yù)處理結(jié)束后，將錐形瓶放入60 ℃的恒溫水浴鍋中浸提2 h，收集揮發(fā)油，稱重，計(jì)算提取率。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)按1.2.1步驟進(jìn)行，分別對(duì)不同液料比(6∶1，8∶1，10∶1，12∶1，14∶1)、微波功率(300，400，500，600，700，800 W)、微波處理時(shí)間(2，4，6，8，10 min)、提取溫度(40，50，60，70，80，90 ℃)進(jìn)行考察，觀察各試驗(yàn)條件下花椒精油的提取率，各條件下試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

以單因素的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)花椒精油提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，試驗(yàn)重復(fù)3次。

表1 花椒精油提取的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 1 The response surface experimental design and results of Zanthoxylum bungeanum essential oils' extraction

1.2.4 花椒精油提取率的計(jì)算

花椒精油提取率=花椒精油質(zhì)量/花椒粉質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果

2.1 單因素優(yōu)化試驗(yàn)

圖1 各提取條件對(duì)花椒精油提取率的影響Fig.1 Effects of extraction conditions on extraction rates of essential oils from Zanthoxylum bungeanum

由圖1中A可知，花椒精油提取率隨著液料比的增加而增加，當(dāng)液料比達(dá)到10∶1后，花椒精油提取率開始下降。這是因?yàn)橐毫媳容^低時(shí)，花椒粉末得不到充分浸潤(rùn)；液料比較高時(shí)，分子擴(kuò)散和傳質(zhì)速率的提高有利于花椒精油的提?。?液料比過高時(shí)，溶劑對(duì)微波吸收作用加強(qiáng)，到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部輻射減少，花椒精油提取率下降。因此，選擇液料比10∶1較為合適。

由圖1中B可知，隨著微波功率的增加，花椒精油呈先快速增加而后出現(xiàn)一定程度的下降。隨著微波功率增加，分子擴(kuò)散加快，提取率增加，但當(dāng)微波功率過大時(shí)，錐形瓶局部升溫過快，造成花椒精油中熱敏感物質(zhì)的降解，導(dǎo)致提取率下降。因此，選擇微波功率500 W為宜。

由圖1中C可知，隨著微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，花椒精油提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)微波處理4 min時(shí)，花椒精油提取率達(dá)到最大，為7.69%。增加微波處理時(shí)間可以提高花椒精油的提取率，但是時(shí)間過長(zhǎng)花椒精油發(fā)生降解，導(dǎo)致其提取率下降。因此，選擇微波處理時(shí)間4 min較佳。

由圖1中D可知，花椒精油提取率隨著提取溫度的增加而快速增加，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，花椒精油提取率最大，達(dá)到7.78%，隨后提取率開始下降。這是因?yàn)闇囟壬?，分子運(yùn)動(dòng)加劇，細(xì)胞破裂，花椒精油提取率提高，溫度過高時(shí)，花椒精油發(fā)生降解或氧化，導(dǎo)致其提取率下降。因此，選擇提取溫度60 ℃較為適宜。

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

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以液料比10∶1、微波功率500 W、微波處理時(shí)間4 min、提取溫度60 ℃為中心點(diǎn)，以提取率為響應(yīng)值，通過 Design Expert 8.0軟件程序進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果見表1。

2.1.2 方差分析與顯著性檢驗(yàn)

應(yīng)用Design Expert 8.0軟件對(duì)響應(yīng)值和各因素進(jìn)行回歸擬合，得到花椒精油提取率(Y)與液料比(A)、微波功率(B)、微波處理時(shí)間(C)、提取溫度(D)4個(gè)因素間的二次回歸方程為：

Y=-107.470+3.855A+0.225B-0.086C+1.293D-3.038E-003AB-0.024AC-3.750E-003AD-1.750E-004BC+2.325E-004BD+4.500E-003CD-0.095A2-2.062E-004B2+0.020C2-0.012D2。

以提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)花椒精油提取工藝模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表2。

表2 花椒精油提取二次多項(xiàng)式模型的方差分析Table 2 The variance analysis of quadratic polynomial model for Zanthoxylum bungeanum essential oils' extraction

由表2可知，回歸模型P<0.0001，失擬項(xiàng)P>0.05，說明該模型可以很好地描述各花椒精油提取條件和提取率的關(guān)系；同時(shí)，該模型決定系數(shù)R2=0.9978，表明該模型可以解釋響應(yīng)面中99.78%的可變性，可以用于花椒精油提取最佳條件的確定。模型中根據(jù)F值大小可知，影響花椒精油提取效果的因素按主次順序排列為：液料比(A)>微波功率(B)>微波處理時(shí)間(C)>提取溫度(D)，其中一次項(xiàng)中因素A和B對(duì)花椒精油提取率影響最為顯著，交互項(xiàng)中AB和BD對(duì)花椒精油提取率影響最為顯著。

2.1.3 響應(yīng)面分析

圖2 各因素交互效應(yīng)對(duì)花椒精油提取率的影響Fig.2 Interactive effects of various factors on the extraction rates of essential oils from Zanthoxylum bungeanum

響應(yīng)曲面圖可以直觀地反映各因素相互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。其中曲線越陡峭，等高線越近似橢圓，表明該交互作用越強(qiáng)，對(duì)響應(yīng)值影響越顯著，反之則說明交互作用越弱，對(duì)響應(yīng)值的影響越不顯著[11,12]。由圖2可知，液料比與微波功率、微波功率與提取溫度的交互作用對(duì)花椒精油的提取率影響比較顯著，這與上述方差分析和顯著性檢驗(yàn)正好相符。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過上述響應(yīng)面試驗(yàn)分析，確定了微波輔助提取花椒精油的最佳工藝條件為液料比10.32∶1，微波功率502.00 W，微波處理時(shí)間6.00 min，提取溫度60.24 ℃，在此條件下花椒精油提取率的最大理論預(yù)測(cè)值為7.96%?？紤]實(shí)際過程中試驗(yàn)的可操作性，將工藝條件優(yōu)化為液料比10.3∶1，微波功率502 W，微波處理時(shí)間6 min，提取溫度60 ℃。在優(yōu)化條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證，得到花椒精油提取率平均值為8.01%，與模型預(yù)測(cè)值接近，說明該模型對(duì)微波輔助提取花椒精油工藝條件的模擬是可靠的。

3 結(jié)論

本文以干花椒粉為研究對(duì)象，選用微波輔助提取法，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到各參數(shù)對(duì)花椒精油提取率的影響大小順序?yàn)椋阂毫媳?微波功率>微波處理時(shí)間>提取溫度，優(yōu)化后的最佳的工藝條件為：液料比10.3∶1、微波功率502 W、微波處理時(shí)間6 min、提取溫度60 ℃，此條件下精油提取率為8.01%，回歸方程所得的理論預(yù)測(cè)值為7.96%，實(shí)際值與理論預(yù)測(cè)值基本一致。本研究為花椒精油的微波工業(yè)提取利用以及作為食品調(diào)味料的合理開發(fā)提供了一定的科學(xué)依據(jù)，至于花椒精油中具體活性成分及含量差異，仍需要進(jìn)一步的研究和探索。

[1]周婷,蒲彪,姜?dú)g笑.花椒麻味物質(zhì)的研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2014,35(10):386-388.

[2]林洪斌,張鳳芳,曹東,等.花椒調(diào)味油制備及工藝優(yōu)化[J].中國(guó)調(diào)味品,2015,40(8):90-93.

[3]張懷予,王軍節(jié),陳園凡,等.水蒸氣蒸餾法提取花椒精油及揮發(fā)性成分分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2014,40(7):166-172.

[4]梁輝,趙鐳,楊靜,等.花椒化學(xué)成分及藥理作用的研究進(jìn)展[J].華西藥學(xué)雜志,2014,29(1):91-94.

[5]祝瑞雪,曾維才,趙志峰,等.漢源花椒精油的化學(xué)成分分析及其抑菌作用[J].食品科學(xué),2011,32(17):85-88.

[6]羅凱,朱琳,闞建全.水蒸汽蒸餾、溶劑萃取、同時(shí)蒸餾萃取法提取花椒揮發(fā)油的效果比較[J].食品科技,2012,37(10):234-236.

[7]楊瀟,芮光偉,蔣珍菊.三種不同方法提取花椒揮發(fā)油中化學(xué)成分的GCMS/AMDIS比較分析[J].中國(guó)調(diào)味品,2014,39(5):118-121.

[8]吳素玲,孫曉明,張鋒倫,等.微波輔助提取青花椒精油的適宜參數(shù)[J].中國(guó)野生植物資源,2014,33(6):6-8.

[9]房信勝,王超,馬偉志,等.微波輔助提取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速分析花椒揮發(fā)油[J].食品科學(xué),2011,32(8):262-266.

[10]高經(jīng)梁,劉玉蘭,張惠娟,等.微波對(duì)花椒精油提取的輔助作用[J].中國(guó)調(diào)味品,2012,37(9):33-35.

[11]李穎暢,張笑,呂艷芳,等.響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助提取紫菜多酚[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2014,14(9):82-89.

[12]滕曉煥,李家洲,蔡群娣,等.響應(yīng)面分析優(yōu)化酶輔助水提紫蘇葉揮發(fā)油的工藝研究[J].中國(guó)調(diào)味品,2016,41(1):72-76.