孙思全 李姣 张庆芬 杨逢建

摘要：为研究色木槭籽油的超声提取工艺，以色木槭籽为原料，采用超声辅助提取技术，对料液比、超声时间、超声功率和超声温度进行单因素试验，根据试验结果设计Box-Behnken响应面法优化提取工艺并进行验证，得出最佳提取工艺为，料液比1∶17.50 g/mL，超声时间62 min，超声功率350 W，实际操作得油率为30.00%，与预期得油率30.48%基本一致。对比分析超声辅助提取与索氏提取所得色木槭籽油的脂肪酸构成和理化性质。结果表明，提取方式对籽油脂肪酸构成无影响，色木槭籽油脂肪酸类型19种，不饱和脂肪酸占比92%，代表性不饱和脂肪酸為亚油酸（42.4%）。色木槭籽油属于半干性油，干燥性和氧化稳定性较好，油脂各项指标均满足食用植物油卫生标准。该研究证实超声辅助提取能够实现色木槭籽油的高效提取，在不影响籽油脂肪酸构成的基础上，对其品质有所改善，为色木槭籽油的制备提供数据参考。

关键词：色木槭籽油；超声提取；响应面优化；脂肪酸；理化性质

中图分类号：TS225.9文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0121-11

Model Optimization of Ultrasonic Extraction Process

of Acer mono Maxim Seed Oil

SUN Siquan1，2，3，4，5， LI Jiao1，2，3，4，5， ZHANG Qingfen1，2，3，4，5， YANG Fengjian1，2，3，4，5*

（1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.College of Chemistry， Chemical Engineering and Resource Utilization， Northeast Forestry University， Harbin 150040，

China; 3.Engineering Research Center of Forest Bio-preparation， Ministry of Education， Northeast Forestry University，

Harbin 150040， China; 4.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Ecological Utilization of Forestry-based Active

Substances， Harbin 150040， China; 5.National Engineering Laboratory of BioResource EcoUtilizaiton，

Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：To study the ultrasonic extraction technology of Acer mono Maxim seed oil， the single factor tests of solid-liquid ratio， ultrasonic time， ultrasonic power and ultrasonic temperature were carried out with Acer mono Maxim seed as raw material by ultrasonic assisted extraction technology. According to the experimental results， the Box-Behnken response surface method was designed to optimize the extraction process and verified， the optimal extraction process was as follows： solid-liquid ratio of 1∶17.50 g/mL， ultrasonic time of 62 min， ultrasonic power of 350 W， the actual oil yield of 30.00%， which was basically consistent with the expected oil yield of 30.48%. The fatty acid composition and physicochemical properties of Acer mono Maxim seed oil obtained by ultrasonic-assisted extraction and Soxhlet extraction were compared and analyzed. The results showed that the extraction method had no effect on the fatty acid composition of seed oil. There were 19 types of fatty acids in Acer mono Maxim seed oil and the proportion of unsaturated fatty acids accounted for 92%， the representative unsaturated fatty acid was linoleic acid （42.4%）. The oil of Acer mono Maxim seed was a semi-dry oil with good desiccation and oxidation stability. All the indexes of oil met the hygienic standard of edible vegetable oil. This experiment confirmed that ultrasound-assisted extraction could achieve the efficient extraction of Acer mono Maxim seed oil， without affecting the fatty acid composition of the seed oil， and improve its quality， which provided data reference for the preparation of Acer mono Maxim seed oil.

Keywords：Acer mono Maxim seed oil; ultrasonic extraction; response surface optimization; fatty acid; physical and chemical properties.

收稿日期：2022-06-16

基金项目：黑龙江省林业科技项目（GB21B104-8）

第一作者简介：孙思全，硕士研究生。研究方向为植物资源学。 Email： 2893858298@qq.com

*通信作者：楊逢建，博士，教授。研究方向为植物资源学。Email： yangfj@nefu.edu.cn

引文格式：孙思全，李姣，张庆芬，等.模型优化色木槭籽油的超声提取工艺[J].森林工程，2023，39（2）：121-131.

SUN S Q， LI J， ZHANG Q F， et al. Model optimization of ultrasonic extraction process of Acer mono Maxim seed oil[J]. Forest Engineering，2023，39（2）：121-131.

0引言

色木槭（Acer mono Maxim.）又名五角枫，是槭树科（Aceraceae）槭属（Acer）的落叶乔木，主要分布于长江流域各省以及东北、华北地区[1-2]。色木槭树干、树皮、种子及枝叶等，均具有较高的经济利用价值[3-4]。色木槭籽富含优质蛋白和油脂，油脂中微量元素、维生素和脂肪酸等物质含量丰富且构成合理，其籽油是一种优质的植物油，相比于传统食用油对人类具有更多益处[5]。此外，色木槭籽油对肿瘤细胞具有抑制作用，对人体细胞的修复具有积极作用，还可以作为一种脂质体，用作研制新药物的载体，具有广泛的市场开发价值[6]。

目前，国内外对于油脂提取方法的摸索运用已较为成熟，包括压榨法、溶剂浸提法、CO2超临界萃取法[7]、水酶法[8]、超声辅助提取法[9]及多种提取方法偶联[10]等。其中超声辅助提取法是利用超声波的空化作用、机械效应和热效应等加速细胞内物质的溶解、扩散和释放，从而提高提取效率，具有成本低、温度低、效率高及有效成分不被破坏等优点，应用前景十分广阔[11-12]。

本研究以色木槭籽为原料，采用超声辅助提取法，以单因素实验为基础，根据试验结果设计Box-Behnken三因素三水平响应面法优化提取工艺并进行验证。将超声辅助提取与索氏提取所得到的色木槭籽油进行脂肪酸构成和理化性质的对比分析，为色木槭籽油的深度开发利用提供理论参考。

1材料与方法

1.1材料与试剂

色木槭翅果购买于黑龙江省伊春市。石油醚、乙酸乙酯、正丁醇及环己烷购买于天津富宇精细化工有限公司；氢氧化钾和硫代硫酸钠购买于天津致远化学试剂有限公司；碘化钾购买于天津天力化学试剂有限公司；可溶性淀粉购买于天津恒兴化学试剂制造有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2仪器与设备

高速粉碎机（QE-100，浙江屹立工贸有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（DGH-9145A，上海-恒科科技有限公司）； 数控超声波清洗器（KQ-500DB，昆山超声仪器有限公司）；医用离心机（H1650，长沙高新技术产业开发区湘仪离心机器有限公司）；旋转蒸发仪（R-205，上海申胜生物技术有限公司）；气相色谱（GC-2010Plus，岛津公司）；磁力搅拌水浴锅（SHJ-6AB，常州金坛良友仪器有限公司）。

1.3方法

1.3.1样品的制备

（1）色木槭翅果剥壳去皮后放入烘箱干燥（低温，60 ℃，48 h）。

（2）色木槭籽研磨过筛后再次放入烘箱干燥（60目粉末，60 ℃，含水率≤5%）备用[13]。

1.3.2提取溶剂筛选

本试验选取石油醚、甲醇、乙醇、正丁醇、乙酸乙酯及丙酮（均为分析纯）6种有机溶剂作为色木槭籽油的提取溶剂。称取60目干燥色木槭种籽粉末2.00 g，在料液比1∶12 g/mL，超声时间40 min，超声功率300 W，室温条件下进行超声辅助提取，分析不同有机溶剂对色木槭籽油的得油率及物理性质的影响。

1.3.3得油率测定

色木槭籽油的得油率为

Y=M1M2×100%。（1）

式中：Y为得油率，%；M1为提取所得籽油质量，g；M2为提取所用籽粉质量，g。

1.3.4数据统计与处理

采用Origin 2018和Design Expert 8.0.6 Trial软件进行数据统计与处理。

1.3.5GC-MS检测油脂脂肪酸组成

本试验气相色谱分析条件参照GB 5009.168—2016[14]，具体详情见表1。

1.3.6油脂理化性质的测定

相关理化性质的测定方法如下：比重参照GB 5526—1985[15]；水分及挥发物参照GB 5009.236—2016电热干燥箱法[16]；酸值参照GB 5009.229—2016冷溶剂指示剂滴定法[17]；碘值参照GB/T5532—2008[18]；皂化值参照GB 5534—2008[19]；过氧化值参照GB 5009.227—2016滴定法[20]；硫代巴比妥值参照GB/T35252—2017[21]。

1.4单因素试验

精确称取色木槭种籽粉末2.00 g，室温条件下，超声时间40 min，超声功率250 W，研究料液比为1∶4、1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g/mL时对得油率影响；种籽粉末2.00 g，室温条件下，料液比1∶16 g/mL，超声功率250 W，研究超声时间为10、20、40、60、80、100 min时对得油率的影响；种籽粉末2.00 g，室温条件下，料液比1∶16 g/mL，超声时间40 min，研究超声功率为200、250、300、350、400、450 W时对得油率的影响；种籽粉末2.00 g，料液比1∶16 g/mL，超声时间40 min，超声功率250 W，研究超声温度为15、20、25、30、35、40 ℃时对得油率的影响。

2结果与分析

2.1有机溶剂的筛选

不同有机溶剂提取色木槭籽油的得油率及物理性质见表2。

澄清透明结果表明，得油率从高到低依次为：石油醚、乙酸乙酯、甲醇、正丁醇、丙酮、乙醇，范围为15%～20%。石油醚、丙酮及乙醇提取所得油脂颜色为浅黄色，澄清透明；甲醇和正丁醇提取所得油脂颜色均为棕色，乙酸乙酯提取所得油脂颜色为黄色，三者均为半透明状态。其中石油醚提取所得油脂得油率高且质量好，因此，选取石油醚作为色木槭籽油的提取溶剂，进行后续试验。

2.2单因素试验分析

2.2.1料液比对得油率的影响

由图1（a）可知，色木槭籽油得油率随着溶剂体积的增大，呈上升趋势，当料液比为1∶16 g/mL时，达到最大值26%，而随着溶剂体积的继续增大，得油率开始下降。这是由于一定质量的色木槭种籽粉末，随着溶剂体积的增大，使得种籽粉末与提取溶剂的接触率大大增加，料液质量浓度差增大，传质速率提高，得油率增大；但当溶剂体积过大时，单位体积物料接收到的超声能量降低，使得油脂溶出速率降低，得油率减小[22-23]。此外还会造成溶剂浪费及增加后期工业浓缩成本，故选取料液比1∶12～1∶20 g/mL进行后续优化试验。

2.2.2超声时间对得油率的影响

由图1（b）可知，色木槭籽油得油率随着时间的增加不断增高，而后呈下降趋势，在60 min时达到最高值28.5%。原因是超声时间较短时，料液质量浓度差大，油脂浸出的驱动力大，得油率显著升高，而超声时间过长会使得色木槭籽油油脂颗粒破裂分散，导致得油率降低[24]。故选取超声时间40～80 min进行后续优化试验。

2.2.3超声功率对得油率的影响

由图1（c）可知，色木槭籽油得油率随着超声功率的增加不断增加，在350 W时达到最大值29%，随后下降。这是因为随着超声功率增大，空化、乳化和粉碎等作用加强，界面层分子扩散速度加快，使得色木槭籽中的脂肪浸出速度加快，但功率过大可能破坏脂肪分子的结构与性质，导致得油率下降[25]。故选取超声功率300～400 W进行后续优化试验。

2.2.4超声温度对得油率的影响

由图1（d）可知，色木槭籽油得油率随着超声温度的增加呈先升高后下降的趋势，在25～30 ℃时达到最大值27.5%。超声温度对色木槭籽油得油率影响较小，并且石油醚具有强挥发性，随着超声温度的升高，石油醚挥发，导致油脂浸出减少，得油率降低。故不选取该因素进行后续优化试验。

2.3响应面优化

2.3.1優化编码水平表

根据单因素试验结果，选取料液比、超声时间、超声功率为自变量，以得油率为响应值设计三因素三水平Box-Behnken Design优化试验，优化编码水平表见表3。

2.3.2响应面优化提取工艺

以色木槭籽油得油率（Y）作为响应值，料液比（A）、超声时间（B）、超声功率（C）为响应变量，进行三因素三水平二次回归正交旋转组合设计，试验结果见表4。利用Design Expert 8.0.6 Trial软件对表4中的数据进行分析，计算各项回归系数，建立数学回归模型，最终得到色木槭籽油得油率的二次多项回归方程：Y=30.30+0.81A+0.25B+0.31C+0.12AB+0.25AC+0.13BC-1.15A2-1.28B2-1.90C2。

分析表5数据可知，色木槭籽油得油率模型差异极显著（P<0.01），失拟项不显著（P>0.05），表明模型拟合度良好。在各影响因素中，一次项料液比（A）对得油率的影响极显著，超声时间（B）与超声功率（C）对得油率的影响显著。组合因素中，AB、AC、BC的P>0.05，说明对得油率的影响均为不显著。二次项A2、B2、C2的P<0.01，说明对得油率影响均为极显著。且由F大小可知，不同因素对得油率Y的影响程度由大到小为：料液比（A）、超声功率（C）、超声时间（B）[26]。由表6数据分析可知，模型决定系数R2= 0.987 2，调整系数R2Adj=0.970 7，预测系数R2Pred=0.908 9，均大于0.9，进一步表明模型拟合度良好，响应面适合后续试验优化分析。

2.3.3响应面图及等高线图分析

图2为响应面优化过程中所对应的3D伞状图和2D等高线图，3D伞状图可确定影响因素的中间值和极值，2D等高线图是在二维平面中显示三维关系，更直观地反映各因素对响应值的影响程度。结合数据和模型，响应值 （Z轴） 与其他2个影响因素 （X轴和Y轴） 建立RSM拟合模型，并将其中一单因素设置定量为0。

由图2（a）中可看出，料液比（A）与超声时间（B）间的交互作用为料液比的曲面陡峭程度高于超声时间，表明单因素对得油率的影响程度为料液比大于超声时间，即A>B，同理，由图2（b）和图2（c）中分别可看出，料液比大于超声功率，超声功率略大于超声时间，即A>C，C >B，综上可得出3组因素对得油率的影响程度由大到小为：料液比（A）、超声功率（C）、超声时间（B），与表5 F验证结果一致。3D伞状图中可看出，3种因素对得油率的影响均是先增加后降低的趋势，3组响应面图都呈凸型曲面，表明色木槭籽油得油率在这3因素设计范围内存在最大值，说明此模型可用。

2.3.4验证试验

综合上述模型，优化得到最佳提取工艺参数为料液比1∶17.48 g/mL，超声时间62.43 min，超声功率355.55 W。考虑到试验的可操作性，调整参数为料液比1∶17.50 g/mL，超声时间62 min，超声功率350 W，进行3次平行验证，色木槭籽油得油率为30.00%，与预期得油率30.48%基本一致，表明优化工后的工艺条件切实可行。

2.4GC-MS分析脂肪酸组成

图3与表7为超声辅助提取法与索氏提取法提取所得色木槭籽油的GC-MS总离子流图以及脂肪酸构成对比分析表。索氏提取采用常规方法为料液比1∶17 g/mL，石油醚为提取溶剂，循环回流提取4～6 h。分析可知，2种方法提取所得油脂脂肪酸种类及含量近乎无差异，表明这2种提取方法对油脂脂肪酸构成基本无影响，但超声辅助提取法所得不饱和脂肪酸含量略高于索氏提取法，改良了油脂品质。GC-MS检测色木槭籽油脂肪酸类型19种，不饱和脂肪酸占比高达92%，按含量由多到少排序为：亚油酸、油酸、芥酸、顺-11-二十碳烯酸、神经酸、γ-亚麻酸、顺式-11，14-二十碳二烯酸、花生酸、顺-13，16-二十二碳二烯酸、棕榈油酸、花生四烯酸。其中代表性不饱和脂肪酸为亚油酸，占比42.4%。

2.5理化性质

测定超声辅助提取法与索氏提取法提取所得色木槭籽油的各项理化指标，结果见表8。色木槭籽油与大豆油、花生油一致，碘值较高，属于半干性油（碘值为100～130），皂化值适中，酸值、过氧化值较低，说明籽油中不饱和脂肪酸含量较高，脂肪酸分子量较小，酸败程度低，品质好，各项指标均满足食用植物油卫生标准[27]。超声辅助提取所得油脂与索氏提取相比，酸值、过氧化值、皂化值均略低，碘值略高。这是因为室温条件下，超声辅助提取不会破坏色木槭籽中某些具有热不稳定，易分解或氧化的成分。结果表明，超声辅助提取所得籽油质量更好，该方法更适用于色木槭籽油的制备。

3结论与讨论

本研究对色木槭籽油的超声辅助提取工艺进行了系统性研究，对比分析6种有机溶剂对色木槭籽油得油率及所得油脂品质的影响，结果表明石油醚对色木槭籽油提取效果最好。在单因素试验基础上，采用响应面试验进行优化分析，确定最佳工艺条件为：料液比1∶17.50 g/mL，超声时间62 min，超声功率350 W，此条件下色木槭籽油得油率30.00%，与预期得油率30.48%基本一致。此方法远高于高文博[28]用超临界CO2法提取色木槭籽油的7.13%得油率。GC-MS检测超声辅助提取与索氏提取所得色木槭籽油，分析得出色木槭籽油脂肪酸类型19种，代表性脂肪酸为亚油酸，其相对含量可达42.4%，不饱和脂肪酸含量高达92%，且超声辅助提取法所得不饱和脂肪酸含量略高于索氏提取法。测定籽油理化性质可知，色木槭籽油属于半干性油，油脂脂肪酸分子量小、易吸收、酸败程度低、品质好，各项指标均满足食用植物油卫生标准，属于优质植物油。

综上所述，色木槭籽油品质优良，超声辅助提取法在色木槭籽油的提取过程中具有高效、节能、省时、操作简单以及改良油脂品质等优势，为色木槭籽油的制备提供數据参考。

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