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响应面法优化花椒叶调味油超声浸提工艺



全 文 :响应面法优化花椒叶调味油超声浸提工艺
谢王俊,祝瑞雪,钟凯,高鸿*
(四川大学 轻纺与食品学院,成都 610065)
摘要:利用响应面法优化花椒叶调味油超声浸提的工艺条件。在单因素实验的基础上,选取料液比、搅
拌时间和超声时间为影响因子,应用Box-Benhnken中心组合设计建立数学模型,以花椒叶调味油中的
酰胺类物质含量为响应值进行响应面分析。结果表明:花椒叶调味油超声浸提的最佳工艺条件为料液
比1∶3,搅拌时间为9min,超声时间为16min。此条件下,提取出的花椒叶调味油中的酰胺类物质含
量预测值为2.513mg/g,验证实际值为2.509mg/g。
关键词:花椒叶调味油;超声浸提;响应面法;优化
中图分类号:TS264.9   文献标志码:A    doi:10.3969/j.issn.1000-9973.2014.03.012
文章编号:1000-9973(2014)03-0050-04
Optimization of the Ultrasonic Extracting Technology of Zanthoxylum
bungeanumLeaf Seasoning Oil by Response Surface Methodology
XIE Wang-jun,ZHU Rui-xue,ZHONG Kai,GAO Hong*
(Colege of Light Industry,Textile and Food Engineering,
Sichuan University,Chengdu 610065,China)
Abstract:Optimize the ultrasonic extracting technology of Zanthoxylum bungeanumleaf seasoning oil
by response surface methodology.Based on single factor experiment,material-liquid ratio,stirring
time and ultrasonic time are selected as influencing factors.The experimental mathematical model is
arranged according to Box-Behnken central composite design.The alkylamides content of Zanthoxy-
lum bungeanumleaf seasoning oil is regarded as response value for response surface analysis.The re-
sults show that the optimum ultrasonic extracting conditions are:material-liquid ratio of 1∶3,stir-
ring time of 9min and ultrasonic time of 16min.Under such conditions,the predicted alkylamides
content is 2.513mg/g,and the practical alkylamides content is 2.509mg/g.
Key words:Zanthoxylum bungeanumleaf seasoning oil;ultrasonic extracting;response surface meth-
odology
  花椒叶(Zanthoxylum bungeanumleaf)是我国的
传统蔬菜和香料,可做调料食用或制作椒茶[1],其年产
量巨大,在果实成熟后采集花椒叶一般不影响来年的
结果和生产。但是目前仅有少部分被加工利用,大部
分都散落田间[2],大量的废弃花椒叶资源亟待开发利
用。花椒叶中含有与其果皮中相同的麻味物质成分,
含量比果皮少,但香味比果皮浓郁[3]。目前,用食用油
浸泡花椒制成的具有麻香味的调味油深受四川消费者
的青睐[4]。因此,制备花椒叶风味调味油,可以为消费
者提供更多的选择。
超声提取技术能保持低温提取来保护热敏性的有
效成分,同时可以明显的缩短提取时间,提高提取
率[5,6]。国内外已有大量关于植物有效成分超声浸提
的报道[7-11]。目前也有采用超声浸提花椒油的报
道[12],但是还没有采用超声浸提花椒叶调味油的相关
报道。本实验对汉源花椒叶调味油超声浸提工艺进行
收稿日期:2013-10-14        *通讯作者
作者简介:谢王俊(1990-),男,硕士,主要从事食品生物活性物质方面的研究。
—05—
基础研究  第39卷 第3期
2014年3月
               中 国 调 味 品
China Condiment
了研究,通过测定浸提得到的花椒叶调味油中的酰
胺类物质含量,并利用响应面分析法对浸提工艺进
行优化,为综合利用花椒叶资源提供相应的理论指
导。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
花椒叶:由四川五丰黎红食品有限公司提供,阴干
后真空保藏备用。
金龙鱼菜籽油,分析纯甲醇,层析级Al2O3。
AS205008超声波清洗器 天津奥特赛恩斯仪器
有限公司;LD4-2A低速离心机 北京医用离心机厂;
BS224S电子精密天平(精度0.0001g) 上海志荣电
子科技有限公司;WFZ UV-2000型紫外可见分光光
度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 超声浸提单因素实验
花椒叶经过粉碎,过80目筛后,称取10g花椒叶
粉末,分别按照表1~表3设定条件,加入菜籽油,先
搅拌后超声处理。完成后精滤,除去花椒叶残渣,最后
2500r/min离心,除去油中的水分,得到花椒叶调味
油样品。通过测定花椒叶调味油中的酰胺类物质含
量,确定各因素的范围。
表1 料液比单因素实验
Table 1Single factor experiment for material-liquid ratio
编号 料液比 搅拌时间(min) 超声时间(min)
1  1∶1.5  10  10
2  1∶2  10  10
3  1∶2.5  10  10
4  1∶2.5  10  10
5  1∶3  10  10
表2 搅拌时间单因素实验
Table 2Single factor experiment for stirring time
编号 料液比 搅拌时间(min) 超声时间(min)
1  1∶2.5  0  10
2  1∶2.5  5  10
3  1∶2.5  10  10
4  1∶2.5  15  10
5  1∶2.5  20  10
表3 超声时间单因素实验
Table 3Single factor experiment for ultrasonic time
编号 料液比 搅拌时间(min) 超声时间(min)
1  1∶2.5  10  0
2  1∶2.5  10  5
3  1∶2.5  10  10
4  1∶2.5  10  15
5  1∶2.5  10  20
1.2.2 响应面优化实验
在单因素实验的基础上,根据Box-Benhnken中
心组合实验设计原理,采用响应面法在三因素三水平
上对花椒叶调味油超声浸提工艺参数进行优化。试验
采取料液比、搅拌时间、超声时间为自变量,分别用
X1,X2,X3 表示,实验测得花椒叶调味油中总酰胺类
物质含量为应变量,用Y表示。变量设计见表4。
表4 因素水平表
Table 4Experimental factors and levels
因素 符号
水平
-1  0  1
料液比 X1 1∶2.5  1∶3  1∶3.5
搅拌时间(min) X2 5  10  15
超声时间(min) X3 10  15  20
1.2.3 花椒叶调味油中酰胺类物质含量测定方法
取100μL花椒叶调味油,按体积比1∶20加入甲
醇,室温振荡5min,超声5min,超声频率55Hz,将提
取液移入离心管中,在2500r/min的速度下,离心
10min;取上清液,过碱性Al2O3 小柱除去多酚,过有
机相滤膜,取1mL滤液,将滤液稀释10倍,在270nm
下测其吸光度值,每个样品制备3个平行样。
1.2.4 花椒叶调味油中酰胺类物质含量计算方法
将实验室制备的羟基-γ-山椒素配制成不同浓度
的溶液,以各浓度样液在270nm下吸光度值为纵坐
标,浓度为横坐标,绘制标准曲线,线性回归方程:y=
0.1282x,R2=0.9993。则花椒叶调味油中酰胺类物
质含量的计算方法如下:
C=X·V1/V2·V3·K/1000。
式中:C为花椒油中酰胺类物质的含量,单位为mg;
X为试样溶液中酰胺类物质的含量,即所测试样的
吸光度值y对应的标准曲线上的x值,单位为μg/mL;
V1 为提取所用甲醇的体积,单位为mL;
V2 为所取的花椒油的体积,单位为mL;
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V3 为加入菜籽油的体积,单位为mL;
K为稀释倍数。
将计算得到的花椒叶调味油中的酰胺类物质含量
除以所用的花椒叶质量,即得到每克花椒叶中所提取
出的酰胺类物质质量,单位为mg/g。
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果
单因素实验结果见图1。
2
1.5
1
0.5
0
1∶1.5 1∶2 1∶2.5 1∶3 1∶3.5
料液比





( m
g/
g)
2
1.5
1
0.5
0
0 5 10 15 20
搅拌时间(min)





( m
g/
g)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0 5 10 15 20
超声时间(min)





( m
g/
g)
图1 各单因素对花椒叶调味油中
酰胺类物质含量的影响
  由图1可知,在相同的搅拌和超声时间时,随着料
液比的增加,每克花椒叶中提取得到的酰胺类物质含
量出现先增加后减少的趋势,并且在料液比为1∶3时
最高。结合感官评定,在料液比为1∶2和1∶3.5时
麻味程度基本一致,但是因料液比较大时工艺易操作,
且得到的产品较多,因此料液比范围定为1∶2.5~
1∶3.5。而当料液比和超声时间相同时,在搅拌时间为
5~15min时,每克花椒叶中提取得到的酰胺类物质
含量处于较高水平。因此搅拌时间选定范围为5~
15min。同理,超声时间选定范围为10~20min。
2.2 响应面分析法优化实验结果
实验采用3因子二次正交回归旋转组合实验进行
设计,按照设计表进行实验,并测定各组花椒叶调味油
的酰胺类物质含量,结果见表5。
表5 中心组合试验设计与结果
Table 5Cenctral composite experimental design and results
序号 料液比
搅拌时间
(min)
超声时间
(min)
酰胺类物质含量
(mg/g)
1 -1 -1  0  2.196
2 -1  1  0  2.153
3  1 -1  0  2.184
4  1  1  0  2.102
5  0 -1 -1  1.834
6  0 -1  1  2.118
7  0  1 -1  1.816
8  0  1  1  2.087
9 -1  0 -1  1.772
10  1  0 -1  1.649
11 -1  0  1  1.950
12  1  0  1  1.982
13  0  0  0  2.505
14  0  0  0  2.496
15  0  0  0  2.505
  利用SAS软件对各因子进行分析经整理,所得的
分析结果见表6和表7。
表6 回归方程中回归系数估计值
Table 6Cofficient estimates in regression equation
方差来源 非标准化系数 t 显著性检验
常数项 2.501000  291.52 <0.0001P
X1 -0.019250 -3.66  0.0145
X2 -0.021750 -4.14  0.0090
X3 0.133250  25.36 <0.0001
X1·X1 -0.233875 -30.24 <0.0001
X2·X1 -0.009750 -1.31  0.2464
X2·X2 -0.108375 -14.01 <0.0001
X3·X1 0.038750  5.22  0.0034
X3·X2 -0.003250 -0.44  0.6800
X3·X3 -0.428875 -55.46 <0.0001
表7 回归模型方差分析
Table 7Analysis of variance for regression model
方差来源 自由度 平方和 均方和 F值 P值
回归模型 9  0.998159  0.9989  502.29 <0.0001
一次项 3  0.148794  0.1489  224.63 <0.0001
二次项 3  0.842937  0.8436  1272.55 <0.0001
交叉项 3  0.006429  0.0064  9.71  0.0158
失拟项 3  0.001062  0.000354  16.86  0.0565
纯误差 2  0.000042000  0.000021000
总误差 5  0.001104  0.000221
  采用F检验来判定回归方程中各变量对响应值
影响的显著性,概率P越小,相应变量的显著程度越
高:P<0.01时影响为高度显著,P<0.05时影响为显
著。X2,X3,X12,X22 和X32 对花椒叶调味油中酰胺类
物质含量影响高度显著,X1 影响显著。在三对交互作
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用的分析中,X1 和X3 的交互作用高度显著,其它为不
显著。回归模型、一次项和二次项高度显著,交叉项显
著。模型回归系数R2=99.89%,失拟项不显著说明
回归方程可以较好的描述与响应值之间的关系,可以
利用此回归方程计算实验结果。
软件拟合得到的响应面二次方程:
Y=2.501000-0.019250X1 -0.021750X2 +
0.133250X3 - 0.233875X12 - 0.009750X1X2 -
0.108375X22 +0.038750X1X3 -0.003250X2X3 -
0.428875X32。
软件预测最优干燥条件见表8。预测值为2.512653。
表8 响应面典型分析
Table 8Typical response surface analysis
因素 固定点 非固定点 标签
X1 -0.026236  1∶2.99 料液比
X2 -0.101483  4.49 搅拌时间
X3 0.154548  15.77 超声时间
  由表8可知,当X1 为1∶2.99,X2 为4.49min,
X3 为15.77min时,浸提效果最好,花椒叶调味油中
酰胺类物质含量预测最大值为2.513mg/g。因此,制
备的花椒叶调味油的最佳工艺条件为料液比1∶3,搅
拌时间9min,超声时间为16min。
回归模型的响应曲面图及其等高线见图2~图4。
2.5
1.9
Y 1
0.9
-0.9
X3 -0.9
0.9
X2
0.9
0.6
0.3
0
-0.3
-0.6
-0.9
X 3
-0.9 -0.6 -0.3 0 0.3 0.6 0.9
固定水平: X1=0 固定水平: X1=0
2.2
2.3
2.4
2.4
2.3
2.2
2.1
1.9
2
1.9 1.9
Y1
图2 Y=f(X2,X3)响应面立体图和等高图
2.4
1.8
Y 1
0.9
-0.9
X3 -0.9
0.9
X2
0.9
0.6
0.3
0
-0.3
-0.6
-0.9
X 3
-0.9 -0.6 -0.3 0 0.3 0.6 0.9
固定水平: X2=0 固定水平: X2=0
2.2
2
2.2
2
1.8 1.8
Y1
1.8
图3 Y=f(X1,X3)响应面立体图和等高图
2.46
2.16
Y 1
0.9
-0.9
X2 -0.9
0.9
X1
0.9
0.6
0.3
0
-0.3
-0.6
-0.9
X 2
-0.9 -0.6 -0.3 0 0.3 0.6 0.9
固定水平: X3=0 固定水平: X3=0
2.22
Y1
2.28
2.28
2.22
2.22 2.28 2.34 2.4 2.4 2.34 2.28 2.22
图4 Y=f(X1,X2)响应面立体图和等高图
  从曲面图可以直观的反应各因素对响应值的影
响。其中,曲线越陡峭则该因素对响应值影响越大。
而等高线图预测存在极值的条件在圆心处。由图2~
图4可知,X3(超声时间)对其影响最大,X2(搅拌时
间)第二,X1(料液比)影响最小。这与表2中对方程3
个交互项的方差分析结果相符。且等高线图中,3个
因素均在所选范围内有顶点,与表3中的分析结果相
吻合。
2.3 最佳条件的验证
为确认优化条件的可靠性,对超声辅助浸提花椒
叶调味油中酰胺类物质含量进行了验证性实验,重复
3次。实际测得的酰胺类含量为2.509mg/g,与预测
值基本一致。这说明回归方程与实验数据很吻合,验
证了所建模型的正确性。证明了响应面分析优化法在
确定超声辅助浸提花椒叶调味油工艺条件的可行性。
3 结论
通过响应面优化法得到的超声辅助浸提花椒叶调
味油的最佳工艺:料液比1∶3,搅拌时间5min,超声
时间为16min。此条件下浸提的花椒叶调味油中酰
胺类物质含量预测值为2.513mg/g。3次实验验证
实际值为2.509mg/g。制备的花椒叶调味油香味独
特,麻味适中,符合对麻味刺激低耐受人群的需要。
参考文献:
[1]史劲松,顾龚平,吴素玲,等.花椒资源与开发利用现状调
查[J].中国野生植物资源,2003,22(5):6-8.
[2]崔俊,李孟楼.花椒开发利用研究进展[J].林业科技开发,
2008,22(2):9-14.
[3]谢王俊,陈槐萱,李霄洁,等.汉源产红花椒叶中麻味物质特
征的研究[OL].http://www.paper.edu.cn/,2012-11-30.
(下转第58页)
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0.9
0.6
0.3
0
-0.3
-0.6
-0.9
Y 1
-0.9 -0.6 -0.3 0 0.3 0.6 0.9
Y1
0.45
0.48
0.4
0.4 0.48 0.56 0.64 0.64 0.56
固定水平 X3=0
固定水平 X3=0
0.3
0.9
X 2
0.9
-0.9 -0.9
0.9
X2
X3
图12 PEG分子量与硫酸铵质量分数交互影响
多糖得率的预测响应面图和等高线图
  通过观察上述图系可以得出:因素X1(PEG相对
分子质量)、X2(硫酸铵质量分数)、X3(PEG质量分数)
对实验结果均有影响,影响作用主次顺序为X1>X2>
X3;回归方程存在稳定点,结合实际生产考虑,最大值
点对应 PEG 分子量为 6000,硫酸铵质量分数为
14.8%,PEG质量分数为14.3%,在此点预测的米糠
多糖得率为0.831113。
3.6 验证试验
为检验模型预测的准确性,在优化条件下进行验
证试验,平均得率为0.826388,与模型预测值非常接
近,表明设计模型能很好地预测实际的米糠多糖提取
情况。
4 结论与讨论
实验结果表明:当PEG相对分子质量为6000,硫
酸铵质量分数为14.8%,PEG6000质量分数为14.3%
时,米糠多糖在上相中的收率最大,分配系数最高,米
糠多糖得率为0.826388,综合考虑可将其视为最佳萃
取条件。
回归方程所得到的最大预测值与验证值非常接
近,说明回归方程能较真实地反映各因素的影响,建立
的模型与实际情况是比较吻合的,因此采用响应面法
优化双水相提取米糠多糖是米糠多糖提取率的有效途
径之一。
参考文献:
[1]杨成,吴春英,骆文娟,等.多糖的研究现状与展望[J].湖南
中医杂志,2013,29(6):146-148.
[2]章杏,林华军.米糠的利用[J].福建稻麦科技,2001,19(6):
44-46.
[3]李长河.米糠多糖的研究现状与发展前景[J].现代化农业,
2005,306(1):39-41.
[4]俞兰苓,刘友明,全文琴,等.几种米糠多糖提取工艺的比
较[J].粮油食品科技,2006,14(6):18-20.
[5]江咏,李晓玺,李琳,等.双水相技术的研究进展及应用[J].
食品工业科技,2007,28(10):235-238.
[6]田润,尹爱武.聚乙二醇双水相体系在萃取分离中的应
用[J].江西化工,2012(2):15-19.
[7]吴疆,班立桐.应用双水相萃取技术提取双孢菇多糖的研
究[J].食品研究与开发,2011,32(7):4-6.
[8]张丙华,张晖.响应面法优化脱脂米糠植酸提取工艺[J].中
国油脂,2010,35(4):45-49.
(上接第53页)
[4]赵志峰.汉源花椒风味物质研究及花椒油生产工艺优
化[D].成都:四川大学,2005.
[5]李真,贾亮,贾绍义.中药有效成分提取技术及其应用[J].
化学工业与工程,2005,22(6):450-455.
[6]Huafeng Zhang,Xiaohua Yang,Li dong Zhao,et al.Ultra-
sonic-assisted extraction of epimedin C[J].Fresh Leaves of
Epimedium and Extraction Mechanism,2009(10):54-60.
[7]曹雁平,刘佐才.植物成分超声浸取研究现状[J].化工进
展,2005,24(11):1249-1252.
[8]丁旭光,侯冬岩,关崇新,等.超声提取黄柏黄色素的研
究[J].食品科学,2008,29(8):383-385.
[9]Onder Aybastier,Esra Isik,Saliha Sahin,et al.Optimiza-
tion of ultrasonic-assisted extraction of antioxidant com-
pounds from blackberry leaves using response surface meth-
odology[J].Industrial Crops and Products,2013,44:558-
565.
[10]Hui Li,Bo Chen,Shouzhuo Yao.Application of ultrason-
ic technique for extracting chlorogenic acid from Eucommia
ulmodies Oliv.(E.ulmodies)[J].Ultrasonics Sonochem-
istry,2005(12):295-300.
[11]Yuting Tian,Zhenbo Xu,Baodong Zheng,et al.Optimi-
zation of ultrasonic-assisted extraction of pomegranate
(Punica granatum L.)seed oil[J].Ultrasonics Sonochem-
istry,2013,20:202-208.
[12]欧阳玉祝,石爱华,陈小东,等.花椒油的超声提取及其成
分分析[J].食品与发酵工业,2007,33(3):133-135.
—85—
基础研究  第39卷 第3期
2014年3月
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