全 文 ：2011 年 7 月
第 26 卷第 7 期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and Oils Association
Vol． 26，No． 7
Jul. 2011
响应曲面法优化超声波协同微波提取
苘麻籽油的工艺研究
李 超 王乃馨 郑 义 陈 华 史 勇
(徐州工程学院食品工程学院，徐州 221008)
摘 要 优化了超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺参数，并利用扫描电镜从微观角度解释了最佳得率
的获得，然后和其他提取方法进行了对比，最后测定了油的理化性质。结果表明:超声波协同微波提取苘麻籽
油最佳工艺参数为液料比 10． 4 mL /g，微波时间 177 s和微波功率 326 W，此时苘麻籽油得率为 22． 33%;超声
波的空化效应、机械效应和微波的热效应造成了生物细胞壁及整个生物体的断裂与破碎，这解释了超声波协
同微波提取苘麻籽油效率高的原因;与其他提取方法相比，超声波协同微波提取时间短，得率高;苘麻籽油的
相对密度为 0． 907 8，折光指数为 1． 477，皂化值为 200． 74 mgKOH /g，酸值为 0． 447 mgKOH /g，过氧化值为
1． 076 2 mmol /kg。
关键词 超声波协同微波提取 苘麻籽油 响应曲面法 扫描电镜 理化性质
中图分类号:TS255． 36 文献标识码:A 文章编号:1003 － 0174(2011)07 － 0048 － 05
收稿日期:2010 － 07 － 20
作者简介:李超，男，1978 年出生，讲师，博士，天然产物化学及食
品加工
苘麻(Abutilon theophrasti Medic．)属于锦葵科
苘麻属一年生草本植物，主产于四川，河南，江苏，湖
北。全草味苦，性平，能解毒、祛风，治痢疾、中耳炎、
耳鸣、耳聋、关节酸痛等疾病［1］。苘麻籽性味甜，无
毒，能清热利湿、解毒、退翳，用于治疗赤白痢疾、淋
病涩痛、痈肿目翳、瘰疬［2 － 3］。苘麻籽主要有效成分
之一为苘麻籽油，其传统提取方法通常有索氏提取
法和有机溶剂提取法等，这些传统方法的最大缺点
就是耗时长，超声波协同微波提取作为一种优良的
提取方法，具有操作简便快捷、提取时间短、提取率
高等特点，目前己广泛应用在生物活性物质的提取
方面［4 － 6］。试验采用超声波协同微波提取苘麻籽油，
探索提取的最佳工艺参数，旨在为其产品的开发与
利用提供强有力的理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1． 1 原料与试剂
苘麻籽:安国市神禾中药材饮片有限责任公司，粗
纤维质量分数为 43． 6%，粗蛋白质量分数为12． 5%，水
分质量分数为 6． 3%。其余试剂均为分析纯。
1． 2 仪器与设备
标准检验筛:浙江上虞华美仪器纱筛厂;风选中
药粉碎机:山东省青州市精诚机械制造有限公司;
FA2104N 电子分析天平:上海精密科学仪器有限公
司;CW － 2000 型超声 －微波协同萃取仪:上海新拓
分析仪器科技有限公司;SENCO R201L旋转蒸发器:
上海申生科技有限公司;XMT － 152 电热恒温干燥
箱:上海跃进医疗器械厂;SHJM － 1 数显恒温搅拌电
热套:山东省鄄城现代实验仪器厂;索氏提取器;数
显式电热恒温水浴锅，上海跃进医疗器械厂;SX － 40
扫描电子显微镜:日本日立公司。
1． 3 方法
1． 3． 1 超声波协同微波提取
苘麻籽粉碎后过 80 目筛，称取约 5 g 置于
100 mL三角瓶中，加入一定体积的提取剂，提取一定
时间后加入无水 Na2SO4，过滤，蒸发浓缩后称量。提
取时将超声波处于开始状态。
1． 3． 2 工艺设计
1． 3． 2． 1 单因素试验
分别以不同的提取剂种类、液料比、提取时间和
微波功率对苘麻籽油得率的影响。
1． 3． 2． 2 Box-Behnken试验设计
根据 Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验
的基础上，选取液料比、微波时间和微波功率 3 个影
响因素，采用 3 因素 3 水平的响应曲面分析方法，试
验因素与水平设计见表 1。共 15 个试验点:其中 12
个为析因点，3 个为中心点。
第 26 卷第 7 期 李 超等 响应曲面法优化超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺研究
表 1 因素水平表
因素 代码
水平
－ 1 0 1
液料比 /mL /g x1 8 10 12
微波时间 / s x2 150 180 210
微波功率 /W x3 250 350 450
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程
为:
EY^ = β0 +∑
3
i = 1
βi xi +∑∑
3
i ＜ j = 1
βij xixj +∑
3
i = 1
βi i x
2
i + ε
式中:EY^ 为预测响应值;xi和 xj为自变量代码
值;β0 为常数项;βi为线性系数;βij为交互项系数;βii
为二次项系数;ε 为随机误差。按照 Box-Behnken 试
验设计的统计学要求，对上述方程的各项回归系数
进行回归拟合。
1． 3． 3 扫描电子显微镜分析
取苘麻籽原样及超声波协同微波提取后的样
品，经过低温干燥，喷金，在电子扫描显微镜下抽真
空进行电子扫描观察拍照。加速电压:10． 0 kV，分
辨率为 6 nm，放大倍数为 1 200。
1． 3． 4 其他提取方法
1． 3． 4． 1 索氏提取
苘麻籽粉碎后过 80 目筛，称取约 5 g，用滤纸包
好，放入 250 mL索氏提取器中，加入乙酸乙酯150 mL，
在 60 ℃水浴中恒温 6 h后加入无水 Na2SO4，过滤，蒸
发浓缩后称量。
1． 3． 4． 2 热回流提取
苘麻籽粉碎后过 80 目筛，称取约 5 g，放置于
500 mL圆底烧瓶中，加入乙酸乙酯 200 mL，在 60 ℃
水浴中提取 2 h后加入无水 Na2SO4，过滤，蒸发浓缩
后称量。
1． 3． 5 理化性质测定
测定最优工艺条件下提取的瓜蒌籽油的理化指
标，具体指标如下:折光指数，参考 GB /T 5527—
1985;相对密度，参考 GB /T 5526—1985;皂化值，参
考 GB /T 5534—2008;酸值，参考 GB /T 5530—2005;
过氧化值，参考 GB /T 5538—2005。
2 结果与分析
2． 1 单因素试验
2． 1． 1 提取剂种类的影响
作为提取油的理想溶剂应具有以下特性:对油
的溶解性好、选择性好，性质稳定，价格低廉、来源广
泛。苘麻籽油的提取属于固-液萃取过程，提取效果
主要由原料颗粒度和溶剂的性质决定。从图 1 可
知，乙酸乙酯的出油率最高，为 20． 11%;正己烷次
之，为 19． 65%;乙醚最低，为 16． 27%。乙酸乙酯的
出油率最高，同时其毒性较低，因此选用乙酸乙酯为
苘麻籽油的提取剂。
图 1 提取剂种类对得率的影响
2． 1． 2 液料比的影响
由图 2 可知，提取剂的增加，有利于油的溶出，
这是因为溶剂和原料间的浓度差越大，其提取效率
就越高，目标物质就越容易溶出，然而在液料比增加
到 10 之后，油的得率变化不大，表明提取基本完全，
为节省后续处理时间，选择液料比为 10。
图 2 料比对得率的影响
2． 1． 3 微波时间的影响
由图 3 可知，在微波时间为 180 s之前，苘麻籽
图 3 微波时间对得率的影响
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中国粮油学报 2011 年第 7 期
油不能充分的转移到溶液中，随着微波时间的增加，
油的含量增加，在 180 s时达到峰值;之后，继续增加
时间，苘麻籽油得率明显下降，这可能是因为随着微
波时间的增加，温度急剧升高，导致油分解或挥发所
致［7］，故选择微波时间为 180 s。
2． 1． 4 微波功率的影响
由图 4 可知，随着微波功率的增加，物质的加热
程度随着增加，油也能够较容易地被提取出来，即得
率增加;在微波功率达到 350 W之后，油得率有减少
的趋势，这可能是由于高微波功率导致的热效应使
油分解或挥发所致［7］，故选择微波功率为 350 W。
图 4 微波功率对得率的影响
2． 2 响应曲面试验
试验结果见表 2，利用 Design expert V7． 0． 0 统
计软件对表 2 试验数据进行回归拟合，得到苘麻籽
油得率对以上 3 个因素的 2 次多项回归模型为:
EY = －43． 01 +5． 99x1 +0． 397x2 －5． 025 ×10
－3x3 －
9 × 10 －3x1x2 + 4． 625 × 10
－4x1x3 + 2． 692 × 10
－4x2x3 －
0． 221x1x1 － 1． 142 × 10
－3x2x2 － 6． 3 × 10
－5x3x3
表 2 响应曲面试验结果
序号 x1 x2 x3 得率 /%
1 8 150 350 19． 57
2 12 150 350 20． 99
3 8 210 350 20． 75
4 12 210 350 20． 01
5 8 180 250 20． 53
6 12 180 250 21． 12
7 8 180 450 20． 15
8 12 180 450 21． 11
9 10 150 250 21． 58
10 10 210 250 20． 33
11 10 150 450 19． 22
12 10 210 450 21． 20
13 10 180 350 22． 16
14 10 180 350 22． 23
15 10 180 350 22． 33
对该模型进行方差分析，结果见表 3。
表 3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果
变异源 平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 12． 19 9 1． 35 22． 90 0． 001 5 ＊＊
x1 0． 62 1 0． 62 10． 52 0． 022 9 *
x2 0． 11 1 0． 11 1． 83 0． 234 2
x3 0． 44 1 0． 44 7． 47 0． 041 1 *
x1 x2 1． 17 1 1． 17 19． 73 0． 006 8 ＊＊
x1 x3 0． 034 1 0． 034 0． 58 0． 481 0
x2 x3 2． 61 1 2． 61 44． 12 0． 001 2 ＊＊
x1 x1 2． 88 1 2． 88 48． 64 0． 000 9 ＊＊
x2 x2 3． 90 1 3． 90 65． 94 0． 000 5 ＊＊
x3 x3 1． 47 1 1． 47 24． 79 0． 004 2 ＊＊
残差 0． 30 5 0． 059
失拟项 0． 28 3 0． 094 12． 83 0． 073 2
误差项 0． 014 6 2 0． 007 3
总和 12． 48 14
R2 = 0． 976 3 R2Adj = 0． 933 7 S /N = 14． 331
注:＊＊表示 0． 01 水平显著，* 表示 0． 05 水平显著
由该模型的方差分析表 3 可知:模型具有高度
的显著性(P ＜ 0． 01) ，失拟项(P ＞ 0． 05)不显著以及
R2Adj = 0． 933 7 和 S /N(信噪比)为 14． 331 远大于 4，
可知回归方程拟合度和可信度均很高，试验误差较
小，故可用此模型对超声波协同微波提取苘麻籽油
的工艺结果进行分析和预测。同时又由表 3 中 p 值
可知:模型的 1 次项 x1(P ＜ 0． 05)和 x3(P ＜ 0． 05)显
著、x2(P ＞ 0． 05)不显著;交互项 x1x2(P ＜ 0． 01)和
x2x3(P ＜ 0． 01)极显著，x1x3(P ＞ 0． 05)不显著;2 次
项都极显著，表明各影响因素对苘麻籽油得率的影
响不是简单的线性关系。为进一步确定最佳提取工
艺参数，对所得方程进行逐步回归，删除不显著项，
然后求一阶偏导，并令其为 0，可得最佳工艺参数为
液料比 10． 4 mL /g，微波时间 177 s 和微波功率
326 W，此时苘麻籽油得率为 22． 29%。为检验 Box-
Behnken试验设计所得结果的可靠性，采用上述优化
出的工艺参数提取 3 次，实际测得的平均得率为
22． 33%，与理论预测值相比，其相对误差约为
0． 2%。因此，基于 Box-Behnken 试验设计所得的最
佳工艺参数准确可靠，具有实用价值。
2． 3 提取前后苘麻籽细胞壁结构的比较
扫描电镜(SEM)可以揭示物质的微细结构，通
过比较提取前后苘麻籽细胞壁结构的不同，进而可
以揭示提取的机制。图 5 为未经过任何处理苘麻籽
原样的 SEM 图，图 6 经过超声波协同微波处理的苘
麻籽粕样品的 SEM图。
05
第 26 卷第 7 期 李 超等 响应曲面法优化超声波协同微波提取苘麻籽油的工艺研究
显然，经过超声波协同微波提取前后的苘麻籽
粕细胞组织形貌差异较大。在进行超声波协同微
波提取之前，苘麻籽粕组织细胞呈表面光滑、无折
痕或裂痕(图 5)。而经过超声波协同微波提取处
理之后的苘麻籽粕残渣表面发生扭曲，出现不规则
褶皱，表面积增大，细胞呈扩张状态，有了层层断裂
面(图 6) ，这大大加速了苘麻籽油的溶出速率，此
时苘麻籽油的溶出彻底，得率达到最大值。超声
波协同微波提取破壁普遍被认为主要是微波的热
效应及超声波的空化效应，这证实了 Pare 等［8］提
出的微波作用机理与分子水平的细胞破壁作用有
关，同时也解释了超声波协同微波提取效率高的
原因。
2． 4 不同提取方法比较
由表 4 可知，超声波协同微波提取苘麻籽油得
率是索氏提取的 98． 98%，而比热回流提取提高
20． 18%;但是超声波协同微波提取的提取时间却仅
仅 177 s，而其他提取方法则需要 2 h，提取时间大大
缩短。由此可知，超声波协同微波提取是一种非常
有效地提取苘麻籽油的方法。
表 4 不同提取方法得率的比较
提取方法 提取时间 得率 /%
超声波协同微波提取 177 s 22． 33
索氏提取 6 h 22． 56
热回流提取 2 h 18． 58
2． 5 理化指标
苘麻籽油的相对密度为 0． 907 8，折光指
数为 1． 477，皂化值为 200． 74 mgKOH /g，酸值为
0． 447 mgKOH /g，过氧化值为 1． 076 2 mmol /kg。
3 结论
3． 1 利用 Design-Expert 试验设计软件并结合实际
实验设备，通过响应面法建立了超声波协同微波提
取苘麻籽油的二次多项数学模型，优化出最佳提取
工艺参数为:液料比 10． 4 mL /g，微波时间 177 s和微
波功率 326 W，此时苘麻籽油得率为 22． 33%。
3． 2 微波的热效应及超声波的空化效应造成了苘
麻籽粕残渣表面发生扭曲，出现不规则褶皱，表面积
增大，细胞呈扩张状态，出现了层层断裂面，这大大
加速了苘麻籽油的溶出速率，此时苘麻籽油的溶出
彻底，得率达到最大值。
3． 3 通过超声波协同微波提取与其他提取方法的
比较，结果表明，超声波协同微波提取是一种非常有
效的提取苘麻籽油的方法。
3． 4 苘麻籽油的相对密度为 0． 907 8，折光指数为
1． 477，皂化值为 200． 74 mgKOH /g，酸值为 0． 447
mgKOH /g，过氧化值为 1． 076 2 mmol /kg，苘麻籽油
可作为一种高品质的食用油进行开发利用。
参考文献
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－ 26．
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中国粮油学报 2011 年第 7 期
Optimizationof Ultrasonic-Microwave Synergistic
Extraction of Oil from Semen Abutili by
Response Surface Methodology
Li Chao Wang Naixin Zheng Yi Chen Hua Shi Yong
(College of Food Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221008)
Abstract Firstly the ultrasonic-microwave synergistic extraction (UMSE)parameters of oil from Semen Abutili
were optimizated． And then the acquirement of the optimal extraction yield (EY)was interpreted with the scanning e-
lectron micrograph (SEM)in microscopic view． The effects of UMSE and other extraction techniques were compared．
At last，physical and chemical properties of Semen Abutili oil were determined according to national standards． The re-
sult showed that the UMSE parameters were solvent to material ratio 10． 4 mL /g，extraction time 177 s and microwave
power 376 W and EY was 22． 33% under these extraction conditions． The crack of cell wall and the disruption of
tissue structure were caused by cavitation effect and mechanical effect of ultrasonic and thermal effect of microwave，
which interpreted the acquirement of the optimal EY． Compared with other extraction techniques，UMSE had higher yield
and shorter extraction time． The relative density of Semen Abutili oil was 0． 907 8，refractive indexes was 1． 477，saponi-
fication value was 200． 74 mgKOH/g，acid value was 0． 447 mgKOH/g and peroxide value was 1． 076 2 mmol /kg．
Key words ultrasonic-microwave synergistic extraction，Semen Abutili oil，response surface methodology，
scanning electron micrograph，
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
physical and chemical properties
(上接第 21 页)
Effects of Oxidative Modification by Lipid Hydroperoxide
on Unfolding and Refolding Properties of Soy Protein
Wu Wei1，2 Lin Qinlu1，2 Hua Yufei3
(School of Food Science and Engineering，Central South University of Forestry and Technology1，Changsha 410004)
(Hunan Key Laboratory of Grain － oil Process and Quality Control2，Changsha 410004)
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University3，Wuxi 214122)
Abstract 13 － hydroperoxy － 9Z，11E － octadecadienoic acid (HPODE)was selected as the representatives of
lipid hydroperoxides to investigate effects of oxidative modification by a serial concentration of lipid hydroperoxide on
the unfolding and refolding properties of soy protein which was characterized by circular dichroism and intrinsic fluo-
rescence． Results showed that:the extent of oxidized soy protein structural recovery during refolding process decreased
as the extent of soy protein oxidation increased． As extent of protein oxidation increased，ΔGH2O，m，and［Urea］1 /2 of
oxidized soy protein gradually decreased． The phenomena indicated that oxidative modification led to a decrease in
protein structural stability． In addition，oxidative modification also resulted in an increase in the unfolding rate of soy
protein in urea，but a decrease in the refolding rate of soy protein．
Key words soy protein，oxidative modification，unfolding，refolding
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