全 文 ：均匀设计优化水冬瓜果实油脂的提取工艺
杨朝福1　霍阿丽1　陆　刚2　薛亚峰1　王俊儒2
(西北农林科技大学生命科学学院1 ,杨凌　712100)
(西北农林科技大学理学院2 ,杨凌　712100)
摘　要　水冬瓜果实含有大量的油脂 ,是现今生物柴油的研究热点。本试验采用均匀设计法研究了液料
比 、超声提取时间 、提取次数 、提取溶剂 4因素 8水平对得油率的影响。结果表明 ,最佳提取工艺条件:溶剂为
石油醚 、液料比为 7 mL·g-1 、超声提取时间20 min 、提取次数 4次 ,此时油脂提取率为 72.11%～ 74.78%,所得
油脂橙黄清亮。利用超声波溶剂提取法可以快速得到高质量的油脂 ,这为水冬瓜生物柴油原料油的提取提供
一定参考 。
关键词　水冬瓜　果实　油脂　超声提取　均匀设计
中图分类号:R284.2　　文献标识码:A　　文章编号:1003-0174(2009)03-0075-04
　　水冬瓜(Idesia Polycarpa Maxim.Var.Vestita Dies)
是大风子科(Flacourtiaceae)山桐子属(Idesia)山桐子
的变种 ,在我国分布于秦岭 、淮河以南各省 ,陕西 、四
川 、安徽 、浙江 、江西等省均有分布。其为落叶乔木 ,
高10 ～ 15 m ,浆果球形 ,富含油脂[ 1] ,生长适应性强 ,
是我国生物柴油研究的热点[ 2] 。生物柴油的生产原
料是动植物油脂 , 它可以再生而且有害气体排放
少[ 3-4] ,是缓解石油能源枯竭的有效手段。中国人
口众多 ,像欧洲国家一样将食用油作为生物柴油的
主要生产原料不现实[ 5-6] ,但我们国家农业人口多 ,
有近 70%的山地 、高原 、丘陵地区可造林 ,容易建立
油料植物供应基地[ 7] 。水冬瓜正是此类优选树种 ,
四川已把其种植推广列入火炬计划 。
目前油脂提取工艺的优化主要采取正交试验设
计 ,当欲考察的因素数较多 ,特别是因素水平数较多
时 ,试验工作量仍然很大 ,而用均匀设计表安排试
验 ,则试验工作量大大地减少。均匀设计表是我国
数学家方开泰应用数论方法构造出来的 ,它不考虑
试验数据的整齐可比性 ,而让试验点在试验范围内
充分地均衡分散 。与正交试验设计相比 ,均匀试验
基金项目:2005年西北农林科技大学青年学术骨干支持计划 ,
2005年教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-05-
0855)
收稿日期:2008-07-08
作者简介:杨朝福 ,男,1980年出生,硕士 ,药用植物化学成分研究
通讯作者:王俊儒男 , 1966年出生 ,博士 ,教授 ,植物资源化学 、化
学生物学和环境生物学研究
设计突出的优点是试验工作量少 ,但其试验结果仍
能反映分析体系的基本特征。本试验旨在综合均匀
设计[ 8]和超声提取的优点 ,以得油率为指标优化水
冬瓜果实油脂的提取工艺 ,为水冬瓜生物柴油的原
料油提取提供参考 。
1　材料与方法
1.1　材料
水冬瓜果实于 2005年 5月购于陕西略阳 ,经鉴
定为小果水冬瓜 Idesia Polycarpa Maxim.Var.Vestita
Dies的干燥果实。
1.2　仪器与试剂
101型电热鼓风干燥箱:北京科伟永兴仪器有限
公司;SB5200DT型超声波清洗机:宁波新芝生物科技
股份有限责任公司;RE-52AA型旋转蒸发器:上海
亚荣生化仪器厂;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵:郑
州长城科工贸有限公司;HHS-21电热恒温水浴锅:
江苏华欧实验仪器厂。
乙醚:分析纯 ,天津市化学试剂厂;三氯甲烷:分
析纯 ,天津市东丽区天大化学试剂厂;石油醚正已
烷:60 ～ 90 ℃,分析纯 ,天津市博迪化工有限公司 。
1.3　果实得油率测定
水冬瓜果实得油率测定参考中华人民共和国标
准谷类 、油料作物种子粗脂肪测定方法 GB 2906—
1982。
2009年 3月
第24卷第 3期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and Oils Association
Vol.24 ,No.3
Mar.2009
1.4　提取工艺试验设计
根据均匀设计试验方法与溶剂提取工艺的特
点 ,选择液料比 X1 、超声提取时间 X2 、提取次数X3 及
溶剂种类A(A1 石油醚 、A2 正己烷 、A3 乙醚 、A4 三氯
甲烷)4个因素 ,采用含定性因素的拟水平法 ,每个
因素确定8个水平 。选取U8＊(85)[ 10]均匀设计表 ,根
据其使用表的规定 ,选择其中的 1 、2 、3 、5列 ,组成
U8
＊(84)表 , D=0.2709 ,因素水平和试验安排见表 1。
采用 SAS软件(美国SAS公司 ,版本 8.1)对试验数据
进行统计分析。
表 1　因素水平表
水平因素 1 2 3 4 5 6 7 8
液料比 X1/mL·g-1 3 4 5 6 7 8 9 10
超声提取时间 X2/min 20 25 30 35 40 45 50 55
超声提取次数 X3/ time 1 1 2 2 3 3 4 4
溶剂 A A1 A1 A2 A2 A3 A3 A4 A4
1.5　验证试验
验证试验:称取 3 g 水冬瓜果实样品粉末 ,在最
佳提取条件进行水冬瓜果实油脂的提取试验 。
回流提取对比试验:称取 3 g 水冬瓜果实样品粉
末 ,在最佳溶剂和液料比的条件下回流提取 ,在冷凝
下滴的石油醚呈连珠状态下提取 8 h。
2　结果与分析
2.1　均匀设计提取工艺的结果与回归分析
水分含量为 8.902 5%的水冬瓜果实油脂提取工
艺的试验结果见表 2 ,对表 2 数据做回归分析 ,把定
性因素溶剂种类A用伪变量表示 ,A因素是4水平的
因素 ,用 3个变量表示:Ax =1(A因素是 x 水平)或 0
(其他),A1+A2+A3+A4=1 ,它们构成完全共线性关
系 ,或者说变量 A4 可以完全由 A1 、A2 、A3 决定 ,所以
对4水平的定性因素A只引入3个伪变量A1 、A2 、A3 。
首先用得油率 y 对6个自变量 X1 、X2 、X3 、A1、A2 、
A3做多元线性回归 ,回归变量见表 3。
表 2　均匀试验设计与结果
试验号
因素
液料比
X1/mL/g
超声提取
时间X2/min
超声提取
次数X3
溶剂
A
得油率 y
/ %
1 3 25 2 A4 22.469 1
2 4 35 4 A4 24.296 2
3 5 45 2 A3 22.893 3
4 6 55 4 A3 24.371 7
5 7 20 1 A2 21.624 0
6 8 30 3 A2 23.919 9
7 9 40 1 A1 21.882 8
8 10 50 3 A1 25.088 5
表 3　多元线性回归变量
试验
号
液料比
X1/mL/ g
超声提取
时间X2/min
超声提取
次数 X3
溶剂
A1
溶剂
A2
溶剂
A3
得油率 y
/ %
1 3 25 2 0 0 0 22.469 1
2 4 35 4 0 0 0 24.296 2
3 5 45 2 0 0 1 22.893 3
4 6 55 4 0 0 1 24.371 7
5 7 20 1 0 1 0 21.624 0
6 8 30 3 0 1 0 23.919 9
7 9 40 1 1 0 0 21.882 8
8 10 50 3 1 0 0 25.088 5
用 SAS8.1做多元线性回归 ,得回归方程:
y =19.838 13 +0.108 93 X1 +0.001 60 X2
+1.038 42 X3+0.463 85 A1 (1)
从方程(1)可见得油率 y 与液料比 X1、超声提取
时间 X2 、超声提取次数 X3 和溶剂石油醚有关 ,影响
提取率的主次顺序为超声提取次数>液料比>超声
提取时间 。但自变量的显著性概率 P =0.047 8≈
0.05 ,决定系数(R-Square)=92.63%,调整的决定系
数(Adj R-Sq)=82.79%,可见线性回归的效果不够
好 。改用二次多项式回归 ,回归的自变量为 X1、X2、
X3 、A1 、A2 、A3 、X11=X12 、X22=X22 、X33=X32 、X12=X1×
X2 、X13=X1×X3 、X23=X2×X3、X1×A1 、X1×A2 、X1×
A3 、X2×A1、X2×A2、X2×A3 、X3×A1 、X3 ×A2 、X3 ×A3 ,
SAS 8.1逐步回归的输出结果见表 4。
从二次多项式逐步输出结果可知:X13被剔除 ,第
7步决定系数(R-Square)=99.84%,拟合效果非常
好 。回归方程引入了 3个自变量 ,回归方程为:
y=18.176 71+2.057 84 X3 +0.500 82 X3 A1
-0.219 06 X32+0.468 60 X1-0.034 87 X12 (2)
从方程(2)可以看到得油率 y 与超声提取时间
X2 不相关 ,说明超声提取时间在 20 ～ 55 min 范围内
对得油率影响不大 ,可能是由于超声提取在较短时
间内使油脂扩散达到平衡;液料比 X1 与超声提取次
数 X3之间无交互作用。
以下寻找使 y达到极大值的最优条件:
(1)变量A1是与 X3 交互作用出现的 ,系数为正
值 ,所以溶剂以石油醚最好 ,即A1=1。
(2)回归方程中与 X1 有关的项是 0.468 60 X1-
0.034 87 X12 ,X1的最优值是 0.468 60/(2×0.034 87)
=6.719 2≈7 mL·g-1 。
(3)给定溶剂石油醚的条件下 ,回归方程中与 X3
有关的项是 2.558 66 X3-0.219 06 X32 ,X3 的最优值
是 5.84 ,所以X3 取其最大值4。
76 中国粮油学报 2009年第 3期
表 4　逐步回归的输出结果
步骤 1 2 3 4 5 6 7
常数 21.331 42 20.775 41 20.693 44 20.604 80 19.887 12 19.217 10 18.17671
X13的系数 0.126 14 0.075 81 0.034 53
Pr>F 0.001 9 0.013 8 0.023 3
X3 的系数 0.539 53 0.766 55 0.956 46 1.774 61 1.970 03 2.057 84
Pr>F 0.018 3 0.005 0 0.000 1 0.009 5 0.006 3 0.008 2
X3A 1的系数 0.329 06 0.484 44 0.443 54 0.311 56 0.500 82
Pr>F 0.058 8 0.003 9 0.004 1 0.030 5 0.036 0
X33的系数 -0.163 63 -0.196 62 -0.219 06
Pr>F 0.094 1 0.038 4 0.027 5
X1 的系数 0.076 14 0.468 60
Pr>F 0.115 6 0.113 7
X11的系数 -0.034 87
Pr>F 0.149 5
R-Sqare/ % 82.32 94.76 98.07 96.76 98.53 99.43 99.84
　　在兼顾效率 、降低能耗的考虑下 ,选择最佳提取工
艺条件:液料比为7mL·g-1、超声提取时间为 20 min 、提
取次数为 4次 ,此时理论得油率为26.478 0%。
给定溶剂石油醚的条件下 ,其他提取条件的选
择也可由得油率 y 与液料比 X1 及超声提取次数 X3
的三维图和等高值图直观表示 ,由图 1可知在超声
提取次数一定的前提下 、液料比在 3 ～ 10 mL·g-1范
围内 ,得油率先增大后减小 ,随着液料比的加大 ,渗
透势增加 ,得油率随之增加 ,达到一定程度后则小量
下降 ,可能是液料比与超声提取次数之间有很小的
交互作用 ,即逐步回归中被剔除的 X13项;在超声提
取次数取值1 ～ 4次的范围内 、液料比一定条件下 ,得
油率随超声提取次数的增加持续增大 ,但增幅逐渐
减小 ,超声提取次数对得油率的影响明显大于液料
比;液料比与超声提取次数之间交互作用不显著。
图 1　y 与(X1 ,X 3)的回归曲面图和等高值图
2.2　最佳提取条件的验证试验结果
由表 5可知 ,最佳提取条件下的验证试验平均
得油率为26.607 9%,与预测值 26.478 0%相近 ,可
见方程预测基本准确 ,优化结果可靠 。
表 5　最佳提取条件的验证试验与对比试验结果
试验号 最佳提取条件下的验证试验
1 2 3
得油率/ % 25.980 3 26.711 9 27.131 5
平均得油率/ % 26.607 9
相对标准偏差
RSD/ % 1.414 2
3　结论
水冬瓜果实油脂含量为 35.58%～ 36.90%[ 11] ,
有机溶剂对水冬瓜果实油脂的溶解能力强 ,提取效
率高 ,引入杂质少 。本试验优选出石油醚作为最优
提取溶剂 ,影响提取率的主次顺序为:超声提取次数
>液料比>超声提取时间 ,最佳提取条件为液料比
7 mL·g-1 、超声提取时间 20 min 、提取次数 4次 ,在此
提取条件下的得油率达 26.607 9%,油脂提取率为
72.11%～ 74.78%。目前工业上制备水冬瓜油脂一
般采用压榨法 , 水冬瓜果实经压榨后出油率小于
25%[ 12] ,而且压榨所得油脂含有大量的果胶等杂质 ,
必须经脱胶 、碱炼 、水洗 、脱水等程序 ,加大了后续工
作 ,所以溶剂提取法有其广阔的应用前景 ,溶剂提取
的优势需做进一步研究 。
均匀设计使用 8次试验安排了 4因素 8 水平的
试验 ,通过SAS 计算得回归方程 ,大大减少工作任务
和试验成本 ,其效果明显优于正交试验[ 13] ,而且简便
易行 ,是一种值得推广的试验设计方法。
77第 24卷第 3期 杨朝福等　均匀设计优化水冬瓜果实油脂的提取工艺
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Optimizing Extraction Process of Oil from Idesia
Polycarpa Maxim.Var.Vestita Dies by Uniform Design
Yang Chaofu
1　Huo Ali1　Lu Gang1　Xue Yafeng1　Wang Junru1 , 2
(Center of Traditional Chinese Medicine Fingerprint and Natural Products ,
Northwest A &F University1 , Yangling　712100)
(College of Science ,Northwest A &F University2 , Yangling　712100)
Abstract　The fruit of Idesia Polycarpa Maxim.Var.Vestita Dies is rich in oil and can be used as a source to pro-
duce bio-diesel.In the present work , the effect of four factors , such as ratio of liquor to material , ultrasonic extraction
time , extraction times and solvents , with 8 levels on oil yield were investigated by the uniform design experimentation.Re-
sults indicate that the optimal conditions are petroleum ether as solvent , ratio of liquor to material 7 mL·g-1 , ultrasonic ex-
tracting time 20 min , and extraction times 4.Under these conditions , the extraction rate is 72.11%～ 74.78%, and the
oil obtained is orange-yellow and clear.So ultrasonic extraction is a good method to extract oil from I.Polycarpa Maxim.
Var.Vestita Dies for bio-diesel use.
Key words　Idesia Polycarpa Maxim.Var.Vestita Dies , fruits , oil , ultrasonic extraction , uniform design
78 中国粮油学报 2009年第 3期