響應(yīng)面法優(yōu)化仿栗籽油超臨界萃取工藝

麻成金，吳竹青，傅偉昌，黃 群，陳功錫

(1.吉首大學(xué) 植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000；2.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

響應(yīng)面法優(yōu)化仿栗籽油超臨界萃取工藝

麻成金1,2，吳竹青2，傅偉昌1,2，黃 群1,2，陳功錫1

(1.吉首大學(xué) 植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000；2.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

以仿栗籽為萃取原料，采用響應(yīng)面法(RSM)優(yōu)化仿栗籽油的超臨界CO2萃取工藝條件，在單因素試驗基礎(chǔ)上，設(shè)定CO2流量為25kg/h、原料粉碎度為40目，然后選取萃取壓力、萃取溫度、分離溫度和萃取時間為影響因子，以仿栗籽油得率為響應(yīng)值，應(yīng)用Box-behnken中心組合試驗設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型，進行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，超臨界CO2萃取仿栗籽油的優(yōu)化工藝條件：萃取壓力31MPa、萃取溫度47℃、分離溫度34℃、萃取時間72min，在此優(yōu)化條件下，仿栗籽油得率為48.57%。對仿栗籽油的脂肪酸組成進行GC-MS分析，結(jié)果表明，仿栗籽油中富含不飽和脂肪酸，其中油酸和亞油酸含量分別為35.17%和19.76%。

仿栗籽油；超臨界CO2萃??；工藝條件；響應(yīng)面分析；GC-MS

Abstract：Response surface methodology (RSM) was applied to optimize the extraction conditions of oil fromSloanea hemsleyanaseeds. According to single factor investigations, extraction pressure, temperature and duration and separation temperature were the most important factors affecting oil yield, and carbon dioxide flow rate of 25 kg/h and material particle size of 40 mesh were optimal for oil extraction fromSloanea hemsleyanaseeds. A mathematical model with oil yield as a response to extraction pressure, temperature and duration and separation temperature was established using Box-Behnken central composite experimental design. This was followed by response surface analysis. It was found that the optimal process conditions for oil extraction fromSloanea hemsleyanaseeds were as follows:extraction pressure 31 MPa; extraction temperature 47 ℃;separation temperature 34 ℃; and extraction duration 72 min and that the resultant oil yield was 48.57%. Meanwhile, GC-MS analysis of fatty acid composition of the extracted oil was conducted, and the results showed that the oil was abundant in unsaturated fatty acids contained 35.17% of oleic acid and 19.76% of linoleic acid.

Key words：Sloanea hemsleyanaseed oil；supercritical carbon dioxide extraction；technological conditions；response surface analysis；GC-MS

仿栗(Sloanea hemsleyana(Ito) Rehd. et Wils)為杜英科猴歡喜屬常綠喬木，仿栗果實每年十月份成熟，果實心室呈紫色，每室含1～2粒黑褐色種籽，種籽部分被紅棕色種衣所包裹，每棵成年仿栗樹每年可產(chǎn)15～20kg種籽，其種籽含油率高，具有較高的開發(fā)和利用價值。

目前，國內(nèi)對仿栗的研究僅限于對其生物學(xué)特性及其種籽油所含組分的初步分析，以及壓榨法和溶劑萃取法提取油脂等的初步研究[1-2]，國外文獻未見研究仿栗籽的相關(guān)報道。

超臨界流體萃取技術(shù)是一種新型的提取分離技術(shù)，用于萃取植物油脂具有獨特的優(yōu)勢，本研究旨在探討影響超臨界二氧化碳流體萃取仿栗籽油的諸因素，采用響應(yīng)面分析法對萃取工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并對仿栗籽油進行氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析，為仿栗籽油的開發(fā)利用提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

仿栗果實于10月中旬采摘，取出種籽并分離種衣，干燥后粉碎，密封保存供實驗用。

CO2氣體(純度＞99.5%) 長沙特種氣體廠；氫氧化鉀、甲醇、無水硫酸鈉、正己烷等(均為國產(chǎn)分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

CDE-220E2多功能食品處理機 佛山市順德區(qū)歐科電器有限公司；GZX-9146MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；JA5103N高精度電子天平 上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；HA221-50-06型超臨界CO2萃取設(shè)備 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；GCMS-QP2010氣-質(zhì)聯(lián)用分析儀 日本島津公司；HH.S精密恒溫水浴鍋 江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 仿栗籽油超臨界CO2流體萃取工藝流程

仿栗籽→干燥→粉碎→過篩→稱重→萃取釜原料裝填→超臨界CO2萃取→減壓→分離→仿栗籽油

1.3.2 原料油脂含量的測定

采用索氏提取法，按GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定方法》標(biāo)準(zhǔn)進行測定。

1.3.3 超臨界二氧化碳流體萃取條件的優(yōu)化

采用超臨界CO2萃取裝置中2L萃取釜進行萃取仿栗籽油實驗，萃取完畢后用無水硫酸鈉干燥，稱量并計算油脂得率。

首先進行原料粉碎度、CO2流量、萃取壓力、萃取溫度、分離溫度和萃取時間等因素對萃取效果影響的單因素試驗[3-4]。

然后在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計原理，選擇萃取時間(X1)、萃取壓力(X2)、分離溫度(X3)和萃取溫度(X4)等主要影響因素為自變量，以油脂得率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面分析法，對仿栗籽油超臨界萃取工藝參數(shù)進行優(yōu)化[5-8]。

1.3.4 仿栗籽油得率計算

1.3.5 仿栗籽油甲酯化處理

取仿栗籽油0.35～0.4mL，加入1mol/L的KOH甲醇溶液6mL，搖勻，置于40℃水浴中進行甲酯化處理2h，然后加入6mL正己烷，搖均靜置，取上層液用蒸餾水洗滌2～3次，無水Na2SO4脫水，然后取樣進行GC-MS分析[9]。

1.3.6 GC-MS工作條件

GC條件：采用RTX-5MS型彈性石英毛細(xì)管柱(30m×0.25m×0.25μm)；載氣為高純氦氣(99.999%)，柱前壓119.4kPa，柱內(nèi)載氣流量1.3mL/min；升溫程序：從150℃開始，保持2min，以10℃/min升溫到220℃，保持2min，以5℃/min升溫到280℃，保持3min，汽化室溫度為250℃；樣品進樣量為1μL。

MS條件：采用EI離子源，離子源溫度為200℃，接口溫度為270℃，溶劑延時3min，電子能量70eV，掃描范圍40～550u，分辨率1000。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿栗籽含油量測定

進行3組平行實驗，測得原料油脂含量分別為51.10%、51.17%、51.15%，平均值51.14%，即本實驗所用仿栗籽含油量為51.14%。

2.2 影響仿栗籽油萃取效果的單因素試驗

2.2.1 原料粉碎度對油脂得率的影響

萃取壓力30MPa、萃取溫度35℃、萃取時間40min、分離溫度30℃、CO2流量20kg/h。選取粉碎度分別為20、40、60目的仿栗籽原料進行萃取單因素試驗，結(jié)果見圖1。

圖1 原料粉碎度對油脂得率的影響Fig.1 Effect of material particle size on oil yield

由圖1可知，仿栗籽油得率隨著粉碎度的增加而升高，但是增加的幅度逐漸減小。由此可見，進一步對原料進行粉碎，可以更好地破壞細(xì)胞壁，使油脂更易溶于超臨界二氧化碳流體中；但若原料粒度過細(xì)，則會產(chǎn)生較大的吸附和黏稠作用，從而干擾萃取，影響萃取效果。另外，由于仿栗籽含油率較高，粉碎時物料很容易黏在一起，給進一步粉碎增加了難度。綜合考慮，本實驗選擇原料粉碎度為40目。

2.2.2 CO2流量對油脂得率的影響

在萃取壓力30MPa、萃取溫度35℃、萃取時間40min、分離溫度30℃、物料粉碎度40目的條件下，不同CO2流量對仿栗籽油得率影響的單因素試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知，CO2流量對仿栗籽油得率的影響是雙重的，流量增加，一方面增加了濃度差，有利于油脂萃??；另一方面減少了流體與物料的接觸時間，不利于提高油脂得率。CO2流量為25kg/h時，油脂得率達到最高值，選擇CO2流量為25kg/h較為合適。

圖2 CO2流量對油脂得率的影響Fig.2 Effect of carbon dioxide flow rate on oil yield

2.2.3 萃取溫度對油脂得率的影響

在萃取壓力30MPa、萃取時間40min、分離溫度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目的條件下，不同萃取溫度對仿栗籽油脂得率的影響見圖3。

圖3 萃取溫度對油脂得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on oil yield

萃取溫度對仿栗籽油在CO2流體中的溶解能力有兩方面的影響。一方面，溫度升高，加快分子熱運動，溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)、揮發(fā)度和擴散速度有所提高，對溶質(zhì)萃取有利；另一方面，隨著溫度升高，CO2流體密度降低，溶解能力下降，導(dǎo)致溶解度下降，對溶質(zhì)萃取不利。由圖3可知，當(dāng)溫度低于45℃時，仿栗籽油脂得率隨溫度的升高而增加，但當(dāng)溫度超過45℃時則呈稍下降趨勢，故選擇萃取溫度40～50℃為宜。

2.2.4 萃取壓力對油脂得率的影響

在萃取溫度35℃、萃取時間40min、分離溫度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目條件下，不同萃取壓力對仿栗籽油脂得率的影響見圖4。

由圖4可見，隨著萃取壓力的升高，油脂得率也不斷提高，但過高的萃取壓力會加大設(shè)備的損耗，不利于設(shè)備的操作和維護，萃取壓力以25～35MPa為宜。

圖4 萃取壓力對油脂得率的影響Fig.4 Effect of extraction pressure on oil yield

2.2.5 萃取時間對油脂得率的影響

在萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa、分離溫度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目條件下，不同萃取時間對仿栗籽油脂得率的影響見圖5。

圖5 萃取時間對油脂得率的影響Fig.5 Effect of length of extraction time on oil yield

由圖5可知，隨著萃取時間延長，仿栗籽油脂得率不斷升高，萃取時間達80min后，油脂得率提高不明顯，同時會造成萃取操作能耗的增加和過多CO2的消耗，選擇萃取時間60～80min為宜。

2.2.6 分離溫度對油脂得率的影響

在萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa、分離壓力6MPa、萃取時間40min、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目的條件下，不同分離溫度對仿栗籽油脂得率的影響見圖6。

圖6 分離溫度對油脂得率的影響Fig.6 Effect of separation temperature on oil yield

由圖6可知，仿栗籽油脂得率隨著分離溫度的升高而增加，分離溫度達35℃后增加不明顯，本實驗選擇分離溫度35℃左右較適宜。

2.3 Box-Behnken中心組合設(shè)計試驗及響應(yīng)面法優(yōu)化萃取工藝

2.3.1 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及試驗結(jié)果

在上述單因素試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計原理，選擇萃取時間(X1)、萃取壓力(X2)、分離溫度(X3)和萃取溫度(X4)為考察因素，以仿栗籽油得率為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平試驗，共27個試驗點，其中24個為分析因子(1～24)，3個中心試驗點(25～27)，因素水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken試驗設(shè)計因素水平Table 1 Factors and levels in the Box-Behnken experimental design

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及試驗結(jié)果Table 2 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental results

2.3.2 模型的建立及顯著性檢驗

利用SAS8.1軟件對表2中試驗數(shù)據(jù)進行二次線性回歸擬合，得到數(shù)學(xué)模型：

然后進行回歸統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。從表3可看出，模型極顯著(P＜0.0001)，因變量與所考察自變量之間的線性關(guān)系顯著(R2=0.9619)，模型調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.9175，說明該模型能解釋91.75%響應(yīng)值的變化，擬合程度較好，失擬項不顯著(P＞0.05)，說明本試驗所得二次回歸方程能很好地對響應(yīng)值進行預(yù)測。一次項X1、X2、X4及二次項X22、X32、X42表現(xiàn)為極顯著，X12顯著，說明它們對響應(yīng)值影響極大。根據(jù)表3，各影響因素主次順序：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間＞分離溫度。

表3 回歸統(tǒng)計分析結(jié)果Table 3 Analysis of variances for oil yield with various extraction conditions

2.3.3 萃取工藝條件的響應(yīng)面分析與優(yōu)化

通過SAS8.1軟件分析，得到響應(yīng)面及等高線圖(圖7～12)，各個因素交互作用對響應(yīng)值的影響可以直觀的反映出來，其中等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反。

圖7～9表現(xiàn)為橢圓形，說明兩因素之間相互作用明顯，當(dāng)固定萃取時間為一定值時，隨著相應(yīng)另一因素值的增大，油脂得率增加；當(dāng)超過一定值時，油脂得率反而下降。圖10～12表現(xiàn)為等高線近似圓形，總體交互作用不顯著，但沿因素軸向等高線變化越密集，該因素對響應(yīng)值影響越顯著，反之越弱，所以圖10～12中因素對響應(yīng)值影響強弱次序為：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間＞分離溫度。為確定最佳點，對數(shù)學(xué)回歸模型求一階偏導(dǎo)，得出優(yōu)化條件：X1=0.61141，X2=0.2679，X3=－0.1878，X4=0.4317，此時Y=48.18，即為油脂得率的理論預(yù)測值；利用編碼公式將上述編碼值轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H參數(shù)為萃取時間72.23min、萃取壓力31.34MPa、分離溫度34.06℃、萃取溫度47.16℃，考慮實際操作性，故選定調(diào)整后工藝參數(shù)為萃取時間72min、萃取壓力31MPa、分離溫度34℃、萃取溫度47℃。

圖7 Y=f(X1，X2)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and length of extraction time on oil yield

圖8 Y=f(X2，X3)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and separation temperature on oil yield

圖9 Y=f(X2，X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and temperature on oil yield

圖10 Y=f(X1，X3)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.10 Response surface and contour plots showing the interactive effects of length of extraction time and separation temperature on oil yield

圖11 Y=f(X1，X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.11 Response surface and contour plots showing the interactive effects of length of extraction time and extraction temperature on oil yield

圖12 Y=f(X3，X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.12 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction and separation temperatures on oil yield

2.3.4 驗證實驗

在優(yōu)化條件下，仿栗籽油得率的理論預(yù)測值為48.18%，對優(yōu)化后的參數(shù)進行3組驗證實驗，結(jié)果分別為48.93%、47.91%、48.87%，取平均值為48.57%，與理論預(yù)測值僅相差0.39%，因此采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，有較強的實用價值。

2.4 仿栗籽油的GC-MS分析結(jié)果

圖13 仿栗籽油脂肪酸甲酯總離子流色譜圖Fig.13 Total ion current chromatogram of methyl esterification products ofSloanea hemsleyanaseed oil

超臨界CO2萃取所得仿栗籽油，經(jīng)甲酯化處理后，進行GC-MS分析，測定脂肪酸組成，利用NIST05標(biāo)準(zhǔn)譜庫進行檢索，并逐個解析各峰相應(yīng)的質(zhì)譜圖，采用不做校正的峰面積歸一法確定各組分的相對含量。仿栗籽油的脂肪酸甲酯GC-MS總離子流色譜圖見圖13，分析結(jié)果見表4。

由表4可知，仿栗籽油中主要含有月桂酸、硬脂酸、肉豆寇酸、棕櫚油酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸等8種脂肪酸，其中不飽和脂肪酸含量為54.93%，以油酸、亞油酸為主；此外仿栗籽油含有一定量的角鯊烯和β-谷甾醇。

表4 仿栗籽油脂肪酸的組成及相對含量Table 4 Fatty acid composition ofSloanea hemsleyanaseed oil

3 結(jié) 論

采用超臨界二氧化碳流體萃取技術(shù)提取仿栗籽油，通過單因素試驗和中心組合設(shè)計試驗以及響應(yīng)面分析法優(yōu)化萃取工藝條件，得出優(yōu)化提取條件：萃取時間72min、萃取壓力31MPa、分離溫度34℃、萃取溫度47℃、CO2流量25kg/h，原料粉碎度為40目。在此條件下，仿栗籽油得率可達48.57%。在本實驗范圍內(nèi)建立的二次線性回歸模型準(zhǔn)確有效，可用來預(yù)測設(shè)定條件范圍內(nèi)及其周圍的超臨界萃取仿栗籽油工藝參數(shù)，對實驗擬合較好，有一定的應(yīng)用價值。

對仿栗籽油進行的GC-MS分析結(jié)果表明，仿栗籽油中不飽和脂肪酸含量為54.93%，以油酸、亞油酸為主，此外仿栗籽油含有一定量的角鯊烯和β-谷甾醇，具有較高的開發(fā)和利用價值。

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Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Oil fromSloanea hemsleyanaSeeds Using Response Surface Methodology

MA Cheng-jin1,2，WU Zhu-qing2，F(xiàn)U Wei-chang1,2，HUANG Qun1,2，CHEN Gong-xi1
(1. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization of Hunan Province, Jishou University, Jishou 416000, China；2. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China)

TS225.6；TS224.4

A

1002-6630(2010)18-0196-07

2010-06-30

2009年湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目(09K089)

麻成金(1963—)，男，教授，碩士，研究方向為食物資源開發(fā)與利用。E-mail：Machengjin368@126.com