堿蓬籽油脂的超臨界CO2提取工藝優(yōu)化

陳然然，邵　榮，楊　劍，王志祥*

（1.中國藥科大學　制藥工程教研室，江蘇　南京210009；2.鹽城工學院　化學與生物工程學院，江蘇　鹽城224051）

堿蓬籽油脂的超臨界CO2提取工藝優(yōu)化

陳然然1，邵榮2，楊劍1，王志祥1*

（1.中國藥科大學制藥工程教研室，江蘇南京210009；2.鹽城工學院化學與生物工程學院，江蘇鹽城224051）

摘要：堿蓬籽中油脂含量豐富，尤以不飽和脂肪酸甘油酯-亞油酸酯居多，使用超臨界CO2提取堿蓬籽油，確定最佳的提取條件。以亞油酸酯得率為指標，考察了提取溫度、提取壓力、提取時間、夾帶劑流量對實驗的影響，在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對工藝進行優(yōu)化，得到的最佳提取條件為：提取溫度46℃，提取壓力23.5MPa，提取時間137min，夾帶劑流量0.04mL·min-1，在此條件下亞油酸酯得率為15.29%。優(yōu)化的提取工藝可行，對工業(yè)化生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：堿蓬籽：亞油酸酯：超臨界CO2提?。喉憫?yīng)面法中圖分類號：TQ028

文獻標識碼：A

堿蓬是一年生的草本植物，植物學分類為藜科堿蓬屬，是一種鹽堿地指示植物，在我國分布于黑龍江、內(nèi)蒙古、寧夏、江蘇、浙江、山東、遼寧、新疆南部等?，F(xiàn)代醫(yī)學研究表明，堿蓬有降糖、降壓、擴張血管、提高自身免疫力等功效[1]。據(jù)文獻報道，堿蓬籽營養(yǎng)豐富，富含多種不飽和脂肪酸，尤其以亞油酸居多[2，3 ]，富含微量元素Se，是老年人、高血壓病人以及心血管疾病人很好的食用油。

近年來，全世界對植物油的需求不斷增加，在我國，植物油的缺乏尤其嚴重，因此，充分利用現(xiàn)有資源，開發(fā)野生資源是我國油脂的一項重要任務(wù)。一直以來，生長于灘涂或者鹽堿地上的堿蓬都沒有得到充分利用，每年都有大量的堿蓬籽被浪費[4]。在綠色食品、節(jié)約經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的當今社會，提高堿蓬籽油的產(chǎn)量有很大的價值。

目前，提取堿蓬籽油的方法有有機溶劑提取法、超聲波輔助提取等方法，但是這些提取方法都存在有機溶劑殘留、原料浪費等問題。超臨界流體提取技術(shù)是近年來新型的一種提取分離純化技術(shù)，其特點是無溶劑殘留、提取效率高、省時省力[5 ]，在提取揮發(fā)油、生物堿、黃酮類化合物及油脂類物質(zhì)等方面得到廣泛應(yīng)用[6]。

本文的創(chuàng)新點在于：（1）使用了無水乙醇作為夾帶劑[7]。（2）和柳仁民等[3]只考察提油率不同，本次實驗還考察了脂肪酸中亞油酸的百分含量。使用Box- Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化工藝，采用Design-Expert軟件對結(jié)果分析，得到最優(yōu)的工藝條件。

1　實驗部分

1.1儀器和試劑

MODELSFT- 100 XW超臨界CO2萃取裝置（美國SFT公司）；SHIMADZU AUY220分析天平（日本島津公司）；XO- SM50超聲波控制器（南京先歐生物科技有限公司）；SHIMADZU GC- 2014氣相色譜儀（日本島津公司）；DFY- 500高速萬能粉碎機（溫嶺市林大機械有限公司）；TGLL- 18K高速冷凍離心機（太倉市華美生化儀器廠）；PS- 20超聲波清洗儀（潔康）；DZF- 6050真空干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）。

堿蓬籽（采自鹽城市海豐農(nóng)場）、甲醇（分析純）、KOH（分析純）、正己烷（優(yōu)級純）、亞油酸甲酯標準品（高級純）、無水硫酸鈉（分析純）。

1.2單因素實驗的條件優(yōu)化

參考王大為等的方法[8]，將堿蓬籽洗凈、陰干、粉碎、過篩，取40～100目粉末備用。稱取約5g堿蓬籽粉末，稱重，在CO2流量為15mL·min-1，夾帶劑為無水乙醇條件下，分別以不同的提取壓力、提取溫度、提取時間、夾帶劑流量為單因素進行超臨界CO2提取，得到堿蓬籽油，稱其重量，進行甲酯化處理，使用氣相面積歸一化法測定亞油酸酯的含量，考察各個因素的影響。亞油酸酯得率（Y）的計算公式：

式中mOil：提取出的堿蓬籽油脂的質(zhì)量；C：氣相測定的亞油酸酯百分含量；m總：準確稱取的堿蓬籽原料的質(zhì)量。

1.3響應(yīng)面法優(yōu)化實驗

根據(jù)Box- Bebnken響應(yīng)面設(shè)計原理，以亞油酸酯得率為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平的實驗方案，各因素和水平表碼值見表1。

表1　 Box-Bebnken設(shè)計因素實驗表Tab.1　 Factors and levers of Box-Bebnken design for response surface methodology

1.4樣品的甲酯化處理

取0.1g油樣于10mL具塞試管中，加入2mL的正己烷溶解，取0.5g·mL-1的KOH/甲醇溶液2mL，加入到具塞試管中混合，在30℃、120W的超聲波輔助下反應(yīng)15min，反應(yīng)完畢，靜置分層，取上清液于1.5mL的EP管中，加入無水硫酸鈉充分振搖，離心，取上層溶液待測。

1.5亞油酸甲酯含量分析

色譜條件：色譜柱：SE- 54型彈性石英毛細管柱（0.32mm×30m×0.5μm）；氣化室溫度：250℃；檢測器溫度：280℃；柱溫：程序升溫：初始溫度180℃，保持5min；以10℃·min-1，升到210℃，保持2min；以2℃·min-1，升到260℃，保持10min；FID檢測器；載氣：N2流速：30mL·min-1；空氣流量：400mL·min-1；氫氣流量：40mL·min-1；分流比：1∶40，進樣量：1μL。用氣相色譜面積歸一化法測定亞油酸酯的百分含量，使用亞油酸甲酯標準品做對照。

2　結(jié)果和討論

2.1單因素實驗結(jié)果

2.1.1提取溫度對亞油酸酯得率的影響在提取壓力為20MPa，提取時間80min，夾帶劑流量為0的條件下，選取提取溫度為35、40、45、50、55℃進行實驗。亞油酸酯得率隨著溫度的升高有先增大后減小的趨勢，因為溫度升高使CO2分子運動加速，擴散系數(shù)增大，亞油酸酯的溶解度會增大；但是溫度升高也使CO2的密度減小，雜質(zhì)溶出增多，綜合考慮，提取溫度選擇區(qū)間為40～50℃。

2.1.2提取壓力對亞油酸酯得率的影響在提取溫度45℃，提取時間80min，夾帶劑流量為0的條件下，選取壓力為16、20、23、26、28MPa進行實驗。亞油酸酯得率隨著壓力的升高有先增大后減小的趨勢，在壓力為26MPa時達到最高點。這是因為隨著壓力的升高，超臨界CO2的密度增大，對溶質(zhì)的溶解能力增大，但當壓力達到一定限度后，傳質(zhì)阻力增大，溶質(zhì)的擴散系數(shù)下降，亞油酸酯得率反而會下降，而且高壓對設(shè)備和操作有更高的要求。綜合安全性和實用性考慮，提取壓力選擇為20～26MPa。

2.1.3提取時間對亞油酸酯得率的影響在提取壓力為20MPa，提取溫度為45℃，夾帶劑流量為0的條件下，選取提取時間為60、80、100、120、140、180min進行實驗。亞油酸酯得率隨著時間的增長而有先增大后穩(wěn)定的趨勢。這是因為，CO2流體和物料的接觸時間越長，接觸越充分，提取越完全，但當時間增長到一定限度時，傳質(zhì)推動力下降，提取出物料的趨勢漸為平緩。綜合考慮得率和能耗，提取時間選取為100～140min。

2.1.4夾帶劑流量對亞油酸酯得率的影響在提取壓力為20MPa，提取溫度為45℃，提取時間為80min的條件下，選取無水乙醇的流量為0、0.02、0.04、0.06、0.08mL·min-1進行實驗。隨著夾帶劑流量的增加，亞油酸酯得率有先增大后減小的趨勢，在0.04mL· min-1時，達到最大值。夾帶劑流量適當?shù)脑黾樱瑫龃笕軇┘戳黧w的極性，增加物料的溶解度，而且無水乙醇中的羥基會和酯基形成氫鍵，增加亞油酸酯的溶解度，但當夾帶劑流量過大時，極性的雜質(zhì)會溶出過多，綜合考慮，選取夾帶劑流量為0.02～0. 06mL·min-1。

2.2響應(yīng)面實驗結(jié)果分析

運用Design- Expert 8.0.6軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到響應(yīng)值和自變量的編碼回歸方程：Y= 15.09+0.41X1+0.58X2+0.34X3- 2.500E- 003X4- 0.47X1X2- 0.030X1X3- 0.040X1X4- 0.19X2X3+0.29X2X4- 0.36X3X- 0.98X2- 0.97X2- 0.21X2- 1.05X241234

對回歸方程進行方差分析，結(jié)果見表2。通過F值和P值，可以看出各個因素對亞油酸得率的影響。

表2　回歸方程的方差分析Tab.2　 ANOVA for regression equation

由表2分析可知，模型的P＜0.0001是極顯著，說明該模型方程試驗設(shè)計可行；失擬項P＞0.05為不顯著，實驗誤差很小，表明根據(jù)Box- Behnken設(shè)計的實驗結(jié)果擬合的回歸方程具有實際的意義。相關(guān)系數(shù)R-Sq和調(diào)整相關(guān)系數(shù)Adj R-Sq分別達到了0.9648和0.9296，說明該模型和實際實驗吻合度較好，可以用來預(yù)測超臨界提取堿蓬籽中油脂的最佳條件。

由方差分析表可知，各因素對亞油酸酯得率的影響大小為：提取壓力＞提取溫度＞提取時間＞夾帶劑流量；二次項X21、X23、X24對響應(yīng)值影響顯著，交互項X1X2、X2X4、X3X4對相應(yīng)值影響顯著，說明各個因素對超臨界提取的影響不是簡單的線性關(guān)系，而是復(fù)雜的曲面影響。

圖1～6是4個因素對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖。

圖1　提取溫度、提取壓力對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.1　 Response surface of extraction temperature and extraction pressure on yield of linoleate

圖2　提取溫度、提取時間對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.2　 Response surface of extraction temperature and extraction time on yield of linoleate

圖3　提取溫度、夾帶劑流量對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.3　 Response surface of extraction temperature and the flow of modifier on yield of linoleate

圖4　提取壓力、提取時間對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.4　 Response surface of extraction pressure and extraction time on yield of linoleate

圖5　提取壓力、夾帶劑流量對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.5　 Response surface of extraction pressure and the flow of modifier on yield of linoleate

圖6　提取時間、夾帶劑流量對亞油酸酯得率的響應(yīng)面圖Fig.6　　 Response surface of extraction time and the flow of modifier on yield of linoleate

圖中反應(yīng)了兩個因素之間的交互作用，曲面的傾斜度是對響應(yīng)值的影響程度，傾斜度越大，坡度越陡，說明影響越大；反之亦然。由圖1～3可以看到，提取溫度對響應(yīng)值的影響是很顯著的，在提取溫度和其余3個因素的交互作用中，其坡度較陡，適當?shù)臏囟忍岣呖梢栽龃笕苜|(zhì)的擴散系數(shù)，增大溶解度；圖1、4、5可知提取壓力對響應(yīng)值的影響顯著，在等高線上可以看到其變化的密度很大，沿著壓力方向移動的峰值密度較大，說明適當?shù)脑龃筇崛毫?，油脂的質(zhì)量和亞油酸酯百分含量都會相應(yīng)的提高；研究圖2、4、6知，提取時間的坡度變化較緩，等高線上的峰值移動密度較小，說明隨著時間的增長，亞油酸酯的得率一直是增長趨勢，但速度變慢，說明提取時間對響應(yīng)值的影響沒有前兩者大；圖3、5、6表明，夾帶劑對亞油酸酯得率有一定的影響，隨著夾帶劑流量逐漸增大，坡面呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，；綜合響應(yīng)曲面的3D圖譜和等高線圖，提取溫度和提取壓力對響應(yīng)值的貢獻很顯著。

2.3驗證性試驗

通過軟件Design- Expert 8.0.6中的Optimization功能下的Numerical選項進行預(yù)測分析，得到最優(yōu)的提取條件：提取溫度為45.8℃、提取壓力為23. 48MPa、提取時間為137min、夾帶劑流量為0.04mL· min-1，在此條件下的亞油酸酯得率達到了15.31%。考慮到實驗實際的可操作行，選取以下條件做驗證性實驗，提取溫度為46℃，提取壓力為23. 5MPa，提取時間為137min，夾帶劑流量為0.04mL·min-1，進行3次驗證性實驗，得到的結(jié)果分別是：15.28%、15.32%、15.26%，平均值是15.29%，和預(yù)測的結(jié)果相近，所以Design- Expert 8.0.6得到的最佳條件是可靠的，優(yōu)化合理。

3　結(jié)論

（1）本文對超臨界提取堿蓬籽油脂中亞油酸酯進行工藝優(yōu)化，使用響應(yīng)面法優(yōu)化實驗條件，得到的最佳提取條件為：提取溫度為46℃，提取壓力為23.5MPa，提取時間為137min，夾帶劑流量為0.

04mL·min-1，此條件下得到的亞油酸酯得率為15.29%，堿蓬籽油中亞油酸在脂肪酸中比例高達74.2 %，而且油脂中還含有微量元素、各種維生素等，是很好的食用油。

（2）超臨界CO2提取堿蓬籽油脂中亞油酸酯，在文獻報道中很少看到使用夾帶劑，由于堿蓬籽中的亞油酸是以甘油三酯的形式存在的，組成甘油三酯的酸是多碳脂肪酸，而CO2流體是非極性的，根據(jù)相似相容原理，適當?shù)募尤電A帶劑效果會更好，夾帶劑選擇無水乙醇，提取的效果較好，同時，實驗結(jié)果證明，夾帶劑的加入有助于提取的效率。

參考文獻

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DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tg 20150161

收稿日期：2014- 11- 15

作者簡介：陳然然（1988-），女，在讀碩士研究生。

通訊作者：王志祥（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事制藥分離工程領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作。

Optimization of supercritical CO2extraction of oils and fats from suaeda salsa seed

CHEN Ran-ran1，SHAO Rong2，YANG Jian1，WANG Zhi-xiang1*

（1. Department of Pharmaceutical Engineering, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009，China；2. School of Chemical and Biological Engineering, Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051，China）

Abstract：The Suaeda salsa seed contain plenty of oils and fats, especially unsaturated fatty acid- linoleate. The suaeda salsa was extracted by supercritical CO2method, and best conditions were determined. The effects of extraction temperature, pressure, and time and entrainer flow rate on yield of linoleate were investigated. On the basic of single factor, the process was optimized by RSM. The best extraction conditions were temperature 46℃, pressure 23.5MPa, time 137min, entrainer flow rate 0.04mL·min-1, the yield is 15.29%. The optimized process conditions are stable and reliable.

Key words：suaeda salsa；linoleate；supercritical CO2extraction；response surface methodology