超臨界CO2提取板栗油工藝優(yōu)化研究

吳 定 黃卉卉 路桂紅 王 媛 劉常金 付懋林

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046)(天津科技大學(xué)食品科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院2，天津 300457)

板栗是一種營(yíng)養(yǎng)較為豐富的堅(jiān)果，也是我國(guó)廣為種植的經(jīng)濟(jì)作物。目前，我國(guó)板栗種植面積約占全世界60%，年產(chǎn)板栗約82.5萬(wàn)t，年產(chǎn)量以6.8%的速率平穩(wěn)上升[1-2]。

板栗仁是人體必需脂肪酸、必需氨基酸、維生素、膳食纖維和鉀、鎂、鐵等礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)素良好來(lái)源；研究顯示，板栗仁含42.5%～56.6%水，37.99%～48.83%淀粉、3.95%～9.11%蛋白質(zhì)、2.43%～8.73%脂肪、2.24%～3.67%纖維素；維生素C含量為26.3～46.7 mg/100 g，鈣含量為32.7～42.8 mg/100 g，鐵含量為40～53.7 mg/kg，不同品種板栗仁營(yíng)養(yǎng)素含量差異較大[3-8]。不同品種板栗仁中脂肪含量及脂肪酸組成存在明顯差異，但在板栗種群之間未表現(xiàn)出顯著差異；板栗種仁中的飽和脂肪酸(SFA)占總脂肪酸的9.64%～29.22%，而不飽和脂肪酸(UFA)占70.78%～90.36%，因此，板栗油是一種天然的高品質(zhì)油脂[9-10]。

近年來(lái)，板栗仁的綜合利用研究主要圍繞板栗淀粉性質(zhì)和提取、板栗蛋白萃取、板栗仁脂肪中脂肪酸組成、板栗多糖萃取及多糖清除自由基活性、板栗殼抗氧化活性物提取等方面開(kāi)展研究，但鮮有對(duì)板栗油的超臨界CO2提取工藝的探討[7-17]。

為了開(kāi)發(fā)板栗油這種優(yōu)質(zhì)食用油脂，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，探討了響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2提取板栗油工藝，為建立板栗油綠色、環(huán)保生產(chǎn)工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

板栗：南京市溧水區(qū)板栗種植基地；CO2氣源(食品級(jí))：南京特種氣體股份有限公司。

1.2 主要儀器

LDJ-10型冷凍干燥儀：博康(北京)實(shí)驗(yàn)儀器股份有限公司；HA220-50-06型超臨界流體萃取裝置：南通市華安超臨界萃取有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 板栗粉樣品制備

板栗仁開(kāi)水浸泡后脫衣，去衣板栗仁粉碎，經(jīng)過(guò)冷凍干燥28 h，再經(jīng)過(guò)超級(jí)粉碎機(jī)粉碎，過(guò)篩，保鮮袋密封5 ℃保藏待用。

1.3.2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用板栗粉目數(shù)、提取壓力、提取溫度、提取時(shí)間和提取劑流量作為實(shí)驗(yàn)考察因素，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以板栗油提取率為響應(yīng)值，選用N=11的Plackett-Burman設(shè)計(jì)，其中F～K作為誤差分析空白項(xiàng)，確定實(shí)驗(yàn)因素的上下限水平(表1)。用design expert 7.1.3軟件中的Plackett-Burman設(shè)計(jì)方案。

表1 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及編碼值

1.3.3 最陡爬坡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Plackett-Burman設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)顯著影響板栗油提取率的因素(提取溫度、提取時(shí)間)進(jìn)行最陡爬坡實(shí)驗(yàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)步長(zhǎng)，逼近提取率最高的區(qū)域。

1.3.4 超臨界CO2提取板栗油響應(yīng)面中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)最陡爬坡實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)design expert 7.1.3軟件中Central Composite設(shè)計(jì)變量(提取溫度和提取時(shí)間)響應(yīng)面中心組合實(shí)驗(yàn)。板栗粉目數(shù)為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h。

1.3.5 提取率

提取率=(提取板栗油含量/板栗中油含量)×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值

利用design expert 7.1.3軟件，設(shè)計(jì)了Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)方案，并依據(jù)因素組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及各實(shí)驗(yàn)組響應(yīng)值

2.2 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)中各影響因素評(píng)估

模型的F值為28.47，說(shuō)明建立的模型具有顯著性影響。當(dāng)P值小于0.05說(shuō)明模型中的因素有顯著影響。從表3可知，C因素(提取溫度)和E因素(提取時(shí)間)的P值都小于0.05，而A(板栗目數(shù))、B(提取壓力)、D(提取劑流量)三因素的P值皆大于0.05，說(shuō)明提取溫度和提取時(shí)間對(duì)超臨界CO2提取板栗油有顯著影響，而板栗粉目數(shù)、提取壓力和提取劑流量在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)板栗油的提取率沒(méi)有顯著影響。于是，確定提取溫度和提取時(shí)間2個(gè)顯著影響參數(shù)作為最陡爬坡方向?qū)嶒?yàn)參數(shù)。

表3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈饔绊懸蛩胤讲罘治霰?/p>

2.3 最陡爬坡實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)最陡爬坡實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)超臨界CO2溶劑提取溫度為40 ℃、提取時(shí)間120 min時(shí)，板栗油的提取率接近最高水平，再提高提取溫度和延長(zhǎng)提取時(shí)間對(duì)板栗油提取率的提高幾乎沒(méi)有影響(表4)。因此，確定爬坡實(shí)驗(yàn)中3號(hào)實(shí)驗(yàn)條件作為響應(yīng)面中心實(shí)驗(yàn)的中心點(diǎn)，即0水平時(shí)，提取溫度為40 ℃、提取時(shí)間120 min。

表4 最陡爬坡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 中心組合響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表5 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

運(yùn)用響應(yīng)面分析軟件，通過(guò)對(duì)響應(yīng)值(提取率)進(jìn)行回歸分析，獲得板栗油提取率回歸方程。

y=81.134+1.996 61A+4.102 91B+0.38AB-1.946 37A2-2.988 7B2

表6 模型可信度分析

2.5 中心組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

中心組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸分析顯示(表7)，實(shí)驗(yàn)建立模型具有高度的顯著性(F=60.58，P<0.000 1)。因此，該模型可以用來(lái)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。

表7 中心組合回歸分析結(jié)果

注：A提取時(shí)間；B提取溫度；※※差異顯著(P<0.05)；※差異不顯著(P>0.10)。

對(duì)模型方程進(jìn)行逐步回歸，回歸方程存在穩(wěn)定編碼值(+1、+0.5)，穩(wěn)定點(diǎn)的特征值表明為穩(wěn)定點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)，即提取時(shí)間140 min、提取溫度為42.5 ℃，在此優(yōu)化工藝條件下，板栗油提取率的預(yù)測(cè)值為82.68%。優(yōu)化后的板栗油提取工藝：板栗粉為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h、提取溫度為43 ℃、提取時(shí)間為140 min。

2.6 優(yōu)化工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用冷凍干燥板栗粉作為原料，根據(jù)中心組合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。8個(gè)批次平行樣本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示，板栗油提取率均值為82.15%，與模型預(yù)測(cè)提取率82.68%有較高吻合度。

3 結(jié)論

根據(jù)Plackett-Burman設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及其影響因素方差統(tǒng)計(jì)分析，超臨界CO2提取板栗油工藝的因素影響為提取時(shí)間和提取溫度，而提取劑流量、提取壓力和板栗粉目數(shù)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有影響。確定提取時(shí)間和提取溫度為爬坡實(shí)驗(yàn)影響因素。

最陡爬坡實(shí)驗(yàn)顯示，超臨界CO2溶劑提取溫度在40 ℃、提取時(shí)間120 min時(shí)，板栗油的提取率接近最高水平，并以此作為中心組合實(shí)驗(yàn)的中心點(diǎn)。

優(yōu)化后的超臨界CO2提取板栗油工藝為板栗粉為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h、提取溫度為43 ℃、提取時(shí)間為140 min。在此實(shí)驗(yàn)條件下板栗油提取率均值為82.15%。

[1]霍婷,楊建華,薛文通,等.板栗的綜合開(kāi)發(fā)與利用[J].食品工業(yè)科技,2008,29(7):297-300

HUO T,YANG J H,XUE W T,et al.Comprehensive development and utilization of chestnut[J].Science and Technology of Food Industry,2008,29(7):297-300

[2]高海生,常學(xué)東,蔡金星,等.我國(guó)板栗加工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2006,6(1):429-436

GAO H S,CHANG X D,CAI J X,et al.Present situation and development trend of chestnut processing industry in China[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2006,6(1):429-436

[3]周家華,常虹,熊融,等.不同板栗品種營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)研究[J].食品工業(yè)，2013，34(1)：113-116

ZHOU J H,CHANG H,XIONG R,et al.Research of fuzzy comprehensive evaluation on quality assessment in chestnut of different species[J].The Food Industry,2013，34(1)：113-116

[4]陳順偉,彭華正,江美都,等.浙江主栽板栗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的品種和地域差異分析[J].經(jīng)濟(jì)林研究，2000,18(3)：13-17

CHEN S W,PENG H Z,JIANG M D,et al.Chinese chestnut in Zhejiang:variation of nutritive substances with cultivar and provenance[J].Economic Forest Researches,2000,18(3)：13-17

[5]賀玉婷,唐正弦.板栗感官品質(zhì)與貯藏過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分變化趨勢(shì)的研究[J].輕工科技,2015(8):1-5

HE Y T,TANG Z X.Study on the change trend of sensory quality and nutrition composition of chestnut during storage[J].Light Industry Science and Technology,2015(8):1-5

[6]王向紅,桑建新,張子德,等.不同品種板栗的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)分析[J].食品科技,2004,29(3)：95-97

WANG X H,SANG J X,ZHANG Z D,et al.Quality analysis of different chestnut[J].Food Science and Technology,2004,29(3)：95-97

[7]KAN L N,LI Q,XIE S S,et al.Effect of thermal processing on the physicochemical properties of chestnut starch and textural profile of chestnut kernel[J].Carbohydrate Polymers,2016,151:614-623

[8]YANG B,JIANG G,GU C,et al.Structural changes in polysaccharides isolated from chestnut(CastaneamollissimaBl.)fruit at different degrees of hardening[J].Food Chemistry,2010,119:1211-1215

[9]WANG S J,LIU C,WANG S.Drying methods used in starch isolation change properties of C-type chestnut(Castaneamollissima)starches[J].LWT-Food Science and Technology,2016,73:663-669

[10]LOPES B D M,DEMIATE I M,ITO V C,et al.Effects of partial in vitro digestion on properties of European chestnut(CastaneasativaMill)flour[J].Thermochimica Acta,2016,640:34-41

[11]SERVILLO L,GIOVANE A,CASALE R,et al.Betaines and related ammonium compounds in chestnut(CastaneasativaMill.)[J].Food Chemistry,2016,196:1301-1309

[12]HE Y C,LIU F,DI J H,et al.Effective enzymatic saccharification of dilute NaOH extraction of chestnut shell pretreated by acidified aqueous ethylene glycol media[J].Industrial Crops and Products,2016,81:129-138

[13]LEMOS A M,ABRAAO A S,CRUZ B R,et al.Effect of granular characteristics on the viscoelastic and mechanical properties of native chestnut starch(CastaneasativaMill)[J].Food Hydrocolloids,2015,51:305-317

[14]邵亭亭,張海暉,段玉清,等.亞臨界水萃取板栗多糖及其清除自由基活性研究[J].食品科技,2012,37(12)：156-161

SHAO T T,ZHANG H H,DUAN Y Q,et al.Extraction on chestnut polysaccharide by subcritical water and analysis on free radical scavenging capacity[J].Food Science and Technology,2012,37(12)：156-161

[15]張海暉,邵亭亭,段玉清,等.亞臨界水萃取板栗蛋白工藝研究[J].食品工業(yè),2013,34(4):67-69

ZHANG H H,SHAO T T,DUAN Y Q,et al.Optimization for the extraction of protein from chestnut by subcritical water[J].The Food Industry,2013，34(4)：67-69

[16]梁麗松,李如華,王貴禧,等.板栗種仁脂肪含量及其脂肪酸組成[J].食品科學(xué),2013,34(10):153-157

LIANG L S,LI R H,WANG G X,et al.Fat content and fatty acid composition of Chinese chestnut(castaneamollissimablume)kernels[J].Food Science,2013,34(10):153-157

[17]回瑞華,侯冬巖,李鐵純,等.板栗中脂肪酸的氣相色譜-質(zhì)譜分析[J].食品科學(xué),2008,29(8):541-542

HUI R H,HOU D Y,LI T C,et al.Analysis of fatty acids in chestnut by GC-MS[J].Food Science,2008,29(8):541-542.