模型優(yōu)化塔拉籽油的超臨界制備工藝

李占君 張厚良 徐宜彬 馬珂 姚彥文 楊逢建

摘 要：為研究塔拉籽油的超臨界提取工藝，以單因素實驗為基礎，對影響油脂得率的因素進行響應面的優(yōu)化，分析提取所得油脂的脂肪酸構成和理化特性。優(yōu)化結果得出最佳影響因素為：60目塔拉籽粉末100 g，溫度45 ℃，壓強32 MPa，時間109 min，實際操作得率的算術平均值為18.95%，預期得率19.38%，相對誤差為2.2%。塔拉籽油脂肪酸類型8種，代表性不飽和脂肪酸為亞油酸，其相對含量可達65.36%。超臨界酸值與索氏提取所得油脂酸值為2.899～2.993 mg /g，碘值為0.153 5～0.153 7 mg/g，因此塔拉籽油的不飽和程度、干燥性和氧化穩(wěn)定性較好。研究結果證實了超臨界提取不影響原有脂肪酸構成，并對油脂品質有改良作用，能夠實現塔拉籽油的高效提取，為塔拉籽油的制備提供數據參考。

關鍵詞：塔拉籽油;超臨界;索氏;響應面法優(yōu)化;脂肪酸構成;理化性質

中圖分類號：TQ644.4;TQ654.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1006-8023（2021）04-0079-08

Model Optimization of Supercritical Preparation

Process of Tara Seed Oil

LI Zhanjun1， ZHANG Houliang1， XU Yibin1， MA Ke1， YAO Yanwen1， YANG Fengjian2*

（1.Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Yichun 153000， China;

2.Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the supercritical extraction process of tara seed oil， based on the single factor experiments， response surface optimization was carried out on the factors affecting the oil yield， and the fatty acid composition and physicochemical properties of the oil were analyzed. The results showed that the best influencing factors were as follows： 60 mesh tara seed powder 100 g， temperature 45 ℃， pressure 32 MPa， time 109 min. The arithmetic mean of the actual yield was 18.95%， the expected yield was 19.38%， and the relative error was 2.2%. There were 8 types of fatty acids in tara seed oil， and the representative unsaturated fatty acid was linoleic acid， the relative content of which was up to 65.36%. The acid value of supercritical acid value and the oil obtained from Soxhlet extraction had an acid value of 2.899-2.993 （mg /g）， an iodine value of 0.153 5-0.153 7 mg/g. Therefore， the degree of unsaturation， drying and oxidation stability of tara seed oil was better. The results confirmed that， supercritical extraction did not affect the original fatty acid composition and had an effect on improving the quality of oil， which realized the efficient extraction， and provide scientific and data reference for the preparation of tara seed oil.

Keywords：Tara seed oil; supercritical; Soxhlet; response surface optimization; fatty acid composition; physical and chemical properties

收稿日期：2021-01-15

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展專項（ ZY19C 11）; 黑龍江省伊春市青年基金科技項目（Q2020-1）

第一作者簡介：李占君，碩士，工程師。研究方向為植物資源學、植物天然產物分離及鑒定。 E-mail： lizhanjun.1@163.com

*通信作者：楊逢建，博士，教授。研究方向為植物資源。E-mail： yangfj@nefu.edu.cn.

引文格式：李占君，張厚良，徐宜彬，等. 模型優(yōu)化塔拉籽油的超臨界制備工藝[J]. 森林工程，2021，37（4）：79-86.

LI Z J， ZHANG H L， XU Y B， et al. Model optimization of supercritical preparation process of tara seed oil[J]. Forest Engineering，2021，37（4）：79-86.

0 引言

塔拉（Caesalpinia spinosa Kuntze）原產于北美洲，主產地秘魯，其產量為全世界總產量的80%[1-3]。塔拉在植物分類學中為蘇木亞科中的云實屬，一種多年生珍貴資源植物[4]。生存環(huán)境為降水量少、太陽照射時間長的特征區(qū)域，近年來塔拉在我國（云南）已經成功引種并大面積成林[5]。成熟飽滿塔拉種子內部主要由胚蛋白、單寧類物質以及天然性脂肪酸甘油酯這幾類物質構成。種子內部所含油脂以不飽和脂肪酸甘油酯為主，其相對含量可達90%以上;特別是亞麻酸甘油酯相對含量可達64%[6]。因此塔拉籽油具有較高的營養(yǎng)價值，在日化、食品、保健品和醫(yī)藥領域發(fā)揮巨大的作用[7]。

現階段塔拉籽油脂相關性研究主要集中在傳統(tǒng)索氏提取、塔拉籽油的超聲輔助提取以及塔拉籽油的氧化穩(wěn)定性（人工合成或天然抗氧化劑的干預）等方面。目前仍未見得應用響應面法對塔拉籽油的超臨界提取工藝予以優(yōu)化的相關報道?；钚猿煞痔崛〉姆绞桨ǎ撼刈匀唤帷鹘y(tǒng)索氏、揮發(fā)性物質蒸餾回流、超聲輔助提取、微波輔助提取、超聲-微波協(xié)同輔助提取以及超臨界[8]。超臨界的使用一方面可以保證活性物質原有穩(wěn)定性;另一方面能夠實現目標活性物質的高質、高效和零溶劑殘留提取的目的[9]。因此超臨界提取在生物醫(yī)藥工程、醫(yī)學檢驗、生物檢驗和食品檢測方面具有較高的認可度和實際應用性[10]。

本研究將超臨界CO2流體提取技術應用于塔拉籽油的提取，以單因素實驗為前提，分析得出各影響因素的影響規(guī)律以及上限閾值，再以響應面法（RSM）對整體工藝影響因素進行分析和優(yōu)化。對超臨界CO2流體提取得到的塔拉籽油進行了脂肪酸構成和理化性質方面對比分析。

1 材料與方法

1.1 原料

塔拉籽（品質優(yōu)良，2017年云南昆明收集），液化CO2（哈爾濱氣體公司），95%乙醇（天津市科密歐化學試劑有限公司）。

1.2 儀器

理化干燥箱（型號：LG 100 B，上海儀器總廠）;中藥粉碎機（型號：FW-135，天津奈斯特儀器有限公司）;標準分樣篩（型號：JH0004，迪勝）;電子分析天平（型號：UH620H，日本SHIMADZU島津）;超臨界提取裝置（型號：HA121-50-01-1 L，海安華安超臨界設備有限公司）等。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

對塔拉籽依次進行如下處理：

（1）第一次60 ℃低溫烘干控水（未經粉碎），低速點式粉碎，過篩獲取60目粉末。

（2）第二次60 ℃低溫烘干控水（60目粉末，含水率≤5%）備用[11]。

1.3.2 超臨界提取和得率的計算

將60目塔拉籽粉末定量裝入提取釜中，以完成物料的裝配。提取過程中研究壓強（MPa）、時間（min）和體系內部溫度（℃）對塔拉籽油得率的影響。塔拉籽油得率計算公式為：

Y=（M1-M2）/M1×100%。

式中：M1為提取前粉末樣質量，g; M2為提取后的粕質量，g。

1.4 單因素實驗

1.4.1 壓強

60目干燥塔拉籽粉末100 g，提取時間120 min，超臨界系統(tǒng)內部提取溫度45 ℃，CO2流速為2.33 mL/min，分別研究壓強為20、25、30、35 MPa時對得率影響。

1.4.2 時間

60目干燥塔拉籽粉末100 g，超臨界系統(tǒng)內部提取壓強30 MPa，溫度45 ℃，CO2流速為2.33 mL/min，分別研究時間為90、120、150、200 min時對得率的影響。

1.4.3 溫度

60目干燥塔拉籽粉末100 g，超臨界系統(tǒng)內部提取壓強30 MPa，提取時間120 min，CO2流速為2.33 mL/min，分別研究溫度為40、45 、50、55 ℃時對得率的影響。

1.5 工藝技術的響應面優(yōu)化

以單因素實驗數據為基礎，得出壓強（MPa）、時間（min）和溫度（℃）對得率影響的上限閾值。并對3個影響因素進行分析、優(yōu)化，相應影響因素編碼表見表1。

1.6 GC-MS檢測與分析脂肪酸構成

氣相色譜實驗條件：色譜柱為 HP- 5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;升溫程序為150 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至250 ℃，保持1 min;載氣為高純氦氣（99.99 %），載氣流速40 mL/min;樣品進樣量1 μL;分流比10∶1;進樣口溫度控制在250 ℃[12]。

質譜實驗條件：電子轟擊（EI）離子源;傳輸線與離子源溫度分別控制在280 ℃和250 ℃;質量掃描范圍50～1 000 m/z，掃描方式為全掃描[13]。

1.7 理化性質的測定

相關理化性質的測定參照方法如下：比重參照“中國油脂植物”比重瓶法;酸值參照GB5530—85;碘值參照GB5532—85;皂化值參照GB5534—85;折光值（n20）參照GB5527—85;過氧化值參照GB/T 5538—2005;硫代巴比妥值參照GB/T 35252—2017;總生育酚參照NY/T 3297—2018。

1.8 數據處理

實驗過程中，各項數據均以算術平均值的形式求得，并附與偏差值。折線圖以Origin 9.0處理，響應面工藝優(yōu)化以Box-Behnken實驗設計、優(yōu)化原則為準則，應用Design Expert 8.0.6對單因素基礎實驗中需優(yōu)化的影響因素進行三因素三水平優(yōu)化，并研究各因素之間差異性。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗分析

2.1.1 溫度

由圖1分析可知，超臨界內部體系溫度影響塔拉籽油的提取。當超臨界體系內部溫度為40～50 ℃時，得率會因溫度的升高而得到提升。當溫度為50 ℃時，塔拉籽油得率提升幅度最大。當體系溫度為50～60 ℃時，得率增長率的提升幅度開始走低。造成這一系列現象發(fā)生的主要原因為：當體系內部溫度過低時，會使得CO2流體內分子運動能力變弱，最終不利于提取的進行;當超臨界體系內部一旦溫度過高，會使得體系內部CO2流體密度變小，此時體系內部對塔拉籽油的溶解能力降低，不利于塔拉籽油的提取，同時也將會影響體系內部提取所得油脂穩(wěn)定性[14-15]。適宜的溫度才有利于油脂提取的進行，因此以50 ℃為溫度影響的上限閾值進行研究。

2.1.2 壓強

由圖2折線數據圖分析得知，超臨界內部系統(tǒng)壓強對塔拉籽油得率具有不同程度的影響。當壓強為20～30 MPa時，塔拉籽油得率會因壓強的增大而得到提升;當壓強為30 MPa時，塔拉籽油得率的增加程度最佳;當超臨界內部提取壓強為30～40 MPa時，得率增長率有降低趨勢。

主要原因在于，超臨界內部CO2氣體壓強與系統(tǒng)內CO2流體密度二者呈現正相關性。一定程度范圍內提升系統(tǒng)壓強可以直接提升流體密度，并且能夠改善塔拉籽油在超臨界系統(tǒng)內部的溶解性。系統(tǒng)內部壓強過大會使得CO2流體密度過高，內部流體對塔拉籽油的溶解力將逐步趨于飽和，這也將對設備的要求與維護更高，不利于提取的進行[16]。適度的壓強對油脂的提取具有非常重要的意義。因此，本研究以35 MPa為臨界閾值，予以進一步優(yōu)化研究。

2.1.3 時間

由圖3分析可知，超臨界提取時間對塔拉籽油的得率有一定影響。當提取時間為90～150 min時，提取時間和得率二者關系呈現正相關;當提取時間為150 min時，塔拉籽油得率的增長變化幅度最佳;提取時間為150～220 min時，塔拉籽油的提取受到制約。主要原因在于：在一定時間范圍內，適當增加提取時間對超臨界的提取具有促進作用;時間過長時，得率會因固體油渣粉末的固有阻力以及提取系統(tǒng)內部對塔拉籽油的溶解程度逐漸趨于飽和的綜合作用而受到抑制，而過度的延長時間，會使得固體粉末原料中不必要的雜質溶解在油脂中，不利于提取的進行[17-18]。因此，根據實驗數據以150 min 為時間影響的上限閾值進行研究。

2.2 響應面優(yōu)化

2.2.1 模型的建立及參數的優(yōu)化

為了能夠更好完成塔拉籽油的超臨界提取，在單因素實驗結果的基礎上對各影響因素進行深度分析與優(yōu)化，優(yōu)化實驗整體以Box-Behnken實驗設計原理為準則。實際優(yōu)化數據及模擬處理軟件為Design Expert 8.0.6，對表1溫度（A）、壓強（B）、時間（C）進行17編組優(yōu)化實驗，其中第1—12組為因素分析組，第13—17組為中心組合實驗組。表2為因素優(yōu)化編碼操作實驗表，以塔拉籽油得率為響應值Y，同時得出模型對應二次回歸方程為：

Y=+19.18-0.49A+0.81B-0.32C+0.15AB-0.61AC-1.15BC-2.36A2-2.01B2-0.86C2

對表3方差數據分析可知，影響因素A、B、C對塔拉籽油超臨界提取所對應的響應值Y會產生不同形式的影響，具體影響可表現為A、B、C，AB、AC、BC，A2、B2、C2這3種不同形式。其中單一因素對得率的影響程度為：B>A>C;組合性因素影響程度為：

BC>AC>AB和A2>B2>C2，且AC表現為差異性顯著，A、B、BC、A2、B2、C2對得率的影響為差異性極顯著。同時該模型P<0.000 1為差異性極顯著，模型失擬項P>0.05表現為差異性不顯著，進一步說明該優(yōu)化實驗擬合模擬程度高，模型高度吻合。

根據表4數據R2 = 0.968 2、Adj R2 = 0.927 2，可知該組優(yōu)化模型具有較高的擬合度、線性關系好，能夠對實驗進行設計和預測，且預測值可達到98.45%。分析優(yōu)化過程中3D傘狀圖、2D等高線圖如圖4所示。

圖4為響應面優(yōu)化（RSM）過程中所對應的3D傘狀圖和2D等高線圖，3D傘狀圖對確定影響因素的最大值、中間值和最小值均具有重要意義;2D等高線圖可以在二維圖像上顯示三維關系，有助于確定預期響應水平的變量，更直觀地反映出各因素對響應值Y的影響程度。結合數據和模型，采用響應值（Z軸）和其他2個影響因素（X軸和Y軸）建立了RSM擬合模型，并將其中一單因素設置定量為0（0級）。此時對3D傘狀圖和2D等高線圖分別予以研究和分析。

圖4（a）分析可知，隨著A和B的提升，塔拉籽油得率先逐漸得到提高，直至得率達到最高值后開始降低，A、B之間交互作用表現為差異性不顯著（P=0.450 8，>0.05）。當得率增加量一定時，A為45 ℃，B為32 MPa時，塔拉籽油的得率為最佳值。

圖4（b） 分析得出，隨著A和C的增加，塔拉籽油得率先逐漸得到提高，直至得率達到最高值后開始降低，A、C之間交互作用表現為差異性顯著（P=0.013 9， 0.01

對圖4（c）分析可知，隨著B和C的增加，塔拉籽油得率先逐漸得到提高，直至得率達到最高值后開始降低，B、C之間交互作用表現為差異性極顯著（P=0.000 5， <0.01）。當塔拉籽油得率對應響應值增量達到一定程度時，B為32 MPa，C為109 min，時，塔拉籽油的得率處于最大值。同時根據3組3D傘狀圖與縱軸之間的傾斜程度可以得出相應因素在各組影響因素組中的影響程度，再次驗證了AB組中B>A，AC組中A>C，BC組中B>C，結果與表3分析結果保持一致。

2.2.2 驗證實驗

應用軟件對模型擬合優(yōu)化得出的優(yōu)化因素參數：60目塔拉籽粉末100 g、溫度45 ℃、壓強32 MPa、時間109 min進行驗證，實際操作得率的算術平均值為18.95%，預期得率19.38%，相對誤差為2.2%，表明優(yōu)化實驗合理有效。

2.3 GC-MS分析脂肪酸構成

對索氏、超臨界提取所得的塔拉籽油的脂肪酸構成進行GC-MS檢測，用以對比分析2種不同提取方式情況下油脂脂肪酸構成之間的差異，脂肪酸構成相應總離子流對比如圖5所示。

結合圖5和表5 GC-MS檢測結果分析對比可知，超臨界與索氏提取所得塔拉籽油的脂肪酸類型相同，同時各類脂肪酸相對含量沒有明顯差異，說明提取方式對油脂脂肪酸構成無明顯影響。超臨界提取塔拉籽油的脂肪酸構成相對含量由高到低依次脂肪酸類型為亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸、二十二碳酸、亞麻酸、花生酸和棕櫚油酸。其中不飽和脂肪酸按照相對含量排序依次為：亞油酸、油酸、二十二碳酸和亞麻酸，同時不飽和脂肪酸含量較高。

2.4 理化特性

對超臨界、索氏這2種不同提取方式所得的塔拉籽油相關理化性質進行測定和分析，以探討理化特性與提取方式之間的關系，見表6。

表6為超臨界方式與索氏提取方式下塔拉籽油的理化特性對比分析，索氏提取常規(guī)操作：料液比1∶10（g/mL），溶劑無水乙醇，循環(huán)提取4～6 h。數據分析可知超臨界方式各項理化指標優(yōu)于索氏提取。超臨界提取工藝對油脂具有一定程度的改良作用，具體表現為：油脂的脫酸作用明顯;碘值較高，表明油脂的不飽和程度較高，屬于干性油，具有較強的干燥性;皂化值、過氧化值方面數值適中，表明該種油脂所對應的平均分子量適中，具有較好的親水性和氧化穩(wěn)定性。

3 結論

本文對超臨界提取塔拉籽油工藝進行了系統(tǒng)性研究，單因素實驗分析得出各影響因素的影響上限閾值溫度為50 ℃，壓強為35 MPa，時間為150 min。以節(jié)能環(huán)保為基礎，最終優(yōu)化因素為：60目塔拉籽粉末100 g，溫度45 ℃，壓強32 MPa，時間109 min，實際操作得率的算術平均值為18.95%，預期得率19.38%，相對誤差為2.2%。GC-MS檢測分析得出，塔拉籽油是一種高不飽和脂肪酸，所含亞麻酸含量可達62.32%～65.36%。對比分析理化特性過程中酸值為2.899～2.993 mg/g，碘值為0.153 5～0.153 7 g/100g，說明超臨界提取工藝對油脂具有一定程度的改良作用。超臨界提取工藝應用于塔拉籽油的制備更加節(jié)能、環(huán)保。因此，超臨界應用于塔拉籽油提取具有良好的前景。

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