采用亞臨界正丁烷流體萃取光皮梾木油

張愛華，聶素麗，賈維肖，趙梓成，4，李培旺，肖志紅

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.木本油料資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3.湖南省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410011；4.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

光皮梾木（別名光皮樹，斑皮抽水樹），屬于雙子葉植物綱、山茱萸科、梾木屬的落葉喬木，是一種公認(rèn)的高含油生物能源樹種，生物柴油的理想原料樹種[1-3]。目前對(duì)光皮梾木的研究比較少，李昌珠等[4-5]對(duì)光皮梾木進(jìn)行了深入研究，提出了光皮梾木豐產(chǎn)矮化技術(shù)規(guī)程，開展了光皮梾木優(yōu)良無性系的區(qū)域栽培試驗(yàn)，構(gòu)建了光皮梾木立地質(zhì)量評(píng)價(jià)量化模型，有望在黃河以南和珠江以北地區(qū)進(jìn)行大面積種植。肖志紅等[6]對(duì)光皮梾木果實(shí)不同部位油脂組成進(jìn)行了分析，闡述說明光皮梾木果實(shí)全果含油，果肉含油占全果60%以上，核仁含油占全果30%以上，干基光皮梾木果含油率在30%左右，因此光皮梾木在我國具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光皮梾木在我國已經(jīng)得到了一定發(fā)展，其油脂也到了較廣泛應(yīng)用。目前主要應(yīng)用于生物能源和食用油兩個(gè)領(lǐng)域[7-8]。李正茂等[9]對(duì)光皮梾木經(jīng)濟(jì)性狀及開發(fā)生物質(zhì)液體燃料的研究進(jìn)行了構(gòu)想，闡明光皮梾木經(jīng)濟(jì)利用系數(shù)高，果實(shí)含油率在30%以上；油質(zhì)好，對(duì)其轉(zhuǎn)化的生物燃料進(jìn)行了測(cè)定，十六烷值在45 以上，符合車用燃料標(biāo)準(zhǔn)；政策扶持方面，光皮梾木已經(jīng)被列入中國與歐盟的合作研究項(xiàng)目，有望快速推進(jìn)其在生物質(zhì)液體燃料領(lǐng)域的研究與開發(fā)。

李昌珠等[10]對(duì)目前國內(nèi)光皮梾木的資源狀況進(jìn)行了闡述，目前國內(nèi)的光皮梾木主要集中種植于湖南省和江西省，種植面積約為5.3×104hm2。劉光斌等[11]對(duì)5 種野生木本植物油性質(zhì)及其制備生物柴油進(jìn)行了研究，認(rèn)為光皮梾木油是一種制備生物柴油的優(yōu)良原料，反應(yīng)過程酯交換率大于95%，所制備的生物柴油符合國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品指標(biāo)也接近于0#柴油標(biāo)準(zhǔn)[12-14]。

光皮梾木油中的亞油酸和β-谷甾醇是人體不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，具有提高人體免疫力、降低動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)的作用，此外還有抗腫瘤和預(yù)防糖尿病的效果[15-16]。許安然等[17]采用光皮梾木油治療高脂血癥，并進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，結(jié)果表明光皮梾木油能夠明顯降低人體內(nèi)的膽固醇和β 脂蛋白，在食用過程中無任何毒副作用，可以作為輔助降脂的藥食同源產(chǎn)品使用。亞臨界技術(shù)已成功應(yīng)用于深海魚油、無花果油、牡丹籽油、孜然油、白果油、姜油和大宗油脂的制備[18-22]，也應(yīng)用于煙草浸膏、羊毛脂內(nèi)含油脂的脫除領(lǐng)域[23-24]。超臨界萃取法存在設(shè)備投資大、效率低、生產(chǎn)成本極高等不足[25]。SFE 技術(shù)（超臨界流體萃取技術(shù)）較傳統(tǒng)制油工藝存在諸多優(yōu)勢(shì)，因此在行業(yè)內(nèi)勢(shì)頭發(fā)展迅猛，并已逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到新型油料領(lǐng)域。制油過程的參數(shù)調(diào)整至關(guān)重要[26]。朱凱琪等采用SPE 技術(shù)制備了柚皮精油，韓艷利等[27]對(duì)山蒼子果實(shí)的亞臨界低溫制油工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該工藝具有很好的實(shí)用前景。

本研究旨在探索采用亞臨界正丁烷（n-C4）流體萃取光皮梾木油技術(shù)，探討光皮梾木油在亞臨界液態(tài)n-C4中的溶解進(jìn)程平衡，研究溫度對(duì)萃取動(dòng)力學(xué)的影響，為光皮梾木油的高效萃取及其功能成分制備提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

SPE 實(shí)驗(yàn)室成套設(shè)備（型號(hào)CBE-XL，河南亞臨界生物有限公司）；實(shí)驗(yàn)室萬能粉碎機(jī)（型號(hào)XFB-200，吉首市中誠制藥機(jī)械廠）；氣質(zhì)聯(lián)用色譜儀（型號(hào)SCION SQ，BRUKER，USA）；數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩分機(jī)（型號(hào)RA-200，上海如昂機(jī)電科技有限公司）；電子天平（型號(hào)MS304TS-02，梅特勒-托利多國際貿(mào)易上海公司）。

1.2 試驗(yàn)材料

光皮梾木果實(shí)，采自湖南省林業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)林場，丁烷（純度99.99%）購于青島魯東氣體有限公司，石油醚、正己烷（AR 級(jí)）均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 亞臨界萃取制油試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）單因素試驗(yàn)考察不同因素變量對(duì)萃取效果的影響：物料粒徑/目（10、20、30、40、50）、物料水分/%（3.02、5.29、7.67、10.19、12.24）、萃取溫度/℃（25、30、35、40、45）、萃取時(shí)間/min（20、30、40、50、60）、料液比（1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3）、萃取次數(shù)（1、2、3、4、5）。

在萃取溫度35℃，料液比1∶1.5，萃取時(shí)間40 min，物料水分10.19%的試驗(yàn)條件下考察粒徑因素對(duì)萃取率影響；在萃取溫度35℃、料液比1∶1.5、物料粒徑30 目、萃取時(shí)間40 min 的試驗(yàn)條件下考察物料水分對(duì)萃取率的影響；在料液比1∶1.5，物料水分10.19%，物料粒徑30 目，萃取時(shí)間40 min 的試驗(yàn)條件下考察萃取溫度對(duì)萃取率的影響；在萃取溫度35℃、料液比1∶1.5、物料水分10.19%、物料粒徑30 目的條件下考察萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響；在萃取溫度35℃、物料粒徑30 目、物料水分10.19%、萃取時(shí)間為40 min 的條件下考察料液比對(duì)光皮梾木油萃取率的影響；在萃取溫度35℃、物料粒徑30 目、物料水分10.19%、萃取時(shí)間40 min、料液比1∶1.5 的試驗(yàn)條件下考察萃取次數(shù)對(duì)光皮梾木油萃取率的影響。

2）響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察萃取溫度、萃取時(shí)間和料液比及其交互作用對(duì)萃取效果的影響，采用Box-Behnken中的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用Design-Expert 軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)L17(3,3)進(jìn)行RSM 優(yōu)化。

1.3.2 亞臨界n-C4 流體萃取制油

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求（見1.3.1），準(zhǔn)確稱取一定量粉碎后的光皮梾木果實(shí)物料，置于萃取釜內(nèi)，萃取過程按照設(shè)定和萃取時(shí)間定時(shí)排放萃取液。具體操作詳見CBE-XL SPE 試驗(yàn)室成套設(shè)備說明書，循環(huán)若干次完成萃取，同一樣品試驗(yàn)要保持后續(xù)過程同第一次萃取的操作參數(shù)，并依次進(jìn)行后續(xù)次數(shù)的萃取。

1.3.3 脂肪酸組分含量及含油率指標(biāo)測(cè)定

利用分析天平稱取1 g 以內(nèi)的油脂樣品轉(zhuǎn)至試管，將甲醇-氫氧化鈉混合溶液按照設(shè)定比例與油脂樣品混合，通過酯交換反應(yīng)使脂肪酸甘油三酯轉(zhuǎn)換為脂肪酸甲酯。溫水浴條件下快速搖動(dòng)100 min，加入萃取劑正己烷繼續(xù)搖動(dòng)20 min。將萃取相稀釋定容，用于后續(xù)氣相分析[28-29]。含油率指標(biāo)檢測(cè)參照GB/T 14488.1—2008。

1.3.4 光皮梾木油—亞臨界n-C4 兩相溶解度平衡模型研究

圖1 模擬系統(tǒng)可以分為A、B、C 三個(gè)區(qū)域，光皮梾木油的濃度分布為A 區(qū)域＞C 區(qū)域＞B 區(qū)域。光皮梾木油和亞臨界n-C4兩相初始接觸，油脂分子傳質(zhì)運(yùn)動(dòng)開始，A 區(qū)域傳至C 區(qū)域，再由C 區(qū)域傳至B 區(qū)域，n-C4由B 區(qū)域傳至C 區(qū)域，再由C 區(qū)域傳至A 區(qū)域，經(jīng)過一定時(shí)間的傳質(zhì)運(yùn)動(dòng)，A、B、C 三個(gè)區(qū)域?qū)⑦_(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡。

圖1 模擬兩相互溶平衡示意Fig.1 Schematic diagram of simulated two-phase miscible equilibrium

1.3.5 亞臨界n-C4 流體萃取光皮梾木油的動(dòng)力學(xué)研究

亞臨界n-C4流體萃取制備光皮梾木油過程中涉及流體體系和萃取微動(dòng)態(tài)比較復(fù)雜，通常采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法確定模型的參數(shù)。本研究直接引用Patricelli模型公式進(jìn)行后續(xù)動(dòng)力學(xué)的研究，并對(duì)其進(jìn)行考察驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 光皮梾木油-亞臨界n-C4 兩相溶解度平衡模型

2.1.1 動(dòng)態(tài)互溶平衡時(shí)長

平衡傳質(zhì)時(shí)間直接影響互溶測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了保證體系相平衡的達(dá)到，合理的傳質(zhì)時(shí)間顯得尤為重要。過長的傳質(zhì)時(shí)間，不僅會(huì)影響結(jié)果準(zhǔn)確性，還會(huì)造成能耗損失，增加不必要的負(fù)擔(dān)。過短的傳質(zhì)時(shí)間直接影響互溶度的準(zhǔn)確性，造成試驗(yàn)無意義。因此，分別在30、40 和50℃的條件下，考察了傳質(zhì)時(shí)間對(duì)互溶度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 丁烷流體中光皮梾木油質(zhì)量變化Fig.2 Changes in the quality of parvovirus oil in butane fluid

如圖2 所示，不同溫度下n-C4流體中溶解光皮梾木油的質(zhì)量隨時(shí)間延長呈現(xiàn)先增大后逐漸平緩的趨勢(shì)，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）來顯示試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，RSD 的計(jì)算方法見式（1）。

式（1）中：n為采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；xi為數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值；為采集數(shù)據(jù)的平均值。

把每3 個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)作為一組，根據(jù)式（1）計(jì)算每組數(shù)據(jù)的RSD。當(dāng)RSD 處于5.0%以下即可認(rèn)定為試驗(yàn)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，即互溶傳質(zhì)過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

從圖2 和圖3 可以看出，在30℃的條件下，光皮梾木油互溶擴(kuò)散在60 min 后達(dá)到平衡。在40℃和50℃的條件下，光皮梾木油溶解平衡的時(shí)間都在40 min 前后，由此可見溫度的升高可以使得光皮梾木油與溶劑更快地達(dá)到互溶平衡。這是因?yàn)闇囟壬吣芗涌靷髻|(zhì)速率，提高分子運(yùn)動(dòng)水平，從而縮短了溶解達(dá)到平衡的時(shí)間。為了準(zhǔn)確測(cè)量光皮梾木油的互溶度，在考察溫度區(qū)間內(nèi)（30～50℃），選擇適宜的萃取平衡時(shí)間為60 min。

圖3 采集的組數(shù)據(jù)RSDFig.3 Collected group data RSD

通過重復(fù)性試驗(yàn)檢驗(yàn)了本方案的準(zhǔn)確性，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（式1）來衡量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?？疾旃に嚄l件：反應(yīng)溫度30℃，溶劑1 L，測(cè)得3 組光皮梾木油/n-C4的互溶數(shù)據(jù)（84.91、85.42、85.94 g/L），標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 小于1%，因此本試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

2.1.2 互溶模型驗(yàn)證

由圖1 可知，n-C4與光皮梾木油分子通過一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的緩沖區(qū)C 進(jìn)行互相傳質(zhì)，再分別進(jìn)入對(duì)方的體系呈梯度式進(jìn)行擴(kuò)散，最終使各自濃度達(dá)到設(shè)定條件下的互溶平衡狀態(tài)。

基于傳質(zhì)擴(kuò)散的本質(zhì)，建立關(guān)于光皮梾木油在n-C4流體中的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型，見圖4。

圖4 一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型示意Fig.4 Schematic diagram of one-dimensional steady-state diffusion model

其中，Cin，Cout，為光皮梾木油的質(zhì)量濃度（g/L），代入求得

采用菲克第一擴(kuò)散定律：

單位時(shí)間內(nèi)透過靜態(tài)緩沖區(qū)面積為A的質(zhì)量流量為

設(shè)定光皮梾木油在A 區(qū)域內(nèi)濃度CA一致，B區(qū)域CB一致，定為常數(shù)項(xiàng)，把式10中的常數(shù)項(xiàng)用P，R替換。

因此，式10 可以化簡為：

對(duì)t積分可得：

經(jīng)上述推導(dǎo)，一定時(shí)間內(nèi)溶解質(zhì)量m與經(jīng)過的時(shí)間t的關(guān)系如公式14 所示。用Origin 2018 軟件的非線性擬合功能對(duì)圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合函數(shù)取，結(jié)果如圖5 所示：擬合的效果用均方差和決定系數(shù)（R2）判斷，擬合結(jié)果如表1。

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.5 Experimental data fitting results

由表1 可知，時(shí)間結(jié)果的決定系數(shù)R2都很大（R2＞0.95），并且F值都為顯著（F＜0.05%）。方差檢驗(yàn)表明，模型計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有顯著差異。因此，式（14）能很好地與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合，證明了試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確、可靠。

表1 模型擬合結(jié)果Table 1 Model fitting results

2.1.3 互溶度及相互關(guān)聯(lián)

測(cè)定了溫度30～50℃時(shí)的互溶度數(shù)值，結(jié)果見表2。

表2 溶解度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of solubility

互溶度平衡的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法采用締合模型法。簡要推導(dǎo)過程如下：

1 mol A 與k mol B 形成1 mol 結(jié)合物ABk，即：

那么有平衡常數(shù)：

取對(duì)數(shù)得到：

其中[A]，[B]，[ABk]分別表示溶質(zhì)、溶劑、結(jié)合物的平衡摩爾濃度。

根據(jù)Clapeyron-Clausius 方程及Van’t Hoff方程：

其中：?Hvap表示溶劑蒸發(fā)熱，J/mol；Hsolv? 表示溶質(zhì)溶解熱，J/mol；qv，qs為積分常數(shù)。

由式（13）-（19）得：

式中d為流體密度，a，b和k分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

方公式（20）將互溶度與n-C4流體密度、操作溫度等因素進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，將表4 中溫度、密度數(shù)值進(jìn)行線性回歸，見式（21）。

回歸系數(shù)0.998 93，表明在30 到50℃范圍內(nèi)，線性相關(guān)性高。

將式（21）帶入式（20）得：

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)用式（22）進(jìn)行回歸，可得回歸方程：

k=15.66、ΔH為總反應(yīng)熱、R=8.314 J/(mol·K)，，表明光皮梾木油在亞臨界n-C4中的溶解是一個(gè)放熱過程。

試驗(yàn)值與式（23）計(jì)算值對(duì)比見圖6。

圖6 計(jì)算值與擬合值對(duì)比Fig.6 Comparison between calculated value and fitting value

從圖6 可以看到，試驗(yàn)值和計(jì)算值幾乎都落在一條直線上。試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差（ARE%）為1.09%，最大相對(duì)誤差（RE%）為1.11%，因此說明，在30～50℃范圍內(nèi)，采用公式（23）計(jì)算光皮梾木油與亞臨界n-C4中的互溶度有很好的準(zhǔn)確性，這對(duì)本試驗(yàn)選用的溫度指導(dǎo)意義重大。

2.2 亞臨界n-C4 流體萃取制油工藝優(yōu)化研究

2.2.1 單因素試驗(yàn)

1）粒徑因素對(duì)萃取率影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7a，可知物料粒徑在30 目以內(nèi)，光皮梾木油脂萃取率與目數(shù)成正比；物料粒徑大于30 目，光皮梾木油脂萃取率與目數(shù)成反比，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果粒徑為30 目，萃取率達(dá)到最高。這是由于物料目數(shù)低，顆粒粒徑會(huì)變大，物料內(nèi)部的油脂分子不利于梯度擴(kuò)散；顆粒粒徑過小，容易造成粉末團(tuán)聚，且在實(shí)際操作過程中不利于溶劑通過致密的物料層，所以造成萃取率下降，因此綜合考慮，后續(xù)試驗(yàn)物料粒徑控制在30 目。

2）物料水分對(duì)萃取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7b，可知過高的含水率對(duì)萃取率的影響比較大，在物料含水率超過12%，萃取率有明顯的下降趨勢(shì)。這是由于物料中的H2O 分子為極性分子，油脂和萃取相n-C4都為非極性分子，H2O 分子的存在能夠阻礙油脂分子向萃取相的擴(kuò)散；但是過低含水率就需要消耗更多的熱能進(jìn)行烘干，并且水分低于10%后，萃取率的升高趨勢(shì)不是很明顯。因此，本試驗(yàn)后續(xù)過程中針對(duì)物料水分控制在10%左右。

3）萃取溫度對(duì)萃取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7c，可知在亞臨界n-C4流體萃取制油過程中，溫度升高（25～35℃）可有效提高油脂的萃取率，這是由于溫度升高可以加快分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使n-C4流體與物料中的油脂分子接觸能力提高，從而促進(jìn)油脂的萃取率；但溫度過高（40～45℃），會(huì)造成萃取釜內(nèi)n-C4分子氣化加劇，從而使亞臨界狀態(tài)的n-C4溶劑實(shí)際體積減小，不利于光皮梾木油的提取。因此，針對(duì)萃取溫度因素在后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化范圍為30～40℃。

4）萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7d，可知在時(shí)間40 min 以內(nèi)，光皮梾木油脂萃取率與萃取時(shí)間成正比；時(shí)間大于40 min，光皮梾木油脂萃取率呈現(xiàn)持平趨勢(shì)。這是由于在萃取的初始階段，物料中的油脂分子處于快速的傳質(zhì)階段，物料細(xì)胞中的油脂分子由高濃度向n-C4溶劑快速擴(kuò)散，所以萃取率有明顯提高。隨著時(shí)間增加，n-C4溶劑中的油脂分子與物料細(xì)胞的中油脂分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，造成傳質(zhì)進(jìn)入慢速階段，從而萃取率趨于平緩。因此，后續(xù)試驗(yàn)選萃取時(shí)間30～50 min 的考察范圍為宜。

5）料液比對(duì)光皮梾木油萃取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7e，可知在亞臨界萃取過程中，料液比由1∶1～1∶25 階段，萃取率有顯著提高，這是由于溶劑量少會(huì)影響物料中油脂分子的傳質(zhì)，隨著料液比增加，會(huì)加大萃取過程中油脂分子擴(kuò)散的濃度差，從而有利于萃取率的提高。當(dāng)料液比進(jìn)一步增加，油脂分子擴(kuò)散平衡增加的升高幅度不及料液比的升高幅度，并且還會(huì)造成后續(xù)脫溶的成本增加。因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇料液比1∶1.5～1∶2.5 的考察范圍為宜。

6）萃取次數(shù)光皮梾木油萃取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖7f，可知光皮梾木油萃取率隨著萃取次數(shù)的增加而增加，當(dāng)萃取3 次后，油脂萃取率的增幅明顯降低，這說明在當(dāng)前工藝條件下經(jīng)過3 次萃取光皮梾木油的萃取率達(dá)到峰值，為94.31%。萃取次數(shù)的增加本質(zhì)也就是增加了萃取時(shí)間和料液比，不僅會(huì)造成溶劑的浪費(fèi)和延長脫溶的時(shí)間，還會(huì)增加工藝生產(chǎn)的成本。因此，選擇萃取次數(shù)3 次為宜，并且為了因素的獨(dú)立性，在后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不再考慮萃取次數(shù)這個(gè)因素。

圖7 各因素對(duì)萃取率的影響Fig.7 Effects of factors on extraction rate

2.2.2 RSM 方案結(jié)果

針對(duì)單因素試驗(yàn)考察結(jié)果，選取A-萃取溫度、B-料液比、C-萃取時(shí)間RSM 試驗(yàn)中的自變量，以光皮梾木油Y-萃取率為試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)值。利用Design-Expert 8.0 中BBD 模塊進(jìn)行RSM 優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L17(3,3)。

對(duì)表3 Box-Behnken 試驗(yàn)結(jié)果實(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，得到光皮梾木油制備過程中萃取溫度（A/℃）、料液比（B）、萃取時(shí)間（C/min）三因素的試驗(yàn)值與收率(Y/%)之間的二次回歸方程模型：

表3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Box Behnken experimental design and results

由表4 可知，模型P＜0.000 1，R2（決定系數(shù)）為0.987 1，R2adj（調(diào)整系數(shù)）為0.970 6，說明擬合模型顯著、擬合度高，可以很好地對(duì)不同條件下亞臨界n-C4流體萃取光皮梾木油的響應(yīng)值進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

表4 RSM 回歸模型方差分析Table 4 Response surface regression model analysis of variance

由圖8 可知，響應(yīng)面交互作用3D 圖形和等高線圖中顯示了交互作用的最高點(diǎn)，且最高點(diǎn)的數(shù)值均在考察范圍之內(nèi)，表明模型真實(shí)可靠。進(jìn)一步分析：萃取時(shí)間和料溶比兩個(gè)因素作用極顯著，萃取溫度作用次之。通過對(duì)表6 響應(yīng)面回歸模型方差分析后，確定預(yù)測(cè)最佳參數(shù)為萃取溫度36.45℃、料液比1∶2.45、萃取時(shí)間43.51 min，萃取率預(yù)測(cè)值99.39%。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為萃取溫度（36℃）、料液比（1∶2.5）、萃取時(shí)間（43 min），在經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化后的3 次平行試驗(yàn)值為99.15%±0.05%，與預(yù)測(cè)值相差0.24%±0.05%，相差不大，說明模型真實(shí)可靠；較優(yōu)化前單因素條件中最佳萃取率提高了4.80%±0.05%。

圖8 兩因素交互影響轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour maps of two factors interacting to influence the conversion rate

2.2.3 亞臨界n-C4 流體萃取光皮梾木油的動(dòng)力學(xué)研究

Meziane 等[30]采用Patricelli 模型對(duì)葵花籽的萃取機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含油的物料與萃取劑之間存在兩種方式：游離油脂萃取和結(jié)合油脂擴(kuò)散萃取，其中游離油脂的萃取占主導(dǎo)地位，并且該模型相對(duì)成熟，本研究直接引用該模型式（25）進(jìn)行后續(xù)動(dòng)力學(xué)的研究。

式（25）中：Yt為光皮梾木油某時(shí)間點(diǎn)的萃取率（g/100 g）；Ye為平衡萃取率；為游離油脂萃取平衡萃取率（g/100 g）；為結(jié)合油脂擴(kuò)散平衡萃取率（g/100 g）；Bw為游離油脂傳質(zhì)系數(shù)（min-1）；Bd為結(jié)合油脂傳質(zhì)系數(shù)（min-1）。

由圖9可知，在同一溫度的條件下，亞臨界n-C4流體萃取的萃取率隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在起始階段20 min 以內(nèi)，光皮梾木油的萃取率增加趨勢(shì)迅猛，這是由于物料內(nèi)的油脂分子含量高，擴(kuò)散的梯度差比較大，所以對(duì)萃取率有利；在以后時(shí)間，萃取率逐漸趨于平緩。同時(shí)，隨著溫度的升高，同一時(shí)刻的萃取率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于溫度的增加能夠提高流體和油脂分子的運(yùn)動(dòng)速率，有益于油脂分子的萃取。

采用1stopt 數(shù)據(jù)處理軟件將不同溫度和不同時(shí)間的光皮梾木油萃取率的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，并采用Origin 軟件進(jìn)行繪圖，由圖9 可知，Patricelli模型準(zhǔn)確地闡述了亞臨界n-C4萃取的動(dòng)力學(xué)過程，擬合曲線見圖9 中的紅實(shí)線，模型參數(shù)見表5。

表5 光皮梾木油萃取過程Patricelli 模型擬合參數(shù)表Table 5 Fitting parameters of the Patricelli model in extraction process of S.wilsoniana oil

圖9 不同萃取溫度動(dòng)力學(xué)曲線Fig.9 Kinetic curve at different extraction temperature

Patricelli 模型闡述的油脂萃取過程分為兩部分：一是物料經(jīng)過預(yù)處理后，黏附或吸附在物料內(nèi)部或物料顆粒之間的游離油脂，該部分油脂的萃取率很高，在圖中能夠看到陡升的趨勢(shì)；二是物料內(nèi)部的結(jié)合油脂，這部分油脂在細(xì)胞壁內(nèi)，需要通過油脂分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)油脂的萃取，由于增加了阻礙，所以萃取率較低。

2.2.4 不同工藝光皮梾木油的物化性質(zhì)

1）光皮梾木油的常規(guī)理化指標(biāo)

由表6 可知，3 種工藝制備的光皮梾木油考察的主要理化指標(biāo)無明顯差異，進(jìn)一步說明亞臨界制油工藝的可靠性。3 種工藝制備的光皮梾木油的酸值均較高，這是由于光皮梾木果實(shí)為全果含油，在果實(shí)成熟過程中，果肉內(nèi)的油脂在高水分的條件下，再加上自身生物酶的催化，會(huì)發(fā)生酸敗現(xiàn)象。這也為后續(xù)光皮梾木果實(shí)的采收時(shí)間和烘干預(yù)處理提供了科研基礎(chǔ)。

表6 3 種油脂制備方法對(duì)光皮梾木油常規(guī)指標(biāo)的影響Table 6 Effects of three oil preparation methods on Routine Indexes

2）脂肪酸組分分析

由表7 可知，亞油酸、油酸、棕櫚酸、亞麻酸、硬脂酸等主要成分的相對(duì)百分含量在三種工藝制備的光皮梾木油中無顯著變化，均為亞油酸和油酸占據(jù)了75%以上的含量。從油脂分子角度來講，3 種工藝對(duì)油脂的品質(zhì)無任何不利影響，這說明亞臨界n-C4流體萃取光皮梾木油工藝切實(shí)可行。

表7 光皮梾木油脂肪酸的組成和相對(duì)含量Table 7 Composition and relative content of fatty acids in S.wilsoniana oil

由圖10a 可知，光皮梾木油中不飽和脂肪酸組分為79.67%，飽和脂肪酸組分為19.13%。因?yàn)楣馄吥居痛呋呀夂罄m(xù)要進(jìn)行異構(gòu)和加氫反應(yīng)，不飽和組分的增加有利于后續(xù)的異構(gòu)化反應(yīng)，這也驗(yàn)證了光皮梾木油是一種理想的生物能源原料。由圖10b 可知，光皮梾木油中C18脂肪酸組分為81.78%，C16脂肪酸組分為17.02%，二者總和占比為98.80%。常規(guī)柴油主要組分的碳數(shù)分布區(qū)間為C15～C20，這說明以光皮梾木油作為原料開發(fā)生物燃料具有一定的理論依據(jù)。

圖10 光皮梾木油脂肪酸組分及碳數(shù)分布Fig.10 Component and carbon number distribution of S.wilsoniana oil

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本研究嘗試采用亞臨界萃取技術(shù)用于光皮梾木油的制備，并從萃取機(jī)理、萃取動(dòng)力學(xué)和工藝參數(shù)優(yōu)化等方面闡述了亞臨界流體制備光皮梾木油的過程，發(fā)現(xiàn)采用亞臨界技術(shù)制備光皮梾木油不僅油脂得率較高，而且工藝過程溫度較低，整體能耗較少。

通過模擬亞臨界n-C4/光皮梾木油兩相互溶平衡模型，研究了光皮梾木油在亞臨界n-C4中的互溶性動(dòng)態(tài)平衡，測(cè)定了光皮梾木油在亞臨界n-C4中的溶解度，并用改進(jìn)模型對(duì)平衡溶解度和工藝溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

研究了SFE 萃取制備光皮梾木油過程中的各因素變化對(duì)油脂萃取率的影響，通過單因素結(jié)果獲得各因素的具體考察范圍，在此基礎(chǔ)上選取萃取溫度、料液比、萃取時(shí)間3 個(gè)參數(shù)選為自變量，以光皮梾木油萃取率為響應(yīng)值，利用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0 中BBD 模塊進(jìn)行L17(3,3)水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得二次回歸方程模型，擬合模型顯著、擬合度高，可以很好地對(duì)不同條件下亞臨界n-C4流體萃取光皮梾木油的響應(yīng)值進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

在不同溫度條件下，采用1stopt 數(shù)據(jù)處理軟件將不同時(shí)間的光皮梾木油萃取率的數(shù)值進(jìn)行模型擬合，并采用Origin 軟件進(jìn)行繪圖，發(fā)現(xiàn)Patricelli 模型準(zhǔn)確地闡明了光皮梾木油通過亞臨界n-C4萃取的動(dòng)力學(xué)過程，R2均＞0.99。

3.2 討 論

通過本研究發(fā)現(xiàn)亞臨界n-C4流體萃取在光皮梾木油脂制備領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿?，從萃取機(jī)理闡述游離油脂萃取和內(nèi)部結(jié)合油脂萃取的過程，達(dá)到用于指導(dǎo)生產(chǎn)制油的目的，較傳統(tǒng)工藝不僅大大提高了油脂的得率[31]，而且制油工藝全程低溫，油脂內(nèi)含活性物質(zhì)（角鯊烯、甾醇等）以及剩余餅粕活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)）得以保留，為下一步的科研開發(fā)提供了優(yōu)質(zhì)原料。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是在小試萃取裝置基礎(chǔ)進(jìn)行的研究，若要進(jìn)行規(guī)?；糯筮€需進(jìn)行中試和大試，重點(diǎn)解決亞臨界n-C4流體萃取過程中存在的“蟲洞現(xiàn)象”“熱交換節(jié)能應(yīng)用”等技術(shù)難題，這也為后續(xù)研究提供了思路，以期完善整個(gè)萃取流程的工藝優(yōu)化。本研究未來將繼續(xù)擴(kuò)大亞臨界n-C4流體萃取在木本油料領(lǐng)域的研究，以及探究亞臨界技術(shù)萃取的木本油脂和餅粕副產(chǎn)物的高值化利用，例如通過亞臨界低溫萃取獲得的高品質(zhì)光皮梾木油在人體亞健康治療領(lǐng)域的應(yīng)用研究，以及餅粕作為高品質(zhì)蛋白質(zhì)原料進(jìn)行分提等研究。