響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界提取堿蓬籽油工藝的研究

徐海龍，于 瑩，趙明波

（1.威海市藍(lán)色經(jīng)濟(jì)研究院有限公司，山東 威海 264300；2.威海市海洋生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究院，山東 威海 264300）

堿蓬為一年生草本，堿蓬籽油中不飽和脂肪酸含量極高，其含亞油酸70%，油酸10%，亞麻酸5%，多不飽和脂肪酸含量是評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)水平的重要依據(jù)，如亞油酸、亞麻酸，它們是人體必需的脂肪酸，能夠調(diào)節(jié)血脂、清理血栓、免疫調(diào)節(jié)、補(bǔ)腦健腦，具有很好的保健價(jià)值[1-5]。因此，堿蓬籽油的開發(fā)具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前使用的常規(guī)方法有溶劑浸提及機(jī)械壓榨的方法，但存在收率低、殘留有毒溶劑的缺點(diǎn)[6-9]。亞臨界流體萃取技術(shù)，是一種低耗、綠色、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用前景廣闊的新技術(shù)[10-11]。它是一種低溫、低壓、高成效物理方法，能避免植物油脂提取中因加熱產(chǎn)生反式脂肪酸、縮合甘油酯、三氯丙醇酯等有害物，確保植物油提取中組分全、味純正，且亞臨界流體來(lái)源廣，價(jià)格低、無(wú)毒、無(wú)味。選擇用亞臨界萃取技術(shù)對(duì)堿蓬籽油進(jìn)行提取，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法對(duì)其提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為堿蓬籽油系列產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鹽地堿蓬籽，采自山東亞通鹽松檉柳基地，經(jīng)曬干、人工分選得到純種籽，于80℃下干燥24 h，將堿蓬籽仁粉碎到20目備用。

萃取劑：四號(hào)溶劑，濮陽(yáng)市液化石油氣有限公司提供。

1.2 儀器

848型電位滴定儀；7890B型氣相色譜儀；GA600型全自動(dòng)折光儀，北京斯達(dá)沃科技有限公司產(chǎn)品；870型卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 設(shè)備

亞臨界萃取設(shè)備DYY-2，南通杜楊科研儀器有限公司設(shè)計(jì)提供，由溶劑儲(chǔ)罐（5 L）、萃取罐（2 L）、分離罐（3.2 L）、冷凝器、溶劑壓縮機(jī)等。

亞臨界萃取設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 亞臨界萃取設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 亞臨界萃取

打開萃取罐裝入預(yù)先處理好的物料，設(shè)備密封，打開真空泵將整個(gè)系統(tǒng)處于真空狀況，關(guān)閉溶劑過(guò)濾器閥門，將萃取劑通過(guò)計(jì)量泵以亞臨界流體形式注入萃取罐。提取過(guò)程中的壓力和溫度均由控制器根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)達(dá)到并保持，達(dá)到萃取時(shí)間后，打開溶劑過(guò)濾器閥門，溶劑進(jìn)入分離罐中，打開壓縮機(jī)，萃取液不斷氣化，經(jīng)壓縮冷凝為液態(tài)，重新流回到溶劑儲(chǔ)罐中；然后再將萃取劑注入萃取罐中，循環(huán)萃取，最終從分離罐中得到堿蓬籽油。

1.3.3 堿蓬籽油提取率

堿蓬籽油提取率計(jì)算如下式所示：

1.3.4 單因素試驗(yàn)

以篩網(wǎng)目數(shù)50目、萃取溫度55℃、萃取時(shí)間2.0 h為基本提取條件，進(jìn)一步探究篩網(wǎng)目數(shù)（20，30，40，50，60目）、萃取溫度（40，45，50，55，60℃）、萃取時(shí)間（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）3個(gè)因素對(duì)堿蓬籽油提取率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

選用篩網(wǎng)目數(shù)、萃取溫度、萃取時(shí)間3個(gè)因素為自變量，以堿蓬籽油提油率為響應(yīng)值，采用Boxbehnken試驗(yàn)原理進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.4 理化指標(biāo)檢測(cè)

感官，參照GB/T 5009.37—2003的方法進(jìn)行測(cè)定；酸價(jià)（KOH），參照GB 5009.229—2016的方法進(jìn)行測(cè)定；過(guò)氧化值，參照GB 5009.227—2016的方法進(jìn)行測(cè)定；折光指數(shù)，參照GB/T 5527—2010的方法進(jìn)行測(cè)定；相對(duì)密度，參照GB/T 5526—1985的方法進(jìn)行測(cè)定；碘值，參照GB/T 5532—2008的方法進(jìn)行測(cè)定；皂化值，參照GB/T 5534—2008的方法進(jìn)行測(cè)定；脂肪酸組成，參照GB 5009.168—2016的方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素條件對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

2.1.1 篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

在萃取溫度55℃條件下，依次選擇使用20，30，40，50，60目不同篩網(wǎng)目數(shù)篩過(guò)的物料，分別萃取2 h，研究物料粒徑不同對(duì)堿蓬籽油提取率的影響。

篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)堿蓬籽油提取率的影響見圖2。

圖2 篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

由圖2可知，提取率隨目數(shù)增加而增大，當(dāng)篩網(wǎng)達(dá)到特定目數(shù)后反而呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槲锪项w粒愈細(xì)與提取介質(zhì)的接觸面愈大，目標(biāo)物浸出效果愈好，但粉碎的過(guò)細(xì)，使黏液質(zhì)浸出導(dǎo)致物料黏度增大，影響溶劑在物料表面的擴(kuò)散，并出現(xiàn)難過(guò)濾的現(xiàn)象，對(duì)萃取不利。因此，物料粒徑過(guò)大或過(guò)小均對(duì)堿蓬籽油的提取率有所影響，篩網(wǎng)目數(shù)選50目為宜。

2.1.2 萃取溫度對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

用過(guò)50目篩網(wǎng)孔徑物料，選擇萃取溫度為40，45，50，55，60℃，分別萃取2 h，考查不同溫度對(duì)堿蓬籽油提取率的影響。

萃取溫度對(duì)堿蓬籽油提取率的影響見圖3。

圖3 萃取溫度對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)萃取溫度由40℃升至55℃時(shí)，提取率迅速增加，繼續(xù)升高溫度，其提取率增加不明顯。這是因?yàn)闇囟壬呒铀倭朔肿娱g的擴(kuò)散速率，此外壓力也將增大更有利于目標(biāo)物的提取，但溫度過(guò)高會(huì)造成一些不飽和脂肪酸成分分解、變質(zhì)，也對(duì)設(shè)備材質(zhì)耐壓程度有更高要求，綜合考慮選擇55℃作為最佳萃取溫度。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

用過(guò)50目篩網(wǎng)孔徑物料，萃取溫度為55℃條件下，選擇萃取時(shí)間為1.0，1.5，2.0，3.0 h，考查萃取時(shí)間不同對(duì)堿蓬籽油提取率的影響。

萃取時(shí)間對(duì)堿蓬籽油提取率的影響見圖4。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)堿蓬籽油提取率的影響

由圖4可知，在一段時(shí)間內(nèi)，堿蓬籽油提取率隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，一般來(lái)說(shuō)，浸取時(shí)間和浸取量呈正比，時(shí)間愈長(zhǎng)，擴(kuò)散值越大，愈有利于浸取，但當(dāng)傳質(zhì)速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，進(jìn)一步延長(zhǎng)萃取時(shí)間堿蓬籽油提取率將不變，因此選擇2 h作為最佳提取時(shí)間。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化亞臨界提取堿蓬籽油工藝

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳提取條件為篩網(wǎng)目數(shù)50目，萃取溫度55℃，萃取時(shí)間2.0 h，選擇合適范圍，以堿蓬籽油提取率為響應(yīng)值，采用Boxbehnken試驗(yàn)原理進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.3 回歸模型方差分析

回歸模型方差分析見表3。

經(jīng)回歸擬合后，得到堿蓬籽油提取率對(duì)萃取時(shí)間、篩網(wǎng)目數(shù)、萃取溫度的線性回歸模型方程為：

由表3可知，模型回歸效果高度顯著p〈0.000 1，失擬項(xiàng)不顯著p=0.181 9，說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合程度較好，可充分?jǐn)M合堿蓬籽油提取率與萃取時(shí)間、篩網(wǎng)目數(shù)、萃取溫度之間的線性關(guān)系，用此方程得出提取的最佳工藝條件，同時(shí)從顯著性檢驗(yàn)可以看出，影響提取率的主次順序依次為篩網(wǎng)目數(shù)、萃取溫度和萃取時(shí)間。

表3 回歸模型方差分析

2.4 響應(yīng)曲面分析

各因素交互作用對(duì)提油率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖見圖5。

由圖5可知，篩網(wǎng)目數(shù)（B）與萃取溫度（C）的響應(yīng)面圖較陡峭，說(shuō)明提取率受該因素的影響較顯著。在等高線中，篩網(wǎng)目數(shù)與萃取溫度、篩網(wǎng)目數(shù)與萃取時(shí)間（A）等高線呈橢圓形，說(shuō)明它們彼此間交互作用顯著，與方差分析結(jié)果一致。Design Expect軟件給出的最佳提取條件為篩網(wǎng)目數(shù)54.37，萃取溫度59.3℃，萃取時(shí)間2.1 h，此時(shí)堿蓬籽油的提取率為7.93%。根據(jù)實(shí)際操作可將條件改為篩網(wǎng)目數(shù)55目，萃取溫度60℃，萃取時(shí)間2.1 h，在此條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出堿蓬籽油提取率為7.86%，與預(yù)測(cè)結(jié)果接近，證明該模型結(jié)果可靠。

圖5 各因素交互作用對(duì)提取率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖

2.5 理化指標(biāo)的檢測(cè)

對(duì)萃取產(chǎn)物堿蓬籽原油的感官、酸價(jià)、過(guò)氧化值、折光指數(shù)、相對(duì)密度、碘值、皂化值、水分及揮發(fā)物和脂肪酸組成的測(cè)定結(jié)果。

堿蓬籽原油理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 堿蓬籽原油理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

鹽地堿蓬籽原油的各項(xiàng)理化指標(biāo)均符合鹽地堿蓬籽油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3263—2019[12]，說(shuō)明亞臨界提取得到堿蓬籽油的各項(xiàng)理化指標(biāo)都符合鹽地堿蓬籽油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面分析法研究亞臨界流體萃取堿蓬籽油的最佳工藝條件，結(jié)果表明，影響堿蓬籽油萃取效果的主要因素依次為篩網(wǎng)目數(shù)、萃取溫度和萃取時(shí)間；最佳萃取工藝為篩網(wǎng)目數(shù)55目，在萃取溫度60℃，萃取時(shí)間2.1 h，堿蓬籽油提取率為7.89%，與模型預(yù)測(cè)值接近，各項(xiàng)理化指標(biāo)都符合鹽地堿蓬籽油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)提取工藝相比，本文研究為堿蓬籽油的開發(fā)及利用提供一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、工藝可行的新方法。