基于均勻設(shè)計的花生油亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝研究

侯凱文, 郭建章, 王威強(qiáng)

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1,青島 266100)

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2,濟(jì)南 250000)

花生,又名落花生、地豆、番豆等,油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%左右,是全球五大油料作物之一,其中亞油酸、油酸等人體主要脂肪酸占總脂肪酸質(zhì)量的80%,還含有白藜蘆醇等活性物質(zhì),有益于降低心腦血管疾病風(fēng)險、減少總膽固醇和低密度膽固醇等具有積極作用。花生蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～36%,其中含有大量人體必需的蛋氨酸、賴氨酸等氨基酸,種類齊全比例合理,人體吸收率可至90%?；ㄉ粌H具有優(yōu)秀的生產(chǎn)價值,還具有重要的醫(yī)療、保健價值[1,2]。當(dāng)前花生油的提取工藝多為壓榨法、水劑及其酶輔助提油法、有機(jī)溶劑萃取法、亞臨界流體萃取法、超臨界流體萃取法5種,均有其相應(yīng)的工藝弊端。壓榨法能耗高,過程中做功導(dǎo)致溫度升高,化學(xué)成分易高溫發(fā)生反應(yīng)變質(zhì),最終萃取的油的品質(zhì)較低;水劑及其酶輔助提油法對水和酶用量較大,且萃取過程中酶水解油脂后,易在水的作用下發(fā)生乳化反應(yīng),導(dǎo)致萃取率較低;有機(jī)溶劑萃取法萃取花生油會導(dǎo)致有機(jī)溶劑分離不徹底,降低花生油品質(zhì),且殘留有機(jī)溶劑多對人體存在危害;亞臨界流體萃取法多使用有機(jī)溶劑,因此也存在溶劑殘留、花生油品質(zhì)低的弊端,而采用亞臨界CO2為萃取流體的工藝,由于萃取流體物性參數(shù)較超臨界狀態(tài)有所不足,因此很少使用;超臨界流體萃取法多使用CO2為溶劑,但由于萃取時多為高溫高壓環(huán)境,能耗大,不利于大規(guī)模生產(chǎn)使用。因此,需要一種新型的萃取技術(shù)高效分離花生油、蛋白質(zhì)以及有效成分[3-8]。

基于油脂在亞/超臨界CO2中溶解度不同的原理,筆者提出了花生油亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝,通過調(diào)節(jié)溫度與壓力,提高溶劑能力以及對酸性脂質(zhì)的選擇性。該工藝使用CO2作為溶劑,在亞臨界CO2狀態(tài)下于萃取釜中萃取花生油,通過加熱器使進(jìn)入分離釜的亞臨界CO2等壓升溫至超臨界CO2狀態(tài)分離花生油,改變狀態(tài)增強(qiáng)溶質(zhì)-基質(zhì)的相互作用,減少反復(fù)升降壓的能耗,提高工藝經(jīng)濟(jì)性,提高花生油品質(zhì)。為了花生油萃取分離技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的推廣,需要對亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝最佳工藝條件進(jìn)行確定,本實(shí)驗以萃分率作為實(shí)驗指標(biāo),采用均勻設(shè)計實(shí)驗方法,以流量、壓力、時間、分離溫度為主要影響因素進(jìn)行實(shí)驗設(shè)計,以期獲得花生油亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝的最佳參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗材料與試劑

花生,油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%。為保證花生粉碎利用率高、減少實(shí)驗誤差,需對花生進(jìn)行烘干和冷凍處理。利用烤箱脫水烘干至水質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%～8%,放入冰箱冷凍8 h,然后取出密封解凍,置于食品加工器中粉碎,篩選出10目大小的花生顆粒,留作實(shí)驗使用。CO2,純度約為99%,食品級。

1.1.2 實(shí)驗儀器與設(shè)備

I-2000數(shù)字電子秤,MM-DC21食品加工器。

實(shí)驗采用的亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離設(shè)備,參考專利CN110237561B、CN110152350B、CN114263780A[9-11]的設(shè)計原理,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了亞臨界態(tài)萃取超臨界態(tài)分離的工作狀態(tài)和逐級降壓的工作模式。

工藝通過加壓泵和循環(huán)泵使萃取分離壓力保持恒定數(shù)值;通過外部恒溫水浴設(shè)備,使萃取釜萃取溫度恒定30 ℃,分離釜分離溫度恒定為實(shí)驗參數(shù),通過溫度變化實(shí)現(xiàn)等壓條件下亞臨界CO2到超臨界CO2的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)亞/超臨界CO2等壓萃取分離。

工藝通過壓力逐級降壓實(shí)現(xiàn)壓力平衡,降低壓力能耗;通過萃取釜物料間隔進(jìn)料,實(shí)現(xiàn)物料連續(xù)萃取、油脂連續(xù)分離;為保證實(shí)驗數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學(xué)意義且實(shí)驗設(shè)備利用率較高,采用三萃取釜并聯(lián)、兩分離釜串聯(lián)的釜體運(yùn)用方式,實(shí)驗設(shè)備流程簡圖見圖1。

注:1為溶劑儲罐,2為制冷機(jī)組,3為加壓泵,4為冷卻器,5為循環(huán)泵,6為恒溫器,7為中間換熱器,8-1為一級萃取器,8-2為二級萃取器,8-3為三級萃取器,9-1為一級分離器,9-2為二級分離器,10-1至10-5為控制閥,11-1為一級截止閥,11-2為二級截止閥。圖1 實(shí)驗設(shè)備流程簡圖

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 均勻設(shè)計實(shí)驗

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)驗[12-15],確定了亞臨界態(tài)、超臨界態(tài)二氧化碳萃取分離實(shí)驗的主要影響因素為流量、壓力、時間、分離溫度,依據(jù)均勻設(shè)計的原理劃分了七水平,四因素七水平表見表1,均勻設(shè)計實(shí)驗方案及實(shí)驗結(jié)果依照均勻設(shè)計實(shí)驗表(表2)。

表1 四因素七水平表

表2 均勻設(shè)計實(shí)驗表

1.2.2 萃分率

由于工藝萃取分離基礎(chǔ)原理為油脂在亞/超臨界CO2溶劑中同壓力不同溫度下溶解度不同,且油脂在亞/超臨界CO2溶劑中溶解度不為0,考慮到CO2溶劑循環(huán)過程中會一直夾帶部分油脂無法分離,無法以分離出的油脂質(zhì)量作為最終萃取油脂質(zhì)量,因此采取萃取物萃分率計算公式為:

(1)

式中:y為萃分率/%;m0為萃取前花生物料質(zhì)量/g;m1為萃取后花生物料質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 均勻?qū)嶒灲Y(jié)果

以萃分率為實(shí)驗指標(biāo),均勻設(shè)計實(shí)驗表見表2。由表2可知實(shí)驗11萃分率最高,為31.90%,實(shí)驗2萃分率最低,為5.32%,數(shù)據(jù)差距較大,可能由于亞臨界態(tài)等壓萃取超臨界態(tài)等壓分離的工作模式在實(shí)驗參數(shù)范圍內(nèi)受多因素及因素間交互影響。由于均勻?qū)嶒炏啾日粚?shí)驗舍棄了整齊可比性,讓實(shí)驗點(diǎn)在設(shè)計范圍內(nèi)更具均勻分散性,因此對均勻?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析;采用IBM SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯著性、獨(dú)立性、共線性以及方差齊性的分析,并在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸;利用所得線性回歸模型對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行估算和最優(yōu)化處理。

2.2 萃分率模型

將表2數(shù)據(jù)導(dǎo)入IBM SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析,所得回歸模型的模型摘要表見表3,方差分析表見表4,參數(shù)估計表見表5。

表3 模型摘要表

表5 參數(shù)估計表

由表3可知,德賓-沃森系數(shù)為1.575<2,數(shù)據(jù)滿足獨(dú)立性要求;R2=0.644,調(diào)整后R2=0.486>0.36,符合回歸方程擬合精度要求;由表4可知,F=4.070>2,線性可信;由表4可知,P=0.037<0.05,數(shù)據(jù)之間具備差異顯著性;由表5可知,容差均大于0.2,方差膨脹系數(shù)均小于5,符合不存在多重共線性要求;因此,回歸方程符合線性回歸條件;由回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)分布可知,殘差點(diǎn)比較均勻的落在水平區(qū)域中,選用的模型比較合適,擬合精度較高,對于回歸方程的預(yù)測精度較準(zhǔn)確;因此,回歸模型及方程可用。

由表3可知,R2=0.644,調(diào)整后R2=0.486,說明模型4變量可解釋的變異占總變異的48.6%,表明實(shí)驗中萃分率還受其他因素影響,如花生顆粒目數(shù)、花生品種等,后續(xù)可對其他因素進(jìn)行添加,增加水平數(shù),并利用逐步回歸剔除不顯著因素,提交回歸可靠性。

由線性回歸方程可知,系數(shù)為正值時表示因素對萃分率為正影響,系數(shù)為負(fù)值時表示因素對萃分率為負(fù)影響,由此可得,時間、分離溫度對萃分率為正影響,流量、壓力對萃分率為負(fù)影響,可依據(jù)所得回歸模型對時間、壓力、流量、分離溫度進(jìn)行推導(dǎo)估算。

由表5得回歸方程:y=14.169-0.042X1-0.628X2+0.344X3+0.034X4。

根據(jù)回歸方程,參考實(shí)驗數(shù)據(jù),推導(dǎo)花生亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝最佳工況為:流量100 L/h,壓力22 MPa,分離溫度65 ℃,時間220 min,萃取溫度30℃(恒定),預(yù)測萃分率為26.02%,最佳工況驗證,驗證實(shí)驗見表6。

表6 驗證實(shí)驗

3 結(jié)論

實(shí)驗通過對流量、壓力、時間、分離溫度四因素均勻設(shè)計得到了花生亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝實(shí)驗的擬合方程,推導(dǎo)證明工藝最佳工藝為萃取流量100 L/h,萃取壓力22 MPa,分離溫度65 ℃,萃取時間220 min,萃取溫度30 ℃(恒定),平均萃分率為35.02%,實(shí)驗數(shù)據(jù)初步驗證了亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝可行性。

通過均勻?qū)嶒瀸?shí)現(xiàn)了花生亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝的最佳工藝條件的探索,相較于花生物料含油量,最佳工況萃分率較低,由工藝模式下的溶質(zhì)-基質(zhì)交互能力所限制,所萃取的油可能多數(shù)來花生顆粒表面(細(xì)胞破碎后排出,粘連于表面),后續(xù)可添加亞臨界態(tài)萃取常氣態(tài)分離工藝模式,通過增大不同相態(tài)之間溶解度差值提高萃分率,或添加超聲設(shè)備對花生細(xì)胞進(jìn)行超聲破碎提高細(xì)胞油質(zhì)溶出,并通過單因素以及曲面響應(yīng)法對萃取分離最佳條件進(jìn)行優(yōu)化。

花生亞/超臨界CO2等壓連續(xù)萃取分離工藝提高了所萃取油脂的品質(zhì),消除了溶劑和萃余物料對于環(huán)境的污染;工藝通過線控設(shè)備實(shí)現(xiàn)時間和閥體的自動化控制,實(shí)現(xiàn)物料、油脂連續(xù)萃取分離,后續(xù)通過工藝優(yōu)化有望增加萃取油脂與萃余物料的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)工藝無污染、低能耗、高收益的生產(chǎn)目標(biāo),為大宗油料萃取分離技術(shù)的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)推廣提供了技術(shù)支撐。