響應(yīng)面法優(yōu)化米糠超臨界流體脫脂工藝

王大為，周清濤，豐 艷，杜彩霞

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

響應(yīng)面法優(yōu)化米糠超臨界流體脫脂工藝

王大為，周清濤，豐 艷，杜彩霞

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化米糠超臨界流體脫脂純化工藝。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以萃取溫度、萃取時間、萃取壓力為響應(yīng)因素，脂類及異雜物質(zhì)脫除率為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法，確定最佳脫脂工藝。結(jié)果表明當(dāng)萃取溫度46℃、萃取時間94min、萃取壓力27MPa時脂類及異雜物脫除率18.34%(g/100g米糠)，脫脂除雜有效率為92.19%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化脫脂工藝可行。方差分析結(jié)果表明各因素對米糠脫脂除雜率的影響強(qiáng)弱順序依次為萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間。

米糠；超臨界流體；脫脂純化；響應(yīng)面法

稻谷是我國的重要糧食作物之一，正常年景年產(chǎn)稻谷約2億噸，約占世界稻米產(chǎn)量的1/3。我國也是世界上最大的稻米生產(chǎn)國和稻米消費(fèi)國，每年消耗量1.3～1.4億噸，稻米加工中約產(chǎn)生10%的米糠，經(jīng)檢測未經(jīng)處理的新鮮米糠含脂率19.9%，米糠油中主要脂肪酸油酸41.52%、亞油酸40.81%[1]，具有較高的營養(yǎng)價值，是今后我國生產(chǎn)調(diào)和油及功能性油脂的重要油脂原料，對平衡我國食用油脂的供求將起到舉足輕重的作用。米糠中還含有豐富的蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)素及維生素、植物甾醇等生物活性物質(zhì)[2-4]。經(jīng)檢測新鮮米糠膳食纖維高達(dá)36.7%。如果以傳統(tǒng)的熱榨法、有機(jī)溶劑提取法等來提取米糠油[5]，不但會造成脫脂米糠粕中蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)嚴(yán)重變性，失去再利用價值；而且采用的溶劑正丁烷或正己烷易燃易爆并帶來溶劑殘留問題，因此不符合國家資源節(jié)約型、環(huán)境友好性的產(chǎn)業(yè)政策。隨著對超臨界流體萃取理論的深入研究，其在成分提取、分離、及清潔生產(chǎn)等方面具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于各種功能性油脂及油脂制品的生產(chǎn)、含脂原料的脫脂處理等[6-9]。本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化米糠超臨界流體萃取工藝，在提取米糠油同時脫除米糠中異雜味物質(zhì)，全過程無有機(jī)溶劑污染，所得米糠粕乳白色、無異味，是提取米糠膳食纖維、植酸鈣等功能性成分的良好原料。本研究可為天然含脂植物原料的超臨界流體脫脂純化提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠 長春市上禾有機(jī)食品有限公司；二氧化碳(食品級，CO2含量為99.9%) 長春氧氣廠；耐高溫淀粉酶、堿性蛋白酶 諾維信(中國)生物技術(shù)有限責(zé)任公司；鹽酸、氫氧化鈉、乙醚、乙醇、硫酸銅、氯化鈉、三氯化鐵鹽均為分析純化學(xué)試劑 北京北化精細(xì)化學(xué)品有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HA121-50-02超臨界萃取裝置 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；WF-250B型萬能粉碎機(jī) 中國上海藍(lán)深制藥機(jī)械有限公司；CT15RT型高速冷凍離心機(jī) 上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司；101A-2E型數(shù)顯式電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；GB1302電子精密天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；HZS-HA水浴振蕩器 哈爾濱市東聯(lián)電子科技有限公司；SH10A水分快速測定儀 上海恒平科學(xué)儀器有限公司；SX-8-10型箱式電阻爐 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

篩選除去米糠中混有的砂、石、草屑等雜質(zhì)及碎米后進(jìn)行粉碎處理，篩分得到粒度分別為0.450(40目)、0.246(60目)、0.175(80目)、0.147mm(100目)的米糠粉，置于0～4℃條件下冷藏備用，防止由于日曬、高溫等原因?qū)е旅卓分杏椭趸釘《姑卓肥?yīng)用價值。經(jīng)檢測其主要成分為蛋白質(zhì)11.2%、脂肪19.9%、淀粉16.3%、水分8.8%、灰分7.1%、總膳食纖維36.7%。1.3.2米糠超臨界流體脫脂除雜工藝單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 物料粒度對脫脂除雜率的影響

在壓力30MPa、溫度45℃、時間90min、CO2流量22L/h的條件下，分別對粒度為40、60、80、100目的米糠進(jìn)行超臨界流體萃取處理，以脫脂除雜率為評價指標(biāo)，考察粒度對米糠脫脂除雜率的影響。

1.3.2.2 萃取壓力對脫脂除雜率的影響

在溫度45℃、時間90min、CO2流量22L/h的條件下，分別采用20、25、30、35、40MPa 5個水平對粒度為60目的米糠進(jìn)行超臨界處理，以脫脂除雜率為評價指標(biāo)，考察萃取壓力對米糠脫脂除雜率的影響。

1.3.2.3 萃取溫度對脫脂除雜率的影響

在壓力30MPa、時間90min、CO2流量22L/h的條件下，分別采用35、40、45、50、55℃ 5個水平對粒度為60目的米糠進(jìn)行超臨界處理，以脫脂除雜率為評價指標(biāo)，考察萃取溫度對米糠脫脂除雜率的影響。

1.3.2.4 萃取時間對脫脂除雜率的影響

在壓力30MPa、溫度45℃、CO2流量22L/h的條件下，分別采用30、60、90、120min 4個水平對粒度為60目的米糠進(jìn)行超臨界處理，以脫脂除雜率為評價指標(biāo)，考察萃取時間對米糠脫脂除雜率的影響。

1.3.3 脫脂除雜Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取萃取溫度(X1)、萃取時間(X2)、萃取壓力(X3)作為考察變量，米糠脫脂除雜率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的二次回歸方程，擬合自變量和米糠脫脂除雜率之間的函數(shù)關(guān)系，利用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化脫脂除雜工藝[10-11]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見表1，試驗(yàn)中原料粒度為60目、CO2流量22L/h保持不變。

表1 脫脂除雜Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平Table1 Factors and levels in the response surface design

1.3.4 成分分析

水分測定：采用常壓干燥法(GB 5009.2—85《食品中水分的測定方法》)與快速水分測定儀法；脂肪測定：采用索氏提取法(GB/T 14772—93《食品中粗脂肪的測定方法》)；蛋白質(zhì)測定：采用凱氏定氮法(G B 12309—90《玉米淀粉》)；灰分測定：采用灼燒重量法(GB 5505—85《糧食、油料檢驗(yàn)：灰分測定法》)；淀粉的測定：采用酸水解法(GB/T 5009—2003《食品衛(wèi)生檢驗(yàn)方法》)；總膳食纖維測定：按照AACC32—07《總膳食纖維含量分析法》規(guī)定方法執(zhí)行。

米糠平均脫脂除雜率按下式計(jì)算，試驗(yàn)平行3次，取平均值作為最終結(jié)果。

式中：m1為超臨界流體萃取前米糠粉的質(zhì)量/g，m2為超臨界流體萃取后米糠粉的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 粒度對脫脂除雜率的影響

圖1 物料粒度對脫脂除雜率的影響Fig.1 Effect of particle size on degreasing rate

由圖1可以看出，米糠脫脂除雜率隨著米糠粒度減小而升高。60目以后升高的幅度減小。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)過小的米糠顆粒(粒度≤0.175mm，即粒度≥80目)在高壓CO2沖擊下穿過萃取釜篩板而進(jìn)入萃取回路，導(dǎo)致堵塞，使萃取操作停止。另外由于米糠含油量較高，隨著粒度減小，粉碎難度也隨之增加，因此，從工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況以及經(jīng)濟(jì)性的角度考慮[12-13]，選用米糠粒度為60目。

2.1.2 萃取壓力對脫脂除雜率的影響

圖2 萃取壓力對米糠脫脂率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on degreasing rate

由圖2可知，米糠脫脂除雜率隨著壓力的增加而升高。溫度一定時，隨著萃取壓力增加，超臨界CO2的密度增加，從而使CO2的溶解能力增加，但壓力達(dá)到30MPa時，繼續(xù)增加壓力，CO2的溶解度增加緩慢。從經(jīng)濟(jì)角度和安全方面考慮，高壓會導(dǎo)致設(shè)備投資和操作費(fèi)用大幅度增加，同時增大設(shè)備的安全隱患[14-15]。所以萃取壓力并非越高越好，25MPa之后曲線平緩，綜合考慮，萃取壓力選取25、30、35MPa為多因素試驗(yàn)水平。

2.1.3 萃取時間對脫脂除雜率的影響

由圖3可知，脫脂除雜率隨萃取時間的延長而增加，當(dāng)時間大于90min時，萃取率增加減慢，曲線平緩，且90min、120min之間差異不顯著，因此，最佳萃取時間選取90min為宜，選取80、90、100min為多因素試驗(yàn)水平。

圖3 萃取時間對米糠脫脂率的影響Fig.3 Effect of extraction time on degreasing rate

2.1.4 萃取溫度對脫脂除雜率的影響

圖4 萃取溫度對米糠脫脂率的影響Fig.4 Effect of extraction temperture on degreasing rate

從圖4變化趨勢可知，脫脂除雜率隨著萃取溫度的增加而增加， 45℃之后曲線平緩，因此選取40、45、50℃為多因素試驗(yàn)水平。

2.2 米糠脫脂除雜工藝的優(yōu)化

2.2.1 脫脂除雜工藝數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

本試驗(yàn)共有15個試驗(yàn)點(diǎn)，其中1～12號為析因試驗(yàn)，13～15號為中心試驗(yàn)，其中析因點(diǎn)為自變量取值在x1，x2，x3所構(gòu)成的三維定點(diǎn)，零點(diǎn)區(qū)域?yàn)橹行狞c(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)3次，以估計(jì)試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)中對萃取溫度(X1)、萃取時間(X2)、萃取壓力(X3)作如下轉(zhuǎn)換，x1= (X1－45)/5、x2=(X2－90)/10、x3=(X3－30)/5，以x1、x2、x3為自變量，以米糠脫脂除雜率為響應(yīng)值(Y)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

利用SAS8.1軟件對表2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可建立如下二次回歸方程(編碼后)：

Y1=18.18333＋0.425x1＋0.07x2－0.4475x3－1.192917－1.7775x1x2－1.0975x1x3－1.412917－2.1825x2x3－1.207917，其中二次多項(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)R2=99.54%，修正相關(guān)系數(shù)=98.72%。

對二次回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。從表3可知，回歸模型達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，而誤差項(xiàng)不顯著，說明回歸方程與實(shí)際情況吻合得較好，試驗(yàn)誤差小。因此可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析?；貧w模型各項(xiàng)的方差分析還表明，一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、交互項(xiàng)都有較顯著影響，所以響應(yīng)值的變化相當(dāng)復(fù)雜，各個具體試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，而是呈二次拋物面關(guān)系?；貧w模型中作用顯著的是。從各變量顯著性檢驗(yàn)P值的大小，可以看出影響米糠超臨界脫脂除雜率各因素按大小排序依次：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間。

表2 脫脂除雜工藝Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Response surface design arrangement and experimental results

表3 脫脂除雜率響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table3 Variance analysis for the developed regression model

2.2.2 各因素的交互作用對米糠脫脂除雜率的響應(yīng)面分析

為了考察交互項(xiàng)對米糠脫脂除雜率的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對脫脂除雜率的影響，對模型進(jìn)行降維分析。經(jīng)Sas8.1軟件分析，所得響應(yīng)面及其等高線見圖5。等高線可以直觀的反映出各因素交互作用對響應(yīng)值的影響。橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反。由圖5可以看出，交互項(xiàng)x1x2、x2x3對脫脂除雜率的影響比交互項(xiàng)x1x3顯著。

圖5 脫脂除雜率響應(yīng)面分析的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots of degreasing rate as a function of extraction pressure, extraction temperature and extraction time

2.2.3 脫脂除雜工藝的優(yōu)化與驗(yàn)證結(jié)果

為進(jìn)一步確定萃取工藝最佳點(diǎn)，對擬合的回歸方程分別求三個變量的一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其為0，得到三元一次方程如下：

解上述方程組得，x1=0.16，x2=0.40，x3=－0.62。即穩(wěn)定點(diǎn)(x1，x2，x3)的代碼值為(0.16，0.40，－0.62)，與之對應(yīng)的實(shí)際值為萃取溫度(X1)45.8℃，萃取時間(X2) 94min，萃取壓力(X3)26.9MPa。在此最佳工藝條件下，米糠的理論脫脂除雜率為18.37%。

為檢驗(yàn)響應(yīng)面分析所得結(jié)果的可靠性，采用上述最佳條件處理米糠，考慮到實(shí)際操作的便利，將提取工藝修正為：萃取溫度46℃、萃取時間94min、萃取壓力27MPa。采用修正后的工藝參數(shù)，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果脫脂除雜率為18.34%，與理論預(yù)測值18.37%非常接近，說明說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提取條件可靠。超臨界流體萃取后米糠蛋白質(zhì)、脂類、淀粉、總膳食纖維分別為13.7%、1.56%、20.6%、 47.8%。脫脂除雜有效率為92.19%(18.34÷19.9×100)。

3 結(jié) 論

采用CO2超臨界流體萃取技術(shù)對米糠進(jìn)行脫脂除雜處理，通過中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析方法優(yōu)化米糠脫脂除雜工藝，各因素對米糠脫脂除雜率的影響大小順序依次：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間；最佳工藝參數(shù)：萃取溫度46℃、萃取時間94min、萃取壓力27MPa，在此條件下脂類等異雜物脫除率高達(dá)18.34%(g/ 100g米糠)，米糠脂類含量由原來的19.92%降低為1.56%，有效率高達(dá)92.19%。采用超臨界CO2萃取技術(shù)不僅可以獲得優(yōu)質(zhì)米糠油，同時可提高脫脂米糠的穩(wěn)定性，去除雜質(zhì)和異味，脫脂米糠無任何化學(xué)污染及有機(jī)溶劑殘留，為米糠中其他功能性成分的提取及應(yīng)用提供良好的前提條件。本研究也為其他植物資源的綜合利用提供了參考。

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Optimization of the Supercritical Fluid Degreasing of Rice Bran by Response Surface Methodology

WANG Da-wei，ZHOU Qing-tao，F(xiàn)ENG Yan，DU Cai-xia
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Supercritical carbon dioxide extraction was applied to degrease rice bran in the present study. The process conditions for the degreasing of rice bran was optimized by response surface methodology. The effects of extraction temperature, extraction time and extraction pressure on lipid removal rate were explored with Box-Benhnken experimental design coupled with response surface analysis on the basis of single factor experiments. The optimal extraction parameters were determined as follows: extraction temperature, 46 ℃; extraction time, 94 min; and extraction pressure, 27 MPa. A lipid removal rate of 18.34% (g/100g rice bran, or 92.19% degreasing efficiency) under these optimal extraction conditions, which was close to the theoretical value. Therefore, the developed mathematical model was reliable in predicting lipid removal rate. The analysis of variance exhibited that the importance of the above three factors affecting lipid removal rate from strong to the weak were extraction pressure, extraction temperature and extraction time.

rice bran；supercritical fluid；degreasing rate；response surface methodology

TS224.4

A

1002-6630(2010)20-0215-05

2010-06-30

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z336)

王大為(1960—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com