響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取楊梅籽油工藝條件的研究

董迪迪 王鴻飛 周增群 邵興鋒 許 鳳 楊 娜 龔 洋

(寧波大學(xué)食品科學(xué)與工程系，寧波 315211)

楊梅(Myrica rubra)為楊梅目(Myricales)楊梅科(Myricaceae)楊梅屬(Myrica)常綠落葉喬木植物，是原產(chǎn)于中國(guó)的亞熱帶的漿果類水果，廣泛分布于我國(guó)的浙江、福建、江蘇、湖南、廣東、廣西、貴州等地區(qū)。楊梅籽為楊梅果實(shí)榨汁或釀酒后的副產(chǎn)物，約占楊梅果實(shí)的8% ～10%，楊梅籽中含有60% ～70%的籽仁油。楊梅籽油中含有大量亞油酸等不飽和脂肪酸，還含有亞麻酸等人體必需的多不飽脂肪酸［1－3］。楊梅加工企業(yè)一般把加工產(chǎn)生的楊梅籽作為廢渣直接處理掉，造成了極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染［4］。

目前，植物油脂提取的方法主要采用傳統(tǒng)的壓榨法、有機(jī)溶劑浸提法、水代法等，這些傳統(tǒng)的提取方法存在機(jī)械設(shè)備復(fù)雜、有機(jī)溶劑殘留、提取率低等缺點(diǎn)。超臨界CO2萃取技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)高新型物質(zhì)分離精制技術(shù)，在接近室溫的環(huán)境下對(duì)原料進(jìn)行萃取，不會(huì)破壞其活性物質(zhì)，而且與傳統(tǒng)的食用油生產(chǎn)方法相比具有操作方便，能耗低，無污染，分離能力高，無溶劑殘留等特點(diǎn)［5－7］。

本試驗(yàn)采用超臨界CO2萃取技術(shù)，研究了楊梅籽油萃取的工藝條件，并用響應(yīng)面分析法對(duì)楊梅籽油萃取的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了產(chǎn)率高、品質(zhì)好的楊梅籽油，為進(jìn)一步開發(fā)楊梅籽開辟了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

楊梅籽:浙江聚仙莊酒業(yè)有限公司，經(jīng)初步測(cè)定每100 g楊梅籽仁約含有70 g油脂、15 g水分、8 g蛋白質(zhì)等。其中，楊梅籽油中含有約20%的飽和脂肪酸，約75%的單不飽和脂肪酸，還含有約5%的亞麻酸、共軛亞油酸等功能性多不飽和脂肪酸。據(jù)測(cè)定，楊梅籽油的酸價(jià)為8.13 mgKOH/g、過氧化值為1.05 mmol/kg、碘價(jià)為107.43 gI2/100 g、折光系數(shù)為1.642(20℃)、比重為0.914(20℃)。CO2:食品級(jí)(純度＞99.9%)，寧波市方辛氣體有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Spe－ed SFE型超臨界萃取儀:美國(guó) Applied Separations公司;EL204型電子天平:梅特勒－托利多儀器上海有限公司;CS101－1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱:重慶銀河實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 楊梅籽油萃取的工藝流程

楊梅籽→晾曬→去殼→粉碎→過篩→干燥→稱重→超臨界CO2萃取→分離→楊梅籽油

剔除霉變、蟲害等劣質(zhì)楊梅籽，將去殼后的楊梅籽仁進(jìn)行研磨粉碎，過篩后在45℃下干燥4.5 h，每份稱取約10 g備用。

1.3.2 楊梅籽油超臨界CO2萃取單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)選擇楊梅籽仁的顆粒度、萃取壓力、靜態(tài)萃取時(shí)間、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取溫度等作為楊梅籽油萃取效果的主要影響因素［8－10］，以萃取率為考察指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

在萃取壓力30 MPa、靜態(tài)萃取時(shí)間30 min、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2 h、萃取溫度40℃條件下，研究楊梅籽仁顆粒度(5、10、20、30、40 目)對(duì)楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、靜態(tài)萃取時(shí)間30 min、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2 h、顆粒度40目的條件下，研究萃取溫度(20、25、30、35、40、45 ℃)，對(duì)楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、靜態(tài)萃取時(shí)間30 min、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h)，對(duì)楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2 h、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究靜態(tài)萃取時(shí)間(0、10、20、30、40 min)對(duì)楊梅籽油萃取率的影響;在動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2 h、靜態(tài)萃取時(shí)間30 min、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究萃取壓力(20、25、30、35、40、45 MPa)對(duì)楊梅籽油萃取率的影響。

1.3.3楊梅籽油超臨界CO2萃取的工藝優(yōu)化

根據(jù)Box－Behnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)所得結(jié)果，確定顆粒度為40目、靜態(tài)萃取時(shí)間為30 min，選取動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取壓力、萃取溫度3個(gè)對(duì)楊梅籽油萃取影響顯著的因素，分別以A、B和C為代表，每一個(gè)自變量的低、中、高試驗(yàn)水平分別以 －1、0、+1 進(jìn)行編碼(表 1)［11－12］。以楊梅籽油的萃取率為響應(yīng)值(Y)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，對(duì)楊梅籽油的超臨界CO2萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，其水平編碼如下表1，每組平行試驗(yàn)3次。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

1.3.4 楊梅籽油分析的方法

1.3.4.1 楊梅籽油的萃取率

楊梅籽油超臨界CO2萃取效果以萃取率為考察指標(biāo)，萃取率為楊梅籽油實(shí)際萃取量與每份樣品含油量之比:

Y=m/M×100

式中:Y為楊梅籽油的萃取率/%;m為楊梅籽油實(shí)際萃取質(zhì)量/g;M為每份樣品所含油脂的質(zhì)量/g。

1.3.4.2 楊梅籽油理化性質(zhì)分析

折光率:采用阿貝折光儀測(cè)定，酸價(jià)、碘價(jià)、過氧化值、皂化值分別采用 GB/T 5530—2005、GB/T 5532—2008、GB/T 5538—2005、GB/T 5534—2008 進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)平行測(cè)定3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊梅籽仁顆粒度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

試驗(yàn)以萃取率為考察指標(biāo)，在萃取壓力、靜態(tài)萃取時(shí)間、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取溫度一定的條件下，楊梅籽仁顆粒度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 顆粒度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

在萃取過程中，原料的顆粒度愈大，顆粒直徑愈小，顆粒比表面就愈大，CO2流體與物料的接觸面愈大，CO2流體在物料中的滲透性、擴(kuò)散性、溶解性就愈強(qiáng)，萃取率就愈高。但是，顆粒度不能太大，顆粒度太大，顆粒愈細(xì)，使得物料間的空隙減小，降低了CO2的流速，使得傳質(zhì)阻力增大，萃取率反而會(huì)降低。

由圖1可知，當(dāng)顆粒度在30目以下時(shí)，隨著楊梅籽仁顆粒度的增加萃取率逐漸升高;當(dāng)顆粒度增加到40目以后，萃取率會(huì)緩慢降低。在顆粒度40目時(shí)，楊梅籽油萃取率較高。

2.2 萃取溫度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、靜態(tài)萃取時(shí)間、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間一定的條件下，萃取溫度對(duì)楊梅籽油萃取效果的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

由圖2可知:當(dāng)萃取溫度小于30℃時(shí)，楊梅籽油萃取率隨溫度的升高而增加;當(dāng)溫度在30～40℃時(shí)楊梅籽油萃取率隨溫度的變化不大;當(dāng)溫度大于40℃時(shí)，楊梅籽油萃取率隨溫度的升高而降低。溫度是影響超臨界CO2密度的一個(gè)重要因素，一方面溫度升高使分子間熱運(yùn)動(dòng)加劇，傳質(zhì)效率和擴(kuò)散系數(shù)增加，增大了CO2流體的溶解度，萃取率升高;另一方面溫度的升高降低了CO2流體的密度，使其溶解度降低，萃取率降低。因此，為了提高萃取率，同時(shí)降低能耗，適宜的萃取溫度為30℃。

2.3 動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、靜態(tài)萃取時(shí)間、萃取溫度一定的條件下，動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取效果的影響見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取率影響

由圖3可知，隨著動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，楊梅籽油的萃取率逐漸升高。當(dāng)動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間小于2 h時(shí)，CO2流體對(duì)物料浸提不完全，萃取率低;當(dāng)萃取時(shí)間為2 h以后時(shí)，CO2流體與物料充分接觸，浸提充分，萃取率較高，但萃取率隨時(shí)間的延長(zhǎng)升高速度減緩。因此，考慮到萃取效率和成本，適宜的動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間至少為2 h。

2.4 靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取溫度一定的條件下，靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取效果的影響見圖4。

圖4 靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)楊梅籽油萃取影響

由圖4可知，隨著靜態(tài)萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，楊梅籽油的萃取率升高，但當(dāng)靜態(tài)萃取時(shí)間超過30 min后，萃取率的升高減緩。靜態(tài)萃取過程就是CO2流體對(duì)物料的浸提過程，萃取釜中穩(wěn)定的高壓可以破壞物料的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高滲透效果，使浸提更加充分，因此適當(dāng)提高靜態(tài)萃取時(shí)間，可以提高萃取率，但當(dāng)靜態(tài)萃取時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，浸提體系已經(jīng)達(dá)到平衡，此時(shí)靜態(tài)萃取時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)萃取率的影響減小。因此，考慮到萃取效率和成本，靜態(tài)萃取時(shí)間可取30 min。

2.5 萃取壓力對(duì)楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、靜態(tài)萃取時(shí)間、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取溫度一定的條件下，萃取壓力對(duì)楊梅籽油萃取效果的影響見圖5。

圖5 萃取壓力對(duì)楊梅籽油萃取影響

由圖5可知，隨著萃取壓力的升高，楊梅籽油的萃取率不斷增加。當(dāng)萃取壓力小于30 MPa時(shí)，萃取率隨壓力的升高而迅速增加;當(dāng)萃取壓力大于30 MPa時(shí)，萃取率隨萃取壓力的升高增加變緩。CO2流體的密度隨壓力的升高而增大，使得其密度逐漸接近油脂密度，根據(jù)相似相溶原理，CO2流體中楊梅籽油的溶解度不斷增加，萃取率升高，但當(dāng)萃取壓力繼續(xù)升高時(shí)，溶解度達(dá)到飽和，楊梅籽油的溶解量幾乎不再增加，萃取率增加減緩。因此，考慮到萃取效率、能耗等問題，萃取壓力可取30 MPa。

2.6 楊梅籽油超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法進(jìn)行萃取工藝條件的優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以將物料粒度及靜態(tài)萃取時(shí)間事先確定，選擇動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取壓力、萃取溫度進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。此試驗(yàn)是在楊梅籽仁顆粒度40目、靜態(tài)萃取時(shí)間30 min的前提下，進(jìn)行了萃取工藝響應(yīng)面分析，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

利用Design Expert軟件對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得萃取率Y對(duì)動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間A、萃取壓力B、萃取溫度C的二次多項(xiàng)回歸方程為:

Y=78.07+16.17 × A+15.17 × B+4.70 × C+5.61×A×B+1.98×A×C+2.75×B ×C －16.07×A2－15.45 ×B2－6.58×C2

回歸方程方差分析見表3。由方差分析可見:試驗(yàn)所選用模型 P＜0.000 1，決定系數(shù)為 R2=0.993 6，說明響應(yīng)值的變化有99.36%來源于所選因素，該模型能很好地解釋響應(yīng)面的變化，擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小。

表3 回歸分析結(jié)果

從回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知:一次項(xiàng)動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間A、萃取壓力B、萃取溫度C極顯著;二次項(xiàng)A2、B2、C2極顯著;交互項(xiàng) AB 極顯著，AC、BC 不顯著。由回歸方程所作的響應(yīng)曲面圖及其等高線圖如圖6～圖8所示。

圖6 動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間和萃取壓力對(duì)萃取率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

圖7 萃取溫度和動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間對(duì)萃取率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

圖8 萃取溫度和萃取壓力對(duì)萃取率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

圖6～圖8直觀地反映了動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間、萃取壓力、萃取溫度對(duì)楊梅籽油萃取率的影響，由等高線圖可以看出存在極值的條件應(yīng)該在圓心的位置。比較3組圖可知:動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間(A)、萃取壓力(B)對(duì)楊梅籽油萃取率的影響都很顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，等高線(響應(yīng)值)隨其數(shù)值變化而迅速變化;而萃取溫度(C)次之，表現(xiàn)為曲線比較平滑，隨其數(shù)值的變化等高線(響應(yīng)值)變化較小。為了進(jìn)一步確定最優(yōu)工藝條件及最高萃取率，對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于零并整理得:

求解方程組得 A=0.620 4，B=0.653 3，C=0.502 8，即楊梅籽油超臨界CO2萃取的最適宜條件為動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間 2.62 h、萃取壓力 36.53 MPa、萃取溫度40.03℃時(shí)，在此條件下，楊梅籽油萃取理論值可達(dá)89.73%。

為了檢驗(yàn)該響應(yīng)面優(yōu)化方法的可靠性，采用上述最適宜萃取條件進(jìn)行楊梅籽油萃取的驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)為了實(shí)際操作的方便，將楊梅籽油超臨界CO2萃取最適宜條件修正為動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2.6 h、萃取壓力36.5 MPa、萃取溫度 40℃，實(shí)際測(cè)得的萃取率88.67%，與理論預(yù)測(cè)值相比誤差在1%左右，因此，采用響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取楊梅籽油的工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

3.1 通過超臨界CO2萃取楊梅籽油的單因素試驗(yàn)，在顆粒度為40目、萃取溫度30～40℃、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間至少為2h、靜態(tài)萃取時(shí)間為30 min以上、萃取的壓力為30 MPa以上時(shí)，楊梅籽油的萃取率較高。

3.2 通過萃取的響應(yīng)面分析，獲得萃取率Y對(duì)動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間A、萃取壓力B、萃取溫度C的二次多項(xiàng)回歸方程為:Y=78.07+16.17A+15.17B+4.70C+5.61AB+1.98AC+2.75BC － 16.07A2－ 15.45B2－6.58C2。方差分析表明，試驗(yàn)所選用模型 P＜0.000 1，決定系數(shù)為 R2=0.993 6，該模型能很好地解釋響應(yīng)面的變化，擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小。適宜的工藝條件為楊梅籽仁的顆粒度40目、萃取壓力36.53 MPa、靜態(tài)萃取時(shí)間 30 min、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間2.62 h、萃取溫度40.03℃，在該條件下楊梅籽油的萃取率為89.73%。

［1］曹萬新，徐廷麗.功能性油脂的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)油脂，2004，29(12):42 －45

［2］楊天奎，高春香，張超明，等.α－亞麻酸降血脂作用的研究［J］.中國(guó)油脂，1995，20(3):46 －49

［3］徐超，王鴻飛，邵興峰，等.香榧子油抗氧化活性及降血脂功能研究［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2012，27(8):43 －47

［4］葛邦國(guó)，朱風(fēng)濤，吳茂玉，等.楊梅加工下腳料綜合利用現(xiàn)狀［J］.食品研究與開發(fā)，2010，31(3):190 －192

［5］張京芳，王冬梅，張強(qiáng)，等.香椿籽油的超臨界CO2流體萃取工藝研究及品質(zhì)分析［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2007，22(5):93－97

［6］邵榮，錢仁淵，秦金平，等.超臨界CO2萃取技術(shù)在油脂和脂肪酸分離中的應(yīng)用［J］.中國(guó)油脂，2001，26(2):9－12

［7］王欣，李元瑞，陳慶華，等.超臨界CO2萃取大蒜精油及油樹脂的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(3):111－114

［8］孫慶杰，丁霄霖.超臨界流體萃取番茄籽油的研究［J］.中國(guó)油脂，1998，23(3):12 －14

［9］董海洲，萬本屹，劉傳富，等.超臨界CO2流體技術(shù)萃取葡萄籽油的最佳工藝參數(shù)及其理化特性的研究［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2004，19(5):55 －58

［10］吳彩娥，師杰，寇曉虹，等.超臨界CO2流體萃取技術(shù)提取核桃油的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(6):135－138

［11］趙軍.響應(yīng)面法優(yōu)化葡萄籽油超臨界CO2流體萃取工藝條件的研究［J］.中國(guó)釀造，2010(2):135－137

［12］孫蘭萍，張斌，趙大慶，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化超臨界CO2萃取獼猴桃籽油條件［J］.化學(xué)工程，2008，36(12):1 －5.