小麥胚芽油超臨界CO2 萃取影響因素篩選及工藝優(yōu)化

吳 定 謝惠惠 黃卉卉 路桂紅 劉長鵬 劉常金 付懋林

（南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院1，南京 210046）

（天津科技大學食品科學與生物技術學院2，天津 300457）

占2%～3%小麥籽粒重的小麥胚芽是小麥加工副產(chǎn)品，營養(yǎng)價值很高，其蛋白質、脂肪、糖和礦物質含量分別是小麥粉的3倍、7倍、15倍和6倍，遺憾的是除做動物飼料外，全世界約2 500萬t沒有得到充分利用[1-9]。脫脂麥胚是富含蛋白質營養(yǎng)物質，含27.8%～30%蛋白質，蛋白質中富含賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸等人體健康需要的必需氨基酸，是人類未來優(yōu)質蛋白良好來源[2-9]。麥胚蛋白不僅營養(yǎng)豐富，而且可以用來制備抑制血管緊張素轉換酶活性肽[3]。此外，小麥胚芽還含有能降低血液低密度脂蛋白的甘蔗脂肪醇（二十八烷醇）、清除過氧化合物和自由基的還原型谷胱甘肽和具有功能活性的植物化學物質，如甾醇、黃酮類色素和小麥胚芽凝集素，它們對人體健康均有益生作用[4，10-11]。

小麥胚芽含油率約占10%，小麥胚芽油營養(yǎng)豐富，人類可直接食用，也可以用于醫(yī)療和化妝品行業(yè)[11-13]。小麥胚芽油的脂肪酸組成包括42%～59%亞油酸，12%～28%油酸，11%～19%棕櫚酸，2%～11%α-亞麻酸，1%硬脂酸，此外還含0.14%維生素E[11-13]。而且，小麥胚芽油中非皂化物質具有較好抗氧化活性[14]。

目前，大中型生產(chǎn)企業(yè)主要采用溶劑萃取或壓力溶劑萃取小麥胚芽油[15-16]，但都存在溶劑殘留等安全隱患。超臨界CO2萃取技術以無毒的CO2作為萃取試劑，具有操作溫度低、綠色、環(huán)保、得率高等優(yōu)點，在提取植物油受到廣泛關注[17-18]。

在單因素影響試驗的基礎上，對小麥胚粉碎顆粒目數(shù)（以下簡稱麥胚目數(shù)）、麥胚水分含量、萃取壓力、萃取溫度、萃取劑流量和萃取時間進行Plackett-Burman試驗設計，篩選出5個有顯著貢獻的因素，并進行了響應面優(yōu)化超臨界CO2萃取小麥胚芽油工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥胚試驗樣品：南京財經(jīng)大學生物工程試驗室[19]；食品級CO2：南京優(yōu)捷喜特種氣體有限公司。

1.2 主要儀器

WD900SL23-2型微波爐：廣東省順德市格蘭仕微波爐有限公司；HA221-50-03型超臨界流體萃取裝置：江蘇省南通市華安超臨界萃取有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 Plackett-Burman試驗設計因素水平

Plackett-Burman，簡稱PB設計，是一種從多因素中選取對試驗指標有顯著影響的因素的方法。在單因素試驗的基礎上，確定了PB設計每個因素的上、下限（表1）。

通過 design expert7.1.3軟件，利用 Box-Behnken對因素1（萃取劑流量）、因素2（萃取壓力）、因素3（萃取時間）、因素4（萃取溫度）和因素5（麥胚目數(shù)）進行五因素三水平進行試驗設計。

表1 影響水平試驗設計

通過design expert7.1.3軟件，設計了影響因素Plackett-Burman試驗設計方案。按照設計的試驗序號和試驗水平參數(shù)依次進行試驗。

1.3.2 響應曲面優(yōu)化超臨界CO2萃取小麥胚芽油試驗設計

通過PB設計，篩選出有影響的5個因素進行響應曲面優(yōu)化水平組合試驗（表2）。

通過 design expert7.1.3軟件，利用 Box-Behnken對因素1（萃取劑流量）、因素2（萃取壓力）、因素3（萃取時間）、因素4（萃取溫度）和因素5（麥胚目數(shù)）進行五因素三水平進行試驗設計。

表2 響應面分析因素水平表

1.3.3 萃取率

萃取率＝萃取小麥胚芽油含量／麥胚中油脂含量×100%

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗設計及試驗結果

通過design expert7.1.3軟件，設計了影響因素Plackett-Burman試驗設計方案，獲得了試驗結果（表3）。

表3 Plackett-Burman試驗結果

2.2 Plackett-Burman試驗中影響因素分析

建立模型的F值為106.79，因此，模型的影響顯著。由于試驗誤差導致的變異僅為0.01%。預測的為0.955 4，而實際的為 0.983，因此回歸方程具有相當高的擬合度。Rsn為信號誤差比，理想的模型中信號誤差比＞4.0，建立的模型信號誤差比為30.649，說明該模型可用于設計預測。

表4 試驗模型中各影響因素方差分析表

P＜0.05，說明該模型項影響顯著；P＞0.10，說明該模型項影響不顯著。建立的模型中A、C、D、E和F項的P值都小于0.05，因此，A、C、D、E和F五項對模型有顯著影響，其中E（P＜0.000 1）影響最大，其次是C（P＝0.000 1）和 F（P＝0.000 1），然后是 D（P＝0.003 1）和 A（P＝0.009 2），而試驗麥胚中水分含量對超臨界CO2萃取麥胚油影響不顯著。因此，超臨界CO2萃取小麥胚芽油的影響因素依次排序為：萃取劑流量（E）＞萃取壓力（C）和萃取時間（F）＞萃取溫度（D）＞麥胚目數(shù)（A）。

2.3 小麥胚芽油萃取影響因素的優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理，設計響應面分析試驗（五因素三水平），共設計43個試驗點，其中有40個分析點，3個零點用來評估試驗誤差。采用萃取率作為試驗響應值。Box-Behnken試驗設計及其試驗結果見表5。

根據(jù)表5的試驗結果，運用響應面分析程序對響應值（萃取率）進行回歸分析，經(jīng)過回歸擬合得到萃取率（Y）與各影響因素的回歸方程：

表5 Box-Behnken試驗設計及試驗結果

回歸方程模型的可信度分析見表6。R2Pred為0.856 2，而 R2Adj為0.930 4，因此回歸方程具有很好的擬合度。信噪比（Rsn）為21.847，遠大于4，模型的可信度高，可以用來預測試驗設計響應面。

表6 模型可信度分析統(tǒng)計結果

2.4 小麥胚芽油萃取率模型顯著性分析

通過Design-expert分析軟件，對回歸方程模型進行方差分析，結果見表7。由表7可知，模型具有高度的顯著性 （F＝29.08，P＜0.000 1）；相對于純誤差來說，失擬（F＝3.07）不顯著。因此，該模型可以用來試驗預測。

若P＜0.05，表明影響因素有顯著影響；若P＞0.10，說明影響因子沒有顯著影響。由表7可知，5個因素對萃取工藝都有顯著影響，尤其是萃取劑流量、萃取壓力、萃取時間影響很大。5個因素中兩兩交互作用無顯著影響。

為了進一步確定萃取劑流量、萃取壓力、萃取時間、萃取溫度和麥胚目數(shù)5個因素對麥胚油萃取率的影響，對模型方程進行逐步回歸，得到最佳小麥胚芽油萃取工藝參數(shù)為萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為141 min、萃取溫度39.8℃和麥胚目數(shù)為60目。在此條件下，小麥胚芽油萃取率預測值為82.82%。實際運行過程中考慮操作過程方便性，萃取溫度定為40℃。

表7 回歸方程模型各項的方差分析

2.5 響應曲面分析與優(yōu)化

根據(jù)模型回歸方程，做響應面曲面圖，考察了擬合響應面的形狀，其響應面曲線如圖1～圖10所示，反映了超臨界CO2萃取麥胚油工藝中5個因素對小麥胚芽油萃取率的影響。

圖1顯示，在80目麥胚、萃取溫度為35℃、萃取時間為120 min條件下，萃取劑流量和萃取壓力對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取劑流量條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率隨之增加。同樣，在不同萃取壓力時，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在萃取壓力為＋1水平、萃取劑流量為＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大值。

圖1 萃取劑流量和萃取壓力對萃取率影響

圖2顯示，在80目麥胚、萃取壓力20 MPa、萃取溫度35℃條件下，萃取劑流量和萃取時間對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時間下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取劑流量條件下，隨著萃取時間的增加，小麥胚芽油萃取率在-1～＋0.5水平內呈直線增加，在＋0.5～＋1水平范圍內趨于平緩。在萃取劑流量為＋1水平、萃取時間為＋0.5水平，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖2 萃取劑流量和萃取時間對萃取率影響

圖3顯示，在80目麥胚、萃取壓力20 MPa、萃取時間為120 min條件下，萃取劑流量和萃取溫度對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取溫度條件下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取劑流量條件下，在-1～＋0.5水平萃取溫度范圍內，隨著萃取溫度提高小麥胚芽油萃取率緩慢上升，萃取溫度在＋0.5～＋1水平范圍內小麥胚芽油萃取率趨于平緩。在萃取劑流量為＋1水平、萃取溫度＋0.5～＋1水平，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖3 萃取劑流量和萃取溫度對萃取率影響

圖4顯示，在萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為35℃、萃取時間為120 min的條件下，萃取劑流量和麥胚目數(shù)對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取劑流量條件下，隨著麥胚目數(shù)的增加，小麥胚芽油萃取率開始緩慢下降，隨后下降速度加快。在不同麥胚目數(shù)條件下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率線性增加。在麥胚目數(shù)為-1水平、萃取劑流量為＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖4 萃取劑流量和麥胚目數(shù)對萃取率影響

圖5 萃取壓力和萃取時間對萃取率影響

圖5顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取溫度35℃條件下，萃取壓力和萃取時間對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時間條件下，隨著萃取溫度提高，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取壓力條件下，萃取時間在-1～＋0.5水平范圍內，隨著萃取時間的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加，萃取時間在＋0.5～＋1水平范圍內，小麥胚芽油萃取率趨于平緩。在萃取壓力為＋1水平、萃取溫度為＋0.5～＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖6顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取時間為120 min條件下，萃取壓力和萃取溫度對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取壓力條件下，隨著萃取溫度的提高，小麥胚芽油萃取率開始快速增加，隨后增加速度緩慢。在萃取溫度條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之線性增加。在萃取溫度＋1水平、萃取壓力＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖6 萃取壓力和萃取溫度對萃取率影響

圖7顯示，在萃取劑流量為25 L／h、萃取溫度35℃、萃取時間為120 min條件下，萃取壓力和麥胚目數(shù)對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取壓力條件下，隨著麥胚目數(shù)的增加，小麥胚芽油萃取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在不同麥胚目數(shù)條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之線性增加。在麥胚目數(shù)為-1水平、麥胚壓力為＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖7 萃取壓力和麥胚目數(shù)對萃取率影響

圖8顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa條件下，萃取時間和萃取溫度對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時間條件下，隨著萃取溫度的提高，在-1～0水平范圍內，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取溫度在0～＋1水平范圍內，小麥胚芽油萃取率緩慢上升。在不同萃取溫度條件下，在萃取時間為-1～＋0.5水平范圍內，隨著萃取時間的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取時間在＋0.5～＋1水平范圍內，隨萃取時間的延長，小麥胚芽油萃取率開始緩慢下降。在萃取溫度＋0.5水平、萃取時間＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖8 萃取時間和萃取溫度對萃取率影響

圖9顯示，在萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa、萃取溫度35℃條件下，萃取時間和麥胚目數(shù)對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時間內，隨著麥胚目數(shù)增加，小麥胚芽油萃取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在不同麥胚目數(shù)條件下，萃取時間為-1～＋0.5水平范圍內，隨著萃取時間的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取時間在＋0.5～＋1水平范圍內，小麥胚芽油萃取率上升非常緩慢。在麥胚目數(shù)-1水平、萃取時間為＋0.5～＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖9 萃取時間和麥胚目數(shù)對萃取率影響

圖10顯示，萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa、萃取時間為120 min條件下，萃取溫度和麥胚目數(shù)對小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取溫度條件下，麥胚目數(shù)在-1～-0.5水平范圍內，小麥胚芽油萃取率處于很高的水平；麥胚目數(shù)在-0.5～＋1水平范圍內，隨著麥胚目數(shù)增加，小麥胚芽油萃取率不斷下降。在不同麥胚目數(shù)條件下，萃取溫度為-1～＋0.5水平范圍內，隨著萃取溫度的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取溫度在＋0.5～＋1水平范圍內，小麥胚芽油萃取率上升非常緩慢。在麥胚目數(shù)為-1～-0.5水平、萃取溫度為＋0.5～＋1水平時，小麥胚芽油萃取率達到最大水平。

圖10 萃取溫度和麥胚目數(shù)對萃取率影響

2.6 優(yōu)化工藝驗證試驗

利用含水量為4%的麥胚作為試驗原料，采用麥胚目數(shù)為60目、萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為141 min和萃取溫度40℃進行工藝參數(shù)優(yōu)化驗證試驗。共進行6個批次平行樣本試驗，平均小麥胚芽油萃取率達到82.79%，與模型預測萃取率82.82%有很好吻合度。

3 結論

利用Plackett-Burman試驗及其影響因素方差分析，超臨界CO2萃取小麥胚芽油的因素影響大小依次排序為：萃取劑流量＞萃取壓力和萃取時間＞萃取溫度＞麥胚目數(shù)。3.3%～4.7%范圍內麥胚水分對超臨界CO2萃取小麥胚芽油的萃取率影響極小。

采用萃取劑流量、萃取壓力、萃取時間、萃取溫度和麥胚目數(shù)進行響應面分析試驗，得到小麥胚芽油萃取率回歸方程：Y＝73.58＋3.67X1＋4.61X2＋2.02X3＋1.17X4-0.77X5-0.62X1X2＋0.38X1X3＋1.08X1X4-0.3X1X5-0.25X2X3-0.5X2X4-0.25X2X5＋0.31X3X4-，方程達到極顯著水平，且擬和很好，在試驗設計范圍內可以對超臨界CO2萃取小麥胚芽油的萃取率進行有效預測。

通過方差分析顯示，萃取劑流量（P＜0.000 1）、萃取壓力（P＜0.000 1）、萃取時間（P＜0.000 1）、萃取溫度（P＝0.000 3）和麥胚目數(shù)（P＝0.010 6）對萃取工藝都有顯著影響，尤其是萃取劑流量、萃取壓力、萃取時間影響很大。

通過對回歸方程逐步回歸，得到超臨界CO2萃取小麥胚芽油最佳工藝參數(shù)：麥胚目數(shù)為60目、萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為141 min和萃取溫度40℃。在此條件下小麥胚芽油萃取率達到82.79%。

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