響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝研究

馬 燕,張 健,張 謙,孟伊娜,鄒淑萍,許銘強(qiáng),張 平

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091)

響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝研究

馬 燕,張 健,張 謙,孟伊娜,鄒淑萍,許銘強(qiáng),張 平*

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091)

以新疆主栽杏品種-紅心杏仁為研究試材,在一定的操作條件下,采用響應(yīng)面法對(duì)亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken設(shè)計(jì),運(yùn)用SAS8.0軟件回歸分析了萃取時(shí)間、萃取溫度、料溶比3個(gè)因素對(duì)杏仁油得率的影響,并對(duì)所得杏仁油的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:萃取時(shí)間為46min、萃取溫度為42℃、料溶比為1∶6.6g/mL,此時(shí),杏仁油的萃取率為88.58%；其質(zhì)量指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

亞臨界丁烷,杏仁油,工藝,萃取率

杏仁油中富含的不飽和脂肪酸對(duì)冠心病、高血壓、高血脂等心血管疾病具有較好的預(yù)防和治療作用,是一種食用保健油,也是新一代保健食品和化妝品的重要原料[1]。目前杏仁油的提取方法主要為溶劑浸提法和壓榨法。壓榨法提油率較低；浸提法工藝和后處理過程較復(fù)雜,易造成環(huán)境污染[2]。亞臨界萃取技術(shù)作為一種實(shí)用性較強(qiáng)新型的提取分離技術(shù),現(xiàn)已在天然產(chǎn)物的提取、生物化工、食品和色素等行業(yè)得到廣泛的研究和應(yīng)用,并已部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[3]。其具有萃取壓力低,萃取溫度低,萃取效率高,可循環(huán)萃取,無有害溶劑殘留、操作方便、能耗低、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),不僅降低了設(shè)備制造成本,還可實(shí)現(xiàn)杏仁油大規(guī)模工業(yè)化連續(xù)性生產(chǎn),具有廣泛的生產(chǎn)實(shí)用性,解決了杏仁油提取分離技術(shù)中存在的安全、環(huán)保、營養(yǎng)、乳化以及實(shí)用性等問題[4-7]。因此,亞臨界流體萃取在天然產(chǎn)物有效成分提取中具有很大的發(fā)展空間。本文以杏仁為原料,采用響應(yīng)面法優(yōu)化研究亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝,確定了亞臨界丁烷萃取杏仁油最佳工藝條件,為杏仁油工業(yè)化生產(chǎn)提供了新的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新疆紅心杏仁 新疆輪臺(tái)縣,粗脂肪含量為54.4%。

TD電子天平 余姚市金諾天平儀器有限公司；HH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市醫(yī)療儀器廠；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；液氮低溫超微粉碎裝置 自主設(shè)計(jì)與組裝；CBE-10L型亞臨界流體萃取裝置 河南亞臨界生物技術(shù)有限公司；85-2A控溫磁力攪拌器 常州市國立實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究所；DL-4013飛鴿系列離心機(jī) 上海安寧科學(xué)儀器廠；GC-2000型氣相色譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點(diǎn) 杏仁去皮、干燥:將杏仁放入80℃的熱水中浸泡1min,去皮干燥72h,干燥溫度50℃,保證水分含量控制在1.5%左右。

杏仁低溫超微粉碎:為了避免杏仁油脂含量過高導(dǎo)致其在粉碎過程受熱發(fā)粘,不易粉碎過篩,將杏仁與-100℃的液氮反應(yīng)10s后,在3000r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行粉碎,不僅使杏仁本身酥脆易粉碎、易過篩,還能夠保證其營養(yǎng)成分不會(huì)因粉碎產(chǎn)生的高溫受到損失。

杏仁入料:將粉碎過篩后的杏仁裝入篩絹,鋪平卷入萃取釜中。篩絹目數(shù)為200目,相當(dāng)于一層過濾膜,可有效地將杏仁油與粕完全分離,過濾掉油中的部分雜質(zhì),還有利于粕的統(tǒng)一收集及進(jìn)一步綜合利用。

低壓脫溶:減壓脫溶應(yīng)先打開壓縮機(jī),抽至0.1MPa后,再打開真空泵連抽4次抽至-0.01MPa,最后依次關(guān)真空泵、壓縮機(jī)和加熱泵,萃取1次。

離心分離:在3500r/min轉(zhuǎn)速下離心分離15min即得杏仁油。

1.2.3 杏仁油萃取率

杏仁油萃取率(%)=萃取的杏仁油質(zhì)量/(杏仁原料×粗脂肪含量)×100

1.2.4 杏仁油單因素實(shí)驗(yàn) 通過選取杏仁原料粒度、萃取時(shí)間、萃取溫度、料溶比這4個(gè)因素中的最佳參數(shù),來確定單因素的最佳萃取條件。

1.2.4.1 原料粒度的選擇 將粉碎好的杏仁分別過20、40、60目篩,以萃取率作為指標(biāo),選擇最佳的原料粒度。

1.2.4.2 萃取時(shí)間的選擇 將杏仁過40～60目,在料溶比為1∶4、萃取溫度為45℃的條件下,確定萃取時(shí)間分別為10、20、30、40、50min時(shí)杏仁油的萃取率,選擇最佳的萃取時(shí)間。

1.2.4.3 萃取溫度的選擇 將杏仁過40～60目，在萃取時(shí)間40min,料溶比為1∶4的條件下,確定萃取溫度分別為35、40、45、50、55℃時(shí)杏仁油的萃取率,選擇最佳萃取溫度。

1.2.4.4 料溶比的選擇 將杏仁過40～60目，在萃取時(shí)間為40min,萃取溫度為50℃,確定料溶比分別為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8時(shí)杏仁油的萃取率,選擇最佳料溶比。

1.2.5 杏仁油工藝的優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)得出較優(yōu)的工藝條件為:物料粒度40～60目,萃取時(shí)間40min,萃取溫度50℃,料溶比1∶6。在此基礎(chǔ)上,以萃取率為響應(yīng)值,選擇萃取時(shí)間、萃取溫度、料溶比這3個(gè)主要因素作為對(duì)萃取效果影響較大的實(shí)驗(yàn)因子進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

1.2.6 數(shù)學(xué)模型的建立 通過單因素實(shí)驗(yàn)得到因素水平表。采用SAS8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件[8]建立多元二次回歸模型方程并進(jìn)行方程分析,進(jìn)一步優(yōu)化杏仁油的提取工藝參數(shù)響應(yīng)面分析方案及結(jié)果。

1.2.7 杏仁油質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定 根據(jù)GB/T5009.37-2003,GB/T5530-1998,GB/T5532-2008,GB/T5534-2008和GB/T17377-2008等國家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)亞臨界萃取后的杏仁油進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 原料不同粒度對(duì)杏仁油萃取率的影響 由圖1可得,萃取率隨原料粒度減小而增加,在40～60目時(shí)萃取率最高,可達(dá)70.16%。但由于杏仁油粗脂肪含量較高,隨著顆粒度的增加,過篩困難,易造成油脂損失,因此,選擇40～60目為最佳粒度。

圖1 原料粒度對(duì)萃取率的影響Fig.1 Effect of particle size on raw materials extraction rate

2.1.2 不同萃取時(shí)間對(duì)杏仁油萃取率的影響 由圖2可知,隨著萃取時(shí)間的增加,萃取率逐漸增加,當(dāng)萃取時(shí)間在40min時(shí)萃取率達(dá)最高,之后隨著時(shí)間的增加萃油過程隨之降低趨于平衡。這可能是由于油料的油路堵塞,不能夠繼續(xù)出油,因此時(shí)間繼續(xù)增加也不會(huì)使得萃取率升高。萃取時(shí)間為40min時(shí)為最佳提取時(shí)間。

圖2 萃取時(shí)間對(duì)杏仁油萃取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on raw materials extraction rate

2.1.3 不同萃取溫度對(duì)杏仁油萃取率的影響 由圖3所示,隨著萃取溫度的逐漸增加,萃取率增加較快,當(dāng)萃取溫度達(dá)到50℃時(shí),萃取率達(dá)到最高；但超過50℃后,隨著萃取溶劑的氣化程度的增加,與物料接觸面積減小,使萃取速率逐漸下降。因此,萃取溫度為50℃時(shí)為最佳萃取溫度。但若從萃取率與能耗方面進(jìn)行綜合考慮,則可選擇45℃最為優(yōu)化萃取溫度。

圖3 萃取溫度對(duì)杏仁油萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on raw materials extraction rate

2.1.4 不同料溶比對(duì)杏仁油萃取率的影響 從圖4可以看出,隨著料溶比的增加,萃取速率由快到慢,當(dāng)料溶比在1∶6時(shí),萃取率達(dá)最高。在料溶比為1∶8以后,趨于平衡。這可能是由于原料中含有較多的油脂,物料與之混合會(huì)使油脂的粘度下降,從而有利于油脂萃出；但當(dāng)料溶比高于或低于一定比例時(shí),物料與溶劑之間分子運(yùn)動(dòng)速率逐漸趨于平衡,反而不利于油脂的萃出。

圖4 料溶比對(duì)杏仁油萃取的影響Fig.4 Effect of the proportion of dissolved material on raw materials extraction rate

2.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

響應(yīng)面分析及結(jié)果見表2。

根據(jù)表3所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用SAS8.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8],采用響應(yīng)曲面統(tǒng)計(jì)法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立了萃取率與萃取時(shí)間、萃取溫度和料溶比相互關(guān)系的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)回歸方程:

Y=86.68-2.14X1+3.13X2-2.15X3-12.28X1X2-1.86X1X3-1.72X2X3-4.17X12-4.03 X22+4.89X32

表2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 2 Design and result of response surface analysis

表3 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Regression coefficients and significant test for quadratic polynomial model equation

進(jìn)一步對(duì)該回歸模型進(jìn)行顯著性分析,響應(yīng)曲面數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表3,分析結(jié)果顯示模型中F=72.97>F0.05(9,9)=3.18,p<0.0001,表明回歸模型極其顯著,失擬項(xiàng)p=0.5025>0.1,表明失擬項(xiàng)不顯著,說明該模型擬合程度良好,實(shí)驗(yàn)誤差?。荒Ｐ椭械囊淮雾?xiàng)、交叉項(xiàng)、平方項(xiàng)影響顯著。通過分析表4可知負(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9924,說明模型基本可以合理解釋實(shí)驗(yàn)中所得杏仁油萃取率的變化,方程擬合程度較好。Y的變異系數(shù)(CV)與實(shí)驗(yàn)精確度成反比,本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的CV較低,為1.46%,說明實(shí)驗(yàn)精確度越高,由此可得回歸方程符合模型建立。

表4 模擬的可信度分析Table 4 Confidence analysis of regression equation model

2.3 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

通過對(duì)以下模型響應(yīng)面以及相對(duì)應(yīng)的等高線進(jìn)行分析,并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而得到提取杏仁油的最佳優(yōu)化條件。模型的響應(yīng)曲面見圖5～圖7。

圖5 Y=f(X1,X2)響應(yīng)曲面立體圖及等高線Fig.5 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X2)

圖6 Y=f(X1,X3)響應(yīng)曲面立體圖及等高線Fig.6 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X3)

圖7 Y=f(X2,X3)響應(yīng)曲面立體圖及等高線Fig.7 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X2,X3)

組圖直觀地反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。由圖5、圖6可知,料溶比和萃取時(shí)間、萃取溫度之間對(duì)杏仁油得率交互作用顯著。由圖7可知,萃取時(shí)間和萃取溫度的交互作用顯著。

圖5～圖7表明,杏仁的得率隨萃取時(shí)間和萃取溫度的上升而增大,隨后逐漸緩慢,且每個(gè)影響因子對(duì)于杏仁油萃取率都有一個(gè)最佳穩(wěn)定條件,因此,可以在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)尋找到最優(yōu)點(diǎn)。得到X1=0.58,X2=-0.62,X3=0.32,將這三個(gè)值代入變換式,得到最佳組合為:萃取時(shí)間為46min、萃取溫度為41.9℃、料液比為1∶6.6g/mL,此時(shí),模型預(yù)測(cè)杏仁油的最大萃取率為88.65%;

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,方便實(shí)際操作，將最佳條件調(diào)整為：萃取時(shí)間46min,萃取溫度42℃，料液比1∶6.6g/mL，,所得萃取率分別為88.55%、88.63%、88.56%,平均值為88.58%(誤差0.07%)。所得的回歸方程的最大預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證值非常接近,說明回歸方程能較真實(shí)地反映各篩選因素的影響,建立的模型與實(shí)際情況比較吻合。因此,響應(yīng)面法優(yōu)化杏仁油萃取率的工藝條件是可行的。

2.4 杏仁油質(zhì)量指標(biāo)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)亞臨界萃取所得的杏仁油進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定,結(jié)果見表5。

表5 亞臨界萃取杏仁油的質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 5 The result of quality of Apricot oil was determined

由表5可得,亞臨界萃取杏仁油油品較好,各項(xiàng)指標(biāo)均符合《國家食用油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2716-2005)中對(duì)植物原油和食用植物油色澤、酸價(jià)、過氧化值和溶劑殘留的要求,產(chǎn)品可省去現(xiàn)有復(fù)雜的精煉工藝。

3 結(jié)論

杏仁經(jīng)過去皮、干燥、低溫超微粉碎及過篩等一系列前處理,在單因素的基礎(chǔ)上,確定了料溶比,萃取時(shí)間,萃取溫度為主要影響因素；采用響應(yīng)曲面分析法對(duì)亞臨界丁烷萃取杏仁油率的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)和SAS8.0軟件分析確定最佳工藝參數(shù):萃取時(shí)間為46min、萃取溫度為42℃、料溶比為1∶6.6g/mL,此時(shí),杏仁油的萃取率為88.58%。采用此法制得的杏仁油油品較佳,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。通過深入研究更好的低溫萃油工藝和技術(shù),不僅對(duì)促進(jìn)杏子產(chǎn)后加工業(yè)的發(fā)展,也對(duì)促進(jìn)我區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]姚石,周如金,朱廣文,等.杏仁油提取的各種工藝方法與研究[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2011,21(1):30-32.

[2]馬力,陳永忠,陳隆升.油茶籽油不同提取方法的比較分析[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊,2010(11):11-13.

[3]劉月蓉,陳稀,鄭建燦,等.亞臨界萃取設(shè)備在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用[J]莆田學(xué)院學(xué)報(bào),2012,19(2):73-75.

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[8]黃燕,吳平.SAS統(tǒng)計(jì)分析及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006:202-252.

[9]《國家食用油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 GB2716-2005.

Research of processing optimization of almond oil bysubcritical butane using response surface method

MA Yan,ZHANG Jian,ZHANG Qian,MENG Yi-na,ZOU Shu-ping,XU Ming-qiang,ZHANG Ping*

(Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Storage and Processing Institute,Urumqi 830091,China)

Xinjiang apricot cultivars varieties-Red almonds was used as research test material,the response surface method was used in optimizing the extract of almond oil by Subcritical Butane under certain operating conditions. Box-Behnken was designed,SAS8.0 was used in analyzing the effect of extract time,extract temperature,the proportion of dissolved material on almond oil yield.The result showed extract time was 46min,extract temperature was 42℃,the proportion of materials and solvents was 1∶6.6g/mL,the extraction rate of almond oil was 88.58%,and its quality indicators are in line with national standards.

subcritical butane;almond oil;process;extract;quality

2014-05-04

馬燕(1984-)，女，碩士，助理研究員，研究方向：食品科學(xué)。

*通訊作者:張平(1964-)，男，博士，研究員，研究方向：食品科學(xué)。

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)課題(201003058-7)；“杏、李新型產(chǎn)品加工關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”。

TS225.1+9

B

1002-0306(2015)03-0238-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.041