山桐子油的超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化及脂肪酸組成分析

曠春桃

吳 斌2

唐宏偉1

向 舒1

賀劍揚(yáng)1

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610066)

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山桐子油的超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化及脂肪酸組成分析

曠春桃1

吳 斌2

唐宏偉1

向 舒1

賀劍揚(yáng)1

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610066)

為了充分利用山桐子資源，采用單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化山桐子油的超臨界CO2萃取工藝，運(yùn)用氣相色譜—質(zhì)譜(GC—MS)分析山桐子油的脂肪酸組成。結(jié)果表明：超臨界CO2萃取山桐子油的優(yōu)化工藝條件為萃取時(shí)間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa；在該條件下，山桐子油得率為(38.25±0.41)%。山桐子油得率和影響因素間的回歸模型極顯著(P=0.000 9)。GC—MS結(jié)果表明，山桐子油主要由不飽和脂肪酸組成，不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量為71.43%。山桐子油是一種優(yōu)質(zhì)的食用油資源，超臨界CO2可以高效萃取山桐子油。

山桐子油；超臨界CO2萃??；脂肪酸

山桐子(IdesiaPolycarpa)是大風(fēng)子科山桐子屬落葉喬木，在中國陜西、甘肅、四川和湖南等省均有分布。山桐子是一種重要的油料資源，其干果中含油率35.0%～40.9%[1-2]。山桐子油中富含亞油酸、油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，精煉后可以加工成優(yōu)質(zhì)的食用油[3]。此外，山桐子油也可用于生產(chǎn)生物柴油[4]、生物基潤(rùn)滑油[5]等，因此，開展山桐子油的綠色高效提取技術(shù)研究，將對(duì)中國食用油安全和生物質(zhì)資源高效利用具有重要意義。

山桐子油中不飽和脂肪酸含量在85%以上[6]，其中人體內(nèi)不能合成的亞油酸含量高于茶籽油和橄欖油等[7-8]，不飽和脂肪酸可以降血清總膽固醇水平，預(yù)防心血管疾病的發(fā)生[9-11]，因此，山桐子油有“21世紀(jì)長(zhǎng)壽保健油”之稱。劉春雷等[7]采用索氏法提取山桐子油(山桐子油得率為28.5%)，并對(duì)其脂肪酸組成進(jìn)行了分析。吳發(fā)旺等[12]優(yōu)化了冷榨法提取山桐子油的工藝，山桐子油得率為26.61%，亞油酸含量為67.30%。華婉等[13]采用不同方法提取山桐子油，索氏提取法的得率為35%，優(yōu)于壓榨法。超聲波溶劑提取法提取的山桐子油橙黃清亮，提取效率高[14]，但是，目前中國尚未有超臨界CO2萃取山桐子油的文獻(xiàn)報(bào)道。本研究擬采用單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化超臨界CO2萃取山桐子油的工藝，并對(duì)其脂肪酸組成進(jìn)行分析，以期為山桐子油的高效加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

山桐子：四川省林業(yè)科學(xué)研究院；

CO2：食品級(jí)(>99.9%)，長(zhǎng)沙高科氣體有限公司；

其他試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

超臨界萃取裝置：HA121-50-01型，南通市華安超臨界萃取設(shè)備有限公司；

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC—MS)：Clarcus 600T型，美國PerkinElmer 公司；

高速粉碎機(jī)：WK-10B型，山東青州市精誠機(jī)械制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2萃取山桐子油 山桐子果實(shí)去果柄后粉碎，過篩，稱取100 g過20目篩的山桐子放入萃取釜內(nèi)，開啟超臨界CO2制冷裝置，在試驗(yàn)的溫度和壓力下萃取，萃取完成后，從分離釜1和分離釜2中分出山桐子油，取出萃取釜中的山桐子渣。山桐子油的得率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Y——山桐子油得率，%；

m1——山桐子油的質(zhì)量，g；

m2——山桐子的質(zhì)量，g。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以萃取壓力、萃取溫度和萃取時(shí)間為因素，考察各因素對(duì)山桐子油的影響。

(1) 萃取壓力對(duì)山桐子油得率的影響：固定萃取溫度45 ℃，萃取時(shí)間120 min，考察萃取壓力(15.0，20.0，25.0，30.0，35.0 MPa)對(duì)山桐子油得率的影響。

(2) 萃取溫度對(duì)山桐子油得率的影響：固定萃取壓力25 MPa，萃取時(shí)間120 min，考察萃取溫度(35.0，40.0，45.0，50.0，55.0 ℃)對(duì)山桐子油得率的影響。

(3) 萃取時(shí)間對(duì)山桐子油得率的影響：固定萃取壓力25 MPa，萃取溫度45 ℃，考察萃取時(shí)間(60，90，120，150，180 min)對(duì)山桐子油得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇萃取壓力、萃取溫度和萃取時(shí)間為影響因素，得率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面中的Box-Behnken設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步對(duì)超臨界CO2萃取山桐子油的工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[15-16]。

1.2.4 山桐子油的脂肪酸成分分析 參考文獻(xiàn)[17～19]制備GC—MS分析用脂肪酸甲酯化樣品。采用NIST譜庫，計(jì)算機(jī)檢索和人工解析進(jìn)行定性分析；采用面積歸一化法對(duì)脂肪酸進(jìn)行定量分析。

(1) GC條件：HP-FFAP極性毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升溫程序：初溫80 ℃，保持1 min，15 ℃/min 升至200 ℃，然后以3 ℃/min升至 210 ℃，最后以1 ℃/min升至230 ℃；載氣(He)流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量：1.0 μL；分流比20∶1。

(2) MS條件：EI離子源；電子能量70 eV；離子源溫度200 ℃；質(zhì)量掃描范圍m/z40～600。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取壓力對(duì)山桐子油得率的影響

由圖1可知，萃取壓力從15 MPa增加到25 MPa，山桐子油得率增加，再增加萃取壓力，得率下降。因?yàn)檩腿囟纫欢〞r(shí)，隨著萃取壓力的增大，CO2的密度增大，山桐子油在CO2中的溶解度增大，得率增加，當(dāng)達(dá)到一定萃取壓力后，CO2的黏度增大，擴(kuò)散性能降低，得率下降[20-21]，同時(shí)，萃取壓力太高，對(duì)設(shè)備的耐壓性和密封性要求更高，會(huì)縮短設(shè)備使用壽命。因此，適宜的萃取壓力為25 MPa左右。

圖1 萃取壓力對(duì)山桐子油得率的影響Figure 1 Effect of extraction pressure on yield ofIdesia polycarpa oil

2.2 萃取溫度對(duì)山桐子油得率的影響

由圖2可知，溫度從35 ℃增加到50 ℃，山桐子油的得率增加，因?yàn)殡S溫度升高，山桐子油在超臨界CO2中的擴(kuò)散系數(shù)增大，有利于山桐子油的萃取。再升高萃取溫度，得率下降，因?yàn)殡S溫度升高，超臨界CO2的密度下降，山桐子油在超臨界CO2中的溶解度下降[22-24]，因此，綜合考慮山桐子油得率和節(jié)能，適宜萃取溫度為45～50 ℃。

圖2 萃取溫度對(duì)山桐子油得率的影響Figure 2 Effect of extraction temperature on yieldIdesia polycarpa oil

2.3 萃取時(shí)間對(duì)山桐子油得率的影響

由圖3可知，山桐子油的得率隨萃取時(shí)間的增加先增加，然后減少。因?yàn)檩腿r(shí)間越長(zhǎng)，傳質(zhì)效果越好，得率會(huì)隨之增加，當(dāng)萃取時(shí)間達(dá)到120 min后，山桐子油基本萃取完全，再延長(zhǎng)萃取時(shí)間，已經(jīng)萃取出來的山桐子油會(huì)被CO2帶出分離釜，導(dǎo)致得率減少[20]。因此，適宜的萃取時(shí)間為120 min左右。

2.4 響應(yīng)曲面法優(yōu)化山桐子油的萃取工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以山桐子油的得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化萃取時(shí)間、萃取溫度和萃取壓力對(duì)山桐子油得率的影響，因素和水平見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)山桐子油得率的影響Figure 3 Effect of extraction time on yield ofIdesia polycarpa oil表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

水平A萃取時(shí)間/minB萃取溫度/℃C萃取壓力/MPa-19045200120502511505530

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of response surface experiment

運(yùn)用Design-Expert 7.1.3軟件對(duì)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到的二次多項(xiàng)回歸方程為：

Y=38.01+2.77A+1.51B-0.39C+1.29AB-2.16BC-4.95A2-2.85B2-3.16C2。

(2)

由表3可知，A、A2、B2和C2對(duì)山桐子油得率的影響極顯著，B和BC的影響顯著，因素C在試驗(yàn)選定的區(qū)域內(nèi)影響不顯著。各因素對(duì)山桐子油得率的影響依次為萃取時(shí)間>萃取溫度>萃取壓力。

表3 方差分析?Table 3 Analysis of variance

? **表示極顯著(P <0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

二次多項(xiàng)回歸方程的響應(yīng)曲面圖見圖4、5。等高線的形狀可反映交互作用的強(qiáng)弱，橢圓形表示交互作用顯著，圓形表示交互作用不顯著[25]。由圖4可知，萃取壓力一定時(shí)，山桐子油得率隨萃取時(shí)間的增加先增加后減少，而山桐子油得率隨萃取溫度變化相對(duì)較為平緩，說明萃取時(shí)間對(duì)山桐子油得率影響大，萃取時(shí)間和萃取溫度交互作用不顯著。

圖4 時(shí)間和溫度對(duì)山桐子油得率影響的響應(yīng)面

Figure 4 Response surface showing the effect of time and temperature on yield ofIdesiapolycarpaoil

圖5 溫度和壓力對(duì)山桐子油得率影響的響應(yīng)面

Figure 5 Response surface showing the effect of temperature and pressure on yield ofIdesiapolycarpaoil

由圖5可知，山桐子油得率隨萃取壓力和萃取溫度增加，開始時(shí)呈顯著增加，然后變化比較平緩。溫度對(duì)超臨界CO2萃取山桐子油有兩個(gè)方面的影響，一方面，隨溫度升高，超臨界CO2的密度減少，山桐子油在超臨界CO2中溶解度下降，另一方面，溫度增加，山桐子油在超臨界CO2中的擴(kuò)散系數(shù)增大[22-23]。壓力的影響也有兩個(gè)方面，壓力增加，超臨界CO2密度增加，有利用山桐子油的萃取，但超臨界CO2粘度增加，不利于山桐子油的萃取[20-21]，上述結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致。

Design-Expert 7.1.3軟件對(duì)回歸方程求解，得到山桐子油的最佳萃取工藝為：萃取時(shí)間147.24 min，萃取溫度52.83 ℃，萃取壓力23.72 MPa，得率37.26%。為實(shí)際操作的可控性，將試驗(yàn)條件調(diào)整為萃取時(shí)間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa，在該條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，山桐子油的平均得率為(38.25±0.41)%，與預(yù)測(cè)值基本一致，說明根據(jù)回歸模型得到工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

2.5 山桐子油中脂肪酸組成分析

山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS總離子流色譜圖見圖6。由表4可知，從山桐子油中鑒定出7中脂肪酸，鑒定成分的含量為97.99%，不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量高達(dá)71.43%。亞油酸是一種人體必需又不能合成的不飽和脂肪酸，它能降低血液中的膽固醇，同時(shí)具有抗癌作用，參與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞生長(zhǎng)與凋亡等。因此，山桐子油是一種優(yōu)質(zhì)的食用油資源，同時(shí)也具有潛在的藥用價(jià)值。

圖6 山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS總離子流色譜圖

Figure 6 GC—MS total ion chromatogram of fatty acid methyl ester inIdesiaPolycarpaoil

表4 山桐子油中脂肪酸甲酯含量Table 4 Content of fatty acid methyl ester inIdesia Polycarpa oil

3 結(jié)論

采用超臨界CO2萃取山桐子油，運(yùn)用單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)獲得了其優(yōu)化工藝條件：萃取時(shí)間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa，該條件下，山桐子油得率為(38.25±0.41)%，超臨界CO2法是一種綠色、高效的萃取山桐子油的方法。

采用GC—MS分析了山桐子油的脂肪酸組成，山桐子油中不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量為71.43%。

山桐子油需經(jīng)過脫色、脫酸和脫膠等過程方能達(dá)到食用要求，下一步可以在山桐子油的精煉方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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Supercritical CO2extraction of Idesia Polycarpa oil and analysis of its fatty acid composition

KUANG Chun-tao1

WUBin2

TANGHong-wei1

XIANGShu1

HEJian-yang1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.SichuanAcademyofForestry,Chengdu,Sichuan610066,China)

To make full use ofIdesiapolycarparesource, the optimum conditions of extracting oil inI.Polycarpaby supercritical CO2were studied by single factor and Box- Behnken designs, and the fatty acid composition of this oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the yield of the oil inI.polycarpaextracted by supercritical CO2was (38.25±0.41)%, when extracted at 24 MPa and 53 ℃ for 147 min. Moreover, the regression model between yield and influence factors was very significant (P=0.000 9). In addition, the results of GC-MS showed that the total content of unsaturated fatty acid in the oil was 81.33%, and that of linoleic acid was 71.43%. In conclusion, the oil extracted fromI.polycarpais an edible oil resource with high quality, and could be efficiently extracted by using supercritical CO2.

Idesiapolycarpaoil; supercritical CO2extraction; response surface methodology; fatty acid

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(編號(hào)：201204811)

曠春桃(1973-)，男，中南林業(yè)科技大學(xué)副教授，博士。 E-mail:hnkct@163.com

2016-08-29

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.035