超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂工藝條件的優(yōu)化

鄧 鵬，孫文佳，徐同成，賈 敏，鞏東營(yíng)，劉麗娜

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所/山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)

超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂工藝條件的優(yōu)化

鄧 鵬，孫文佳，徐同成，賈 敏，鞏東營(yíng)，劉麗娜

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所/山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)

為探究響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂的工藝條件，采用超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂，以花生磷脂的提取率為指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)萃取工藝的關(guān)鍵因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示：萃取壓力、萃取溫度、萃取壓力和萃取溫度的交互作用對(duì)花生磷脂提取率的影響極顯著。優(yōu)化得到超臨界CO2法提取花生油腳中磷脂的最優(yōu)條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃、CO2流速7.02L/h、乙醇添加量為2%，此條件下花生油腳中花生磷脂的提取率為93.43%。說(shuō)明采用超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生磷脂可以提高花生油腳的資源利用率。

花生油腳；磷脂；超臨界CO2萃??；響應(yīng)面法

作為一種天然表面活性劑，花生磷脂是重要的生物活性物質(zhì)[1]。它的成分主要包括PC(磷脂酰膽堿)和腦磷脂這兩種，具有恢復(fù)腦功能、增強(qiáng)記憶力以及抗衰老的功效，并能改善肌體神經(jīng)功能障礙及紊亂[2-3]。高純度磷脂的獲取渠道有很多，如層析法、有機(jī)溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法等。其中有機(jī)溶劑萃取磷脂[4]的工藝簡(jiǎn)單，所得產(chǎn)品的純度并不是很高，純度可高達(dá)90%以上的層析法處理能力有限，又殘留許多有機(jī)溶劑，而超臨界CO2萃取磷脂方法，保證了產(chǎn)品無(wú)溶劑殘留，色澤、風(fēng)味皆比其他方法制備的產(chǎn)品優(yōu)越，可直接用于醫(yī)療。采用傳統(tǒng)方法炸取花生油，靜置后得到的沉淀物為花生油腳，花生油腳中含有一定量的油。雖然花生磷脂含量低于高純度磷脂，但為了提高花生油腳的附加值，減少資源浪費(fèi)，亟待探索新型提取花生磷脂的工藝方法。

目前，超臨界CO2提取方法在食品行業(yè)已被廣泛應(yīng)用，如在咖啡豆中咖啡因的抽提、沙棘籽油的萃取精制、EPA及DHA的精制[5]、冷榨甜橙油中芳香物質(zhì)的分離、煙草中煙堿的去除[6]、啤酒花有效成分的分離提取、柑桔汁脫苦[7]，大豆磷脂的超臨界萃取[8-10]等方面都取得了較大的研究進(jìn)展。但是，鮮見(jiàn)報(bào)道運(yùn)用超臨界CO2方法萃取花生磷脂，本文探討了超臨界CO2萃取花生油腳中磷脂的工藝，為規(guī)模化制取花生磷脂提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

花生油腳(脫水)、高純CO2(SPE級(jí)，99.995%)。

1.2 儀器

SFE-2 Supercritical Fluid Extractor (Applied Separations，USA)，樣品池體積10mL。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 萃取流程 CO2氣瓶→熱交換器→高壓泵→萃取釜→限流器→收集器。

1.3.2 萃取方法 天枰稱(chēng)取脫水油腳3～5g，置入油腳萃取池中，首先將高純CO2罐供給閥門(mén)打開(kāi)，調(diào)節(jié)高壓泵使液體CO2達(dá)到理想壓力，控制器控制萃取池的溫度，限流器達(dá)到的溫度要求高出萃取溫度20℃，然后進(jìn)氣閥排氣，靜態(tài)萃取10min，再打開(kāi)出氣閥，動(dòng)態(tài)萃取至規(guī)定時(shí)間。

1.3.3 花生磷脂測(cè)定 采用鉬蘭比色法，GB5537-85。

1.3.4 單因素試驗(yàn) 設(shè)置單因素4項(xiàng)，分別考察超臨界CO2萃取花生油腳中磷脂時(shí)的萃取壓力、萃取溫度、CO2流速和乙醇添加量對(duì)花生磷脂提取率的影響。(1)萃取壓力。萃取溫度35 ℃、CO2流速6 L/h、無(wú)改性劑，萃取壓力分別為17.24、20.69、24.13、27.58、31.03、34.48MPa；(2)萃取溫度。CO2流速6 L/h、 萃取壓力31.03MPa、無(wú)改性劑、萃取溫度分別為30、35、40、45、50、55℃；(3)CO2流速。萃取壓力31.03MPa、 萃取溫度45℃、無(wú)改性劑時(shí)，CO2萃取流速分別為4、5、6、7、8、9 L/h；(4)乙醇添加量。萃取溫度45℃、萃取壓力31.03MPa、萃取流速7 L/h、乙醇添加量分別為0、2%、4%、6%、8%、10%。

1.3.5 響應(yīng)面試驗(yàn) 采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)的各因素水平范圍由單因素試驗(yàn)結(jié)果確定，利用模型—Box-Behnken，以花生磷脂的提取率為響應(yīng)值做四因素三水平試驗(yàn)，共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 萃取壓力對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 萃取壓力在花生磷脂萃取率的眾多因素中影響較大，設(shè)置這一過(guò)程的壓力范圍為17.24～34.48MPa(萃取溫度35 ℃、CO2流速6 L/h、無(wú)改性劑)，對(duì)花生油腳中磷脂進(jìn)行超臨界萃取。原理上萃取壓力影響CO2的密度，進(jìn)而改變超臨界CO2的溶解解能力。從圖1中可以看出，隨著萃取壓力的增加，萃取率成增大趨勢(shì)，當(dāng)萃取壓力達(dá)到31.03MPa時(shí)，萃取率為75.42%。但隨著壓力增加，超過(guò)31.03MPa后，其磷脂萃取效率又出現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此，可選擇壓力為31.03MPa左右進(jìn)行萃取。

圖1 萃取壓力對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.2 萃取溫度對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 超臨界CO2的性質(zhì)受到萃取溫度的影響，試驗(yàn)中選擇從溫度30℃開(kāi)始，最高溫度達(dá)到55℃(CO2流速6 L/h、 萃取壓力31.03MPa、無(wú)改性劑)，測(cè)定不同萃取溫度下對(duì)花生磷脂的提取率的影響。從圖2可以看出，隨溫度升高，花生油腳中磷脂萃取率逐漸增加，溫度45℃時(shí)萃取率最高，達(dá)到75.88%。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，花生磷脂萃取率逐漸降低。考慮到磷脂生物活性的保護(hù)，不易于采用太高的溫度。

圖2 萃取溫度對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.3 CO2用量對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 CO2流速的對(duì)溶質(zhì)與溶劑之間的傳質(zhì)推動(dòng)力影響較大，當(dāng)CO2用量增大，傳質(zhì)效率提升，花生磷脂的萃取率也相應(yīng)提高。測(cè)定不同CO2用量對(duì)萃取率的影響(萃取壓力31.03MPa、 萃取溫度45℃、無(wú)改性劑)。從圖3中可以看出，隨著CO2流速的增加，萃取率逐漸增加，至CO2流速為7L/h時(shí)，萃取率增加到最大值，此時(shí)萃取率為88.49%，流速超過(guò)7L/h后，萃取率又隨著CO2流速的增加而逐漸減小，這可能因?yàn)榱魉僭黾臃炊s小了溶質(zhì)與溶劑之間的傳質(zhì)時(shí)間，使萃取率降低。

圖3 CO2流速對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.4 改性劑對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 乙醇作為本試驗(yàn)中的改性劑，分別以0、2%、4%、6%、8%、10%的比例與CO2預(yù)先混合，萃取條件為：萃取溫度45℃、萃取壓力31.03MPa、萃取時(shí)間30min、CO2流量7L/h (靜態(tài)萃取10min、動(dòng)態(tài)萃取20min)。從圖4中可以看出，在CO2中加入2%的乙醇可大幅度提高花生磷脂的提取率，提取率可達(dá)93.88%，相對(duì)于不使用改性劑提取率增加了5.78%，但超過(guò)了2%，隨乙醇添加量的增大花生磷脂的萃取率反而降低。

圖4 乙醇添加量對(duì)花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

利用Design-Expert軟件，選用模型—Box-Behnken，以花生油腳中花生磷脂的提取率作為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)(表1)。利用Design-Expert軟件對(duì)磷脂提取率的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到花生油腳中花生磷脂的提取率對(duì)自變量A、B、C和D的二次多項(xiàng)式回歸方程：R=93.53-0.47A+0.41B+0.094C+0.33AB+0.19AC+0.12BC-1.07A2-0.91B2-0.84 C2(表2)。

表1 因素水平

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

回歸模型中的A 萃取壓力、B 萃取溫度、AB(萃取壓力和萃取溫度的交互作用)、A2、B2、C2的P值均小于0.01，結(jié)果說(shuō)明這些因素對(duì)花生磷脂提取率的影響極顯著。萃取壓力、萃取溫度、CO2流速這3個(gè)因素對(duì)花生磷脂提取率的影響由大到小依次為萃取壓力、萃取溫度、CO2流速。利用Design-Expert軟件結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，得到二元二次方程，繪出響應(yīng)面圖。等高線的形狀表示兩個(gè)因素交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小，橢圓形表示交互作用顯著，而圓形則與之相反，由圖5～7可知，3個(gè)因素兩兩之間皆有交互作用。

圖5 萃取壓力和萃取時(shí)間的交互作用對(duì)萃取率的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖6 萃取壓力和CO2流速的交互作用對(duì)萃取率的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖7 萃取溫度和CO2流速的交互作用對(duì)萃取率的響應(yīng)面圖和等高線圖

對(duì)如上回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，找出本次研究的穩(wěn)定值及最優(yōu)條件，得到萃取花生油腳中花生磷脂的最優(yōu)條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃、CO2流速7.02L/h，理論上此條件下花生磷脂的提取率可達(dá)到93.61%。通過(guò)對(duì)響應(yīng)面分析法得出的最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并重復(fù)3次，得到花生磷脂的提取率平均值為93.43%，與理論值相比偏差0.19%，因此，利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的超臨界CO2法萃取花生油腳中花生磷脂的最佳工藝條件是可靠的。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以花生油腳中花生磷脂的萃取率為指標(biāo)，首先進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面分析法，排除影響較小的因素—改性劑，對(duì)超臨界CO2萃取法萃取花生油腳中花生磷脂工藝的3個(gè)關(guān)鍵因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速進(jìn)行了優(yōu)化，確定了工藝條件。試驗(yàn)結(jié)果表明萃取溫度、萃取壓力和CO2流速的交互作用對(duì)花生磷脂提取率的影響顯著；萃取壓力與萃取溫度對(duì)花生磷脂提取率的影響極顯著；三個(gè)因素對(duì)花生磷脂提取率的影響由大到小依次為萃取壓力>萃取溫度>CO2流速。超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生油脂優(yōu)化的萃取工藝條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃，CO2流速7.02L/h、乙醇添加量為2%。在此條件下，實(shí)際超臨界CO2萃取花生磷脂達(dá)到93.43%，達(dá)到了極高的提取率，提高了花生油腳的附加值，減少了資源浪費(fèi)。

4 討論

花生是世界上最重要的油料作物之一，花生仁脂肪含量在50%左右[11-12]，作為主要供油作物它的產(chǎn)品下腳料相應(yīng)很多，花生油腳含有一定量的磷脂殘留，將這部分磷脂提取出來(lái)并加以利用是符合市場(chǎng)需求與資源利用的。從花生油腳中提取磷脂的傳統(tǒng)方法必然涉及在油脂制取前對(duì)油料進(jìn)行有效的清除和除雜，以期達(dá)到減少油脂損失、減輕設(shè)備磨損、減少塵土飛揚(yáng)、改善環(huán)境、安全生產(chǎn)的目的[13]。

超臨界CO2萃取技術(shù)作為一種綠色工藝，克服了回收率低和有機(jī)溶劑殘留等問(wèn)題[14]，取消了對(duì)花生油腳進(jìn)行預(yù)除雜等操作步奏，顯示了巨大的市場(chǎng)潛力。采用超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生磷脂可以提高花生油腳的資源利用率及提取產(chǎn)物得率，產(chǎn)品顏色淡黃，純度很高。但另一方面，超臨界CO2萃取法所需設(shè)備的投資較大、占地面積多，并且需要精深操作管理，專(zhuān)業(yè)人士按時(shí)檢驗(yàn)保修，所以采用超臨界CO2萃取法制備的高純度的花生磷脂應(yīng)該應(yīng)用于附加值高的產(chǎn)品，在這方面還是大有前景的，具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。本文對(duì)花生油腳中花生磷脂的提取工藝進(jìn)行了單因素及響應(yīng)面優(yōu)化工藝試驗(yàn)，最終確定了最優(yōu)提取條件，并達(dá)到了極高的提物率，它為規(guī)?；迫』ㄉ湍_中的磷脂提供了有價(jià)值的參考依據(jù)?！?/p>

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(責(zé)任編輯 劉宏)

Optimizationon Supercritical CO2Extraction Technology of Phospholipids from Peanut Oil Sediment

DENG Peng，SUN Wen-jia，XU Tong-cheng，JIA Min，GONG Dong-ying，LIU Li-na

(Institute of Agro-food Science and Technology，Shandong Academy of Agricultural Science/ Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Products Deep Processing，Jinan 250100，China)

In order to explore optimum conditions of supercritical CO2extraction technology of phospholipids in peanut oil sediment by Response Surface Methodology，phospholipids were extracted from peanut oil sediment by supercritical CO2extraction method，and using the yield of phospholipids as indicator，the key factors of supercritical CO2extraction method，extraction pressure，temperature and CO2flow speed were optimized by Box-Behnken Response Surface Methodology on the base of single factor tests.The results showed that extraction pressure，temperature，the interaction between extraction pressure and temperature had very significant effects on the yield of phospholipids.The optimal extraction conditions for the extraction of peanut oil sediment were，extraction pressure 31.64MPa,extraction temperature 45.59℃,CO2flow speed 7.02L/h,the amount of added ethanol 2%，the yield of phospholipids under these conditions 93.43%,so resource utilization of peanut oil sediment can be improved by supercritical CO2extraction Technology of phospholipids in peanut oil sediment.

peanut oil sediment；phospholipids；supercritical CO2extraction；response surface methodology

山東省科技發(fā)展計(jì)劃“花生油腳中磷脂精制關(guān)鍵工藝研究與應(yīng)用”(項(xiàng)目編號(hào)：2013GNC11305)；山東省引進(jìn)海外高層次人才創(chuàng)新計(jì)劃“泰山學(xué)者海外特聘專(zhuān)家資金項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)：tshw20110532)。

鄧鵬(1982— )，男，碩士，副研究員，研究方向：糧油加工。

劉麗娜(1978— )，女，博士，副研究員，研究方向：糧油加工。