響應(yīng)面分析法優(yōu)化亞麻籽油超臨界CO2萃取工藝

劉嘉坤，張富強(qiáng)，陳廣利，王 媛

(1.滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，河北 滄州061000； 2.鄭州新力德糧油科技有限公司，鄭州 450001)

油脂加工

響應(yīng)面分析法優(yōu)化亞麻籽油超臨界CO2萃取工藝

劉嘉坤1，張富強(qiáng)2，陳廣利2，王 媛1

(1.滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，河北 滄州061000； 2.鄭州新力德糧油科技有限公司，鄭州 450001)

以亞麻籽為原料，利用夾帶劑、超臨界CO2萃取裝置提取亞麻籽油，確定最佳夾帶劑以及夾帶劑用量，考察萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間和CO2流量4個(gè)單因素，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以亞麻籽提油率為響應(yīng)值，采用四因素三水平的響應(yīng)面分析法，在分析各個(gè)因素的顯著性和交互作用后，得到最佳萃取工藝條件：以無水乙醇為夾帶劑，料液比(物料與夾帶劑質(zhì)量體積比)1∶0.8，萃取溫度46℃，萃取壓力35 MPa, 萃取時(shí)間50 min，CO2流量5.5 L/h。在最佳萃取工藝條件下進(jìn)行5次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到亞麻籽提油率為37.98%。

亞麻籽；亞麻籽油；超臨界CO2萃?。豁憫?yīng)面分析法；萃取工藝

亞麻籽是我國主要的油料作物之一，其含油量在36%～42%之間[1]，亞麻籽油中富含66%左右的α-亞麻酸[2]，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和保健作用[3-4]。為了保證亞麻籽油中更多的亞麻酸不被高溫氧化，對亞麻籽提油工藝的研究具有重要的意義[5-7]。

超臨界CO2萃取技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的綠色分離技術(shù)， CO2無毒無殘留，具有低溫、安全和保護(hù)生物活性等優(yōu)勢，特別適合易氧化的天然物質(zhì)的萃取[8-10]。單獨(dú)使用CO2超臨界流體，不能短時(shí)間實(shí)現(xiàn)油脂的高效萃取，采用夾帶劑可以強(qiáng)化萃取過程中選擇溶解能力和提取效率[11-14]。本文采用超臨界CO2萃取技術(shù)，無水乙醇為夾帶劑，并通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化亞麻籽油萃取條件。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

亞麻籽(初始含油量39.45%)。無水乙醇，乙酸乙酯。

SFE-1A型超臨界萃取裝置(華安超臨界萃取有限公司)，粉碎機(jī)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.2 試驗(yàn)方法

亞麻籽油超臨界CO2萃取工藝流程：亞麻籽→除雜→干燥→粉碎→過篩(40目)→超臨界CO2萃取→減壓分離→亞麻籽油。

稱取一定量的過篩后的亞麻籽粉，選擇夾帶劑，按一定料液比加入到反應(yīng)釜中，分別改變萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和CO2流量，進(jìn)行亞麻籽油的萃取，并計(jì)算提油率。提油率=萃取油的質(zhì)量/原料質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 夾帶劑種類的確定

夾帶劑也稱攜帶劑，是在超臨界流體溶劑中加入與被萃取物親和力強(qiáng)的組分，以提高其對萃取組分選擇性和溶解度為主要目的的一類物質(zhì)。選擇不同的夾帶劑對萃取效果影響也不一樣。常見強(qiáng)極性的夾帶劑有甲醇、乙醇、丙酮和乙酸乙酯[15]?？紤]到要從萃取物中回收夾帶劑，并且盡量避免使用有害物質(zhì)，選擇無水乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑，并通過試驗(yàn)對比。

取3份樣品，樣品1不加夾帶劑，樣品2、3分別加入無水乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑，按照料液比1∶0.8(物料與夾帶劑質(zhì)量體積比)加入反應(yīng)釜中，在CO2流量5 L/h、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間30 min、萃取壓力40 MPa條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，樣品1的提油率為36.48%，樣品2的提油率為37.67%，樣品3的提油率為37.48%。夾帶劑為無水乙醇時(shí)，提油率最高。因此，確定無水乙醇為夾帶劑。

2.2 夾帶劑用量的確定

選擇夾帶劑為無水乙醇，以物料與夾帶劑質(zhì)量體積比為料液比，考察不同料液比在CO2流量5 L/h、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間30 min、萃取壓力40 MPa條件下的提油率，結(jié)果見圖1。

圖1 料液比對提油率的影響

由圖1可知，隨著夾帶劑用量的增加，即料液比的增大，提油率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是因?yàn)閵A帶劑用量太大會(huì)降低超臨界流體和溶質(zhì)的接觸面積，降低了萃取能力。當(dāng)料液比為1∶0.8時(shí)，提油率最大。因此，確定料液比為1∶0.8。

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 萃取溫度對提油率的影響

以無水乙醇為夾帶劑，按料液比1∶0.8準(zhǔn)確稱取適量亞麻籽樣品，在CO2流量5 L/h 、萃取壓力35 MPa條件下萃取30 min，考察萃取溫度對提油率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 萃取溫度對提油率的影響

由圖2可知，當(dāng)萃取條件一定時(shí)，提油率先隨萃取溫度的升高而增大，當(dāng)萃取溫度達(dá)到45℃后，提油率反而有所下降。這是由于溫度升高，CO2分子之間間距增大，分子之間作用力變小，流體溶解能力降低，同時(shí)油的擴(kuò)散能力也提高，但是作用小于CO2密度降低而引起的溶解能力降低。因此，確定萃取溫度3個(gè)水平為40、45℃和50℃。

2.3.2 萃取壓力對提油率的影響

以無水乙醇為夾帶劑，按料液比1∶0.8準(zhǔn)確稱取適量亞麻籽樣品，在CO2流量5 L/h、40℃條件下萃取30 min，考察萃取壓力對提油率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 萃取壓力對提油率的影響

萃取壓力大小影響著CO2對油脂的溶解度，也影響萃取的選擇性。由圖3可知，提油率隨萃取壓力的升高而增大，當(dāng)萃取壓力超過35 MPa后，進(jìn)一步升高萃取壓力對提油率的影響不大。因此，確定萃取壓力3個(gè)水平為30、35 MPa和40 MPa。

2.3.3 CO2流量對提油率的影響

以無水乙醇為夾帶劑，按料液比1∶0.8準(zhǔn)確稱取適量亞麻籽樣品，在萃取溫度40℃、萃取壓力35 MPa條件下萃取30 min，考察CO2流量對提油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 CO2流量對提油率的影響

由圖4可知，提油率隨CO2流量的增加而增大，當(dāng)CO2流量達(dá)到5 L/h時(shí)，提油率最大，隨后提油率隨CO2流量的增加變化不大。因此，確定CO2流量3個(gè)水平為3、5 L/h和8 L/h。

2.3.4 萃取時(shí)間對提油率的影響

以無水乙醇為夾帶劑，按料液比1∶0.8準(zhǔn)確稱取適量亞麻籽樣品，在 CO2流量5 L/h、萃取溫度40℃、萃取壓力35 MPa條件下，考察萃取時(shí)間對提油率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 萃取時(shí)間對提油率的影響

由圖5可知，提油率隨萃取時(shí)間的延長而提高，當(dāng)萃取時(shí)間在30 min后變化不大。因此，確定萃取時(shí)間的3個(gè)水平為30、50 min和70 min。

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以無水乙醇為夾帶劑，料液比為1∶0.8，以提油率為響應(yīng)值，考察萃取時(shí)間A、萃取壓力B、萃取溫度C和CO2流量D為4個(gè)因素，每個(gè)因素確定3個(gè)水平，因素水平見表1, 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表1 因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 方差分析

由表3方差分析可知，試驗(yàn)所選的模型F值為68.28，模型P值小于0.000 1，失擬項(xiàng)P值為0.574 6，說明模型試驗(yàn)誤差小，操作可信，回歸極顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從P值的大小可以看出，B、C、A2、B2、C2、D2對提取效果影響極顯著，D、A和各交互項(xiàng)對提取效果影響不顯著。各因素對亞麻籽提油率的影響由大到小順序?yàn)椋狠腿毫>萃取溫度C>萃取時(shí)間A>CO2流量D。

通過軟件分析，得到最佳的萃取工藝條件為：萃取溫度46.01℃，萃取壓力34.67 MPa，萃取時(shí)間49.53 min， CO2流量5.51 L/h。在最佳萃取工藝條件下的提油率理論計(jì)算值為38.50%。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

鑒于試驗(yàn)的可行性，將最佳萃取工藝條件稍作修改：萃取溫度46℃，萃取壓力35 MPa, 萃取時(shí)間50 min，CO2流量5.5 L/h。在最佳萃取工藝條件下進(jìn)行5次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到亞麻籽平均提油率為37.98%，與模型理論預(yù)測值相差不大，說明應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的模型參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié) 論

對超臨界CO2萃取亞麻籽油添加一定量的夾帶劑，并以提油率為因變量，進(jìn)行了四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合回歸，擬合度好。結(jié)果表明:用無水乙醇為夾帶劑，以料液比(物料與夾帶劑質(zhì)量體積比)為1∶0.8時(shí)，各因素對提油率的影響大小次序?yàn)檩腿毫?萃取溫度>萃取時(shí)間> CO2流量；通過響應(yīng)面分析優(yōu)化工藝，確定了最佳萃取工藝條件為萃取溫度46℃、萃取壓力35 MPa、 萃取時(shí)間50 min、CO2流量5.5 L/h，在最佳萃取工藝條件下，亞麻籽提油率達(dá)到37.98%。

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Optimization of supercritical CO2extraction of linseed oil by response surface methodology

LIU Jiakun1，ZHANG Fuqiang2，CHEN Guangli2，WANG Yuan1

(1. Cangzhou Medical College，Cangzhou 061000，Hebei，China；2. Zhengzhou New Lead Grain & Oil Science and Technology Co., Ltd.，Zhengzhou 450001, China)

With linseed as raw material, linseed oil was extracted by supercritical CO2with entrainer. The type and dosage of entrainer was determined. The effects of extraction pressure, extraction temperature, extraction time and flow rate of CO2on oil extraction rate were studied. With the extraction rate of linseed oil as response value, according to the design principle of Box-Behnken experiment, the significance and interaction of the factors were analyzed by the four factors and three levels’ response surface methodology. And the optimal extraction conditions were obtained as follows: with absolute alcohol as entrainer, ratio of materials mass to entrainer volume 1∶0.8, extraction temperature 46℃, extraction pressure 35 MPa, extraction time 50 min and flow rate of CO25.5 L/h. Under these conditions, the extraction rate of linseed oil was 37.98% in five verification experiments.

linseed；linseed oil；supercritical CO2extraction；response surface methodology；extraction process

2016-04-27;

2016-10-30

劉嘉坤(1980)，女，講師，碩士，研究方向?yàn)橹兴幣c食品中活性物質(zhì)的提取與分析(E-mail)419007991@qq.com。

王 媛，講師(E-mail)2911212645@qq.com。

TS224；TQ644

A

1003-7969(2017)02-0007-04