響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取懷遠(yuǎn)石榴籽油及其體外抗氧化性研究

伍亞華，石亞中，錢時(shí)權(quán)(蚌埠學(xué)院 生物與食品工程系,安徽 蚌埠 233030)

石榴 (PunicagranatumL.)為石榴科石榴屬植物，在我國(guó)分布范圍廣，其籽含油量較高，可達(dá)20%[1]。石榴籽油富含多種不飽和脂肪酸(其中石榴酸含量為64%～83%[2])，被認(rèn)為是唯一的多不飽和共軛脂肪酸的植物油來(lái)源[3-4]，不但具有較好的抗氧化性，還可降血糖、降血脂、抗癌[5-7]，對(duì)人體非常有益[8]，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。

目前，植物油脂的提取方法較多，如壓榨法、溶劑浸提法、索氏抽提法、超臨界CO2萃取法等[9]。壓榨法主要適用于含油量較高的原料，溶劑浸提法和索氏抽提法的油脂得率較高，但存在殘留溶劑的問(wèn)題。超臨界流體萃取技術(shù)(SFE)是利用超臨界流體的溶解能力對(duì)物質(zhì)進(jìn)行萃取、分離和純化，具有提取溫度低、效率高、溶劑分離完全等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。CO2在超臨界條件下溶劑特性良好，具有化學(xué)惰性，與大部分物質(zhì)都不起化學(xué)反應(yīng)，安全無(wú)毒，可循環(huán)使用，因此是最常用的SFE氣體。

安徽省懷遠(yuǎn)縣是我國(guó)著名的石榴之鄉(xiāng)，“懷遠(yuǎn)石榴”已成為國(guó)家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品。該縣石榴資源豐富，所產(chǎn)石榴很多被用來(lái)生產(chǎn)石榴果酒，石榴籽作為生產(chǎn)果酒的下腳料，利用率較低，既浪費(fèi)資源，也污染環(huán)境[12]。本研究以懷遠(yuǎn)石榴釀酒后的下腳料石榴籽為原料，以超臨界CO2萃取技術(shù)萃取石榴籽油，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化萃取工藝條件，并對(duì)所得石榴籽油的理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)體外抗氧化性實(shí)驗(yàn)考察了石榴籽油清除自由基的能力，以期為懷遠(yuǎn)石榴的深加工與綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

石榴籽，懷遠(yuǎn)成果石榴酒廠提供，60℃烘干，去除果衣、果皮等雜質(zhì)，粉碎，過(guò)篩，得不同目數(shù)的粉末，60℃烘干至恒重，備用。CO2，食品級(jí)，純度大于等于99.5%，蚌埠市鑫源氣體有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

HL-1L/50-ⅡA超臨界CO2萃取裝置，杭州華黎泵業(yè)有限公司；WSL-2A比較測(cè)色儀，上海先科儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 石榴籽油的超臨界CO2流體萃取

稱取一定粉碎度的石榴籽粉末250 g裝入萃取釜中，CO2流量10 L/min條件下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行超臨界CO2萃取。每隔一段時(shí)間收集一次石榴籽油萃取液，質(zhì)量記為m1。石榴籽油得率記為w，則：w=m1/250×100%。

1.2.2 理化指標(biāo)的測(cè)定

酸值測(cè)定參照GB/T 5530—2005，過(guò)氧化值測(cè)定參照GB/T 5538—2005，皂化值測(cè)定參照GB/T 5534—2008，碘值測(cè)定參照GB/T 5532—2008，透明度、氣味測(cè)定參照GB/T 5525—2008。

1.2.3 體外抗氧化性實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 萃取壓力對(duì)石榴籽油得率的影響

在石榴籽粉碎度60目、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間90 min條件下，考察萃取壓力(20、25、30、35、40 MPa)對(duì)石榴籽油得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 萃取壓力對(duì)石榴籽油得率的影響

由圖1可知，萃取壓力較低時(shí)，石榴籽油得率也較低，當(dāng)萃取壓力為20 MPa時(shí)，石榴籽油的得率僅為12.8%。隨后，在萃取壓力20～30 MPa范圍內(nèi)，隨著萃取壓力升高，石榴籽油的得率明顯增加，當(dāng)萃取壓力為30 MPa時(shí)，石榴籽油的得率可升至19.1%。這是因?yàn)樵谂R界條件下，壓力的提高會(huì)導(dǎo)致超臨界流體的密度急劇增加，而密度大小與超臨界流體的溶解度正相關(guān)，因此流體的溶解度也隨之快速增加。當(dāng)萃取壓力進(jìn)一步增加時(shí)，石榴籽油得率的增加趨于平緩，這是因?yàn)檩腿毫_(dá)一定值后，壓力對(duì)流體密度的影響就會(huì)趨穩(wěn)。而且，壓力太大對(duì)設(shè)備的要求更高，設(shè)備的投資及運(yùn)行成本也會(huì)急劇增加。綜合考慮，萃取壓力選取30 MPa。

2.1.2 萃取溫度對(duì)石榴籽油得率的影響

在石榴籽粉碎度60目、萃取壓力30 MPa、萃取時(shí)間90 min條件下，考察萃取溫度(35、40、45、50、55℃)對(duì)石榴籽油得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 萃取溫度對(duì)石榴籽油得率的影響

由圖2可知，在較低的溫度條件下，升高萃取溫度，石榴籽油的得率也會(huì)同步增加。萃取溫度為35℃時(shí)，石榴籽油得率只有12.5%；當(dāng)萃取溫度升高到50℃時(shí)，得率達(dá)到最大，為19.1%；其后，進(jìn)一步升高萃取溫度，石榴籽油的得率反而下降。這是因?yàn)檩腿囟壬?，分子的熱運(yùn)動(dòng)增加，使得石榴籽油的揮發(fā)性與擴(kuò)散速度也隨著增加，導(dǎo)致其在超臨界流體中的濃度增大；但萃取溫度升高也會(huì)導(dǎo)致超臨界流體密度的降低，其對(duì)石榴籽油的溶解能力下降，導(dǎo)致石榴籽油在超臨界流體中的濃度減小。在萃取溫度較低的范圍內(nèi)，前者是矛盾的主體，因此隨著萃取溫度的升高，石榴籽油的得率會(huì)增加，但萃取溫度升高到一定值后，后者成為矛盾的主體，石榴籽油的得率反而下降。因此，萃取溫度選擇為50℃。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)石榴籽油得率的影響

在石榴籽粉碎度60目、萃取壓力30 MPa、萃取溫度50℃條件下，考察萃取時(shí)間(30、60、90、120、150 min)對(duì)石榴籽油得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)石榴籽油得率的影響

由圖3可知，在萃取剛開(kāi)始時(shí)，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，石榴籽油的得率增加很快。萃取時(shí)間為30 min 時(shí)，石榴籽油的得率為11.9%；當(dāng)萃取時(shí)間延長(zhǎng)到90 min時(shí)，石榴籽油的得率可達(dá)18.9%；其后，隨著萃取時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，石榴籽油得率的增加幅度逐漸趨于平緩。這是因?yàn)閯傞_(kāi)始萃取時(shí)，石榴籽油在細(xì)胞內(nèi)外的濃度差很大，傳質(zhì)效率高；隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)外的濃度差減小，石榴籽粉末中固相殘留物質(zhì)也會(huì)阻礙石榴籽油的擴(kuò)散，因此傳質(zhì)效率降低，而且萃取時(shí)間越長(zhǎng)，其他脂溶性的物質(zhì)也被萃取出更多。綜合考慮到萃取成本以及油品質(zhì)量，萃取時(shí)間選擇為90 min。

2.1.4 粉碎度對(duì)石榴籽油得率的影響

在萃取壓力30 MPa、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間90 min條件下，考察粉碎度(20、40、60、80、100目)對(duì)石榴籽油得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，當(dāng)粉碎度較低時(shí)，增加粉碎度，可有效增加石榴籽油的得率。粉碎度為20目時(shí)，石榴籽油的得率為13.4%；粉碎度增加到60目時(shí)，石榴籽油的得率為19.3%；其后，隨著粉碎度的進(jìn)一步增大，石榴籽油的得率反而隨之下降。這是因?yàn)殡S著石榴籽粉碎度的增加，粉末顆粒度減小，石榴籽油從原料粉末向溶劑CO2傳輸?shù)穆窂娇s短，與溶劑的接觸表面積也增大，有利于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的溶出，增大傳質(zhì)效率，從而增加石榴籽油的得率；但如果粉末的粉碎度過(guò)大，也就是說(shuō)粉末顆粒度過(guò)小，容易造成過(guò)濾網(wǎng)的堵塞，從而造成設(shè)備的破壞；另外，粉末顆粒度過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致粉末原料在高壓條件下被緊緊壓縮在一起，反而不利用細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的溶出。因此，石榴籽粉末的粉碎度以60目為宜。

圖4 粉碎度對(duì)石榴籽油得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間及粉碎度為自變量，石榴籽油得率為響應(yīng)值，利用Design-Expert 7.0 軟件設(shè)計(jì)二次響應(yīng)面模型。因素水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

續(xù)表2

實(shí)驗(yàn)號(hào)ABCD石榴籽油得率Y/%16-100-115．617001118．61810-1016．31901-1016．720000019．3210-11017．522100118．523-10-1015．3241-10017．425110017．52600-1116．427101018．628-110016．629-1-10014．9

利用Design-Expert 7.0軟件，通過(guò)對(duì)多項(xiàng)式回歸分析，得到的擬合全變量二次回歸方程模型為：Y=19.26+0.91A+0.43B+0.94C+0.22D-0.40AB+0.43AC-0.30AD-0.38BC-0.38BD-0.025CD-1.40A2-1.24B2-1.33C2-0.54D2。

該回歸方程的回歸模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸模型方差分析

注： **差異極顯著(P<0.001)； *差異顯著(P<0.05)。

由回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，可以得到石榴籽油的最佳工藝參數(shù)為萃取壓力32.00 MPa、萃取溫度50.17℃、萃取時(shí)間103.22 min、粉碎度61.60目，在此條件下，石榴籽油得率預(yù)測(cè)值為19.505 2%?？紤]到操作實(shí)際情況，選擇萃取壓力32.0 MPa、萃取溫度50.0℃、萃取時(shí)間103.0 min、粉碎度60.0目，以此條件進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得石榴籽油得率的平均值為19.4%，與預(yù)測(cè)值相差不大，由此即可確定石榴籽油的最佳萃取工藝條件。

2.3 理化指標(biāo)及體外抗氧化性評(píng)價(jià)

2.3.1 理化指標(biāo)的測(cè)定

以超臨界CO2萃取法、索氏抽提法提取的石榴籽油為研究對(duì)象，進(jìn)行理化指標(biāo)的分析測(cè)定，具體結(jié)果如表4所示。

表4 懷遠(yuǎn)石榴籽油理化指標(biāo)

由表4可知，與索氏抽提法比較，超臨界CO2萃取法所制得的石榴籽油酸值低，過(guò)氧化值與皂化值小，碘值稍大，顏色較淺，清澈透明，感官更好。由此可見(jiàn)，超臨界CO2萃取法所制得的懷遠(yuǎn)石榴籽油的品質(zhì)更好。

2.3.2 體外抗氧化性實(shí)驗(yàn)

2.3.2.1 石榴籽油對(duì)DPPH·的清除能力(見(jiàn)圖5)

圖5 石榴籽油對(duì)DPPH·清除能力

由圖5可知，與VC相比較，在質(zhì)量濃度較低的情況下，石榴籽油對(duì)DPPH·的清除效果較差，石榴籽油質(zhì)量濃度為2 mg/mL時(shí)，對(duì)DPPH·的清除率為19.5%，而VC的清除率為54.1%；當(dāng)石榴籽油質(zhì)量濃度增大時(shí)，對(duì)DPPH·的清除率增加明顯，石榴籽油質(zhì)量濃度為10 mg/mL時(shí)，對(duì)DPPH·的清除率可達(dá)79.3%，已略高于VC。這說(shuō)明該石榴籽油對(duì)DPPH·具有良好的清除能力，且清除能力與質(zhì)量濃度正相關(guān)。

2.3.2.2 石榴籽油對(duì)ABTS+·的清除能力(見(jiàn)圖6)

圖6 石榴籽油對(duì)ABTS+·清除能力

由圖6可知，當(dāng)石榴籽油質(zhì)量濃度為0.2 mg/mL時(shí)，對(duì)ABTS+·的清除率僅為9.7%，而VC可達(dá)21.5%；隨著石榴籽油質(zhì)量濃度的增加，其對(duì)ABTS+·的清除率也快速增加，且增加幅度明顯高于VC；當(dāng)石榴籽油質(zhì)量濃度為1.0 mg/mL時(shí)，對(duì)ABTS+·的清除率可達(dá)42.6%，而VC為40.2%。由此可見(jiàn)，石榴籽油質(zhì)量濃度與ABTS+·的清除效果呈正相關(guān)，質(zhì)量濃度越大，清除效果越好。

圖7 石榴籽油對(duì)清除能力

3 結(jié) 論

(1)以懷遠(yuǎn)石榴籽為原料，采用超臨界CO2萃取法制備石榴籽油，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化萃取工藝，得到石榴籽油的最佳萃取工藝條件為萃取壓力32.0 MPa、萃取溫度50.0℃、萃取時(shí)間103.0 min、粉碎度60.0目，在此條件下，石榴籽油得率可達(dá)19.4%。

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