響應(yīng)曲面法優(yōu)化茶油超臨界CO2萃取工藝研究

林樹真，林樹紅，龍 婷，吳雪輝，謝潔梅

（1.廣州市金妮寶食用油有限公司，廣東廣州 511475；2.廣東金妮寶科技發(fā)展有限公司，廣東廣州 511475；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東省油茶工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642）

茶油是我國特有的木本油脂，其脂肪酸組成與世界公認(rèn)最好的橄欖油相似，有“東方的橄欖油”之稱[1]。據(jù)《本草綱目》記載：茶油性偏涼，有涼血、止血、清熱、解毒之功效，主治肝血虧損、益腸胃、明目，長期食用能增強血管彈性和韌性、延緩動脈粥樣硬化、增加腸胃吸收功能、促進(jìn)內(nèi)分泌腺體激素分泌、防治神經(jīng)功能下降、提高人體免疫力[2-4]。目前，茶油的提取方法主要有壓榨法和溶劑浸出法，其中壓榨法提油率較低，浸出法存在著溶劑殘留，需要較復(fù)雜的后處理過程，操作復(fù)雜，易造成環(huán)境污染[5]。

超臨界CO2流體萃取（Supercritical fluid extraction，SCFE） 技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種獨特、高效、清潔的新型分離精制的高新技術(shù)[6]，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等領(lǐng)域，成為獲得高質(zhì)量產(chǎn)品最有效的方法之一[7-9]。采用超臨界萃取法應(yīng)用于茶油的萃取，可簡化精煉工序、提高茶油質(zhì)量。同時，由于超臨界萃取過程不產(chǎn)生污染，提油后的茶粕具有較高的營養(yǎng)價值和綜合利用價值[10-13]。響應(yīng)曲面分析法 （Response surface methodology，RSM）是評價指標(biāo)和因素間的非線性關(guān)系的一種試驗設(shè)計方法，具有采用較少的試驗次數(shù)和較短的時間全面研究所選的試驗參數(shù)，得出正確結(jié)論的優(yōu)越性[14-16]。因此，試驗以油茶籽為原料，茶油提取率為指標(biāo)，采用SFEC技術(shù)和RSM試驗設(shè)計方法，對影響超臨界CO2萃取茶油的主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計試驗，為超臨界CO2流體萃取技術(shù)應(yīng)用于茶油工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶籽（脂肪含量為21.3%），廣東金妮寶科技發(fā)展有限公司提供；瓶裝CO2（純度99.9%），廣州氣體廠提供。

SFE-1L型超臨界CO2萃取設(shè)備，貴州航天烏江機電設(shè)備有限責(zé)任公司產(chǎn)品；DF-15型中藥粉碎機，溫嶺市大德中藥機械有限公司產(chǎn)品；DGG-9420A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司產(chǎn)品；JA2003A型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，F(xiàn)innigan公司產(chǎn)品；1100LC型液相色譜儀，百捷倫公司產(chǎn)品。

1.2 茶油提取方法

稱取一定量經(jīng)預(yù)處理好的茶籽粉末裝于萃取釜中，在設(shè)置的萃取條件下進(jìn)行萃取，溶有茶籽油的超臨界CO2經(jīng)減壓、升溫后與茶籽分離，萃取結(jié)束后，精確稱取萃取物質(zhì)量（輔以萃取后物料差值），并按下式計算茶油提取率。

其中：G1——油茶籽的質(zhì)量，g；

G2——萃取出的油脂的質(zhì)量，g；

X1——油茶籽中油脂含量，%。

1.3 響應(yīng)曲面（RSM）設(shè)計試驗茶油提取方法

在單因素試驗基礎(chǔ)上[17]，選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間對茶油提取率影響較大的3個因素作為自變量，分別以X1，X2，X3表示，其余條件為物料顆粒度40～80目，CO2流量10 L/h，萃取壓力6 MPa，萃取溫度50℃。以茶油提取率為因變量，超臨界CO2萃取茶油的提取率Y為響應(yīng)值，進(jìn)行試驗。

試驗因素與水平設(shè)計見表1。

表1 試驗因素與水平設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 茶油提取率工藝模型建立及顯著性檢驗

利用Design Expert軟件建立試驗。

RSM試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表2 RSM試驗設(shè)計與結(jié)果

運用Design Expert軟件對表2的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到茶油提取率的二次多元回歸模型為：

對模型進(jìn)行方差分析。

回歸模型方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析

由表3提取率回歸模型方差分析（ANOVA）可以看出，F(xiàn)回歸=5.806 253＞（F0.01（9，10）=4.94），p值=0.005 543＜0.01，表明模型極其顯著。提取率F失擬=0.4＜（F0.05（9，5）=4.77），失擬項p=0.83＞0.05，表明失擬不顯著。

回歸方程系數(shù)顯著性檢驗見表4。

從表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知，p＜0.05說明模型顯著；p＜0.01，說明模型極顯著。各因素對茶油提取率影響的大小順序為萃取時間（X3）＞萃取壓力（X1）＞萃取溫度（X2）。提取率模型中一次項萃取壓力 X1（p＜0.01），萃取時間 X3（p＜0.01） 極顯著；二次項（p＜0.05），（p＜0.05） 顯著，其余項均不顯著。為簡化回歸方程，去掉不顯著項，得到簡化后的回歸模型為：

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

2.2 超臨界CO2萃取茶油的響應(yīng)面分析和優(yōu)化

萃取壓力和萃取溫度對提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面見圖1。

圖1 萃取壓力和萃取溫度對提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面（X3=2 h）

從圖1可以看出，萃取溫度不變，隨著萃取壓力的增大，茶油提取率呈現(xiàn)增加趨勢，萃取壓力為30.5 MPa時，茶油提取率達(dá)到最大，繼續(xù)增大萃取壓力，提取率開始下降；當(dāng)萃取壓力恒定時，萃取溫度在32～48℃內(nèi)變化，首先隨著萃取溫度的升高，茶油提取率逐漸增大；萃取溫度為40℃，茶油提取率達(dá)到最大，隨后茶油提取率隨萃取溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢。因為萃取溫度對茶油提取率的影響較為復(fù)雜，一方面隨著溫度升高，萃取物的蒸汽壓增大，其擴散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)增大，提取率增加；另一方面萃取溫度升高，超臨界CO2的密度降低，導(dǎo)致流體的溶劑化效應(yīng)下降，使萃取物在溶劑中的溶解度下降，提取率降低。萃取過程中到底是流體溶解能力降低還是萃取物擴散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)增加起主導(dǎo)作用，取決于萃取壓力。

萃取壓力和萃取時間對茶油提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面見圖2。

圖2 萃取壓力和萃取時間對茶油提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面（X2=40℃）

由圖2可知，萃取時間不變，隨著萃取壓力的增大，茶油提取率呈現(xiàn)增加趨勢。萃取壓力達(dá)到一定值后，茶油提取率變化平緩，繼續(xù)增加萃取壓力提取率有所降低；萃取壓力恒定時，萃取時間在1.16～2.84 h內(nèi)變化，開始時隨萃取時間的增加茶油提取率升高，但到達(dá)一定值后，萃取時間延長，茶油的提取率影響較小。

萃取溫度和萃取時間對茶油提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面見圖3。

圖3 萃取溫度和萃取時間對茶油提取率影響的等高線和響應(yīng)曲面（X1=28 MPa）

由圖3可知，萃取時間不變，升高萃取溫度，茶油提取率呈現(xiàn)增加的趨勢，不過萃取溫度較低時對提油率的影響不大，達(dá)到一定萃取溫度后，提取率最大，繼續(xù)增加萃取溫度，茶油提取率開始下降；萃取溫度恒定時，萃取時間在1.20～2.80 h內(nèi)，延長萃取時間有利于提高茶油的提取率。

對三維非線性回歸模型（1）進(jìn)行求一階偏導(dǎo)，并令其為零，得出茶油提取率較高的條件：X1=0.627，X2=-0.313，X3=1.148，此時Y=96.48；轉(zhuǎn)化為實際參數(shù)，即在萃取壓力31 MPa，萃取溫度38℃，萃取時間2.60 h下，提油率高達(dá)96.48%。在該條件下，試驗值為96.58%，兩者相對偏差小于5%。

2.3 模型的檢驗

由回歸模型（1） 來預(yù)測茶油提取率的最優(yōu)條件，利用統(tǒng)計軟件Design-Expert分析，優(yōu)選出10組參數(shù)來驗證。

模型的驗證結(jié)果見表5。

由表5可知，采用Design-Expert軟件中Box-Behnken法優(yōu)選的10組工藝參數(shù)進(jìn)行超臨界CO2萃取茶油試驗，結(jié)果平均相對誤差為3.36%，小于5%，證明該模型能較好地評價超臨界CO2萃取茶油的作用效果。

2.4 超臨界CO2萃取的茶油主要成分及品質(zhì)分析

2.4.1 脂肪酸組成

表5 模型的驗證結(jié)果

不同方法提取的茶油脂肪酸組成見表6，茶油脂肪酸組成氣相色譜圖見圖4。

表6不同方法提取的茶油脂肪酸組成/%

由表6可見，3種方法提取的茶油脂肪酸組成沒有顯著差別，其飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的分別基本相同，說明超臨界CO2萃取法不改變茶油組成。

2.4.2 不同方法提取的茶油品質(zhì)指標(biāo)測定

測定超臨界CO2萃取茶油的品質(zhì)指標(biāo)，并與壓榨法和浸出法提取的毛茶油進(jìn)行對比。

不同方法提取的茶油品質(zhì)指標(biāo)見表7。

從表7可以看出，超臨界法提取的茶油各項指標(biāo)明顯優(yōu)于壓榨法和浸出法，說明超臨界CO2具有較好的選擇性，萃取的雜質(zhì)少、顏色淺，皂化價、不溶性雜質(zhì)、水分及揮發(fā)物含量均小于壓榨和浸出毛油。而且，超臨界法提取溫度低，不會引起油脂的高溫氧化和酸敗，所以酸價和過氧化值也較低。

3 結(jié)論

（1） 用RSM建立了超臨界CO2萃取茶油提取率的數(shù)學(xué)模型。從模型直觀圖能獲得工藝參數(shù)大概的取值范圍，有利于工藝參數(shù)選擇和優(yōu)化。

（2） RSM獲得超臨界CO2萃取茶油的最優(yōu)工藝參數(shù)為萃取壓力31 MPa，萃取溫度38℃，萃取時間2.60 h，該條件下茶油提取率為96.48%。經(jīng)檢驗證明該萃取茶油工藝參數(shù)合理可靠。

圖4 茶油脂肪酸組成氣相色譜圖

表7 不同方法提取的茶油品質(zhì)指標(biāo)

（3） 超臨界CO2萃取的茶油在脂肪酸組成上與常規(guī)的壓榨、浸出法差異不大，VE等活性成分的含量明顯提高，各項品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于壓榨和浸出法。說明超臨界CO2萃取不改變茶油主要組成，但可提高活性成分含量和品質(zhì)，提高茶油的營養(yǎng)價值和保健功能，減少后面的精煉工序，縮短生產(chǎn)周期，降低精煉成本。

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