響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取油莎豆油及理化性質(zhì)分析

段蕾，于化鵬，韓墨，程珊，吳修利*

長(zhǎng)春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（長(zhǎng)春 130022）

油莎豆（Cyperus esculeutus）別名油莎草、洋地栗，多年生草本油料作物，原產(chǎn)于非洲東北部，是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、綜合利用價(jià)值很高的糧、油、飼、肥多用型經(jīng)濟(jì)作物，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。油莎豆油脂含量豐富（20%～35%），在當(dāng)前油料作物緊張的社會(huì)背景下，推廣新型油料作物尤為重要。油脂的提取是推廣油莎豆油的基礎(chǔ)，常見的油脂提取技術(shù)有機(jī)械壓榨法、索氏提取法、水酶法、超聲、微波輔助法[3-5]等，近年超臨界CO2萃取法被應(yīng)用于油脂的提取，相對(duì)于傳統(tǒng)提取方法，超臨界CO2萃取法作用溫度低，可較好保存油脂中活性物質(zhì)，并且萃取劑為CO2，具有安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取油莎豆油工藝，并對(duì)油脂進(jìn)行理化性質(zhì)及脂肪酸分析，旨在為工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑、設(shè)備與儀器

油莎豆：產(chǎn)自云南騰沖；CO2氣體（純度＞99.5%）：長(zhǎng)春巨洋氣體有限公司；其他試劑均為分析純。

GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；WJX-A1000型高速多功能粉碎機(jī)，浙江永康市紅太陽(yáng)機(jī)電有限公司；7890N-5975型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，安捷倫科技（中國(guó)）有限公司；HA121-50-0.5型超臨界萃取裝置，江蘇華安科研儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝路線

油莎豆干燥→粉碎過(guò)篩→稱量后裝萃取釜→調(diào)節(jié)工藝參數(shù)→超臨界萃取→分離釜得到產(chǎn)物→油脂干燥→油莎豆油

1.2.2 超臨界CO2萃取法工藝參數(shù)

1.2.2.1 單因素試驗(yàn)提取油莎豆油

準(zhǔn)確稱取過(guò)40目篩的油莎豆粉50.0 g裝入萃取釜，考察萃取壓力、溫度、時(shí)間對(duì)油莎豆油得率的影響。按式（1）計(jì)算油脂得率。

油莎豆油得率=油莎豆油質(zhì)量（g）/油莎豆粉質(zhì)量（g）×100% （1）

1.2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時(shí)間（C）為響應(yīng)變量，油莎豆油得率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken Design（BBD）原理設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，因素與水平編碼見表1。

表1 試驗(yàn)分析因素與水平

1.2.3 油莎豆油理化性質(zhì)分析

酸值測(cè)定參考GB 5009.229—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測(cè)定》；過(guò)氧化值測(cè)定參考GB 5009.227—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過(guò)氧化值的測(cè)定》；碘值測(cè)定參考GB/T 5532—2008《動(dòng)植物油脂 碘值的測(cè)定》；皂化值測(cè)定參考GB/T 5534—2008《動(dòng)植物油脂 皂化值的測(cè)定》。

1.2.4 脂肪酸分析

1.2.4.1 脂肪酸甲酯化

參考賈曉艷等[6]的方法。

1.2.4.2 GC-MS分析條件

GC條件：色譜柱為安捷倫19091N-113 HP-INNOWax聚乙二醇石英毛細(xì)管柱（30.0 m×0.25 mm；0.25 μm）；升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃，保持20 min；載氣為高純氦氣，流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量1 μL；分流進(jìn)樣，分流比50∶1。

MS條件：電子轟擊（EI）離子源，離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；接口溫度280 ℃；質(zhì)量掃描范圍m/z20～500。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 萃取壓力對(duì)油莎豆油得率的影響

萃取壓力對(duì)油莎豆油得率的影響如圖1所示。在初期階段，油莎豆油得率呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì)，但壓力達(dá)到25 MPa后，油莎豆油得率上升幅度開始緩慢，曲線斜率也隨之下降，當(dāng)壓力35 MPa時(shí)油得率達(dá)到峰值為19.88%，隨后油莎豆油得率開始下降。這是因?yàn)椋簤毫?duì)超臨界流體密度有重要影響，進(jìn)而直接影響油的萃取效果[7]。當(dāng)萃取壓力超過(guò)35 MPa后，隨著壓力的增加，導(dǎo)致流體密度過(guò)大，對(duì)油脂溶解性減小，萃取率下降。但壓力過(guò)大也會(huì)造成設(shè)備的損耗和成本的增加。因而萃取最佳壓力選擇為35 MPa。

圖1 萃取壓力對(duì)油莎豆油得率的影響

2.1.2 萃取溫度對(duì)油莎豆油得率的影響

萃取溫度對(duì)油莎豆油得率的影響如圖2所示。在溫度40～45 ℃之間，隨溫度升高，油莎豆油得率隨之增加，這是因?yàn)樯邷囟?，加快了分子熱運(yùn)動(dòng)的速度，增加了分子間相互碰撞的幾率，增加了超臨界CO2介質(zhì)與油莎豆油的接觸，加快傳質(zhì)速度，有利于萃取的快速進(jìn)行，萃取得率增大；但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致CO2流體密度下降，對(duì)油脂的溶解能力減小，得油率降低[8]，因此選擇最佳萃取溫度為45 ℃。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)油莎豆油得率的影響

由圖3可知，在萃取時(shí)間范圍內(nèi)，油莎豆油得率隨萃取時(shí)間延長(zhǎng)而增加。這是因?yàn)檩腿傞_始時(shí)，傳質(zhì)未到達(dá)最佳狀態(tài)，因此得率較低；隨著萃取時(shí)間的增加，萃取速率增加，直至傳質(zhì)達(dá)到最大程度；而后，由于有效成分的溶出減少，降低了傳質(zhì)動(dòng)力，從而降低了萃取率，綜合考慮，最佳萃取時(shí)間選擇為180 min。

圖2 萃取溫度對(duì)油莎豆油得率的影響

圖3 萃取時(shí)間對(duì)油莎豆油得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面回歸模型的建立及結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化超臨界CO2萃取工藝，進(jìn)行方差分析及建立響應(yīng)面模型，并用此模型對(duì)超臨界CO2萃取油莎豆油進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2，多元回歸模型方差分析結(jié)果見表3。

表2 超臨界CO2萃取油莎豆油工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

油莎豆油得率以及所選3個(gè)因素編碼值的二次回歸方程為：Y=23.68-1.08A+0.73B+1.5C+0.04AB+0.67AC+2.17BC+0.12A2-1.93B2-2.91C2。

由表3可知，F(xiàn)=50.23，p＜0.01表明模型極顯著。失擬項(xiàng)為0.120 3＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型與實(shí)際情況擬合較好，可使用方程進(jìn)行試驗(yàn)分析。各因素對(duì)油莎豆油得率的影響程度大小順序?yàn)椋狠腿r(shí)間＞萃取壓力＞萃取溫度?；貧w系數(shù)R2=0.984 8＞0.75，表明該模型可以解釋響應(yīng)面中98.48%的變異。調(diào)整確定系數(shù)R2adj=0.965 1，表明模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小。變異系數(shù)（C.V.）=2.26%＜10%，說(shuō)明該模型具有很好的再現(xiàn)性，信噪比=20.905＞4，說(shuō)明擬合的模型具有較強(qiáng)的響應(yīng)信號(hào)[9]。

表3 方差分析

2.2.2 響應(yīng)面交互作用分析

由表3可知，壓力和時(shí)間、溫度和時(shí)間因素兩兩之間交互作用顯著，而壓力和溫度之間交互作用較弱。為研究各因素之間交互作用的影響，對(duì)油莎豆油得率三維響應(yīng)面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。從響應(yīng)面圖可以直接觀察各因素對(duì)油莎豆油提取率的影響，曲線越平緩，說(shuō)明該因素對(duì)油脂得率影響越小。同時(shí)，等高線越接近橢圓形，表明兩因素交互作用越顯著[10]。其中，圖5響應(yīng)曲面最陡峭，等高線圖最接近橢圓形，故萃取溫度和萃取時(shí)間對(duì)油莎豆油得率影響最大，交互作用最顯著。

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)Design Expert 8.0.6軟件分析，并根據(jù)實(shí)際情況修正，得到最優(yōu)工藝條件為：萃取壓力30 MPa，萃取溫度47 ℃，萃取時(shí)間188 min，此時(shí)油莎豆油理論得率25.11%。根據(jù)上述最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，3次試驗(yàn)平均值為24.90%，相對(duì)誤差為0.84%，與理論值基本吻合。

2.3 油莎豆油的理化性質(zhì)及脂肪酸分析

2.3.1 油莎豆油理化性質(zhì)分析

油莎豆油常見的理化指標(biāo)如表4所示，油脂過(guò)氧化值、酸價(jià)是評(píng)價(jià)油脂品質(zhì)的指標(biāo)。通過(guò)超臨界CO2萃取得到的油莎豆油，酸價(jià)及過(guò)氧化值均符合植物油食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2716—2018（酸價(jià)≤3.0 mg/g，過(guò)氧化值≤0.25 g/100 g）。皂化值較大，說(shuō)明脂肪酸分子量較小，有助于人體吸收。碘值較大，說(shuō)明不飽和脂肪酸含量較高，同時(shí)碘值小于100 g/100 g，說(shuō)明提取的油莎豆油屬于不干性油脂。

圖4 壓力和時(shí)間對(duì)油莎豆油得率的交互作用

圖5 溫度和時(shí)間對(duì)油莎豆油得率的交互作用

表4 油莎豆油理化指標(biāo)

2.3.2 油莎豆油脂肪酸分析

由表5可知，油莎豆油中主要含有8種脂肪酸，其中飽和與不飽和脂肪酸相對(duì)百分含量分別為20.769%和78.171%，其中單不飽和脂肪酸以油酸為主，含量為64.767%；多不飽和脂肪酸以亞油酸為主，含量為12.799%。

表5 油莎豆油的主要脂肪酸組成

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用超臨界CO2萃取油莎豆油，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇萃取釜壓力、萃取釜溫度、萃取時(shí)間為主要考察因素，應(yīng)用響應(yīng)面法建立超臨界CO2萃取油莎豆油的二次回歸模型，對(duì)提油工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：萃取釜壓力30 MPa，萃取釜溫度47 ℃，萃取時(shí)間188 min，油莎豆油萃取率可達(dá)到24.90%，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，該結(jié)果具有良好的擬合性。

超臨界CO2萃取的油莎豆油酸價(jià)0.54 mg/g、皂化值180.39 mg/g、碘值93.10 g/100 g、過(guò)氧化值0.023 g/100 g；經(jīng)脂肪酸分析得出不飽和脂肪酸含量高達(dá)78.171%，不飽和脂肪酸易于人體吸收，在調(diào)節(jié)人體某些疾病中發(fā)揮重要作用，極具開發(fā)利用價(jià)值。同時(shí)油莎豆油不飽和脂肪酸含量高，易于氧化，在今后的試驗(yàn)中可加強(qiáng)對(duì)油脂抗氧化保護(hù)的研究，提高油脂的貨架期，以期得到油脂的充分利用。