響應(yīng)面法優(yōu)化黃秋葵籽油萃取工藝

鄧愛華，王 云，謝 鵬

（1.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，湖南常德 415000；2.湖南文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南常德 415000）

黃秋葵（Abelmoschus esculentus（Linn.）Moench）屬錦葵科秋葵屬一年生草本植物，其成熟的種子中含油15%~20%[1]。黃秋葵籽油中不飽和脂肪酸—亞油酸含量高達(dá)47%[2]，且飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的比例接近FAO/WHO推薦1∶1∶1的模式[3]。有研究表明，黃秋葵不飽和脂肪酸具有保護(hù)小鼠因力竭游泳導(dǎo)致的肝損傷[4]，以及提高疲勞運(yùn)動(dòng)小鼠的肝組織抗氧化能力[5]。此外，黃秋葵籽油還可以作為生物燃料，為生物柴油生產(chǎn)提供新的非食用油來源[6]。因此，黃秋葵籽油可為保健產(chǎn)品及生物燃料提供重要的原料。

黃秋葵籽油的萃取方法主要有浸出法、壓榨法[7]、水酶法和有機(jī)溶劑萃取法[8]、超聲波[9]、微波輔助萃取[10]和超臨界CO2萃取[11]等方法。壓榨法、浸出法、有機(jī)溶劑萃取法等工藝較簡(jiǎn)單但出油量較低且雜質(zhì)較多，殘留溶劑會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。試驗(yàn)采用超臨界CO2萃取黃秋葵籽油，并應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化萃取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃秋葵籽，湖南長(zhǎng)安蔬菜有限公司提供；二氧化碳?xì)怏w（99.99%），常德廣匯氣體有限公司提供；95%乙醇、甲醇（AR），湖南匯虹試劑有限公司提供提供。

GN-20型多功能粉碎機(jī)，廣州旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；202-00A型鼓風(fēng)干燥箱，上海喆鈦機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；JA11003型電子天平，天津宗谷電子衡器有限公司產(chǎn)品；DK-S22型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏儀器有限公司產(chǎn)品；HA121-50-02型超臨界流體萃取裝置，南通儀創(chuàng)試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；IKA-RET型磁力攪拌器，上海微川精密儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

選用成熟的黃秋葵種子，經(jīng)多功能粉碎機(jī)粉碎，裝入超臨界CO2萃取裝置中，CO2流量設(shè)定為30 L/h，在一定的壓力和溫度條件下萃取一定時(shí)間，在萃取釜出口收集得到黃秋葵籽油：

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn)

萃取釜中的物料密度為500 g/L，分離釜Ⅰ中的壓力為8 MPa，分離釜Ⅱ中的壓力為6 MPa，中間條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度55℃，萃取時(shí)間120 min，CO2流速30 L/h。分別考查萃取壓力（15，20，25，30，35 MPa）、萃取溫度（40，45，50，55，60℃）、萃取時(shí)間（60，90，120，150，180 min）、CO2流速（10，20，30，40，50 L/h）等對(duì)秋葵油脂萃取率的影響。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，確定萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流速為考查因素，以油脂萃取率為響應(yīng)值，運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行Box-behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。以A，B，C，D分別表示萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量，每個(gè)因素的高中低水平分別以1，0，-1編碼。

響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取壓力對(duì)萃取率的影響

萃取壓力對(duì)萃取率的影響見圖1。

由圖1可知，隨著萃取釜中壓力增加，黃秋葵籽油的萃取率也在增加，是因?yàn)檩腿「袎毫Φ脑黾訉?dǎo)致CO2的密度增大，溶質(zhì)的溶解度隨之增加，萃取率也增加。當(dāng)萃取壓力增加到35 MPa時(shí)，萃取率卻出現(xiàn)降低，這是由于壓力較高，油脂的傳遞受到影響。因此，選擇萃取壓力30 MPa最為合理。

圖1 萃取壓力對(duì)萃取率的影響

2.1.2 萃取溫度對(duì)萃取率的影響

萃取溫度對(duì)萃取率的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對(duì)萃取率的影響

由圖2可知，隨著萃取溫度的增加，黃秋葵籽油的萃取率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在萃取溫度為55℃時(shí)，黃秋葵籽油的萃取率最高，隨著萃取溫度的增加，物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)也在增加，有助于物質(zhì)的傳遞速率。當(dāng)萃取溫度超過55℃后，收率隨著萃取溫度的增加逐漸下降，升高萃取溫度使得流體密度變小，溶解力下降，隨之黃秋葵籽油萃取率下降。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響見圖3。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

由圖3可知，在萃取時(shí)間120 min時(shí)，黃秋葵籽油的萃取率最高；在萃取時(shí)間為120 min之后，黃秋葵籽油萃取率逐漸降低，可能是長(zhǎng)時(shí)間的萃取導(dǎo)致油脂中的某些物質(zhì)被破壞或管道中殘留較多。因此，選擇萃取時(shí)間為120 min最為合理。

2.1.4 CO2流速對(duì)萃取率的影響

CO2流速對(duì)萃取率的影響見圖4。

圖4 CO2流速對(duì)萃取率的影響

由圖4可知，隨著CO2流速的增加，黃秋葵籽油的萃取率隨之增加，當(dāng)CO2流速達(dá)到30 L/h時(shí)，萃取率最高。然而，隨著流速的繼續(xù)增加萃取率反而降低，可能是前期增大CO2的流速，就會(huì)升高傳質(zhì)速度和濃度差，能夠加快萃取反應(yīng)的進(jìn)行，但是當(dāng)CO2流速增加到一個(gè)飽和點(diǎn)之后，繼續(xù)增加CO2流速會(huì)減少流體在物料中的傳質(zhì)接觸時(shí)間，從而降低黃秋葵籽油的萃取率。因此，選擇CO2流速為30 L/h最為合理。

2.2 Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時(shí)間（C）和CO2流速（D）為影響因素，萃取率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

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

使用Design Expert 8.0.6對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到回歸方程方差分析結(jié)果表3。對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合后，得萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時(shí)間（C）和CO2流速（D）對(duì)秋葵籽油萃取率的二次多項(xiàng)回歸方程：

表3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

方差分析顯示模型顯著（p<0.05），失擬項(xiàng)不顯著（p>0.05），因此模型成立。從表3可知，一次項(xiàng)A，C，D對(duì)萃取率的影響極顯著（p<0.01）；二次項(xiàng)A2，B2，C2對(duì)萃取率的影響顯著（p<0.05）；由F值可知，在所選試驗(yàn)范圍內(nèi)，各因素對(duì)油脂萃取率的影響順序?yàn)锳（萃取壓力）>C（萃取時(shí)間）>D（CO2流速）>B（萃取溫度）。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

交互作用對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面圖見圖5。

對(duì)比曲面陡峭程度，發(fā)現(xiàn)與方差分析結(jié)果一致，影響萃取率交互作用大小順序的因素為A（萃取壓力）B（萃取溫度）>A（萃取壓力）C（萃取時(shí)間）>C（萃取時(shí)間）D（CO2流速）>B（萃取溫度）C（萃取時(shí)間）>B（萃取溫度）D（CO2流速）>A（萃取壓力）C（CO2流速）但各因素之間交互作用不顯著（p>0.05）。

2.4 最優(yōu)萃取工藝條件的確定

利用Design Expert 8.0.6軟件由所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)分析，得出最佳萃取工藝條件為萃取壓力33.86 MPa，萃取溫度57.74℃，萃取時(shí)間163.22 min，CO2流量32.08 L/h，預(yù)測(cè)黃秋葵籽油萃取率為20%。為了適合操作，調(diào)整條件萃取壓力30 MPa，萃取溫度55℃，萃取時(shí)間150 min，CO2流速30 L/h，通過3組平行試驗(yàn)，黃秋葵籽油萃取率為19.6%±0.14%，與預(yù)測(cè)值無顯著性差異（p>0.05）。證明此條件為黃秋葵籽油萃取的最優(yōu)條件，該回歸方程可用于實(shí)踐。

圖5 交互作用對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面圖

3 結(jié)論

以黃秋葵籽為原料，經(jīng)超臨界二氧化碳技術(shù)萃取油脂。通過響應(yīng)面法獲得最優(yōu)萃取工藝參數(shù)為萃取壓力30 MPa，萃取溫度55℃，萃取時(shí)間150 min，CO2流速30 L/h，通過3組平行試驗(yàn)，黃秋葵油脂萃取率為19.6%，與預(yù)測(cè)值19.48%無顯著性差異（p>0.05）。通過超臨界二氧化碳萃取黃秋葵籽油，將為黃秋葵籽的開發(fā)利用提供一個(gè)新的技術(shù)參考。