均匀试验设计在超临界CO2萃取核桃油精炼中的应用

张 丽 宋丽军 曹静洁 马德胜 李 蕾 侯旭杰*

核桃(Juglans regin L)系胡桃科核桃属植物，又称胡桃、羌果，是世界四大干果之一［1］。核桃果仁含油量因品种不同，一般在65%左右，居所有木本油料之首，有“树上油库”的美誉［2］。核桃油中含有丰富的蛋白质、黄酮类物质、多种维生素、多酚化合物以及钙、磷、铜、铁等微量元素，并含有90% ～95%的多不饱和脂肪酸，其中主要是作为人体必需脂肪酸的亚油酸和亚麻酸，且不含胆固醇，被誉为优质的天然“脑黄金”［3，4］。

目前提取油脂的方法较多，主要有压榨法、水代法、有机溶剂浸提法和超临界CO2萃取法等［5］。核桃毛油在制取过程中夹带了不同数量的非甘油三酯物质，比如游离脂肪酸、磷脂、棉酚蜡、色素及引起油脂品质变化的物质等，影响了油脂的外观与品质，需要通过精炼去除［6］。超临界C02萃取技术是一种高新的提取分离技术，不仅拥有低温、无溶剂残留、无毒等优点，并且通过脂肪酸、油中聚合物与甘油酯的沸点不同，完成了脱胶过程，并起到部分脱酸、脱色和脱臭的作用，很大程度上简化了精炼工艺［7，］。本试验采用超临界CO2萃取的核桃毛油为原料，运用均匀设计法优化核桃油精炼的工艺参数，以期生产出优质的精炼核桃油。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

材料:超临界 CO2萃取的核桃毛油，酸值为0.378 1 mgKOH/g。

试剂:氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、硫酸、乙醚、丙酮、95%乙醇、无水乙醇等均为分析纯;硅藻土、活性白土、活性炭等。

1.2 仪器与设备

岛津GC－14C气相色谱仪:日本岛津公司;

HA221－50－06型超临界萃取装置:江苏南通华安超临界萃取有限公司;

UV－124 0紫外分光光度计:日本岛津公司;

Neofuge 15R台式高速冷冻离心机:北京阳光思特生物技术有限公司;

SHB－B95循环水式多用真空泵:郑州长城科工贸有限公司;

HKCB－4型恒控磁力搅拌器:重庆北碚磁性材料厂;

DHG－942 3A型电热恒温鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司。

1.3 工艺流程

核桃毛油→脱酸→离心→水洗→干燥→脱色→过滤→脱臭→精炼油

1.4 操作要点

1.4.1 提取 称取核桃粉装于萃取器中，设定萃取压力32 MPa，萃取温度43℃，分离Ⅰ压强6 MPa，分离Ⅱ压强10 MPa，分离温度与萃取温度相同，CO2流量为20 L/h，萃取4.5 h后，得到核桃毛油。

1.4.2 脱酸 经测定，超临界CO2萃取法制得的核桃毛油的磷脂含量为0.038 2%(0.3%以下)，因此在精炼时不需要脱胶，而是直接进行脱酸处理［9］。将一定量的氢氧化钠溶液在5～10 min内加入到一定温度、搅拌速度为50～70 r/min的毛油中，碱液加完后，搅拌速度降低至30 r/min，并将油脂慢慢加热至80℃，继续搅拌至皂粒析出后，以4 000 r/min离心10 min。再将油温升高至85℃，使用油重15%，与油同温的软水洗涤2～3遍，静置1 h后放水，然后进行干燥处理，保证脱色的顺利进行。测定脱酸前后核桃油的酸值，计算脱酸率。脱酸率按下式计算:

1.4.3 脱色 将脱酸后的核桃油加热到一定温度，以60r/min的搅拌速度边搅拌边添加脱色剂，10min内加完，在磁力搅拌器上保温搅拌一定时间后，趁热抽滤。在波长475nm处测定核桃油脱色前后的吸光度，计算脱色率，脱色前核桃油吸光度为A0，脱色后核桃油的吸光度为A1，按下式计算:

1.4.4 脱臭 在 80℃、减压蒸馏脱臭 1 h，核桃油中的臭味可去除，得到符合食品工业要求的核桃油。

1.4.5 精炼过程中理化性质分析

透明度、气味、滋味检验，参照 GB/T 5525－2008;色泽检验，参照GB/T 22460－2008;相对密度，参照GB/T 5526－1985;折光指数，参照GB/T 5527－1985;酸值，参照 GB/T 5530－2005;碘值，参照GB/T 5532－2008;皂化值，参照GB/T 5534－2008;过氧化值，参照GB/T 5538－2005。

1.4.6 精炼过程中脂肪酸组成变化

参照GB/T 17376－1998，GB/T 17377 －1998，动植物油脂脂肪酸甲酯制备和气相色谱分析测定。

2 结果与讨论

2.1 核桃油脱酸工艺参数的确定

采用碱炼法脱酸，根据毛油酸值来确定加碱量［9］。经测定，超临界萃取法制得的核桃毛油酸值为0.378 1 mgKOH/g。根据核桃油碱炼的影响因素，本试验选取超碱量、碱液浓度、碱炼初温、搅拌速度为变量，以脱酸率为评价指标，进行U6(63×3)均匀试验设计，试验方案及结果见表1。

表1 均匀试验设计及试验结果

对表1的试验数据进行逐步回归分析，得到核桃油脱酸率的回归方程，回归方程的复相关系数r=0.999 1，F 检验值 Ft=2 188 ＞ F(0.05，4，1)=224.6，决定系数R2=0.998 9，调整后的决定系数为0.996 8，方程在α=0.05水平上呈显著，具有良好的线性关系，这表明此回归方程在一定程度上可以解释试验的结果。

根据标准回归系数的绝对值，各因素对核桃油脱酸率影响的主次顺序为X1(加碱浓度)＞X3(碱炼初温)＞X4(搅拌速度)＞X2(超碱量)。根据回归方程得出核桃油脱酸的较佳工艺条件为:超碱量0.1%，加碱浓度11.06%，初温为45℃，搅拌速度为50 r/min，在此条件下进行验证试验，脱酸率为65.5%，而其模型预测值为66.25%，其值比较接近，说明回归模型可以解释核桃油脱酸的试验结果。

2.2 脱色工艺参数的确定

2.2.1 不同脱色剂对核桃油脱色的影响

称取三份脱酸后的核桃油，加热到80℃，在60 r/min的搅拌速度下，分别缓慢添加1%的硅藻土、活性白土、活性炭，脱色30 min，趁热抽滤后在波长475nm处测定脱色后核桃油的吸光度，计算脱色率，研究脱色剂的脱色效果，试验结果见表2。

表2 脱色剂的选择

由表2可知，三种脱色剂的脱色效果相差不大，添加活性白土使核桃油带土腥味，硅藻土脱色吸附力较其它两种强，但吸油率较高，而使用活性炭脱色，吸油率低，无特殊杂味。因此，本试验使用活性炭作为脱色剂。

2.2.2 脱色工艺参数的确定

本试验以活性炭为脱色剂，以脱色剂添加量、温度、搅拌速度、加热时间4个因素为变量，以脱色率为评价指标，根据均匀设计表中的U6(63×3)设计试验，优选核桃油脱色的最佳工艺。均匀试验设计及试验结果见表3。

表3 均匀设计及试验结果

采用逐步回归法对表3进行分析处理，对核桃油脱色率Y建立回归方程，回归方程的复相关系数r=0.999 5，F检验值 Ft=229.21＞F(0.05，4，1)=224.6，调整后的决定系数为0.997 2，剩余标准差0.698 6，回归方程在α=0.05水平上呈显著，具有良好的线性关系。

表4 二次多项式逐步回归法数据结果

根据表4的显著性检验中可知，各因素对核桃油脱色率影响的主次顺序为:X1﹥X3×X3﹥X1×X3﹥X1×X1。根据回归方程得出脱色的较优条件为:添加活性炭的量为3%，温度为85℃，在搅拌速度为90 r/min下加热50 min，在此条件下脱色率的预测值为86.82%。

按上述条件下进行5次验证试验，得到核桃油脱色率为85.96% ±0.72%，与回归方程的预测值接近，说明核桃油脱色优化条件重现性良好，回归模型可以解释核桃油脱色的试验结果。同时从回归的结果可知，各因素之间还存在交互作用，如果单纯用单因素法很难得到一个较优条件，因此均匀试验设计法是一种很好的寻优方法。

2.3 精炼过程中理化性质

根据核桃油精炼的最佳工艺条件，制备一定量的精制核桃油，并对精炼前后核桃油的理化性质进行分析，并与我国粮油行业有关核桃油的标准(GB/T 22327－2008)进行比较，结果见表5。

表5 核桃油精炼过程中主要理化特性的变化

由表5可看出，精炼过程对相对密度、折光指数等物理指标方面影响不显著，对碘值和皂化值也没有明显影响。但核桃油色泽在精炼过程中都不断地降低，由稍混浊的黄色变为澄清透明的淡黄色，其中脱酸和脱色两个工序降低最为明显。这可能是由于在脱酸工序中皂脚沉降时吸附色素，从而降低油脂的红色，在脱色时通过脱色剂的吸附作用降低了色泽。核桃毛油的酸值在脱酸后显著降低，这是因为在脱酸过程中加入了一定量的碱液，中和了油脂中的部分游离脂肪酸;过氧化值在脱酸后明显上升，可能是因为脱酸后的水洗干燥温度高，没有采用真空干燥，导致核桃油中的脂肪酸在高温条件下被氧化分解［10］。

2.4 精炼过程中脂肪酸组成分析

利用气相色谱对精炼过程中的核桃油脂肪酸组成进行分析，并与我国粮油行业有关核桃油的标准进行比较，结果见表6。

表6 核桃油在精炼过程中的脂肪酸组成及含量变化(%)

由表6可知，精炼过程对核桃油的脂肪酸组成没有太大的影响，超临界CO2萃取的核桃油中不饱和脂肪酸的总量由精炼前的90.96%下降至90.11%，饱和脂肪酸的含量从9.02%上升至9.89%。这可能是由于:碱炼脱酸在去除核桃油中的游离脂肪酸的同时还夹带了部分中性油;脱色过程中加入的脱色剂吸附了部分油脂，也可能造成了脂肪酸含量的改变;在脱酸后的干燥及脱臭过程中，高温也会造成一些不饱和脂肪酸链的断裂、反式脂肪酸含量上升或分子间发生热聚合反应，导致不饱和脂肪酸含量降低［11，12］。

3 结论

均匀试验设计让试验点在试验范围内均匀分布，可极大地减少试验次数，缩短试验周期，从而大量节约人工和费用;利用回归分析得出的模型，即可进行影响因素的重要性分析及新条件试验的结果估算，预报和最优化［13］。本文采用均匀试验设计对超临界CO2萃取的核桃油精炼参数进行优化，结果表明:在超碱量0.1%，加碱浓度11.06%，初温为45℃，搅拌速度为50 r/min，终温80℃下脱酸，脱酸率为65.5%;然后添加3%活性炭，在85℃，搅拌速度90 r/min下脱色50 min，在此条件下脱色率可达85.96%;最后脱臭即可得到具有核桃具有香味的高级核桃油。

核桃油精炼过程对折光指数、相对密度、碘值和皂化值没有明显影响;核桃油色泽由稍混浊的黄色变为澄清透明的淡黄色，气味也由稍有异味变为较淡的核桃油香味;酸值和过氧化值分别由核桃毛油的0.378 1 mg/g和 0.218 8 mmol/kg降低为0.043 5mg/g和0.184 8 mmol/kg;核桃油中脂肪酸组成主要以不饱和脂肪酸为主，其含量在90%以上，精炼过程对核桃油的脂肪酸组成和含量没有太大的影响。

［1］ 郗荣庭，张毅萍.中国果树志(核桃卷)［M］.北京:中国林业出版社，1996.

［2］ 陈永浩，李俊，郭雪霞.核桃抗氧化作用研究进展［J］.食品工业科技，2012，17(33):409 －416.

［3］ 吴彩娥，阎师杰，寇晓虹，等.超临界CO2流体萃取技术提取核桃油的研究［J］.农业工程学报，2001，17(6):135－138.

［4］ 李敏，刘媛，孙翠，等 .核桃营养价值研究进展［J］.中国粮油学报，2009，24(6):166 －170.

［5］ 刘广，陶长定.核桃油的生产工艺探讨［J］.粮食与食品工业，2010，17(4):12 －15.

［6］ 洪鹏志，刘书成，章超桦，等.金枪鱼油的精炼及其脂肪酸组成特征［J］.中国油脂，2006(06):31－33.

［7］ 徐闯，秦卫国.核桃油的物理精炼［J］.中国油脂，2006，(06):28－29.

［8］ Toshiyuki F，Hideyuki I，Takashi Y.Antioxidative polyphenols from walnuts(Juglans regia L.)［J］.Phytochemistry，2003(63):795－801.

［9］ Gil M GB，Casquilho M，Esquvel M M，et al.Supercritical Fluid Extraction of fig leaf gourd seeds oil.Fatty acids composition and extraction kinetics［J］.J.of Supercritical Fluids，2008，12(4):1－30.

［10］ 张丽.核桃油脂提取及其稳定性的研究［D］.新疆:石河子大学食品学院，2010.

［11］ B S.Supercritical carbon dioxide extraction of carrot fruit essential oil:Chemical composition and antimicrobial activity［J］.Food Chemistry，2007(105):346－352.

［12］ Nabil B，Maryline A V，Mohamed A，et al.A new process for extraction of essential oil from Citrus peels:Microwave hydrodiffusion and gravity［J］.Journal of Food Engineering，2009(90):409－413.

［13］ 杨坚，王钦德.食品试验设计与统计分析［M］.北京:中国农业大学出版社，2003.