响应面优化粟米糠油溶剂萃取工艺及理化性质分析

杨 舒，李新华*

（沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

响应面优化粟米糠油溶剂萃取工艺及理化性质分析

杨 舒，李新华*

（沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

以粟米糠为原料，采用正己烷为提取剂，对粟米糠油进行提取，并分析粟米糠油的理化特性和脂肪酸组成。在单因素试验的基础上，通过Box-Behnken试验设计对提取工艺进行响应面优化。结果表明，最佳提取工艺条件为：料液比1∶7（g/mL）、提取时间6 h、提取温度55 ℃。在此条件下，粟米糠油的实际提取率为83.3%，与理论值基本吻合。所得粟米糠油的凝固点19.0 ℃、酸值5.7 mg KOH/g、过氧化值2.1 mmol/kg、皂化值185.1 mg KOH/g、碘值118.9 g I2/100 g。通过气相色谱-质谱法确定了10 种脂肪酸，不饱和脂肪酸含量为82.5%，其中亚油酸含量63.6%、油酸含量14.8%、α-亚麻酸含量2.7%。

粟米糠油；萃取；响应面；理化性质；气相色谱-质谱；脂肪酸

粟（Setariaitalica）俗称谷子，为禾木科狗尾草属，碾磨后的产品称小米，是我国北方地区的主要杂粮作物，在我国种植面积约有200万 hm2，年产量500万 t左右[1-2]。粟米糠是谷子碾米加工的副产品，为皮层、糊粉层和米胚芽的混合物，约占谷子的8%～10%[3-4]。粟米糠的含油量高达15%～25%，且富含不饱和脂肪酸、VE、角鲨烯、谷维素等多种生物活性物质，其中亚油酸含量远远高于其他植物油，且所含脂肪酸比例比普通食用油更符合人体健康的要求[5]。研究发现谷糠油有很强的降血脂、抗氧化作用，口服、外涂谷糠油可以起到抗皮肤老化的作用[6-8]。目前，粟米糠主要被用作动物饲料，很少进行深加工利用，造成了极大的浪费。开发粟米糠油不仅可以减少资源浪费，同时也可大大提高农产品附加值，增加农民收入。

国内外关于米糠油提取工艺鲜有报道，李世超[9]虽对谷糠油的超临界二氧化碳提取工艺进行了研究，但超临界工艺对设备要求高，操作性差，不适合大规模生产。现代工业生产多采用有机溶剂浸提法，因此本研究以精碾粟米糠为原料，选用工业生产中常用的正己烷为有机溶剂对其油脂提取工艺进行研究，通过Box-Behnken模型对提取工艺进行响应面优化，并对粟米糠油进行理化指标测定，采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）法对脂肪酸组成进行分析鉴定，为粟米糠油的开发和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

粟米糠 北票永丰杂粮食品有限公司。

正己烷、无水乙醚、氢氧化钾、乙醇、碘化钾、可溶性淀粉、硫代硫酸钠（均为分析纯） 沈阳鼎国生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

RE-52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；FA1004分析天平 沈阳龙腾电子称量仪器有限公司；HH-6数显恒温水浴锅 国华电器有限有限公司；SHB-ⅢS循环式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；CR-21G高速冷冻离心机 北京安捷来勒科技有限公司；DHG-9246A电热恒温鼓风干燥器 上海精宏实验设备有限公司；7890A-5975C气相色谱-质谱仪 美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

将低温保藏的粟米糠，过60 目筛，备用[10]。

1.3.2 粟米糠含油量测定

参照GB/T 5512—2008《粮油检验粮食中粗脂肪含量测定》。

1.3.3 粟米糠油提取工艺流程

准确称取20 g粟米糠粉末，置于一定温度条件下，设定不同料液比和提取时间进行浸提。将提取液进行离心、抽滤，滤液旋转蒸发，得毛油。

按下式计算提取率：

1.3.4 单因素试验

选取料液比、提取时间、提取温度3 个因素，根据预实验结果确定每个因素5 水平梯度范围，以粟米糠油提取率为指标进行单因素试验。

1.3.4.1 料液比对粟米糠油提取率的影响

准确称取20 g经处理后的粟米米糠，在提取温度60 ℃、提取时间5h条件下，考察料液比1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9（g/mL）对粟米糠油提取率的影响。

1.3.4.2 提取时间对粟米糠油提取率的影响

准确称取20 g经处理后的粟米糠，在料液比1∶6、提取温度60 ℃条件下，考察提取时间2、3、4、5、6 h对粟米糠油提取率的影响。

1.3.4.3 提取温度对粟米糠油提取率的影响

准确称取20 g经处理后的粟米糠，在料液比1∶6、提取时间5 h条件下，考察提取温度35、40、45、50、55 ℃对粟米糠油提取率的影响。

1.3.5 响应面试验

在单因素试验的基础上，应用Box-Behnken方法进行三因素三水平试验设计，以料液比（X1）、提取时间（X2）和提取温度（X3）为自变量，分别以1、0、－1代表每个自变量的高、中、低水平，粟米糠油提取率（Y）为响应值，设计响应面分析试验，Box-Behnken试验因素水平编码见表1。采用Design-Expert 7.0软件将所得的数据进行方差分析，建立回归模型，并进行响应面分析，优化提取工艺[12-15]。

表1 Box-Behnken试验因素水平编码Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken design

1.3.6 粟米糠油感官、理化指标测定

粟米糠粗提油的透明度、气味、滋味鉴定参照GB/T 5525—2008《植物油脂：透明度、气味、滋味鉴定法》；凝固点测定参照GB/T 5536—1985《植物油脂检验：熔点测定法》；酸值测定参照GB/T 5530—2005《动植物油脂：酸值和酸度测定》；过氧化值测定参照GB/T 5538—2005《动植物油脂：过氧化值测定》；皂化值测定参照GB/T 5534—2008《动植物油脂：皂化值的测定》；碘值测定参照GB/T 5532—2008《动植物油脂：碘值的测定》。

1.3.7 粟米糠粗提油的脂肪酸组成分析

1.3.7.1 甲酯化

称取油样0.05 g，加入2.5 mol/L硫酸-甲醇溶液1 mL，70 ℃水浴加热30 min，加入正己烷2 mL，蒸馏水2 mL，摇匀，静止，取上清液于样品瓶中[16]。

1.3.7.2 GC-MS条件

色谱条件：色谱柱为DB-1701柱；溶剂延迟时间3 min；升温程序：起始温度140 ℃保持1 min，以30 ℃/min速率升到200 ℃，保持1 min，然后以2 ℃/min速率升到280 ℃，保持10 min；进样口温度250 ℃；载气为氦气（纯度≥99.999%）；流速1 mL/min；分流比20∶1；进样量1 μL。

质谱条件：电子电离源，电离能量为70 eV；灯丝发射电流为200 μA；离子源温度210 ℃，接口温度240 ℃；质量扫描范围29～540 u。

1.3.7.3 脂肪酸组分含量测定

利用仪器所配置的Wiley质谱库进行自动检索，确定各组分的化学结构，并采用面积归一化法计算脂肪酸组分的相对含量。

2 结果与分析

2.1 粟米糠含油量

经检测，供试样品粟米糠含油量为24.84%。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 料液比对粟米糠油提取率的影响

图1 料液比对粟米糠油提取率的影响Fig.1 Effect of material-to-liquid ratio on the extraction rate of millet bran oil

如图1所示，在粟米糠油提取过程中，提取率随着溶剂用量的逐渐增加而增大，当料液比在1∶7之后时，增加幅度趋于平缓。这是因为当溶剂用量较低时，整个体系较黏稠，浆料不能充分分散于溶剂中，导致油脂不能完全被萃取和分离[17]。随着溶剂用量的增大，粟米糠油的扩散动力增大，传质速率提高，提取率增大[18]。溶剂用量继续增大，提取率不再有明显变化。因此，选择1∶7为最适料液比。

2.2.2 提取时间对粟米糠油提取率的影响

图2 提取时间对粟米糠油提取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate of millet bran oil

如图2所示，粟米糠油提取率随着提取时间的延长而逐渐增大，且在提取的前5 h，提取率增加较快，当提取时间超过5 h，粟米糠油提取率趋于平稳。这可能是因为粟米糠油在5 h时被基本提取完全，继续延长提取时间，提取率也不再会有明显增加，而且消耗资源，故选择提取时间为5 h。

2.2.3 提取温度对粟米糠油提取率的影响

图3 提取温度对粟米糠油提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of millet bran oil

由图3可知，当温度低于50 ℃时，提取率随温度升高而增加，温度超过50 ℃时，提取率趋于平稳。随着提取温度的升高，粟米糠油的扩散系数也逐渐增大，油脂黏度降低，分子扩散阻力减小，从而导致分子扩散速率增大，提取率增大[19]。

2.3 响应面优化提取工艺参数

根据单因素试验分析结果设定响应面试验料液比1∶6～1∶8（g/mL）、提取时间4～6 h、提取温度45～55 ℃。Box-Behnken试验设计共17 个试验，其中12 个析因试验、5 个中心试验，中心点重复试验用来估计试验误差，结果见表2。

表2 Box-Behnken 试验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and results for response surface analysis

利用Design-Expert 8.0软件对表2中的数据进行回归分析，得出粟米糠油提取率（Y）的回归方程：

Y=81.50+1.10X1+2.60X2+1.12X3+0.51X2X3－1.51X2－2.03X2－0.67X2123

表3 响应面回归模型方差分析Table 3 ANOVA of response surface quadratic model

由表3可知，本试验所选用的二次多项模型P＜0.000 1，具有极高的显著性；失拟项P=0.200 6，不显著。其校正决定系数（R2Adj）=0.973 3，表示有97.33%的粟米糠油提取率能由此模型解释；相关系数（R2）=0.988 3，表示粟米糠油提取得率的实测值与预测值之间有较好的拟合度，综上所述，此模型可用于粟米糠油提取的分析和预测。

回归方程的一次项中各因素对粟米糠油提取率的影响均为极显著，二次项中料液比（X1）和提取时间（X2）的偏回归系数极显著，提取温度（X3）的偏回归系数显著；交互项中提取时间（X2）和提取温度（X3）的交互作用对其影响显著。且由表3中F值可知各因素对粟米糠油提取率影响大小依次为：提取时间（X2）＞提取温度（X3）＞料液比（X1）。

图4 提取时间和料液比对粟米糠油提取率影响的响应面图Fig.4 Response surface plot for the effect of extraction time and material-to-liquid ratio on the extraction rate of millet bran oil

图5 提取温度和料液比对粟米糠油提取率影响的响应面图Fig.5 Response surface plot for the effect of extraction temperature and material-to-liquid ratio on the extraction rate of millet bran oil

图6 提取温度和提取时间对粟米糠油提取率影响的响应面图Fig.6 Response surface plot for the effect of extraction temperature and time on the extraction rate of millet bran oil

由图4～6可知，提取时间（X2）和提取温度（X3）对粟米糠油提取率（Y）的交互效应最为显著。经响应面回归分析得到粟米糠油提取的最佳工艺条件为料液比1∶7.4（g/mL）、提取时间5.8 h、提取温度55.0 ℃，在此条件下粟米糠油提取率的理论值为83.4%。为了方便实际操作，将最佳工艺参数修正为料液比1∶7（g/mL）、提取时间6 h、提取温度55 ℃。在此修正条件下进行3 组平行实验，实际测定粟米糠油提取率为83.3%，与理论值基本吻合。

2.4 粟米糠油感官及理化常数测定结果

表4 粟米糠油理化特性Table 4 Physicochemical properties of millet bran oil

由表4可知，由于粟米糠中含有脂肪酶，油脂中游离脂肪酸含量较高，从而导致粗制粟米糠油酸值较高，因此油脂在加工、储存、运输过程中，应注意防止由氧化、酸败造成的营养物质损失。同时，粟米糠油是一种半干性油，含有大量不饱和双键，具有较高的开发利用价值[20-21]。

2.5 粟米糠油的脂肪酸组成分析

将甲酯化样品经GC-MS分析，粟米糠油中脂肪酸甲酯的总离子流色谱图如图7所示，利用Wiley质谱库进行自动检索，从检出的相似度不小于80的组分中确定了10 种脂肪酸。脂肪酸组分的相对含量结果见表5。

图7 粟米糠油中脂肪酸甲酯的总离子流色谱图Fig.7 GC-MS total ion chromatogram of fatty acid composition in millet bran oil

表5 粟米糠油中脂肪酸组成及相对含量Table 5 Relative contents of fatty acids identified in millet bran oil

从图7和表5看出，粟米糠油中不饱和脂肪酸含量高达82.5%，其中必需脂肪酸亚油酸含量高达63.6%，高于菜籽油（14.6%）、花生油（31.4%）和玉米油（57.4%）[22]。亚油酸是人体重要的生物活性物质，可有效降低血液胆固醇含量，预防动脉粥样硬化，一旦缺乏会引起机体代谢紊乱，免疫力下降[23-25]。因此，粟米糠油可作为一种潜在的油脂资源进行综合利用。

3 结 论

在单因素试验的基础上，通过响应面分析对粟米糠油提取工艺进行优化。结果表明：对响应值影响显著程度由大到小依次为提取时间、提取温度、料液比，且均对粟米糠油提取率有极显著影响。经响应面回归分析并结合实际操作的方便性，确定粟米糠油的最优提取工艺条件为料液比1∶7（g/mL）、提取时间6 h、提取温度55 ℃。在此条件下，粟米糠油的实际提取率为83.3%，与理论值基本吻合。

所得粟米糠油的凝固点19.0 ℃、酸值5.7 mg KOH/g、过氧化值2.1 mmol/kg、皂化值185.1 mg KOH/g、碘值118.9 g I2/100 g。对粟米糠油进行GC-MS分析，确定了10 种脂肪酸，不饱和脂肪酸含量为82.5%，其中亚油酸含量63.6%、油酸含量14.8%、α-亚麻酸含量2.7%。为日后粟米糠油的提取、开发和利用提供了一定参考。

本研究是在实验室条件下进行的，溶剂提取采用的是浸泡法，但溶剂法提取油脂的工业生产多采用渗滤喷淋工艺，实验控制条件与实际生产也不相同，因此本实验优选的工艺条件在理论上说明了粟米糠油溶剂法浸提的可行性，实际生产过程中的具体工艺参数还需要针对实际生产条件进一步摸索。

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Optimization of Extraction of Millet Bran Oil by Response Surface Design and Analysis of Physico-chemical Properties

YANG Shu, LI Xin-hua*
(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

In this study, millet bran oil was extracted from millet bran with n-hexane, and its physico-chemical properties and fatty acid composition were analyzed. The extraction process was optimized by Box-Behnken design using response surface methodology (RSM) on the basis of single factor experiments. Results indicated that the optimal extraction process was found to be extraction at 55 ℃ for 6 h with a material/liquidratio of 1:7 (g/mL). Experiments conducted under the optimized conditions resulted in an extraction yield of 83.3%, which was consistent with the theoretical value. The freezing point of millet bran oil was 19.0 ℃, the acid value was 5.7 mg KOH/g, the peroxide value was 2.1 mmol/kg, the saponification value was 185.1 mg KOH/g and the iodine value was 118.9 g I2/100 g. In addition, 10 fatty acids were identified in the millet bran oil, and the total content of unsaturated fatty acids was 82.5%, including 63.6% linolic acid, 14.8% oleic acid and 2.7% α-linolenic acid.

millet bran oil; extraction; response surface methodology; physico-chemical properties; gas chromatographymass spectrometry; fatty acids

TS224.4

A

1002-6630（2014）24-0081-05

10.7506/spkx1002-6630-201424015

2014-05-02

杨舒（1989—），女，硕士，研究方向为粮油加工与转化。E-mail：yangshu_mm@163.com

*通信作者：李新华（1955—），男，教授，博士，研究方向为粮油加工与转化。E-mail：lixh.syau@163.com