响应面法优化超临界CO2萃取杨梅籽油工艺条件的研究

董迪迪 王鸿飞 周增群 邵兴锋 许 凤 杨 娜 龚 洋

(宁波大学食品科学与工程系，宁波 315211)

杨梅(Myrica rubra)为杨梅目(Myricales)杨梅科(Myricaceae)杨梅属(Myrica)常绿落叶乔木植物，是原产于中国的亚热带的浆果类水果，广泛分布于我国的浙江、福建、江苏、湖南、广东、广西、贵州等地区。杨梅籽为杨梅果实榨汁或酿酒后的副产物，约占杨梅果实的8% ～10%，杨梅籽中含有60% ～70%的籽仁油。杨梅籽油中含有大量亚油酸等不饱和脂肪酸，还含有亚麻酸等人体必需的多不饱脂肪酸［1－3］。杨梅加工企业一般把加工产生的杨梅籽作为废渣直接处理掉，造成了极大的资源浪费和环境污染［4］。

目前，植物油脂提取的方法主要采用传统的压榨法、有机溶剂浸提法、水代法等，这些传统的提取方法存在机械设备复杂、有机溶剂残留、提取率低等缺点。超临界CO2萃取技术是近年来兴起的一项高新型物质分离精制技术，在接近室温的环境下对原料进行萃取，不会破坏其活性物质，而且与传统的食用油生产方法相比具有操作方便，能耗低，无污染，分离能力高，无溶剂残留等特点［5－7］。

本试验采用超临界CO2萃取技术，研究了杨梅籽油萃取的工艺条件，并用响应面分析法对杨梅籽油萃取的工艺条件进行了优化，获得了产率高、品质好的杨梅籽油，为进一步开发杨梅籽开辟了一条新途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

杨梅籽:浙江聚仙庄酒业有限公司，经初步测定每100 g杨梅籽仁约含有70 g油脂、15 g水分、8 g蛋白质等。其中，杨梅籽油中含有约20%的饱和脂肪酸，约75%的单不饱和脂肪酸，还含有约5%的亚麻酸、共轭亚油酸等功能性多不饱和脂肪酸。据测定，杨梅籽油的酸价为8.13 mgKOH/g、过氧化值为1.05 mmol/kg、碘价为107.43 gI2/100 g、折光系数为1.642(20℃)、比重为0.914(20℃)。CO2:食品级(纯度＞99.9%)，宁波市方辛气体有限公司。

1.2 仪器与设备

Spe－ed SFE型超临界萃取仪:美国 Applied Separations公司;EL204型电子天平:梅特勒－托利多仪器上海有限公司;CS101－1AB型电热鼓风干燥箱:重庆银河实验仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 杨梅籽油萃取的工艺流程

杨梅籽→晾晒→去壳→粉碎→过筛→干燥→称重→超临界CO2萃取→分离→杨梅籽油

剔除霉变、虫害等劣质杨梅籽，将去壳后的杨梅籽仁进行研磨粉碎，过筛后在45℃下干燥4.5 h，每份称取约10 g备用。

1.3.2 杨梅籽油超临界CO2萃取单因素试验

试验选择杨梅籽仁的颗粒度、萃取压力、静态萃取时间、动态萃取时间、萃取温度等作为杨梅籽油萃取效果的主要影响因素［8－10］，以萃取率为考察指标，进行单因素试验。

在萃取压力30 MPa、静态萃取时间30 min、动态萃取时间2 h、萃取温度40℃条件下，研究杨梅籽仁颗粒度(5、10、20、30、40 目)对杨梅籽油萃取率的影响;在萃取压力30 MPa、静态萃取时间30 min、动态萃取时间2 h、颗粒度40目的条件下，研究萃取温度(20、25、30、35、40、45 ℃)，对杨梅籽油萃取率的影响;在萃取压力30 MPa、静态萃取时间30 min、颗粒度40目、萃取温度40℃条件下，研究动态萃取时间(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h)，对杨梅籽油萃取率的影响;在萃取压力30 MPa、动态萃取时间2 h、颗粒度40目、萃取温度40℃条件下，研究静态萃取时间(0、10、20、30、40 min)对杨梅籽油萃取率的影响;在动态萃取时间2 h、静态萃取时间30 min、颗粒度40目、萃取温度40℃条件下，研究萃取压力(20、25、30、35、40、45 MPa)对杨梅籽油萃取率的影响。

1.3.3杨梅籽油超临界CO2萃取的工艺优化

根据Box－Behnken的中心组合实验设计原理，综合单因素试验所得结果，确定颗粒度为40目、静态萃取时间为30 min，选取动态萃取时间、萃取压力、萃取温度3个对杨梅籽油萃取影响显著的因素，分别以A、B和C为代表，每一个自变量的低、中、高试验水平分别以 －1、0、+1 进行编码(表 1)［11－12］。以杨梅籽油的萃取率为响应值(Y)，在单因素试验基础上，采用三因素三水平的响应面分析方法，对杨梅籽油的超临界CO2萃取工艺进行优化，其水平编码如下表1，每组平行试验3次。

表1 响应面分析因素与水平

1.3.4 杨梅籽油分析的方法

1.3.4.1 杨梅籽油的萃取率

杨梅籽油超临界CO2萃取效果以萃取率为考察指标，萃取率为杨梅籽油实际萃取量与每份样品含油量之比:

Y=m/M×100

式中:Y为杨梅籽油的萃取率/%;m为杨梅籽油实际萃取质量/g;M为每份样品所含油脂的质量/g。

1.3.4.2 杨梅籽油理化性质分析

折光率:采用阿贝折光仪测定，酸价、碘价、过氧化值、皂化值分别采用 GB/T 5530—2005、GB/T 5532—2008、GB/T 5538—2005、GB/T 5534—2008 进行测定，每个指标平行测定3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 杨梅籽仁颗粒度对杨梅籽油萃取率的影响

试验以萃取率为考察指标，在萃取压力、静态萃取时间、动态萃取时间、萃取温度一定的条件下，杨梅籽仁颗粒度对杨梅籽油萃取率的影响结果如图1所示。

图1 颗粒度对杨梅籽油萃取率的影响

在萃取过程中，原料的颗粒度愈大，颗粒直径愈小，颗粒比表面就愈大，CO2流体与物料的接触面愈大，CO2流体在物料中的渗透性、扩散性、溶解性就愈强，萃取率就愈高。但是，颗粒度不能太大，颗粒度太大，颗粒愈细，使得物料间的空隙减小，降低了CO2的流速，使得传质阻力增大，萃取率反而会降低。

由图1可知，当颗粒度在30目以下时，随着杨梅籽仁颗粒度的增加萃取率逐渐升高;当颗粒度增加到40目以后，萃取率会缓慢降低。在颗粒度40目时，杨梅籽油萃取率较高。

2.2 萃取温度对杨梅籽油萃取率的影响

在杨梅籽仁颗粒度、萃取压力、静态萃取时间、动态萃取时间一定的条件下，萃取温度对杨梅籽油萃取效果的影响见图2。

图2 萃取温度对杨梅籽油萃取率的影响

由图2可知:当萃取温度小于30℃时，杨梅籽油萃取率随温度的升高而增加;当温度在30～40℃时杨梅籽油萃取率随温度的变化不大;当温度大于40℃时，杨梅籽油萃取率随温度的升高而降低。温度是影响超临界CO2密度的一个重要因素，一方面温度升高使分子间热运动加剧，传质效率和扩散系数增加，增大了CO2流体的溶解度，萃取率升高;另一方面温度的升高降低了CO2流体的密度，使其溶解度降低，萃取率降低。因此，为了提高萃取率，同时降低能耗，适宜的萃取温度为30℃。

2.3 动态萃取时间对杨梅籽油萃取率的影响

在杨梅籽仁颗粒度、萃取压力、静态萃取时间、萃取温度一定的条件下，动态萃取时间对杨梅籽油萃取效果的影响见图3。

图3 动态萃取时间对杨梅籽油萃取率影响

由图3可知，随着动态萃取时间的延长，杨梅籽油的萃取率逐渐升高。当动态萃取时间小于2 h时，CO2流体对物料浸提不完全，萃取率低;当萃取时间为2 h以后时，CO2流体与物料充分接触，浸提充分，萃取率较高，但萃取率随时间的延长升高速度减缓。因此，考虑到萃取效率和成本，适宜的动态萃取时间至少为2 h。

2.4 静态萃取时间对杨梅籽油萃取率的影响

在杨梅籽仁颗粒度、萃取压力、动态萃取时间、萃取温度一定的条件下，静态萃取时间对杨梅籽油萃取效果的影响见图4。

图4 静态萃取时间对杨梅籽油萃取影响

由图4可知，随着静态萃取时间的延长，杨梅籽油的萃取率升高，但当静态萃取时间超过30 min后，萃取率的升高减缓。静态萃取过程就是CO2流体对物料的浸提过程，萃取釜中稳定的高压可以破坏物料的细胞结构，提高渗透效果，使浸提更加充分，因此适当提高静态萃取时间，可以提高萃取率，但当静态萃取时间过长时，浸提体系已经达到平衡，此时静态萃取时间的延长对萃取率的影响减小。因此，考虑到萃取效率和成本，静态萃取时间可取30 min。

2.5 萃取压力对杨梅籽油萃取率的影响

在杨梅籽仁颗粒度、静态萃取时间、动态萃取时间、萃取温度一定的条件下，萃取压力对杨梅籽油萃取效果的影响见图5。

图5 萃取压力对杨梅籽油萃取影响

由图5可知，随着萃取压力的升高，杨梅籽油的萃取率不断增加。当萃取压力小于30 MPa时，萃取率随压力的升高而迅速增加;当萃取压力大于30 MPa时，萃取率随萃取压力的升高增加变缓。CO2流体的密度随压力的升高而增大，使得其密度逐渐接近油脂密度，根据相似相溶原理，CO2流体中杨梅籽油的溶解度不断增加，萃取率升高，但当萃取压力继续升高时，溶解度达到饱和，杨梅籽油的溶解量几乎不再增加，萃取率增加减缓。因此，考虑到萃取效率、能耗等问题，萃取压力可取30 MPa。

2.6 杨梅籽油超临界CO2萃取工艺优化

在单因素试验的基础上，利用响应面分析法进行萃取工艺条件的优化。在实际应用时，可以将物料粒度及静态萃取时间事先确定，选择动态萃取时间、萃取压力、萃取温度进行三因素三水平响应面优化试验。此试验是在杨梅籽仁颗粒度40目、静态萃取时间30 min的前提下，进行了萃取工艺响应面分析，试验方案及结果见表2。

表2 响应面试验方案及结果

利用Design Expert软件对表2试验结果进行分析，得萃取率Y对动态萃取时间A、萃取压力B、萃取温度C的二次多项回归方程为:

Y=78.07+16.17 × A+15.17 × B+4.70 × C+5.61×A×B+1.98×A×C+2.75×B ×C －16.07×A2－15.45 ×B2－6.58×C2

回归方程方差分析见表3。由方差分析可见:试验所选用模型 P＜0.000 1，决定系数为 R2=0.993 6，说明响应值的变化有99.36%来源于所选因素，该模型能很好地解释响应面的变化，拟合程度良好，试验误差小。

表3 回归分析结果

从回归方程系数显著性检验可知:一次项动态萃取时间A、萃取压力B、萃取温度C极显著;二次项A2、B2、C2极显著;交互项 AB 极显著，AC、BC 不显著。由回归方程所作的响应曲面图及其等高线图如图6～图8所示。

图6 动态萃取时间和萃取压力对萃取率影响的响应曲面图和等高线图

图7 萃取温度和动态萃取时间对萃取率影响的响应曲面图和等高线图

图8 萃取温度和萃取压力对萃取率影响的响应曲面图和等高线图

图6～图8直观地反映了动态萃取时间、萃取压力、萃取温度对杨梅籽油萃取率的影响，由等高线图可以看出存在极值的条件应该在圆心的位置。比较3组图可知:动态萃取时间(A)、萃取压力(B)对杨梅籽油萃取率的影响都很显著，表现为曲线较陡，等高线(响应值)随其数值变化而迅速变化;而萃取温度(C)次之，表现为曲线比较平滑，随其数值的变化等高线(响应值)变化较小。为了进一步确定最优工艺条件及最高萃取率，对回归方程取一阶偏导数等于零并整理得:

求解方程组得 A=0.620 4，B=0.653 3，C=0.502 8，即杨梅籽油超临界CO2萃取的最适宜条件为动态萃取时间 2.62 h、萃取压力 36.53 MPa、萃取温度40.03℃时，在此条件下，杨梅籽油萃取理论值可达89.73%。

为了检验该响应面优化方法的可靠性，采用上述最适宜萃取条件进行杨梅籽油萃取的验证试验，同时为了实际操作的方便，将杨梅籽油超临界CO2萃取最适宜条件修正为动态萃取时间2.6 h、萃取压力36.5 MPa、萃取温度 40℃，实际测得的萃取率88.67%，与理论预测值相比误差在1%左右，因此，采用响应面优化超临界CO2萃取杨梅籽油的工艺条件参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

3.1 通过超临界CO2萃取杨梅籽油的单因素试验，在颗粒度为40目、萃取温度30～40℃、动态萃取时间至少为2h、静态萃取时间为30 min以上、萃取的压力为30 MPa以上时，杨梅籽油的萃取率较高。

3.2 通过萃取的响应面分析，获得萃取率Y对动态萃取时间A、萃取压力B、萃取温度C的二次多项回归方程为:Y=78.07+16.17A+15.17B+4.70C+5.61AB+1.98AC+2.75BC － 16.07A2－ 15.45B2－6.58C2。方差分析表明，试验所选用模型 P＜0.000 1，决定系数为 R2=0.993 6，该模型能很好地解释响应面的变化，拟合程度良好，试验误差小。适宜的工艺条件为杨梅籽仁的颗粒度40目、萃取压力36.53 MPa、静态萃取时间 30 min、动态萃取时间2.62 h、萃取温度40.03℃，在该条件下杨梅籽油的萃取率为89.73%。

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