响应面法优化亚临界丁烷萃取杏仁油工艺研究

马 燕,张 健,张 谦,孟伊娜,邹淑萍,许铭强,张 平

(新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所,乌鲁木齐 830091)

响应面法优化亚临界丁烷萃取杏仁油工艺研究

马 燕,张 健,张 谦,孟伊娜,邹淑萍,许铭强,张 平*

(新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所,乌鲁木齐 830091)

以新疆主栽杏品种-红心杏仁为研究试材,在一定的操作条件下,采用响应面法对亚临界丁烷萃取杏仁油工艺进行优化。在单因素实验的基础上,采用Box-Behnken设计,运用SAS8.0软件回归分析了萃取时间、萃取温度、料溶比3个因素对杏仁油得率的影响,并对所得杏仁油的质量指标进行测定。结果表明:萃取时间为46min、萃取温度为42℃、料溶比为1∶6.6g/mL,此时,杏仁油的萃取率为88.58%；其质量指标均符合国家标准。

亚临界丁烷,杏仁油,工艺,萃取率

杏仁油中富含的不饱和脂肪酸对冠心病、高血压、高血脂等心血管疾病具有较好的预防和治疗作用,是一种食用保健油,也是新一代保健食品和化妆品的重要原料[1]。目前杏仁油的提取方法主要为溶剂浸提法和压榨法。压榨法提油率较低；浸提法工艺和后处理过程较复杂,易造成环境污染[2]。亚临界萃取技术作为一种实用性较强新型的提取分离技术,现已在天然产物的提取、生物化工、食品和色素等行业得到广泛的研究和应用,并已部分实现工业化生产[3]。其具有萃取压力低,萃取温度低,萃取效率高,可循环萃取,无有害溶剂残留、操作方便、能耗低、安全环保等优点,不仅降低了设备制造成本,还可实现杏仁油大规模工业化连续性生产,具有广泛的生产实用性,解决了杏仁油提取分离技术中存在的安全、环保、营养、乳化以及实用性等问题[4-7]。因此,亚临界流体萃取在天然产物有效成分提取中具有很大的发展空间。本文以杏仁为原料,采用响应面法优化研究亚临界丁烷萃取杏仁油工艺,确定了亚临界丁烷萃取杏仁油最佳工艺条件,为杏仁油工业化生产提供了新的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新疆红心杏仁 新疆轮台县,粗脂肪含量为54.4%。

TD电子天平 余姚市金诺天平仪器有限公司；HH-S4数显恒温水浴锅 金坛市医疗仪器厂；101型电热鼓风干燥箱 北京市永光明医疗仪器厂；液氮低温超微粉碎装置 自主设计与组装；CBE-10L型亚临界流体萃取装置 河南亚临界生物技术有限公司；85-2A控温磁力搅拌器 常州市国立实验设备研究所；DL-4013飞鸽系列离心机 上海安宁科学仪器厂；GC-2000型气相色谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 操作要点 杏仁去皮、干燥:将杏仁放入80℃的热水中浸泡1min,去皮干燥72h,干燥温度50℃,保证水分含量控制在1.5%左右。

杏仁低温超微粉碎:为了避免杏仁油脂含量过高导致其在粉碎过程受热发粘,不易粉碎过筛,将杏仁与-100℃的液氮反应10s后,在3000r/min的转速下进行粉碎,不仅使杏仁本身酥脆易粉碎、易过筛,还能够保证其营养成分不会因粉碎产生的高温受到损失。

杏仁入料:将粉碎过筛后的杏仁装入筛绢,铺平卷入萃取釜中。筛绢目数为200目,相当于一层过滤膜,可有效地将杏仁油与粕完全分离,过滤掉油中的部分杂质,还有利于粕的统一收集及进一步综合利用。

低压脱溶:减压脱溶应先打开压缩机,抽至0.1MPa后,再打开真空泵连抽4次抽至-0.01MPa,最后依次关真空泵、压缩机和加热泵,萃取1次。

离心分离:在3500r/min转速下离心分离15min即得杏仁油。

1.2.3 杏仁油萃取率

杏仁油萃取率(%)=萃取的杏仁油质量/(杏仁原料×粗脂肪含量)×100

1.2.4 杏仁油单因素实验 通过选取杏仁原料粒度、萃取时间、萃取温度、料溶比这4个因素中的最佳参数,来确定单因素的最佳萃取条件。

1.2.4.1 原料粒度的选择 将粉碎好的杏仁分别过20、40、60目筛,以萃取率作为指标,选择最佳的原料粒度。

1.2.4.2 萃取时间的选择 将杏仁过40～60目,在料溶比为1∶4、萃取温度为45℃的条件下,确定萃取时间分别为10、20、30、40、50min时杏仁油的萃取率,选择最佳的萃取时间。

1.2.4.3 萃取温度的选择 将杏仁过40～60目，在萃取时间40min,料溶比为1∶4的条件下,确定萃取温度分别为35、40、45、50、55℃时杏仁油的萃取率,选择最佳萃取温度。

1.2.4.4 料溶比的选择 将杏仁过40～60目，在萃取时间为40min,萃取温度为50℃,确定料溶比分别为1∶2、1∶4、1∶6、1∶8时杏仁油的萃取率,选择最佳料溶比。

1.2.5 杏仁油工艺的优化 根据单因素实验得出较优的工艺条件为:物料粒度40～60目,萃取时间40min,萃取温度50℃,料溶比1∶6。在此基础上,以萃取率为响应值,选择萃取时间、萃取温度、料溶比这3个主要因素作为对萃取效果影响较大的实验因子进行响应面优化。

1.2.6 数学模型的建立 通过单因素实验得到因素水平表。采用SAS8.0统计分析软件[8]建立多元二次回归模型方程并进行方程分析,进一步优化杏仁油的提取工艺参数响应面分析方案及结果。

1.2.7 杏仁油质量指标测定 根据GB/T5009.37-2003,GB/T5530-1998,GB/T5532-2008,GB/T5534-2008和GB/T17377-2008等国家标准,对亚临界萃取后的杏仁油进行质量指标测定。

表1 因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 原料不同粒度对杏仁油萃取率的影响 由图1可得,萃取率随原料粒度减小而增加,在40～60目时萃取率最高,可达70.16%。但由于杏仁油粗脂肪含量较高,随着颗粒度的增加,过筛困难,易造成油脂损失,因此,选择40～60目为最佳粒度。

图1 原料粒度对萃取率的影响Fig.1 Effect of particle size on raw materials extraction rate

2.1.2 不同萃取时间对杏仁油萃取率的影响 由图2可知,随着萃取时间的增加,萃取率逐渐增加,当萃取时间在40min时萃取率达最高,之后随着时间的增加萃油过程随之降低趋于平衡。这可能是由于油料的油路堵塞,不能够继续出油,因此时间继续增加也不会使得萃取率升高。萃取时间为40min时为最佳提取时间。

图2 萃取时间对杏仁油萃取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on raw materials extraction rate

2.1.3 不同萃取温度对杏仁油萃取率的影响 由图3所示,随着萃取温度的逐渐增加,萃取率增加较快,当萃取温度达到50℃时,萃取率达到最高；但超过50℃后,随着萃取溶剂的气化程度的增加,与物料接触面积减小,使萃取速率逐渐下降。因此,萃取温度为50℃时为最佳萃取温度。但若从萃取率与能耗方面进行综合考虑,则可选择45℃最为优化萃取温度。

图3 萃取温度对杏仁油萃取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on raw materials extraction rate

2.1.4 不同料溶比对杏仁油萃取率的影响 从图4可以看出,随着料溶比的增加,萃取速率由快到慢,当料溶比在1∶6时,萃取率达最高。在料溶比为1∶8以后,趋于平衡。这可能是由于原料中含有较多的油脂,物料与之混合会使油脂的粘度下降,从而有利于油脂萃出；但当料溶比高于或低于一定比例时,物料与溶剂之间分子运动速率逐渐趋于平衡,反而不利于油脂的萃出。

图4 料溶比对杏仁油萃取的影响Fig.4 Effect of the proportion of dissolved material on raw materials extraction rate

2.2 响应面分析方案及结果

响应面分析及结果见表2。

根据表3所得的实验数据,运用SAS8.0统计软件进行数据处理[8],采用响应曲面统计法对实验数据进行拟合,建立了萃取率与萃取时间、萃取温度和料溶比相互关系的二次多项数学回归方程:

Y=86.68-2.14X1+3.13X2-2.15X3-12.28X1X2-1.86X1X3-1.72X2X3-4.17X12-4.03 X22+4.89X32

表2 响应面分析方案及结果Table 2 Design and result of response surface analysis

表3 回归模型系数及显著性检验结果Table 3 Regression coefficients and significant test for quadratic polynomial model equation

进一步对该回归模型进行显著性分析,响应曲面数据的方差分析结果见表3,分析结果显示模型中F=72.97>F0.05(9,9)=3.18,p<0.0001,表明回归模型极其显著,失拟项p=0.5025>0.1,表明失拟项不显著,说明该模型拟合程度良好,实验误差小；模型中的一次项、交叉项、平方项影响显著。通过分析表4可知负相关系数R2为0.9924,说明模型基本可以合理解释实验中所得杏仁油萃取率的变化,方程拟合程度较好。Y的变异系数(CV)与实验精确度成反比,本设计实验中的CV较低,为1.46%,说明实验精确度越高,由此可得回归方程符合模型建立。

表4 模拟的可信度分析Table 4 Confidence analysis of regression equation model

2.3 响应曲面分析与优化

通过对以下模型响应面以及相对应的等高线进行分析,并对模型进行验证,从而得到提取杏仁油的最佳优化条件。模型的响应曲面见图5～图7。

图5 Y=f(X1,X2)响应曲面立体图及等高线Fig.5 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X2)

图6 Y=f(X1,X3)响应曲面立体图及等高线Fig.6 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X3)

图7 Y=f(X2,X3)响应曲面立体图及等高线Fig.7 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X2,X3)

组图直观地反映了各因素对响应值的影响。由图5、图6可知,料溶比和萃取时间、萃取温度之间对杏仁油得率交互作用显著。由图7可知,萃取时间和萃取温度的交互作用显著。

图5～图7表明,杏仁的得率随萃取时间和萃取温度的上升而增大,随后逐渐缓慢,且每个影响因子对于杏仁油萃取率都有一个最佳稳定条件,因此,可以在实验范围内寻找到最优点。得到X1=0.58,X2=-0.62,X3=0.32,将这三个值代入变换式,得到最佳组合为:萃取时间为46min、萃取温度为41.9℃、料液比为1∶6.6g/mL,此时,模型预测杏仁油的最大萃取率为88.65%;

为检验模型预测的准确性,方便实际操作，将最佳条件调整为：萃取时间46min,萃取温度42℃，料液比1∶6.6g/mL，,所得萃取率分别为88.55%、88.63%、88.56%,平均值为88.58%(误差0.07%)。所得的回归方程的最大预测值与验证值非常接近,说明回归方程能较真实地反映各筛选因素的影响,建立的模型与实际情况比较吻合。因此,响应面法优化杏仁油萃取率的工艺条件是可行的。

2.4 杏仁油质量指标

根据国家标准[9]对亚临界萃取所得的杏仁油进行质量指标测定,结果见表5。

表5 亚临界萃取杏仁油的质量指标测定结果Table 5 The result of quality of Apricot oil was determined

由表5可得,亚临界萃取杏仁油油品较好,各项指标均符合《国家食用油卫生标准》(GB2716-2005)中对植物原油和食用植物油色泽、酸价、过氧化值和溶剂残留的要求,产品可省去现有复杂的精炼工艺。

3 结论

杏仁经过去皮、干燥、低温超微粉碎及过筛等一系列前处理,在单因素的基础上,确定了料溶比,萃取时间,萃取温度为主要影响因素；采用响应曲面分析法对亚临界丁烷萃取杏仁油率的工艺条件进行优化,采用Box-Behnken设计和SAS8.0软件分析确定最佳工艺参数:萃取时间为46min、萃取温度为42℃、料溶比为1∶6.6g/mL,此时,杏仁油的萃取率为88.58%。采用此法制得的杏仁油油品较佳,符合国家标准。通过深入研究更好的低温萃油工艺和技术,不仅对促进杏子产后加工业的发展,也对促进我区经济发展具有非常重要的现实意义。

[1]姚石,周如金,朱广文,等.杏仁油提取的各种工艺方法与研究[J].广东石油化工学院学报,2011,21(1):30-32.

[2]马力,陈永忠,陈隆升.油茶籽油不同提取方法的比较分析[J].农产品加工·学刊,2010(11):11-13.

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[8]黄燕,吴平.SAS统计分析及应用[M].北京:机械工业出版社.2006:202-252.

[9]《国家食用油卫生标准》 GB2716-2005.

Research of processing optimization of almond oil bysubcritical butane using response surface method

MA Yan,ZHANG Jian,ZHANG Qian,MENG Yi-na,ZOU Shu-ping,XU Ming-qiang,ZHANG Ping*

(Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Storage and Processing Institute,Urumqi 830091,China)

Xinjiang apricot cultivars varieties-Red almonds was used as research test material,the response surface method was used in optimizing the extract of almond oil by Subcritical Butane under certain operating conditions. Box-Behnken was designed,SAS8.0 was used in analyzing the effect of extract time,extract temperature,the proportion of dissolved material on almond oil yield.The result showed extract time was 46min,extract temperature was 42℃,the proportion of materials and solvents was 1∶6.6g/mL,the extraction rate of almond oil was 88.58%,and its quality indicators are in line with national standards.

subcritical butane;almond oil;process;extract;quality

2014-05-04

马燕(1984-)，女，硕士，助理研究员，研究方向：食品科学。

*通讯作者:张平(1964-)，男，博士，研究员，研究方向：食品科学。

农业部公益性行业(农业)科研专项课题(201003058-7)；“杏、李新型产品加工关键技术研究与示范”。

TS225.1+9

B

1002-0306(2015)03-0238-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.041