响应面法优化高压脉冲电场辅助提取海鲫鱼内脏油脂工艺

孙丽霞，杨　　红，张丽芳，周利琴，廖丹葵，3，孙建华，3，*

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.广西理工科学实验中心，广西南宁530004；3.广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004）

响应面法优化高压脉冲电场辅助提取海鲫鱼内脏油脂工艺

孙丽霞1，2，杨红1，张丽芳1，周利琴1，廖丹葵1，2，3，孙建华1，2，3，*

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.广西理工科学实验中心，广西南宁530004；3.广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004）

采用高压脉冲电场技术从海鲫鱼内脏提取油脂，以提取率为指标，在单因素实验基础上设计响应面法实验，考察了高压脉冲电场强度、脉冲频率、提取时间及液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响，得到最优提取工艺条件为：电场强度18 kV·cm-1，脉冲频率300 Hz，提取时间65 min，液固比1∶1，此时提取率为15.18%。通过回归方程拟合和响应曲面分析，得到二次多项式提取回归模型，经验证实验值与模型预测值拟合性良好，该模型可用于预测海鲫鱼内脏油脂提取率。

海鲫鱼内脏，高压脉冲电场，油脂提取，响应面法

海鲫鱼俗名九九鱼、海鱮或福鲫，主要活动于北太平洋西部，其营养价值高，油脂含量丰富，常作为水产渔业加工的优质鱼类。海鱼加工过程产生大量的鱼内脏，或作为废弃物被丢弃，或简单加工为动物饲料，其经济价值较低。从内脏中提取油脂作为保健品和医药品原料，在拓宽鱼内脏再利用和提高加工效率方面具有重要的现实意义。

油脂提取主要有蒸煮法、压榨法、溶剂法、超声波萃取法、低碱水解法、超临界萃取法等［1-5］。高压脉冲电场技术是一种新型的食品加工技术，其利用瞬间脉冲高压电对细胞实施穿孔破壁，达到膜电位混乱且发生不可逆的破裂，在常温下加速细胞内极性分子及官能团的定向排列，使活性成分流出。该技术最早用于食品杀菌，近年来的研究发现该技术以其均匀的非热性传递、高效率、低能耗、有效保护食品营养成分和天然色香味等优势广泛应用于天然产物活性物质的提取［6-10］。

本文采用高压脉冲电场提取技术，对海鲫鱼内脏中油脂进行提取，在单因素基础上通过响应面法（Response Surface Methodology，RSM）建立并优化提取模型，以期为后续海鱼废弃内脏中油脂的提取工艺提供基础数据和理论模型。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

海鲫鱼广西南宁江南海产品批发市场，2～3龄，体重约2～3 kg。

SHVP-104R1000型高压脉冲电源天津圣火电子科技公司；AE240型电子分析天平瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器郑州长城科工贸有限公司；H1650型离心机湖南湘仪离心机有限公司。

1.2实验方法

1.2.1海鲫鱼内脏油脂提取将海鲫鱼去除胆囊、鱼鳔及肠道消化物，其余内脏部分洗净经绞肉机绞碎收藏于-40℃冰箱中待用［11］。准确称取20.00 g海鲫鱼内脏置于烧杯中，按一定比例加入去离子水，调节高压脉冲电场两电极板间电压，极板间距为1 cm，调节电场脉冲频率，维持提取温度为30℃，电场作用后取出处理液，采用离心机在4000 r·min-1下离心20 min，经油水分离取上层油脂称重，按公式（1）计算海鲫鱼内脏油脂提取率［12］。

式中，m表示高压脉冲电场提取经离心所得油脂质量，g；M表示海鲫鱼内脏物质量，g。

1.2.2单因素实验

1.2.2.1高压脉冲电场强度对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响以液固比为1∶1，高压脉冲电场频率为300 Hz，环境温度为30℃，高压脉冲电场作用下提取30 min，分别在电场强度12、14、16、18、20 kV·cm-1下进行提取实验，油水分离称量油脂并计算海鲫鱼内脏油脂提取率，每个条件重复三次，取平均值作为提取率。

1.2.2.2脉冲频率对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响以液固比为1∶1，脉冲电场强度采用上述实验所选结果，环境温度为30℃，高压脉冲电场中进行30 min提取，分别考察脉冲频率为100、200、300、400、500 Hz时的海鲫鱼内脏油脂提取率，每个条件重复三次，取平均值作为提取率。

1.2.2.3高压脉冲电场提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响以液固比为1∶1，电场强度及脉冲频率采用上述实验所选结果，环境温度为30℃，考察提取时间分别为15、30、45、60、75 min的海鲫鱼内脏油脂提取率，每个条件重复三次，取平均值作为提取率。

1.2.2.4液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响电场强度、脉冲频率及电场提取时间均采用上述实验所选出结果，提取过程维持30℃的环境温度，考察液固比分别为0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1时海鲫鱼内脏油脂提取率，每个条件重复三次，取平均值作为提取率。

1.2.3响应面优化实验综合单因素结果，考察高压脉冲电场强度、脉冲频率、电场提取时间及液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率的交互影响。依据实验因素Box-Behnken的中心组合实验设计［13-19］，如表1所示，选取高压脉冲电场强度（x1）、脉冲频率（x2）、电场提取时间（x3）及液固比（x4）四个因素为变量，海鲫鱼内脏油脂提取率为响应值，建立四元交互二次多项式模型方程，如公式（2）所示。

表1　响应面分析因素与水平表Table 1　Factors and levels of response surface analysis

1.3数据处理

用Design-Expert 8.0软件程序，根据Box-Behnken实验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法，以海鲫鱼内脏油脂提取率为响应值对提取条件进行优化。

2　结果与分析

2.1高压脉冲电场强度对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响

脉冲电场作用30min，电场强度对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响如图1所示。

图1　电场强度对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响Fig.1　Effect of electric field intensity on extraction yield of ditrema offal oil

从图1可以看出，海鲫鱼内脏在电场强度为12～16 kV·cm-1的作用范围内，随着电场强度的增大提取率明显增大，当电场强度达到16 kV·cm-1后提取率增大趋势不明显。根据高压脉冲电场的介电破坏理论［20-22］，海鲫鱼内脏处于一定强度的脉冲电场中时，内脏细胞膜分子受到的电场力和分子间其他作用力处于动态平衡状态，膜结构相对稳定，随着脉冲电场强度的增大，电场作用力对细胞膜的作用增强，细胞膜极化程度增大，细胞膜变薄且通透性提高，形成电穿孔后胞内物通过细胞膜流出，有效成分释放能力增强，提取率明显增大。细胞通透性改变至胞内物完全溶出后，即使电场强度继续增大，体系中提取率增大趋势也不明显。从图1中可看出16 kV·cm-1时海鲫鱼内脏油脂提取率已趋于最大，因此选择脉冲电场强度为16 kV·cm-1作为内脏油脂提取的最佳电场强度。

2.2高压脉冲电场频率对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响

在电场强度为16 kV·cm-1的脉冲电场下，考察高压脉冲电场频率对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响，结果如图2所示。

图2　脉冲频率对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响Fig.2　Effect of pulse frequency on extraction yield of ditrema offal oil

从图2可知，随着脉冲频率的增大，海鲫鱼内脏油脂提取率增大。当脉冲频率超过300 Hz后，海鲫鱼内脏油脂提取率略微有所下降。这主要是由于在相同的电场作用力下，脉冲电场频率越大给细胞膜带来的不可逆破坏程度越大，直到致使内脏油脂完全释放。但电场频率进一步的增大会造成油脂颗粒的破坏，导致后续油脂收集的损失，即海鲫鱼内脏油脂提取率降低，因此实验选取的脉冲频率为300 Hz。

2.3电场提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响

在电场强度为16 kV·cm-1，频率为300 Hz的脉冲电场下，考察电场提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响，结果如图3所示。

图3　提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响Fig.3　Effect of electric field time on extraction yield of ditrema offal oil

从图3可看出，随着电场提取时间的增加，海鲫鱼内脏油脂提取率增加。这是因为电场作用力对细胞膜进行持续的作用，导致细胞膜通透性改变。提取时间越长，海鲫鱼内脏中油脂溶出越多。从图3中可知45 min后提取率增加的趋势变缓，这由于细胞膜已基本破坏，内脏所含的油脂成分已基本溶出，提取率增加趋势变缓。由于电场提取时间增长油脂的色泽变深，从油脂品质上考虑，提取时间选定45 min为后续实验提取时间。

2.4液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响

在电场强度为16 kV·cm-1，频率为300 Hz的脉冲电场下提取45 min，考察液固比对提取率的影响，结果如图4所示。

图4　液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率的影响Fig.4　Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of ditrema offal oil

从图4可知，提取率随液固比增大而减小。这可能是由于液体量增加使得内脏细胞活动空间增大，细胞所承受的脉冲电场作用力减弱，导致有效成分溶出减少，提取率下降。由于液固比为0.5∶1时，体系物料粘稠亦不利于油脂的分离，所以液固比选取1∶1。

2.5响应面法优化提取工艺

根据上述单因素实验结果，采用Design Expert 8.0中的Box-Benhnken实验设计四因素三水平的响应面法实验，共计29个实验点，其中24个为分析点，5个中心零点作为估计误差，实验设计及结果如表2所示。

采用Design-Expert软件对表2中的实验结果进行二次多元回归拟合，式（3）为所得回归拟合方程。

Y=-30.14802083+3.158625x1+0.022405833x2+ 0.151663889x3+14.1228333x4+0.00050625x1x2+ 0.001125x1x3-0.31375x1x4-0.0000975x2x3-0.00945x2x4+ 0.008166667x3x4-0.083140625x12-0.000023475x22-0.001108611x32-2.696x42式（3）

对回归拟合模型方程进行方差分析，分析结果如表3所示。

从表3中可以看出，模型方程p＜0.0001，说明方程极为显著，方程的失拟项p=0.4248＞0.05，为不显著，说明模型方程对实验拟合良好，误差小，回归方程可以用来拟合实验结果。表3拟合模型方程的调整确定系数R2Adj=0.9854，说明预测值与实测值之间具有高度的相关性，拟合模型能解释98.54%响应值的变化，而变异系数CV%为1.71%，说明方程置信度较高，能用此模型方程分析响应值的变化。

表2　响应面实验设计与结果Table 2　Experimental design and results of response surface analysis

表3　回归方程的方差分析Table 3　Variance analysis of regression equation

对回归方程进行显著性检验，结果见表4。

从回归方程显著性检验表4可以看出，因素x1、x2、x3、x4、x1x4、x2x3、x2x4、x12、x22、x32和x42极显著，即脉冲电场强度、脉冲频率、提取时间、液固比、电场强度和液固比交互项、脉冲频率与提取时间交互项、脉冲频率和液固比的交互项以及电场强度、脉冲频率、提取时间和液固比各自的平方项极显著。因素x1x2显著，即电场强度与脉冲频率交互项显著。由此说明各实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。各因素交互作用的响应面及等高趋势线图分别见图5～图10。

表4　回归系数显著性检验Table 4　Significance test of each regression coefficient

图5　电场强度和脉冲频率对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.5　Response surface plot showing the effect of electric field intensity and impulse frequency on extraction yield of ditrema offal oil

图5～图10直观反映了各因素交互关系对响应值海鲫鱼内脏油脂提取率的影响。图5中的等高趋势线呈椭圆形，可以看出电场强度和脉冲频率交互作用显著，且图5中电场强度对提取率的曲线较脉冲频率对提取率曲线陡峭，电场强度对提取率的影响程度大于脉冲频率；从图6中等高趋势线和曲面可以看出电场强度和提取时间交互作用不显著，且图6中电场强度对提取率的曲线较提取时间对提取率曲线陡峭，电场强度对提取率的影响程度大于提取时间；图7的等高趋势线呈椭圆形，可以看出电场强度和液固比交互作用显著，且图7中电场强度对提取率的曲线较液固比对提取率曲线陡峭，电场强度对提取率的影响程度大于液固比；从图8等高趋势线呈椭圆形，可以看出脉冲频率和提取时间交互作用显著，且图8中提取时间对提取率的曲线较脉冲频率对提取率曲线陡峭，提取时间对提取率的影响程度大于脉冲频率；从图9等高趋势线呈椭圆形，可以看出脉冲频率和液固比交互作用显著，且图9中液固比对提取率的曲线较脉冲频率对提取率曲线陡峭，液固比对提取率的影响程度大于脉冲频率；从图10中等高趋势线和曲面可以看出提取时间对提取率的曲线较液固比对提取率曲线陡峭，提取时间对提取率的影响程度大于液固比。从等高趋势线可以看出提取过程各因素对提取率影响顺序是：电场强度＞提取时间＞液固比＞脉冲频率，与回归方程系数显著性检验一致。

对二次回归方程式（3）中提取率y的极值分析，可得到海鲫鱼内脏油脂提取率的最大值，并获得相应的自变量x1、x2、x3和x4取值，即获得理论最佳工艺条件为：电场强度为18.27 kV·cm-1，脉冲频率为306.70 Hz，提取时间为68.33 min，液固比为1.12∶1。考虑实验条件、操作可行性及油脂质量，对最佳工艺条件进行修正：电场强度为18 kV·cm-1，脉冲频率为300 Hz，提取时间为65 min，液固比为1∶1，以此提取条件检验响应面法的可靠性，进行三次重复实验验证，得到海鲫鱼内脏油脂的提取率实际平均值为15.18%，式（3）模型理论预测提取率15.25%，相对误差为0.07%，所拟合的提取模型拟合性良好，可用来预测海鲫鱼内脏油脂提取率，具有一定的实际应用价值。

图6　电场强度和提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.6　Response surface plot showing the effect of electric field intensity and extraction time on extraction yield of ditrema offal oil

图7　电场强度和液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.7　Response surface plot showing the effect of electric field intensity and liquid-solid ratio on extraction yield of ditrema offal oil

图8　脉冲频率和提取时间对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.8　Response surface plot showing the effect of impulse frequency and extraction time on extraction yield of ditrema offal oil

图9　脉冲频率和液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.9　Response surface plot showing the effect of impulse frequency and liquid-solid ratio on extraction yield of ditrema offal oil

图10　提取时间和液固比对海鲫鱼内脏油脂提取率交互作用的响应面图Fig.10　Response surface plot showing the effect of extraction time and liquid-solid ratio on extraction yield of ditrema offal oil

3　结论

首次应用高压脉冲电场法从海鲫鱼内脏中提取油脂，最优提取工艺条件为：高压脉冲电场强度为18 kV·cm-1，脉冲频率为300 Hz，提取时间为65 min，液固比为1∶1，海鲫鱼内脏油脂提取率为15.18%，模型预测值与实验值相对误差为0.07%，拟合效果良好。高压脉冲电场技术操作简单且绿色环保，为海鲫鱼内脏的高值化加工提供了一定的参考价值，拓宽了该技术在食品加工领域的应用。

［1］张佰帅，王宝维.动物油脂提取及加工技术研究进展［J］.中国油脂，2010，35（12）：8-11.

［2］罗蔓莉，李学英，王大忠，等.油脂提取技术研究现状［J］.现代农业科技，2013，23：297-299.

［3］Namita Pragya，Krishan K Pandey，P K Sahoo.A review on harvesting，oil extraction and biofuels production technologies from microalgae［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，24：159-171.

［4］王海磊，罗庆华，黄美娥.鱼油的提取方法及精制工艺探讨［J］.湖南农业科学，2012，17：99-102.

［5］王鑫钰，曾小群，潘道东，等.现代高新技术在水产品加工中的应用［J］.食品工业科技，2014，35（18）：391-394，399.

［6］A Rawson，A Patras，B K Tiwari，et al.Effect of thermal and non thermal processing technologies on the bioactive content of exotic fruits and their products：Review of recent advances［J］. Food Research International，2011，44：1875-1887.

［7］Manuela Guderjan，Pedro Elez-Martínez，Dietrich Knorr. Application of pulsed electric fields at oil yield and content of functional food ingredients at the production of rapeseed oil［J］. Innovative Food Science and Emerging Technologies，2007，8（1）：55-62.

［8］梁琦，杨瑞金，赵伟，等.高压脉冲电场对油酸的影响［J］.食品工业科技，2009，30（4）：86-89.

［9］孙建华，韦泽沼，刘斌，等.响应面法优化高压脉冲电场提取匙羹藤总皂苷［J］.广西大学学报：自然科学版，2011，36（3）：363-368.

［10］卢沿钢，董全.高压脉冲电场提取食品中天然产物的研究进展［J］.食品与机械，2012，28（1）：243-246，274.

［11］王海磊，罗庆华，黄美娥，等.鲢鱼内脏油提取方法的比较研究［J］.食品工业科技，2013，34（24）：248-252，257.

［12］易翠平，钟春梅.二步提取法中鱼内脏油的浸出工艺优化［J］.食品工业科技，2013，34（14）：242-245，250.

［13］Haiyan Fu，Pengcheng Xu，Guohe Huang，et al.Effects of aeration parameters on effluent quality and membrane fouling in a submerged membrane bioreactor using Box-Behnken response surface methodology［J］.Desalination，2012，302：33-42.

［14］Jieping Fan，Jing Cao，Xuehong Zhang，et al.Optimization of ionic liquid based ultrasonic assisted extraction of puerarin from Radix Puerariae Lobatae by response surface methodology［J］. Food Chemistry，2012，135（4）：2299-2306.

［15］宋倩，赵声兰，刘彬球，等.响应面法优化核桃壳总黄酮提取工艺的研究［J］.食品工业科技，2013，34（11），214-217.

［16］罗光宏，张喜峰，张丽娟，等.响应面法优化双水相萃取棉花叶中总黄酮的研究［J］.食品工业科技，2014（16）：196-200.

［17］Mostafa Khajeh.Response surface modelling of lead preconcentration from food samples by miniaturised homogenous liquid-liquid solvent extraction：Box-Behnken design［J］.Food Chemistry，2011，129：1832-1838.

［18］J Prakash Maran，S Manikandan，V Mekala.Modeling and optimization of betalain extraction from Opuntia ficus-indica using Box-Behnken design with desirability function［J］.Industrial Crops and Products，2013，49：304-311.

［19］J Prakash Maran，S Manikandan，K Thirugnanasambandham，et al.Box-Behnken design based statistical modeling for ultrasound-assisted extraction of corn silk polysaccharide［J］. Carbohydrate Polymers，2013，92：604-411.

［20］Allen L Garner，George Chen，Nianyong Chen，et al.Ultrashort electric pulse induced changes in cellular dielectric properties［J］. BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications，2007，362（1）：139-144.

［21］张晓辉，张志霞，李艳贞，等.基于细胞多层介电模型的脉冲电场生物学效应研究［J］.农业机械学报，2014，45（4）：253-258，283.

［22］A Janositz，D Knorr.Microscopic visualization of Pulsed Electric Field induced changes on plant cellular level［J］. Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010（11）：592-597.

Optimization of high voltage pulsed electric field on assisted extraction process of oil from ditrema offal by response surface methodology

SUN Li-xia1，2，YANG Hong1，ZHANG Li-fang1，ZHOU Li-qin1，LIAO Dan-kui1，2，3，SUN Jian-hua1，2，3，*
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi Experiment Centre of Science and Technology，Nanning 530004，China；3.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，Nanning 530004，China）

The oil was extracted from ditrema offal by high voltage pulsed electric field.Extraction yield was optimized by response surface methodology（RSM）on the basis of a single factor.The effect of electric field intensity，pulse frequency，extraction time and liquid-solid ratio on extraction yield of oil were investigated.The optimum extraction process conditions were as follows：the electric field intensity 18 kV·cm-1，pulse frequency 300 Hz，extraction time 65 min and liquid-solid ratio 1∶1.Under those，the actual extraction yield of oil was 15.18%.The quadratic polynomial regression model was obtained by the regression equation fitting and response surface analysis.The predictive and experimental results were found to be in good agreement.Thus，the model was applicable for the prediction of the extraction yield of oil from ditrema offal.

ditrema offal；high voltage pulsed electric field；oil extraction；response surface methodology（RSM）

TS254.9

B

1002-0306（2015）16-0232-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.16.039

2015－01－04

孙丽霞（1984-），女，讲师，研究方向：精细化工，E-mail：binglin0628@163.com。

孙建华（1978-），男，高级工程师，研究方向：精细化工，E-mail：sunjhgx@163.com。

广西自然科学基金项目（2012GXNSFBA053027）；广西理工科学实验中心运行课题（YXKT2014032）。