山桐子油的超临界CO2萃取工艺优化及脂肪酸组成分析

旷春桃

吴 斌2

唐宏伟1

向 舒1

贺剑扬1

(1. 中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 四川省林业科学研究院，四川 成都 610066)



山桐子油的超临界CO2萃取工艺优化及脂肪酸组成分析

旷春桃1

吴 斌2

唐宏伟1

向 舒1

贺剑扬1

(1. 中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 四川省林业科学研究院，四川 成都 610066)

为了充分利用山桐子资源，采用单因素试验和Box-Behnken试验设计优化山桐子油的超临界CO2萃取工艺，运用气相色谱—质谱(GC—MS)分析山桐子油的脂肪酸组成。结果表明：超临界CO2萃取山桐子油的优化工艺条件为萃取时间147 min，萃取温度53 ℃，萃取压力24 MPa；在该条件下，山桐子油得率为(38.25±0.41)%。山桐子油得率和影响因素间的回归模型极显著(P=0.000 9)。GC—MS结果表明，山桐子油主要由不饱和脂肪酸组成，不饱和脂肪酸含量为81.33%，亚油酸含量为71.43%。山桐子油是一种优质的食用油资源，超临界CO2可以高效萃取山桐子油。

山桐子油；超临界CO2萃取；脂肪酸

山桐子(IdesiaPolycarpa)是大风子科山桐子属落叶乔木，在中国陕西、甘肃、四川和湖南等省均有分布。山桐子是一种重要的油料资源，其干果中含油率35.0%～40.9%[1-2]。山桐子油中富含亚油酸、油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸，精炼后可以加工成优质的食用油[3]。此外，山桐子油也可用于生产生物柴油[4]、生物基润滑油[5]等，因此，开展山桐子油的绿色高效提取技术研究，将对中国食用油安全和生物质资源高效利用具有重要意义。

山桐子油中不饱和脂肪酸含量在85%以上[6]，其中人体内不能合成的亚油酸含量高于茶籽油和橄榄油等[7-8]，不饱和脂肪酸可以降血清总胆固醇水平，预防心血管疾病的发生[9-11]，因此，山桐子油有“21世纪长寿保健油”之称。刘春雷等[7]采用索氏法提取山桐子油(山桐子油得率为28.5%)，并对其脂肪酸组成进行了分析。吴发旺等[12]优化了冷榨法提取山桐子油的工艺，山桐子油得率为26.61%，亚油酸含量为67.30%。华婉等[13]采用不同方法提取山桐子油，索氏提取法的得率为35%，优于压榨法。超声波溶剂提取法提取的山桐子油橙黄清亮，提取效率高[14]，但是，目前中国尚未有超临界CO2萃取山桐子油的文献报道。本研究拟采用单因素试验和Box-Behnken试验设计优化超临界CO2萃取山桐子油的工艺，并对其脂肪酸组成进行分析，以期为山桐子油的高效加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

山桐子：四川省林业科学研究院；

CO2：食品级(>99.9%)，长沙高科气体有限公司；

其他试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

超临界萃取装置：HA121-50-01型，南通市华安超临界萃取设备有限公司；

气相色谱—质谱联用仪(GC—MS)：Clarcus 600T型，美国PerkinElmer 公司；

高速粉碎机：WK-10B型，山东青州市精诚机械制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取山桐子油 山桐子果实去果柄后粉碎，过筛，称取100 g过20目筛的山桐子放入萃取釜内，开启超临界CO2制冷装置，在试验的温度和压力下萃取，萃取完成后，从分离釜1和分离釜2中分出山桐子油，取出萃取釜中的山桐子渣。山桐子油的得率按式(1)计算：

(1)

式中：

Y——山桐子油得率，%；

m1——山桐子油的质量，g；

m2——山桐子的质量，g。

1.2.2 单因素试验设计 以萃取压力、萃取温度和萃取时间为因素，考察各因素对山桐子油的影响。

(1) 萃取压力对山桐子油得率的影响：固定萃取温度45 ℃，萃取时间120 min，考察萃取压力(15.0，20.0，25.0，30.0，35.0 MPa)对山桐子油得率的影响。

(2) 萃取温度对山桐子油得率的影响：固定萃取压力25 MPa，萃取时间120 min，考察萃取温度(35.0，40.0，45.0，50.0，55.0 ℃)对山桐子油得率的影响。

(3) 萃取时间对山桐子油得率的影响：固定萃取压力25 MPa，萃取温度45 ℃，考察萃取时间(60，90，120，150，180 min)对山桐子油得率的影响。

1.2.3 响应面优化 根据单因素试验结果，选择萃取压力、萃取温度和萃取时间为影响因素，得率为响应值，采用响应面中的Box-Behnken设计方法进一步对超临界CO2萃取山桐子油的工艺进行优化，并对其数据进行回归分析[15-16]。

1.2.4 山桐子油的脂肪酸成分分析 参考文献[17～19]制备GC—MS分析用脂肪酸甲酯化样品。采用NIST谱库，计算机检索和人工解析进行定性分析；采用面积归一化法对脂肪酸进行定量分析。

(1) GC条件：HP-FFAP极性毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升温程序：初温80 ℃，保持1 min，15 ℃/min 升至200 ℃，然后以3 ℃/min升至 210 ℃，最后以1 ℃/min升至230 ℃；载气(He)流速1.0 mL/min；进样量：1.0 μL；分流比20∶1。

(2) MS条件：EI离子源；电子能量70 eV；离子源温度200 ℃；质量扫描范围m/z40～600。

2 结果与分析

2.1 萃取压力对山桐子油得率的影响

由图1可知，萃取压力从15 MPa增加到25 MPa，山桐子油得率增加，再增加萃取压力，得率下降。因为萃取温度一定时，随着萃取压力的增大，CO2的密度增大，山桐子油在CO2中的溶解度增大，得率增加，当达到一定萃取压力后，CO2的黏度增大，扩散性能降低，得率下降[20-21]，同时，萃取压力太高，对设备的耐压性和密封性要求更高，会缩短设备使用寿命。因此，适宜的萃取压力为25 MPa左右。

图1 萃取压力对山桐子油得率的影响Figure 1 Effect of extraction pressure on yield ofIdesia polycarpa oil

2.2 萃取温度对山桐子油得率的影响

由图2可知，温度从35 ℃增加到50 ℃，山桐子油的得率增加，因为随温度升高，山桐子油在超临界CO2中的扩散系数增大，有利于山桐子油的萃取。再升高萃取温度，得率下降，因为随温度升高，超临界CO2的密度下降，山桐子油在超临界CO2中的溶解度下降[22-24]，因此，综合考虑山桐子油得率和节能，适宜萃取温度为45～50 ℃。

图2 萃取温度对山桐子油得率的影响Figure 2 Effect of extraction temperature on yieldIdesia polycarpa oil

2.3 萃取时间对山桐子油得率的影响

由图3可知，山桐子油的得率随萃取时间的增加先增加，然后减少。因为萃取时间越长，传质效果越好，得率会随之增加，当萃取时间达到120 min后，山桐子油基本萃取完全，再延长萃取时间，已经萃取出来的山桐子油会被CO2带出分离釜，导致得率减少[20]。因此，适宜的萃取时间为120 min左右。

2.4 响应曲面法优化山桐子油的萃取工艺

在单因素试验的基础上，以山桐子油的得率为响应值，采用Box-Behnken试验设计进一步优化萃取时间、萃取温度和萃取压力对山桐子油得率的影响，因素和水平见表1，响应面试验结果见表2，方差分析结果见表3。

图3 萃取时间对山桐子油得率的影响Figure 3 Effect of extraction time on yield ofIdesia polycarpa oil表1 响应面试验因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

水平A萃取时间/minB萃取温度/℃C萃取压力/MPa-19045200120502511505530

表2 响应面试验结果Table 2 Results of response surface experiment

运用Design-Expert 7.1.3软件对表2的试验数据进行多元回归分析，得到的二次多项回归方程为：

Y=38.01+2.77A+1.51B-0.39C+1.29AB-2.16BC-4.95A2-2.85B2-3.16C2。

(2)

由表3可知，A、A2、B2和C2对山桐子油得率的影响极显著，B和BC的影响显著，因素C在试验选定的区域内影响不显著。各因素对山桐子油得率的影响依次为萃取时间>萃取温度>萃取压力。

表3 方差分析†Table 3 Analysis of variance

† **表示极显著(P <0.01)，*表示显著(P<0.05)。

二次多项回归方程的响应曲面图见图4、5。等高线的形状可反映交互作用的强弱，椭圆形表示交互作用显著，圆形表示交互作用不显著[25]。由图4可知，萃取压力一定时，山桐子油得率随萃取时间的增加先增加后减少，而山桐子油得率随萃取温度变化相对较为平缓，说明萃取时间对山桐子油得率影响大，萃取时间和萃取温度交互作用不显著。

图4 时间和温度对山桐子油得率影响的响应面

Figure 4 Response surface showing the effect of time and temperature on yield ofIdesiapolycarpaoil

图5 温度和压力对山桐子油得率影响的响应面

Figure 5 Response surface showing the effect of temperature and pressure on yield ofIdesiapolycarpaoil

由图5可知，山桐子油得率随萃取压力和萃取温度增加，开始时呈显著增加，然后变化比较平缓。温度对超临界CO2萃取山桐子油有两个方面的影响，一方面，随温度升高，超临界CO2的密度减少，山桐子油在超临界CO2中溶解度下降，另一方面，温度增加，山桐子油在超临界CO2中的扩散系数增大[22-23]。压力的影响也有两个方面，压力增加，超临界CO2密度增加，有利用山桐子油的萃取，但超临界CO2粘度增加，不利于山桐子油的萃取[20-21]，上述结果与单因素试验结果一致。

Design-Expert 7.1.3软件对回归方程求解，得到山桐子油的最佳萃取工艺为：萃取时间147.24 min，萃取温度52.83 ℃，萃取压力23.72 MPa，得率37.26%。为实际操作的可控性，将试验条件调整为萃取时间147 min，萃取温度53 ℃，萃取压力24 MPa，在该条件进行重复实验3次，山桐子油的平均得率为(38.25±0.41)%，与预测值基本一致，说明根据回归模型得到工艺参数准确可靠。

2.5 山桐子油中脂肪酸组成分析

山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS总离子流色谱图见图6。由表4可知，从山桐子油中鉴定出7中脂肪酸，鉴定成分的含量为97.99%，不饱和脂肪酸含量为81.33%，亚油酸含量高达71.43%。亚油酸是一种人体必需又不能合成的不饱和脂肪酸，它能降低血液中的胆固醇，同时具有抗癌作用，参与机体免疫调节、细胞生长与凋亡等。因此，山桐子油是一种优质的食用油资源，同时也具有潜在的药用价值。

图6 山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS总离子流色谱图

Figure 6 GC—MS total ion chromatogram of fatty acid methyl ester inIdesiaPolycarpaoil

表4 山桐子油中脂肪酸甲酯含量Table 4 Content of fatty acid methyl ester inIdesia Polycarpa oil

3 结论

采用超临界CO2萃取山桐子油，运用单因素试验和Box-Behnken试验获得了其优化工艺条件：萃取时间147 min，萃取温度53 ℃，萃取压力24 MPa，该条件下，山桐子油得率为(38.25±0.41)%，超临界CO2法是一种绿色、高效的萃取山桐子油的方法。

采用GC—MS分析了山桐子油的脂肪酸组成，山桐子油中不饱和脂肪酸含量为81.33%，亚油酸含量为71.43%。

山桐子油需经过脱色、脱酸和脱胶等过程方能达到食用要求，下一步可以在山桐子油的精炼方面进行系统研究。

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Supercritical CO2extraction of Idesia Polycarpa oil and analysis of its fatty acid composition

KUANG Chun-tao1

WUBin2

TANGHong-wei1

XIANGShu1

HEJian-yang1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.SichuanAcademyofForestry,Chengdu,Sichuan610066,China)

To make full use ofIdesiapolycarparesource, the optimum conditions of extracting oil inI.Polycarpaby supercritical CO2were studied by single factor and Box- Behnken designs, and the fatty acid composition of this oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the yield of the oil inI.polycarpaextracted by supercritical CO2was (38.25±0.41)%, when extracted at 24 MPa and 53 ℃ for 147 min. Moreover, the regression model between yield and influence factors was very significant (P=0.000 9). In addition, the results of GC-MS showed that the total content of unsaturated fatty acid in the oil was 81.33%, and that of linoleic acid was 71.43%. In conclusion, the oil extracted fromI.polycarpais an edible oil resource with high quality, and could be efficiently extracted by using supercritical CO2.

Idesiapolycarpaoil; supercritical CO2extraction; response surface methodology; fatty acid

国家林业公益性行业科研专项(编号：201204811)

旷春桃(1973-)，男，中南林业科技大学副教授，博士。 E-mail:hnkct@163.com

2016-08-29

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.035