模型优化塔拉籽油的超临界制备工艺

李占君 张厚良 徐宜彬 马珂 姚彦文 杨逢建

摘 要：为研究塔拉籽油的超临界提取工艺，以单因素实验为基础，对影响油脂得率的因素进行响应面的优化，分析提取所得油脂的脂肪酸构成和理化特性。优化结果得出最佳影响因素为：60目塔拉籽粉末100 g，温度45 ℃，压强32 MPa，时间109 min，实际操作得率的算术平均值为18.95%，预期得率19.38%，相对误差为2.2%。塔拉籽油脂肪酸类型8种，代表性不饱和脂肪酸为亚油酸，其相对含量可达65.36%。超临界酸值与索氏提取所得油脂酸值为2.899～2.993 mg /g，碘值为0.153 5～0.153 7 mg/g，因此塔拉籽油的不饱和程度、干燥性和氧化稳定性较好。研究结果证实了超临界提取不影响原有脂肪酸构成，并对油脂品质有改良作用，能够实现塔拉籽油的高效提取，为塔拉籽油的制备提供数据参考。

关键词：塔拉籽油;超临界;索氏;响应面法优化;脂肪酸构成;理化性质

中图分类号：TQ644.4;TQ654.2  文献标识码：A  文章编号：1006-8023（2021）04-0079-08

Model Optimization of Supercritical Preparation

Process of Tara Seed Oil

LI Zhanjun1， ZHANG Houliang1， XU Yibin1， MA Ke1， YAO Yanwen1， YANG Fengjian2*

（1.Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Yichun 153000， China;

2.Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the supercritical extraction process of tara seed oil， based on the single factor experiments， response surface optimization was carried out on the factors affecting the oil yield， and the fatty acid composition and physicochemical properties of the oil were analyzed. The results showed that the best influencing factors were as follows： 60 mesh tara seed powder 100 g， temperature 45 ℃， pressure 32 MPa， time 109 min. The arithmetic mean of the actual yield was 18.95%， the expected yield was 19.38%， and the relative error was 2.2%. There were 8 types of fatty acids in tara seed oil， and the representative unsaturated fatty acid was linoleic acid， the relative content of which was up to 65.36%. The acid value of supercritical acid value and the oil obtained from Soxhlet extraction had an acid value of 2.899-2.993 （mg /g）， an iodine value of 0.153 5-0.153 7 mg/g. Therefore， the degree of unsaturation， drying and oxidation stability of tara seed oil was better. The results confirmed that， supercritical extraction did not affect the original fatty acid composition and had an effect on improving the quality of oil， which realized the efficient extraction， and provide scientific and data reference for the preparation of tara seed oil.

Keywords：Tara seed oil; supercritical; Soxhlet; response surface optimization; fatty acid composition; physical and chemical properties

收稿日期：2021-01-15

基金項目：中央引导地方科技发展专项（ ZY19C 11）; 黑龙江省伊春市青年基金科技项目（Q2020-1）

第一作者简介：李占君，硕士，工程师。研究方向为植物资源学、植物天然产物分离及鉴定。 E-mail： lizhanjun.1@163.com

*通信作者：杨逢建，博士，教授。研究方向为植物资源。E-mail： yangfj@nefu.edu.cn.

引文格式：李占君，张厚良，徐宜彬，等. 模型优化塔拉籽油的超临界制备工艺[J]. 森林工程，2021，37（4）：79-86.

LI Z J， ZHANG H L， XU Y B， et al. Model optimization of supercritical preparation process of tara seed oil[J]. Forest Engineering，2021，37（4）：79-86.

0 引言

塔拉（Caesalpinia spinosa Kuntze）原产于北美洲，主产地秘鲁，其产量为全世界总产量的80%[1-3]。塔拉在植物分类学中为苏木亚科中的云实属，一种多年生珍贵资源植物[4]。生存环境为降水量少、太阳照射时间长的特征区域，近年来塔拉在我国（云南）已经成功引种并大面积成林[5]。成熟饱满塔拉种子内部主要由胚蛋白、单宁类物质以及天然性脂肪酸甘油酯这几类物质构成。种子内部所含油脂以不饱和脂肪酸甘油酯为主，其相对含量可达90%以上;特别是亚麻酸甘油酯相对含量可达64%[6]。因此塔拉籽油具有较高的营养价值，在日化、食品、保健品和医药领域发挥巨大的作用[7]。

现阶段塔拉籽油脂相关性研究主要集中在传统索氏提取、塔拉籽油的超声辅助提取以及塔拉籽油的氧化稳定性（人工合成或天然抗氧化剂的干预）等方面。目前仍未见得应用响应面法对塔拉籽油的超临界提取工艺予以优化的相关报道。活性成分提取的方式包括：常温自然浸提、传统索氏、挥发性物质蒸馏回流、超声辅助提取、微波辅助提取、超声-微波协同辅助提取以及超临界[8]。超临界的使用一方面可以保证活性物质原有稳定性;另一方面能够实现目标活性物质的高质、高效和零溶剂残留提取的目的[9]。因此超临界提取在生物医药工程、医学检验、生物检验和食品检测方面具有较高的认可度和实际应用性[10]。

本研究将超临界CO2流体提取技术应用于塔拉籽油的提取，以单因素实验为前提，分析得出各影响因素的影响规律以及上限阈值，再以响应面法（RSM）对整体工艺影响因素进行分析和优化。对超临界CO2流体提取得到的塔拉籽油进行了脂肪酸构成和理化性质方面对比分析。

1 材料与方法

1.1 原料

塔拉籽（品质优良，2017年云南昆明收集），液化CO2（哈尔滨气体公司），95%乙醇（天津市科密欧化学试剂有限公司）。

1.2 仪器

理化干燥箱（型号：LG 100 B，上海仪器总厂）;中药粉碎机（型号：FW-135，天津奈斯特仪器有限公司）;标准分样筛（型号：JH0004，迪胜）;电子分析天平（型号：UH620H，日本SHIMADZU岛津）;超临界提取装置（型号：HA121-50-01-1 L，海安华安超临界设备有限公司）等。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备

对塔拉籽依次进行如下处理：

（1）第一次60 ℃低温烘干控水（未经粉碎），低速点式粉碎，过筛获取60目粉末。

（2）第二次60 ℃低温烘干控水（60目粉末，含水率≤5%）备用[11]。

1.3.2 超临界提取和得率的计算

将60目塔拉籽粉末定量装入提取釜中，以完成物料的装配。提取过程中研究压强（MPa）、时间（min）和体系内部温度（℃）对塔拉籽油得率的影响。塔拉籽油得率计算公式为：

Y=（M1-M2）/M1×100%。

式中：M1为提取前粉末样质量，g; M2为提取后的粕质量，g。

1.4 单因素实验

1.4.1 压强

60目干燥塔拉籽粉末100 g，提取时间120 min，超临界系统内部提取温度45 ℃，CO2流速为2.33 mL/min，分别研究压强为20、25、30、35 MPa时對得率影响。

1.4.2 时间

60目干燥塔拉籽粉末100 g，超临界系统内部提取压强30 MPa，温度45 ℃，CO2流速为2.33 mL/min，分别研究时间为90、120、150、200 min时对得率的影响。

1.4.3 温度

60目干燥塔拉籽粉末100 g，超临界系统内部提取压强30 MPa，提取时间120 min，CO2流速为2.33 mL/min，分别研究温度为40、45 、50、55 ℃时对得率的影响。

1.5 工艺技术的响应面优化

以单因素实验数据为基础，得出压强（MPa）、时间（min）和温度（℃）对得率影响的上限阈值。并对3个影响因素进行分析、优化，相应影响因素编码表见表1。

1.6 GC-MS检测与分析脂肪酸构成

气相色谱实验条件：色谱柱为 HP- 5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;升温程序为150 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至250 ℃，保持1 min;载气为高纯氦气（99.99 %），载气流速40 mL/min;样品进样量1 μL;分流比10∶1;进样口温度控制在250 ℃[12]。

质谱实验条件：电子轰击（EI）离子源;传输线与离子源温度分别控制在280 ℃和250 ℃;质量扫描范围50～1 000 m/z，扫描方式为全扫描[13]。

1.7 理化性质的测定

相关理化性质的测定参照方法如下：比重参照“中国油脂植物”比重瓶法;酸值参照GB5530—85;碘值参照GB5532—85;皂化值参照GB5534—85;折光值（n20）参照GB5527—85;过氧化值参照GB/T 5538—2005;硫代巴比妥值参照GB/T 35252—2017;总生育酚参照NY/T 3297—2018。

1.8 数据处理

实验过程中，各项数据均以算术平均值的形式求得，并附与偏差值。折线图以Origin 9.0处理，响应面工艺优化以Box-Behnken实验设计、优化原则为准则，应用Design Expert 8.0.6对单因素基础实验中需优化的影响因素进行三因素三水平优化，并研究各因素之间差异性。

2 结果与分析

2.1 单因素实验分析

2.1.1 温度

由图1分析可知，超临界内部体系温度影响塔拉籽油的提取。当超临界体系内部温度为40～50 ℃时，得率会因温度的升高而得到提升。当温度为50 ℃时，塔拉籽油得率提升幅度最大。当体系温度为50～60 ℃时，得率增长率的提升幅度开始走低。造成这一系列现象发生的主要原因为：当体系内部温度过低时，会使得CO2流体内分子运动能力变弱，最终不利于提取的进行;当超临界体系内部一旦温度过高，会使得体系内部CO2流体密度变小，此时体系内部对塔拉籽油的溶解能力降低，不利于塔拉籽油的提取，同时也将会影响体系内部提取所得油脂稳定性[14-15]。适宜的温度才有利于油脂提取的进行，因此以50 ℃为温度影响的上限阈值进行研究。

2.1.2 压强

由图2折线数据图分析得知，超临界内部系统压强对塔拉籽油得率具有不同程度的影响。当压强为20～30 MPa时，塔拉籽油得率会因压强的增大而得到提升;当压强为30 MPa时，塔拉籽油得率的增加程度最佳;当超临界内部提取压强为30～40 MPa时，得率增长率有降低趋势。

主要原因在于，超临界内部CO2气体压强与系统内CO2流体密度二者呈现正相关性。一定程度范围内提升系统压强可以直接提升流体密度，并且能够改善塔拉籽油在超临界系统内部的溶解性。系统内部压强过大会使得CO2流体密度过高，内部流体对塔拉籽油的溶解力将逐步趋于饱和，这也将对设备的要求与维护更高，不利于提取的进行[16]。适度的压强对油脂的提取具有非常重要的意义。因此，本研究以35 MPa为临界阈值，予以进一步优化研究。

2.1.3 时间

由图3分析可知，超临界提取时间对塔拉籽油的得率有一定影响。当提取时间为90～150 min时，提取时间和得率二者关系呈现正相关;当提取时间为150 min时，塔拉籽油得率的增长变化幅度最佳;提取时间为150～220 min时，塔拉籽油的提取受到制约。主要原因在于：在一定时间范围内，适当增加提取时间对超临界的提取具有促进作用;时间过长时，得率会因固体油渣粉末的固有阻力以及提取系统内部对塔拉籽油的溶解程度逐渐趋于饱和的综合作用而受到抑制，而过度的延长时间，会使得固体粉末原料中不必要的杂质溶解在油脂中，不利于提取的进行[17-18]。因此，根据实验数据以150 min 为时间影响的上限阈值进行研究。

2.2 响应面优化

2.2.1 模型的建立及参数的优化

为了能够更好完成塔拉籽油的超临界提取，在单因素实验结果的基础上对各影响因素进行深度分析与优化，优化实验整体以Box-Behnken实验设计原理为准则。实际优化数据及模拟处理软件为Design Expert 8.0.6，对表1温度（A）、压强（B）、时间（C）进行17编组优化实验，其中第1—12组为因素分析组，第13—17组为中心组合实验组。表2为因素优化编码操作实验表，以塔拉籽油得率为响应值Y，同时得出模型对应二次回归方程为：

Y=+19.18-0.49A+0.81B-0.32C+0.15AB-0.61AC-1.15BC-2.36A2-2.01B2-0.86C2

对表3方差数据分析可知，影响因素A、B、C对塔拉籽油超临界提取所对应的响应值Y会产生不同形式的影响，具体影响可表现为A、B、C，AB、AC、BC，A2、B2、C2这3种不同形式。其中单一因素对得率的影响程度为：B>A>C;组合性因素影响程度为：

BC>AC>AB和A2>B2>C2，且AC表现为差异性显著，A、B、BC、A2、B2、C2对得率的影响为差异性极显著。同时该模型P<0.000 1为差异性极显著，模型失拟项P>0.05表现为差异性不显著，进一步说明该优化实验拟合模拟程度高，模型高度吻合。

根據表4数据R2 = 0.968 2、Adj R2 = 0.927 2，可知该组优化模型具有较高的拟合度、线性关系好，能够对实验进行设计和预测，且预测值可达到98.45%。分析优化过程中3D伞状图、2D等高线图如图4所示。

图4为响应面优化（RSM）过程中所对应的3D伞状图和2D等高线图，3D伞状图对确定影响因素的最大值、中间值和最小值均具有重要意义;2D等高线图可以在二维图像上显示三维关系，有助于确定预期响应水平的变量，更直观地反映出各因素对响应值Y的影响程度。结合数据和模型，采用响应值（Z轴）和其他2个影响因素（X轴和Y轴）建立了RSM拟合模型，并将其中一单因素设置定量为0（0级）。此时对3D伞状图和2D等高线图分别予以研究和分析。

图4（a）分析可知，随着A和B的提升，塔拉籽油得率先逐渐得到提高，直至得率达到最高值后开始降低，A、B之间交互作用表现为差异性不显著（P=0.450 8，>0.05）。当得率增加量一定时，A为45 ℃，B为32 MPa时，塔拉籽油的得率为最佳值。

图4（b） 分析得出，随着A和C的增加，塔拉籽油得率先逐渐得到提高，直至得率达到最高值后开始降低，A、C之间交互作用表现为差异性显著（P=0.013 9， 0.01

对图4（c）分析可知，随着B和C的增加，塔拉籽油得率先逐渐得到提高，直至得率达到最高值后开始降低，B、C之间交互作用表现为差异性极显著（P=0.000 5， <0.01）。当塔拉籽油得率对应响应值增量达到一定程度时，B为32 MPa，C为109 min，时，塔拉籽油的得率处于最大值。同时根据3组3D伞状图与纵轴之间的倾斜程度可以得出相应因素在各组影响因素组中的影响程度，再次验证了AB组中B>A，AC组中A>C，BC组中B>C，结果与表3分析结果保持一致。

2.2.2 验证实验

应用软件对模型拟合优化得出的优化因素参数：60目塔拉籽粉末100 g、温度45 ℃、压强32 MPa、时间109 min进行驗证，实际操作得率的算术平均值为18.95%，预期得率19.38%，相对误差为2.2%，表明优化实验合理有效。

2.3 GC-MS分析脂肪酸构成

对索氏、超临界提取所得的塔拉籽油的脂肪酸构成进行GC-MS检测，用以对比分析2种不同提取方式情况下油脂脂肪酸构成之间的差异，脂肪酸构成相应总离子流对比如图5所示。

结合图5和表5 GC-MS检测结果分析对比可知，超临界与索氏提取所得塔拉籽油的脂肪酸类型相同，同时各类脂肪酸相对含量没有明显差异，说明提取方式对油脂脂肪酸构成无明显影响。超临界提取塔拉籽油的脂肪酸构成相对含量由高到低依次脂肪酸类型为亚油酸、油酸、棕榈酸、硬脂酸、二十二碳酸、亚麻酸、花生酸和棕榈油酸。其中不饱和脂肪酸按照相对含量排序依次为：亚油酸、油酸、二十二碳酸和亚麻酸，同时不饱和脂肪酸含量较高。

2.4 理化特性

对超临界、索氏这2种不同提取方式所得的塔拉籽油相关理化性质进行测定和分析，以探讨理化特性与提取方式之间的关系，见表6。

表6为超临界方式与索氏提取方式下塔拉籽油的理化特性对比分析，索氏提取常规操作：料液比1∶10（g/mL），溶剂无水乙醇，循环提取4～6 h。数据分析可知超临界方式各项理化指标优于索氏提取。超临界提取工艺对油脂具有一定程度的改良作用，具体表现为：油脂的脱酸作用明显;碘值较高，表明油脂的不饱和程度较高，属于干性油，具有较强的干燥性;皂化值、过氧化值方面数值适中，表明该种油脂所对应的平均分子量适中，具有较好的亲水性和氧化稳定性。

3 结论

本文对超临界提取塔拉籽油工艺进行了系统性研究，单因素实验分析得出各影响因素的影响上限阈值温度为50 ℃，压强为35 MPa，时间为150 min。以节能环保为基础，最终优化因素为：60目塔拉籽粉末100 g，温度45 ℃，压强32 MPa，时间109 min，实际操作得率的算术平均值为18.95%，预期得率19.38%，相对误差为2.2%。GC-MS检测分析得出，塔拉籽油是一种高不饱和脂肪酸，所含亚麻酸含量可达62.32%～65.36%。对比分析理化特性过程中酸值为2.899～2.993 mg/g，碘值为0.153 5～0.153 7 g/100g，说明超临界提取工艺对油脂具有一定程度的改良作用。超临界提取工艺应用于塔拉籽油的制备更加节能、环保。因此，超临界应用于塔拉籽油提取具有良好的前景。

【参 考 文 献】

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