响应面法优化亚临界提取碱蓬籽油工艺的研究

徐海龙，于 莹，赵明波

（1.威海市蓝色经济研究院有限公司，山东 威海 264300；2.威海市海洋生态经济研究院，山东 威海 264300）

碱蓬为一年生草本，碱蓬籽油中不饱和脂肪酸含量极高，其含亚油酸70%，油酸10%，亚麻酸5%，多不饱和脂肪酸含量是评价营养水平的重要依据，如亚油酸、亚麻酸，它们是人体必需的脂肪酸，能够调节血脂、清理血栓、免疫调节、补脑健脑，具有很好的保健价值[1-5]。因此，碱蓬籽油的开发具有很高的经济价值，目前使用的常规方法有溶剂浸提及机械压榨的方法，但存在收率低、残留有毒溶剂的缺点[6-9]。亚临界流体萃取技术，是一种低耗、绿色、经济、应用前景广阔的新技术[10-11]。它是一种低温、低压、高成效物理方法，能避免植物油脂提取中因加热产生反式脂肪酸、缩合甘油酯、三氯丙醇酯等有害物，确保植物油提取中组分全、味纯正，且亚临界流体来源广，价格低、无毒、无味。选择用亚临界萃取技术对碱蓬籽油进行提取，在单因素试验的基础上，利用响应面分析法对其提取工艺进行优化，旨在为碱蓬籽油系列产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盐地碱蓬籽，采自山东亚通盐松柽柳基地，经晒干、人工分选得到纯种籽，于80℃下干燥24 h，将碱蓬籽仁粉碎到20目备用。

萃取剂：四号溶剂，濮阳市液化石油气有限公司提供。

1.2 仪器

848型电位滴定仪；7890B型气相色谱仪；GA600型全自动折光仪，北京斯达沃科技有限公司产品；870型卡尔费休水分测定仪。

1.3 试验方法

1.3.1 设备

亚临界萃取设备DYY-2，南通杜杨科研仪器有限公司设计提供，由溶剂储罐（5 L）、萃取罐（2 L）、分离罐（3.2 L）、冷凝器、溶剂压缩机等。

亚临界萃取设备结构示意图见图1。

图1 亚临界萃取设备结构示意图

1.3.2 亚临界萃取

打开萃取罐装入预先处理好的物料，设备密封，打开真空泵将整个系统处于真空状况，关闭溶剂过滤器阀门，将萃取剂通过计量泵以亚临界流体形式注入萃取罐。提取过程中的压力和温度均由控制器根据设定值自动达到并保持，达到萃取时间后，打开溶剂过滤器阀门，溶剂进入分离罐中，打开压缩机，萃取液不断气化，经压缩冷凝为液态，重新流回到溶剂储罐中；然后再将萃取剂注入萃取罐中，循环萃取，最终从分离罐中得到碱蓬籽油。

1.3.3 碱蓬籽油提取率

碱蓬籽油提取率计算如下式所示：

1.3.4 单因素试验

以筛网目数50目、萃取温度55℃、萃取时间2.0 h为基本提取条件，进一步探究筛网目数（20，30，40，50，60目）、萃取温度（40，45，50，55，60℃）、萃取时间（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）3个因素对碱蓬籽油提取率的影响。

1.3.5 响应面优化试验

选用筛网目数、萃取温度、萃取时间3个因素为自变量，以碱蓬籽油提油率为响应值，采用Boxbehnken试验原理进行三因素三水平响应面分析试验。

响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平设计

1.4 理化指标检测

感官，参照GB/T 5009.37—2003的方法进行测定；酸价（KOH），参照GB 5009.229—2016的方法进行测定；过氧化值，参照GB 5009.227—2016的方法进行测定；折光指数，参照GB/T 5527—2010的方法进行测定；相对密度，参照GB/T 5526—1985的方法进行测定；碘值，参照GB/T 5532—2008的方法进行测定；皂化值，参照GB/T 5534—2008的方法进行测定；脂肪酸组成，参照GB 5009.168—2016的方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 单因素条件对碱蓬籽油提取率的影响

2.1.1 筛网目数对碱蓬籽油提取率的影响

在萃取温度55℃条件下，依次选择使用20，30，40，50，60目不同筛网目数筛过的物料，分别萃取2 h，研究物料粒径不同对碱蓬籽油提取率的影响。

筛网目数对碱蓬籽油提取率的影响见图2。

图2 筛网目数对碱蓬籽油提取率的影响

由图2可知，提取率随目数增加而增大，当筛网达到特定目数后反而呈下降趋势，这是因为物料颗粒愈细与提取介质的接触面愈大，目标物浸出效果愈好，但粉碎的过细，使黏液质浸出导致物料黏度增大，影响溶剂在物料表面的扩散，并出现难过滤的现象，对萃取不利。因此，物料粒径过大或过小均对碱蓬籽油的提取率有所影响，筛网目数选50目为宜。

2.1.2 萃取温度对碱蓬籽油提取率的影响

用过50目筛网孔径物料，选择萃取温度为40，45，50，55，60℃，分别萃取2 h，考查不同温度对碱蓬籽油提取率的影响。

萃取温度对碱蓬籽油提取率的影响见图3。

图3 萃取温度对碱蓬籽油提取率的影响

由图3可知，当萃取温度由40℃升至55℃时，提取率迅速增加，继续升高温度，其提取率增加不明显。这是因为温度升高加速了分子间的扩散速率，此外压力也将增大更有利于目标物的提取，但温度过高会造成一些不饱和脂肪酸成分分解、变质，也对设备材质耐压程度有更高要求，综合考虑选择55℃作为最佳萃取温度。

2.1.3 萃取时间对碱蓬籽油提取率的影响

用过50目筛网孔径物料，萃取温度为55℃条件下，选择萃取时间为1.0，1.5，2.0，3.0 h，考查萃取时间不同对碱蓬籽油提取率的影响。

萃取时间对碱蓬籽油提取率的影响见图4。

图4 萃取时间对碱蓬籽油提取率的影响

由图4可知，在一段时间内，碱蓬籽油提取率随时间延长而增加，一般来说，浸取时间和浸取量呈正比，时间愈长，扩散值越大，愈有利于浸取，但当传质速率达到动态平衡后，进一步延长萃取时间碱蓬籽油提取率将不变，因此选择2 h作为最佳提取时间。

2.2 响应面优化亚临界提取碱蓬籽油工艺

单因素试验结果表明，最佳提取条件为筛网目数50目，萃取温度55℃，萃取时间2.0 h，选择合适范围，以碱蓬籽油提取率为响应值，采用Boxbehnken试验原理进行三因素三水平响应面优化试验。

响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果

2.3 回归模型方差分析

回归模型方差分析见表3。

经回归拟合后，得到碱蓬籽油提取率对萃取时间、筛网目数、萃取温度的线性回归模型方程为：

由表3可知，模型回归效果高度显著p〈0.000 1，失拟项不显著p=0.181 9，说明试验模型拟合程度较好，可充分拟合碱蓬籽油提取率与萃取时间、筛网目数、萃取温度之间的线性关系，用此方程得出提取的最佳工艺条件，同时从显著性检验可以看出，影响提取率的主次顺序依次为筛网目数、萃取温度和萃取时间。

表3 回归模型方差分析

2.4 响应曲面分析

各因素交互作用对提油率影响的响应面图及等高线图见图5。

由图5可知，筛网目数（B）与萃取温度（C）的响应面图较陡峭，说明提取率受该因素的影响较显著。在等高线中，筛网目数与萃取温度、筛网目数与萃取时间（A）等高线呈椭圆形，说明它们彼此间交互作用显著，与方差分析结果一致。Design Expect软件给出的最佳提取条件为筛网目数54.37，萃取温度59.3℃，萃取时间2.1 h，此时碱蓬籽油的提取率为7.93%。根据实际操作可将条件改为筛网目数55目，萃取温度60℃，萃取时间2.1 h，在此条件进行实验，得出碱蓬籽油提取率为7.86%，与预测结果接近，证明该模型结果可靠。

图5 各因素交互作用对提取率影响的响应面图及等高线图

2.5 理化指标的检测

对萃取产物碱蓬籽原油的感官、酸价、过氧化值、折光指数、相对密度、碘值、皂化值、水分及挥发物和脂肪酸组成的测定结果。

碱蓬籽原油理化指标检测结果见表4。

表4 碱蓬籽原油理化指标检测结果

盐地碱蓬籽原油的各项理化指标均符合盐地碱蓬籽油行业标准LS/T 3263—2019[12]，说明亚临界提取得到碱蓬籽油的各项理化指标都符合盐地碱蓬籽油行业标准。

3 结论

通过单因素试验及响应面分析法研究亚临界流体萃取碱蓬籽油的最佳工艺条件，结果表明，影响碱蓬籽油萃取效果的主要因素依次为筛网目数、萃取温度和萃取时间；最佳萃取工艺为筛网目数55目，在萃取温度60℃，萃取时间2.1 h，碱蓬籽油提取率为7.89%，与模型预测值接近，各项理化指标都符合盐地碱蓬籽油行业标准。与传统提取工艺相比，本文研究为碱蓬籽油的开发及利用提供一种经济环保、工艺可行的新方法。