响应面法优化超临界二氧化碳萃取黑加仑籽油的提取工艺研究

鲍志杰，王 玉，于殿宇*

(东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

响应面法优化超临界二氧化碳萃取黑加仑籽油的提取工艺研究

鲍志杰，王 玉，于殿宇*

(东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

利用超临界二氧化碳萃取技术提取黑加仑籽油，运用响应面法优化萃取工艺条件。在单因素试验基础上，以萃取压力、萃取温度、萃取时间为响应因素，黑加仑籽油出油率为响应值，根据中心组合Box-Benhnken试验设计原理采用三因素三水平的响应面分析法，确定各工艺条件对出油率的影响。结果表明：超临界二氧化碳萃取黑加仑籽油的最佳工艺条件为萃取压力33MPa、萃取温度38℃、萃取时间180min，在此条件下，黑加仑籽油出油率达到14%，与理论值基本一致。

超临界CO2萃取；黑加仑籽油；响应面法

Abstract：The present study aimed to optimize the supercritical carbon dioxide extraction of blackcurrant seed oil using response surface methodology combined with a 3-variable, 3- level Box-Benhnken central composite design (CCD) on the basis of single factor experiments. Results showed that the optimal extraction for 180 min at 33 MPa and 38 ℃ resulted in a blackcurrant seed oil yield of up to 14%.

Key words：blackcurrant seed oil；supercritical carbon dioxide extraction；response surface methodology

黑加仑又名黑夏果、黑豆果，学名黑穗醋栗(black currant)，为虎耳草科(Saxifrage)茶麓子属植物的果实，属多年生小灌木[1]。是我国东北地区广泛种植的一种灌木小浆果的果树[2]，经常用于生产果酱、饮料、利口酒、乳制品和着色剂等[3]。黑加仑浆果榨汁后的果渣中含有大量的黑加仑籽，黑加仑籽中含有大量的ω-3和ω-6两个系列的多种不饱和脂肪酸[3]，尤其富含人体必需脂肪酸γ-亚麻酸[4-5]，目前天然γ-亚麻酸来源尚不多，因此从黑加仑籽中提取富含γ-亚麻酸的高级营养油是一有效途[2]。

油脂提取多采用压榨法或溶剂萃取法提取，其中压榨法的缺点是得油率低[6]；溶剂萃取法虽然可获得较高的收率，但不可避免地存在着溶剂残留问题[7]。而超临界萃取经过三十多年的发展[8]，凭借着其萃取温度低、萃取能力强、效率高等特点[9]已经被广泛的应用到医药和食品行业中[10-13]，并且在油脂提取中得到了较好的应用。

响应面分析法(response surface methodology，RSM)是一种优化反应条件和加工工艺参数的有效方法，广泛应用于化学化工、生物工程、食品工业等方面[14]。它与正交试验设计法不同，具有试验周期短，求得的回归方程精度高,能研究几种因素间交互作用等优点[15]。目前采用响应面设计优化超临界萃取黑加仑籽油的工艺未见报道。

本研究以黑加仑籽油出油率为评价指标，在萃取压力、萃取温度、萃取时间等单因素试验的基础上，利用响应面分析法优化超临界二氧化碳萃取黑加仑籽油的工艺条件，为黑加仑籽油的开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑加仑籽(产于黑龙江省大兴安岭地区)；CO2气体(纯度≥99.5%) 黎明气体公司。

1.2 仪器与设备

HA121-50-01型CO2超临界萃取装置 江苏华安科研仪器有限公司；YHW1104远红外恒温干燥箱 天津北华仪器厂；CN62M/DFY-200A型摇摆式粉碎机 北京中西化玻仪器科技公司；PL203-S型电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

黑加仑籽→干燥→粉碎→过筛→称量→装料入萃取釜、密闭→控制合适温度、压力、时间→在超临界状态下萃取→由分离釜获得黑加仑籽油

1.3.2 出油率计算

1.3.3 响应面试验

依据单因素试验结果，进行响应面法Box-Benhnken模型试验设计，以萃取压力、萃取温度、萃取时间为独立变量(X1、X2、X3)，以出油率为响应值，试验因素水平设计及结果见表1。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Variables and levels in Box-Benhnken CCD

2 结果与分析

2.1 CO2超临界萃取单因素试验

2.1.1 萃取压力对出油率的影响

在萃取温度为35℃、萃取时间为180min、粉碎60目的条件下，萃取压力对出油率的影响结果见图1。

由图1可知，压力对超临界CO2萃取黑加仑籽油效果的影响比较明显。在其他条件不变的条件下，出油率随压力的升高而增加，压力超过30MPa，增加幅度减缓，并在40MPa时出现下降。因为在压力相对较低时，增大压力不但会增加流体密度，还会减少分子间的传质阻力和传质距离，增加溶质与溶剂之间的传质效率，对出油率的提高有利。但由于高压下密度较大，可压缩性较小，溶解能力增加有限，随着压力的升高，萃取的选择性会下降，出油率降低。同时，高压会增加设备的损耗和降低经济效益并且还会使色素等一些成分被萃取出来，使油的颜色加深，影响品质。综合考虑，萃取压力30MPa为宜。

图1 萃取压力对出油率的影响Fig.1 Effect of extraction pressure on blackcurrant seed oil yield

2.1.2 萃取温度对出油率的影响

在萃取压力30MPa、萃取时间180min 、粉碎程度60目的条件下、萃取温度对出油率的影响结果见图2。

图2 萃取温度对出油率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on blackcurrant seed oil yield

萃取温度是影响超临界CO2密度的一个重要因素，一方面，随着温度的升高，CO2流体的黏度下降，使传质系数增加，有利于溶质扩散速度的提高，同时，溶质的蒸汽压上升使溶解度增加，进而有利于提高萃取率。另一方面，温度升高，使流体密度减小，导致流体溶解度下降，对萃取反而不利。由图2可知，在萃取温度在35℃时出油率较高；当萃取温度大于35℃时，出油率出现下降趋势，所以萃取温度在35℃为宜。

2.1.3 萃取时间对出油率的影响

在萃取压力30MPa、萃取温度35℃、粉碎程度60目的条件下，萃取时间对出油率的影响结果见图3。

图3 萃取时间对出油率的影响Fig.3 Effect of extraction time on blackcurrant seed oil yield

从图3可以看出，随着萃取时间的延长，黑加仑籽油的出油率逐渐升高，因为萃取刚开始时，由于超临界CO2流体与溶质未达到良好接触，萃取量较少，随着萃取时间的延长，传质达到良好状态，单位时间萃取量增大。当萃取时间超过180min时，黑加仑籽油的出油率趋于平缓。而且随着时间的延长，会使CO2的消耗量和能耗进一步加大，考虑到经济效益，选取萃取时间180min为宜。

2.2 响应面试验

2.2.1 方差分析及二元回归方程拟合

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Box-Benhnken CCD matrix and experimental values of blackcurrant seed oil yield

利用Design-Expert7软件对表2进行回归分析，得二次多元回归模型为：Y=13.91+0.099X1+0.28X2+0.076X3+0.012X1X2－0.03X1X3－0.048X2X3－0.079X12－0.21X22－ 0.078X32。

对模型进行方差分析结果，结果见表3。

从表3可以看出：一次项中X1、X2偏回归系数极显著，说明萃取压力、萃取温度对黑加仑籽油的出油率有极显著影响，X3的偏回归系数高度显著，说明萃取时间对出油率有显著影响；X2X3交互作用显著，说明出油率受到了萃取温度和萃取时间的共同影响，在出油率的提高中起到了关键作用；二次项中X1、X2、X3的偏回归系数均达到高度显著的水平。回归模型极显著(P＜0.0001)而误差项不显著，模型的调整系数R2adj=0.9835，说明该模型能解释98.35%响应值变化，说明回归方程与实际情况吻合较好，实验误差小，可以用此模型对超临界CO2萃取黑加仑籽油进行分析和预测。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

2.2.2 交互作用分析

2.2.2.1 萃取温度与萃取压力的交互作用分析

图4 萃取温度与萃取压力对出油率的交互影响Fig.4 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and pressure on blackcurrant seed oil yield

在固定萃取时间为180min的条件下，萃取温度与萃取压力的响应面与等高线图见图4。萃取压力与萃取温度的交互作用并不显著，出油率主要受萃取温度的影响，出油率随萃取温度的升高而加大，在38℃左右时，出油率出现峰值，从等高线也可看出，在萃取压力为33MPa时，较低的萃取温度即可获得较高的出油率。

采用Design-Expert软件对分析所得的二元多项式进行优化求解，超临界CO2萃取黑加仑籽油最佳工艺条件为：萃取压力33.26MPa、萃取温度38.38℃、萃取时间184min。得出最大萃取出油率为14.05%。

2.2.2.2 萃取时间与萃取温度的交互作用分析

在固定萃取压力为30MPa的条件下，萃取时间与萃取温度的响应面与等高线图见图5。萃取时间与萃取温度交互作用显著，出油率主要由萃取时间与萃取温度共同影响，两者在出油率的提高中起到关键的作用，在保证出油率的前提下，可根据实际情况适当的增加萃取温度从而减少存取时间。

图5 萃取时间与萃取温度对出油率的交互影响Fig.5 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and extraction duration on blackcurrant seed oil yield

2.2.2.3 萃取时间与萃取压力的交互作用分析

图6 萃取时间与萃取压力对出油率的交互影响Fig.6 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and time on blackcurrant seed oil yield

在固定萃取温度为35℃的条件下，萃取时间与萃取压力的响应面与等高线图见图6。

如图6所示，萃取时间与萃取压力的交互作用不显著，出油率主要受萃取压力影响，出油率随萃取压力的增大而提高，在萃取时间为186min左右时，较低的萃取压力及可获得较高的出油率。

2.3 模型验证

在上述响应面分析的结果确定的最佳工艺条件下，考虑到实际操作的便利，确定黑加仑籽油的工艺条件为萃取压力33MPa、萃取温度38℃、萃取时间180min，经过3次萃取验证实验，得到黑加仑籽油的平均出油率为14%，与理论值相差不大。

3 结 论

在单因素试验基础上，通过Design-Expert软件，采用Box-Benhnken试验设计法对超临界CO2流体萃取黑加仑籽油工艺进行设计并优化。结果表明，萃取温度、萃取压力、萃取时间对黑加仑籽油的出油率影响均显著，温度和时间的交互作用显著，但压力和温度、压力和时间的交互作用不显著。超临界CO2萃取黑加仑籽油的最佳工艺条件为萃取温度38℃、萃取时间180min、萃取压力33MPa，在此条件下黑加仑籽油的出油率为14%，与理论值14.05%基本一致，说明响应面法适用于对黑加仑籽油的超临界CO2萃取进行参数优化，对于指导工业生产有一定的实际意义。

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Reponses Surface Methodology for Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Black Currant Seed Oil

BAO Zhi-jie，WANG Yu，YU Dian-yu*
(School of Food Science and Technology, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

TS224.4

A

1002-6630(2010)10-0030-05

2010-03-08

“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2009BADB9B08)

鲍志杰(1987—)，男，本科生，研究方向为食品质量与安全。E-mail：zhijie_bao@163.com

*通信作者：于殿宇(1964—)，男，教授，硕士，研究方向为大豆加工技术。E-mail：dyyu2000@yahoo.com.cn