响应面法优化仿栗籽油超临界萃取工艺

麻成金，吴竹青，傅伟昌，黄 群，陈功锡

(1.吉首大学 植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南 吉首 416000；2.吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000)

响应面法优化仿栗籽油超临界萃取工艺

麻成金1,2，吴竹青2，傅伟昌1,2，黄 群1,2，陈功锡1

(1.吉首大学 植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南 吉首 416000；2.吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000)

以仿栗籽为萃取原料，采用响应面法(RSM)优化仿栗籽油的超临界CO2萃取工艺条件，在单因素试验基础上，设定CO2流量为25kg/h、原料粉碎度为40目，然后选取萃取压力、萃取温度、分离温度和萃取时间为影响因子，以仿栗籽油得率为响应值，应用Box-behnken中心组合试验设计建立数学模型，进行响应面分析。结果表明，超临界CO2萃取仿栗籽油的优化工艺条件：萃取压力31MPa、萃取温度47℃、分离温度34℃、萃取时间72min，在此优化条件下，仿栗籽油得率为48.57%。对仿栗籽油的脂肪酸组成进行GC-MS分析，结果表明，仿栗籽油中富含不饱和脂肪酸，其中油酸和亚油酸含量分别为35.17%和19.76%。

仿栗籽油；超临界CO2萃取；工艺条件；响应面分析；GC-MS

Abstract：Response surface methodology (RSM) was applied to optimize the extraction conditions of oil fromSloanea hemsleyanaseeds. According to single factor investigations, extraction pressure, temperature and duration and separation temperature were the most important factors affecting oil yield, and carbon dioxide flow rate of 25 kg/h and material particle size of 40 mesh were optimal for oil extraction fromSloanea hemsleyanaseeds. A mathematical model with oil yield as a response to extraction pressure, temperature and duration and separation temperature was established using Box-Behnken central composite experimental design. This was followed by response surface analysis. It was found that the optimal process conditions for oil extraction fromSloanea hemsleyanaseeds were as follows:extraction pressure 31 MPa; extraction temperature 47 ℃;separation temperature 34 ℃; and extraction duration 72 min and that the resultant oil yield was 48.57%. Meanwhile, GC-MS analysis of fatty acid composition of the extracted oil was conducted, and the results showed that the oil was abundant in unsaturated fatty acids contained 35.17% of oleic acid and 19.76% of linoleic acid.

Key words：Sloanea hemsleyanaseed oil；supercritical carbon dioxide extraction；technological conditions；response surface analysis；GC-MS

仿栗(Sloanea hemsleyana(Ito) Rehd. et Wils)为杜英科猴欢喜属常绿乔木，仿栗果实每年十月份成熟，果实心室呈紫色，每室含1～2粒黑褐色种籽，种籽部分被红棕色种衣所包裹，每棵成年仿栗树每年可产15～20kg种籽，其种籽含油率高，具有较高的开发和利用价值。

目前，国内对仿栗的研究仅限于对其生物学特性及其种籽油所含组分的初步分析，以及压榨法和溶剂萃取法提取油脂等的初步研究[1-2]，国外文献未见研究仿栗籽的相关报道。

超临界流体萃取技术是一种新型的提取分离技术，用于萃取植物油脂具有独特的优势，本研究旨在探讨影响超临界二氧化碳流体萃取仿栗籽油的诸因素，采用响应面分析法对萃取工艺参数进行优化，并对仿栗籽油进行气相色谱-质谱(GC-MS)分析，为仿栗籽油的开发利用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

仿栗果实于10月中旬采摘，取出种籽并分离种衣，干燥后粉碎，密封保存供实验用。

CO2气体(纯度＞99.5%) 长沙特种气体厂；氢氧化钾、甲醇、无水硫酸钠、正己烷等(均为国产分析纯)。

1.2 仪器与设备

CDE-220E2多功能食品处理机 佛山市顺德区欧科电器有限公司；GZX-9146MBE型电热恒温鼓风干燥箱上海博迅实业有限公司医疗设备厂；JA5103N高精度电子天平 上海民桥精密科学仪器有限公司；HA221-50-06型超临界CO2萃取设备 江苏南通华安超临界萃取有限公司；GCMS-QP2010气-质联用分析仪 日本岛津公司；HH.S精密恒温水浴锅 江苏金坛市医疗仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 仿栗籽油超临界CO2流体萃取工艺流程

仿栗籽→干燥→粉碎→过筛→称重→萃取釜原料装填→超临界CO2萃取→减压→分离→仿栗籽油

1.3.2 原料油脂含量的测定

采用索氏提取法，按GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定方法》标准进行测定。

1.3.3 超临界二氧化碳流体萃取条件的优化

采用超临界CO2萃取装置中2L萃取釜进行萃取仿栗籽油实验，萃取完毕后用无水硫酸钠干燥，称量并计算油脂得率。

首先进行原料粉碎度、CO2流量、萃取压力、萃取温度、分离温度和萃取时间等因素对萃取效果影响的单因素试验[3-4]。

然后在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken的中心组合设计原理，选择萃取时间(X1)、萃取压力(X2)、分离温度(X3)和萃取温度(X4)等主要影响因素为自变量，以油脂得率为响应值，采用响应面分析法，对仿栗籽油超临界萃取工艺参数进行优化[5-8]。

1.3.4 仿栗籽油得率计算

1.3.5 仿栗籽油甲酯化处理

取仿栗籽油0.35～0.4mL，加入1mol/L的KOH甲醇溶液6mL，摇匀，置于40℃水浴中进行甲酯化处理2h，然后加入6mL正己烷，摇均静置，取上层液用蒸馏水洗涤2～3次，无水Na2SO4脱水，然后取样进行GC-MS分析[9]。

1.3.6 GC-MS工作条件

GC条件：采用RTX-5MS型弹性石英毛细管柱(30m×0.25m×0.25μm)；载气为高纯氦气(99.999%)，柱前压119.4kPa，柱内载气流量1.3mL/min；升温程序：从150℃开始，保持2min，以10℃/min升温到220℃，保持2min，以5℃/min升温到280℃，保持3min，汽化室温度为250℃；样品进样量为1μL。

MS条件：采用EI离子源，离子源温度为200℃，接口温度为270℃，溶剂延时3min，电子能量70eV，扫描范围40～550u，分辨率1000。

2 结果与分析

2.1 仿栗籽含油量测定

进行3组平行实验，测得原料油脂含量分别为51.10%、51.17%、51.15%，平均值51.14%，即本实验所用仿栗籽含油量为51.14%。

2.2 影响仿栗籽油萃取效果的单因素试验

2.2.1 原料粉碎度对油脂得率的影响

萃取压力30MPa、萃取温度35℃、萃取时间40min、分离温度30℃、CO2流量20kg/h。选取粉碎度分别为20、40、60目的仿栗籽原料进行萃取单因素试验，结果见图1。

图1 原料粉碎度对油脂得率的影响Fig.1 Effect of material particle size on oil yield

由图1可知，仿栗籽油得率随着粉碎度的增加而升高，但是增加的幅度逐渐减小。由此可见，进一步对原料进行粉碎，可以更好地破坏细胞壁，使油脂更易溶于超临界二氧化碳流体中；但若原料粒度过细，则会产生较大的吸附和黏稠作用，从而干扰萃取，影响萃取效果。另外，由于仿栗籽含油率较高，粉碎时物料很容易黏在一起，给进一步粉碎增加了难度。综合考虑，本实验选择原料粉碎度为40目。

2.2.2 CO2流量对油脂得率的影响

在萃取压力30MPa、萃取温度35℃、萃取时间40min、分离温度30℃、物料粉碎度40目的条件下，不同CO2流量对仿栗籽油得率影响的单因素试验结果见图2。

由图2可知，CO2流量对仿栗籽油得率的影响是双重的，流量增加，一方面增加了浓度差，有利于油脂萃取；另一方面减少了流体与物料的接触时间，不利于提高油脂得率。CO2流量为25kg/h时，油脂得率达到最高值，选择CO2流量为25kg/h较为合适。

图2 CO2流量对油脂得率的影响Fig.2 Effect of carbon dioxide flow rate on oil yield

2.2.3 萃取温度对油脂得率的影响

在萃取压力30MPa、萃取时间40min、分离温度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目的条件下，不同萃取温度对仿栗籽油脂得率的影响见图3。

图3 萃取温度对油脂得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on oil yield

萃取温度对仿栗籽油在CO2流体中的溶解能力有两方面的影响。一方面，温度升高，加快分子热运动，溶质的传质系数、挥发度和扩散速度有所提高，对溶质萃取有利；另一方面，随着温度升高，CO2流体密度降低，溶解能力下降，导致溶解度下降，对溶质萃取不利。由图3可知，当温度低于45℃时，仿栗籽油脂得率随温度的升高而增加，但当温度超过45℃时则呈稍下降趋势，故选择萃取温度40～50℃为宜。

2.2.4 萃取压力对油脂得率的影响

在萃取温度35℃、萃取时间40min、分离温度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目条件下，不同萃取压力对仿栗籽油脂得率的影响见图4。

由图4可见，随着萃取压力的升高，油脂得率也不断提高，但过高的萃取压力会加大设备的损耗，不利于设备的操作和维护，萃取压力以25～35MPa为宜。

图4 萃取压力对油脂得率的影响Fig.4 Effect of extraction pressure on oil yield

2.2.5 萃取时间对油脂得率的影响

在萃取温度35℃、萃取压力30MPa、分离温度30℃、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目条件下，不同萃取时间对仿栗籽油脂得率的影响见图5。

图5 萃取时间对油脂得率的影响Fig.5 Effect of length of extraction time on oil yield

由图5可知，随着萃取时间延长，仿栗籽油脂得率不断升高，萃取时间达80min后，油脂得率提高不明显，同时会造成萃取操作能耗的增加和过多CO2的消耗，选择萃取时间60～80min为宜。

2.2.6 分离温度对油脂得率的影响

在萃取温度35℃、萃取压力30MPa、分离压力6MPa、萃取时间40min、CO2流量20kg/h、原料粉碎度40目的条件下，不同分离温度对仿栗籽油脂得率的影响见图6。

图6 分离温度对油脂得率的影响Fig.6 Effect of separation temperature on oil yield

由图6可知，仿栗籽油脂得率随着分离温度的升高而增加，分离温度达35℃后增加不明显，本实验选择分离温度35℃左右较适宜。

2.3 Box-Behnken中心组合设计试验及响应面法优化萃取工艺

2.3.1 Box-Behnken试验设计方案及试验结果

在上述单因素试验基础上，根据Box-Behnken的中心组合设计原理，选择萃取时间(X1)、萃取压力(X2)、分离温度(X3)和萃取温度(X4)为考察因素，以仿栗籽油得率为响应值，设计四因素三水平试验，共27个试验点，其中24个为分析因子(1～24)，3个中心试验点(25～27)，因素水平见表1，结果见表2。

表1 Box-Behnken试验设计因素水平Table 1 Factors and levels in the Box-Behnken experimental design

表2 Box-Behnken试验设计及试验结果Table 2 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental results

2.3.2 模型的建立及显著性检验

利用SAS8.1软件对表2中试验数据进行二次线性回归拟合，得到数学模型：

然后进行回归统计分析，结果见表3。从表3可看出，模型极显著(P＜0.0001)，因变量与所考察自变量之间的线性关系显著(R2=0.9619)，模型调整确定系数R2Adj=0.9175，说明该模型能解释91.75%响应值的变化，拟合程度较好，失拟项不显著(P＞0.05)，说明本试验所得二次回归方程能很好地对响应值进行预测。一次项X1、X2、X4及二次项X22、X32、X42表现为极显著，X12显著，说明它们对响应值影响极大。根据表3，各影响因素主次顺序：萃取压力＞萃取温度＞萃取时间＞分离温度。

表3 回归统计分析结果Table 3 Analysis of variances for oil yield with various extraction conditions

2.3.3 萃取工艺条件的响应面分析与优化

通过SAS8.1软件分析，得到响应面及等高线图(图7～12)，各个因素交互作用对响应值的影响可以直观的反映出来，其中等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，圆形则与之相反。

图7～9表现为椭圆形，说明两因素之间相互作用明显，当固定萃取时间为一定值时，随着相应另一因素值的增大，油脂得率增加；当超过一定值时，油脂得率反而下降。图10～12表现为等高线近似圆形，总体交互作用不显著，但沿因素轴向等高线变化越密集，该因素对响应值影响越显著，反之越弱，所以图10～12中因素对响应值影响强弱次序为：萃取压力＞萃取温度＞萃取时间＞分离温度。为确定最佳点，对数学回归模型求一阶偏导，得出优化条件：X1=0.61141，X2=0.2679，X3=－0.1878，X4=0.4317，此时Y=48.18，即为油脂得率的理论预测值；利用编码公式将上述编码值转变为实际参数为萃取时间72.23min、萃取压力31.34MPa、分离温度34.06℃、萃取温度47.16℃，考虑实际操作性，故选定调整后工艺参数为萃取时间72min、萃取压力31MPa、分离温度34℃、萃取温度47℃。

图7 Y=f(X1，X2)的响应面和等高线图Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and length of extraction time on oil yield

图8 Y=f(X2，X3)的响应面和等高线图Fig.8 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and separation temperature on oil yield

图9 Y=f(X2，X4)的响应面和等高线图Fig.9 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction pressure and temperature on oil yield

图10 Y=f(X1，X3)的响应面和等高线图Fig.10 Response surface and contour plots showing the interactive effects of length of extraction time and separation temperature on oil yield

图11 Y=f(X1，X4)的响应面和等高线图Fig.11 Response surface and contour plots showing the interactive effects of length of extraction time and extraction temperature on oil yield

图12 Y=f(X3，X4)的响应面和等高线图Fig.12 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction and separation temperatures on oil yield

2.3.4 验证实验

在优化条件下，仿栗籽油得率的理论预测值为48.18%，对优化后的参数进行3组验证实验，结果分别为48.93%、47.91%、48.87%，取平均值为48.57%，与理论预测值仅相差0.39%，因此采用响应面分析法优化得到的工艺参数准确可靠，有较强的实用价值。

2.4 仿栗籽油的GC-MS分析结果

图13 仿栗籽油脂肪酸甲酯总离子流色谱图Fig.13 Total ion current chromatogram of methyl esterification products ofSloanea hemsleyanaseed oil

超临界CO2萃取所得仿栗籽油，经甲酯化处理后，进行GC-MS分析，测定脂肪酸组成，利用NIST05标准谱库进行检索，并逐个解析各峰相应的质谱图，采用不做校正的峰面积归一法确定各组分的相对含量。仿栗籽油的脂肪酸甲酯GC-MS总离子流色谱图见图13，分析结果见表4。

由表4可知，仿栗籽油中主要含有月桂酸、硬脂酸、肉豆寇酸、棕榈油酸、棕榈酸、亚油酸、油酸等8种脂肪酸，其中不饱和脂肪酸含量为54.93%，以油酸、亚油酸为主；此外仿栗籽油含有一定量的角鲨烯和β-谷甾醇。

表4 仿栗籽油脂肪酸的组成及相对含量Table 4 Fatty acid composition ofSloanea hemsleyanaseed oil

3 结 论

采用超临界二氧化碳流体萃取技术提取仿栗籽油，通过单因素试验和中心组合设计试验以及响应面分析法优化萃取工艺条件，得出优化提取条件：萃取时间72min、萃取压力31MPa、分离温度34℃、萃取温度47℃、CO2流量25kg/h，原料粉碎度为40目。在此条件下，仿栗籽油得率可达48.57%。在本实验范围内建立的二次线性回归模型准确有效，可用来预测设定条件范围内及其周围的超临界萃取仿栗籽油工艺参数，对实验拟合较好，有一定的应用价值。

对仿栗籽油进行的GC-MS分析结果表明，仿栗籽油中不饱和脂肪酸含量为54.93%，以油酸、亚油酸为主，此外仿栗籽油含有一定量的角鲨烯和β-谷甾醇，具有较高的开发和利用价值。

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Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Oil fromSloanea hemsleyanaSeeds Using Response Surface Methodology

MA Cheng-jin1,2，WU Zhu-qing2，FU Wei-chang1,2，HUANG Qun1,2，CHEN Gong-xi1
(1. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization of Hunan Province, Jishou University, Jishou 416000, China；2. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China)

TS225.6；TS224.4

A

1002-6630(2010)18-0196-07

2010-06-30

2009年湖南省高校创新平台开放基金项目(09K089)

麻成金(1963—)，男，教授，硕士，研究方向为食物资源开发与利用。E-mail：Machengjin368@126.com