基于响应曲面法优化文冠果种仁油的提取工艺研究

陈燕勤，陈德军，杨再磊，阙大城

(1.新疆农业大学化学工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆大学化学化工学院,新疆 乌鲁木齐 830046)

文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge)又称文官果、木瓜、文光果、僧灯木道等，属无患子科文冠果属落叶乔木或大灌木。文冠果原产中国北方干旱寒冷地区，是我国特有的在“三北”地区分布很广的木本油料树种，有“北方油茶”之称[1,2]。文冠果种仁含油率为55%～70%，且多为不饱和脂肪酸，营养极其丰富[3,4]。由于文冠果种仁油的碘值和酸值较低，适合于制备生物柴油，因此，越来越受到研究者的青睐，被认为是最有开发前景的制备生物柴油的原料油之一。

对于文冠果种仁油的提取以及组成分析目前已有一些报道[5]，其中对文冠果种仁油提取工艺的优化方法主要采用正交优化法。但正交优化法只能对孤立的实验点进行分析，不能在给定的区域内提供因素和响应值之间的明确函数关系，从而无法确定整个区域内因素的最佳组合和响应值的最优值，而且正交优化法无法分析因素之间存在的交互作用。

响应曲面优化法是评价指标和因素间非线性关系的一种实验设计方法，是对实验得出的数据结果进行响应曲面分析，得到预测模型。与此同时，响应曲面优化法考虑了实验随机误差，并且将复杂的未知函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合，计算比较简单，是降低开发成本、优化加工条件、解决生产过程中的实际问题的有效方法[6,7]。

作者在此采用响应曲面法的Box-Behnken设计，对文冠果种仁油的提取工艺进行优化，并进一步明确提取过程中各因素之间的交互作用，为工业化提取文冠果种仁油提供依据。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

文冠果种仁粉：文冠果种仁(无虫害，饱满，产自新疆奇台)破壳后，经80 ℃烘干、粉碎、过筛，备用。

石油醚(沸程60～90 ℃)，分析纯，天津福晨化学试剂厂。

F-A2004型分析天平，上海精科天平；202-AO型台式干燥箱，上海锦屏仪器有限公司；SHE-95型循环水式多用真空泵，河北巩义英峪予华仪器厂；H-H系列恒温水浴锅，江苏金坛中大仪器厂；KE-52AA型旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂。

1.2 方法

称取30 g文冠果种仁粉，置于250 mL三颈瓶中，按一定液料比加入石油醚，在恒温水浴中提取一定时间；将提取液抽滤分离，用石油醚洗涤2～3次，滤液经减压蒸馏回收溶剂后，得到文冠果种仁油；于105 ℃干燥3 h后称量，重复3 次取其平均值。按下式计算文冠果种仁油提取率。

1.3 实验设计

1.3.1 单因素实验设计

在保持其它条件不变的情况下，分别考察提取时间、提取温度、液料比(石油醚与文冠果种仁的体积质量比，mL∶g,下同)3个因素对文冠果种仁油提取率的影响。

1.3.2 响应曲面优化法实验设计

结合单因素实验结果，采用Box-Behnken设计数学模型，选择提取温度(℃)、提取时间(min)、液料比(mL∶g)为影响因素，以文冠果种仁油提取率为响应值R1，采用3因素3水平的响应曲面法进行实验，利用Design expert 7.1.6软件进行数据处理和回归分析。Box-Behnken实验方案设计见表1。

表1 Box-Behnken实验方案设计

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 提取温度对文冠果种仁油提取率的影响

在提取时间为30 min、液料比为5∶1的条件下，分别选择提取温度为25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃，探讨提取温度对文冠果种仁油提取率的影响，结果见图1。

图1 提取温度对提取率的影响

从图1可以看出，文冠果种仁油提取率随提取温度的升高先上升而后略有下降。这是由于，在提取初期，升高温度会增大溶剂分子和油脂分子的动能，加速分子运动，从而促进扩散作用，所以升高温度会提高文冠果种仁油提取率；但当提取温度升高到55 ℃(接近溶剂的沸点)时，由于溶剂的汽化，会减少固液之间的有效接触面积，提取率反而下降。因此，确定较合适的提取温度为55 ℃。

2.1.2 提取时间对文冠果种仁油提取率的影响

在提取温度为55 ℃、液料比为5∶1的条件下，分别选择提取时间为20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min，探讨提取时间对文冠果种仁油提取率的影响，结果见图2。

图2 提取时间对提取率的影响

从图2可以看出，随着提取时间的延长，文冠果种仁油提取率先快速升高而后趋稳定。这是由于，在提取初期，文冠果种仁粉中油脂含量高，固液间浓度差较大，扩散驱动力也较大，大量的油脂分子扩散到溶剂中，使得提取率不断升高；但当提取时间超过30 min后，随着提取时间的延长，液体中的油脂量不断增多，趋于饱和，溶液体系的渗透压也趋于稳定，提取过程达到平衡，提取率升高不再明显。因此，选择较合适的提取时间为30 min。

2.1.3 液料比对文冠果种仁油提取率的影响

在提取温度为55 ℃、提取时间为30 min的条件下，分别选择液料比为2∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、10∶1，探讨液料比对文冠果种仁油提取率的影响，结果见图3。

图3 液料比对提取率的影响

从图3 可以看出，随着液料比的增大，提取率显著升高，但当液料比大于5∶1后，提取率变化不明显。这是由于，对于一定质量的文冠果种仁来说，增加溶剂用量，相应地增加了文冠果种仁与溶剂接触界面处的浓度差，从而加快了传质速率，提取率升高；当溶剂用量增大到一定程度(液料比为5∶1)后，由于文冠果种仁中的油大部分已被提取出来，再增加溶剂用量，提取率变化不大；另外，从经济角度考虑，溶剂用量也不宜过多。因此，选择较适宜的液料比为5∶1。

2.2 响应曲面优化法实验结果

2.2.1 模型的建立及实验结果

在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken 设计法，对文冠果种仁油提取工艺进行3因素3水平优化实验设计[8,9]。该模型通过最小二乘法拟合二次多项式方程，表达式为：

(1)

式中：R1为预测响应值；β0为常数项；βi为线性系数；βii为二次项系数；βij为交互项系数；xi、xj(i≠j)为自变量编码值。

该模型的实验设计及结果见表2。

表2 Box-Behnken方案设计及响应曲面法实验结果

2.2.2 模型的显著性检验

根据表2结果，采用Design expert 7.1.6软件对方程(1)进行模拟回归分析。得到提取率(R1)对提取温度(A)、提取时间(B)、液料比(C)的二次多项式回归方程：

R1=59.05+0.96A+0.42B+0.90C-0.48AB+0.31AC

-0.43BC-1.87A2-0.22B2-0.84C2

对该回归模型进行方差分析，结果见表3，模型系数显著性检验结果见表4。

表3 回归模型的方差分析

表4 回归模型系数显著性检验

由表4模型系数显著性检验结果可知，模型的一次项A、B、C均达到极显著水平(P<0.01)，对文冠果种仁油提取的线性效应显著；二次项A2、C2对文冠果种仁油的提取曲面效应显著；交互项AB、BC交互效应显著(P<0.05)。由此可知，在本实验设计范围内，提取温度、提取时间、液料比这3个因素对文冠果种仁油提取的线性效应和曲面效应都显著，且提取温度和提取时间以及提取时间和料液比有一定的交互作用。

剔除不显著项后的数学模型表达式为：

R1=59.05+0.96A+0.42B+0.90C-0.48AB-0.43BC

-1.87A2-0.84C2

2.2.3 响应曲面分析

根据回归模型作出相应的响应曲面图和等高线图，考察拟合响应曲面的形状，分析各因素对文冠果种仁油提取率的影响，结果见图4。

图4 响应曲面及等高线图

等高线的形状反映了交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互影响显著，圆形则与之相反。由图4可知，提取温度与提取时间、提取时间与液料比之间的交互作用较小。结合表4中各系数项的估计值可知，本实验各因素对文冠果种仁油提取率的影响大小依次为：提取温度>液料比>提取时间。提取温度、液料比对提取率影响较大，而提取时间的影响较小。

2.2.4 文冠果种仁油提取工艺条件优化

利用Design expert 7.1.6软件结合回归模型，预测文冠果种仁油提取率的最佳工艺条件为：提取温度57.92 ℃、提取时间30.82 min、液料比6.13∶1，在此条件下，提取率最高为59.46%。

2.2.5 模型验证

为了检验响应曲面法所得结果的可靠性，同时考虑到实际操作的便利，将提取工艺参数调整为：提取温度58 ℃、提取时间31 min、液料比6∶1。在此条件下进行验证实验，平均提取率为59.58%，与预测值59.46%相比，相对偏差为0.20%。表明基于响应曲面法所得的优化提取条件准确可靠，进一步验证了数学回归模型的合理性。

3 结论

在单因素实验的基础上，通过Box-Behnken设计、响应曲面法优化以及Design expert 7.1.6软件分析，以文冠果种仁油提取率为目标值，以提取温度、提取时间、液料比为考察因素，建立了二次多项式数学模型。根据模型以及验证实验，确定文冠果种仁油最适提取工艺为：提取温度58 ℃、提取时间31 min、液料比6∶1(mL∶g)，在此条件下的平均提取率为59.58%。采用Box-Behnken 统计学实验设计方法对文冠果种仁油的提取工艺进行优化，不仅科学合理，而且快速高效，有很强的实际生产指导作用。

参考文献：

[1] 高启明,侯江涛,李阳.文冠果的栽培利用及开发前景[ J ].中国林副特产,2005,(2):56-57.

[2] 高述民,马凯,杜希华，等.文冠果(Xanthocerassorbifolia)研究进展[J].植物学通报,2002,19(3)：296-301.

[3] 王红斗．文冠果的化学成分及综合利用研究进展[J]．中国野生植物资源，2006，17(1)：13-16．

[4] 邓红，孙俊，张媛，等．不同方法提取的文冠果籽油的GC-MS分析[J]．食品科学，2007，28(8)：354-357．

[5] 邓红，仇农学，孙俊，等．超声波辅助提取文冠果籽油的工艺条件优化[J]．农业工程学报，2007，23(11)：249-254．

[6] 陈魁．实验设计与分析[M]．北京：清华大学出版社，1996：94-180．

[7] Gupta S，Manohar C S．An improved response surface method for the determination of failure probability and importance measures[J]．Structural Safety，2004，26(2):123-139.

[8] 张文文，曹盛，陆宁．响应面法优化西瓜子油的提取工艺研究[J]．食品工业科技，2011，32(7)：304-307．

[9] 邓红，田芸芸，田子卿，等.响应曲面法优化文冠果种仁蛋白的碱溶酸沉提取工艺[J]．食品工业科技，2010，31(8)：197-200．

[10] 王明艳,张小杰,王涛,等.响应面法优化香椿叶多糖的提取条件[J]．食品科学，2010,31(4)：106-110.