超临界CO2法萃取花生油脚中磷脂工艺条件的优化

邓 鹏，孙文佳，徐同成，贾 敏，巩东营，刘丽娜

(山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室，济南 250100)

超临界CO2法萃取花生油脚中磷脂工艺条件的优化

邓 鹏，孙文佳，徐同成，贾 敏，巩东营，刘丽娜

(山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室，济南 250100)

为探究响应面优化超临界CO2法萃取花生油脚中磷脂的工艺条件，采用超临界CO2法萃取花生油脚中磷脂，以花生磷脂的提取率为指标，在单因素试验的基础上，利用Box-Behnken响应面法对萃取工艺的关键因素萃取压力、萃取温度、CO2流速进行优化。结果显示：萃取压力、萃取温度、萃取压力和萃取温度的交互作用对花生磷脂提取率的影响极显著。优化得到超临界CO2法提取花生油脚中磷脂的最优条件为萃取压力31.64MPa、萃取温度45.59℃、CO2流速7.02L/h、乙醇添加量为2%，此条件下花生油脚中花生磷脂的提取率为93.43%。说明采用超临界CO2萃取法从花生油脚中萃取花生磷脂可以提高花生油脚的资源利用率。

花生油脚；磷脂；超临界CO2萃取；响应面法

作为一种天然表面活性剂，花生磷脂是重要的生物活性物质[1]。它的成分主要包括PC(磷脂酰胆碱)和脑磷脂这两种，具有恢复脑功能、增强记忆力以及抗衰老的功效，并能改善肌体神经功能障碍及紊乱[2-3]。高纯度磷脂的获取渠道有很多，如层析法、有机溶剂萃取法、超临界CO2萃取法等。其中有机溶剂萃取磷脂[4]的工艺简单，所得产品的纯度并不是很高，纯度可高达90%以上的层析法处理能力有限，又残留许多有机溶剂，而超临界CO2萃取磷脂方法，保证了产品无溶剂残留，色泽、风味皆比其他方法制备的产品优越，可直接用于医疗。采用传统方法炸取花生油，静置后得到的沉淀物为花生油脚，花生油脚中含有一定量的油。虽然花生磷脂含量低于高纯度磷脂，但为了提高花生油脚的附加值，减少资源浪费，亟待探索新型提取花生磷脂的工艺方法。

目前，超临界CO2提取方法在食品行业已被广泛应用，如在咖啡豆中咖啡因的抽提、沙棘籽油的萃取精制、EPA及DHA的精制[5]、冷榨甜橙油中芳香物质的分离、烟草中烟碱的去除[6]、啤酒花有效成分的分离提取、柑桔汁脱苦[7]，大豆磷脂的超临界萃取[8-10]等方面都取得了较大的研究进展。但是，鲜见报道运用超临界CO2方法萃取花生磷脂，本文探讨了超临界CO2萃取花生油脚中磷脂的工艺，为规模化制取花生磷脂提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

花生油脚(脱水)、高纯CO2(SPE级，99.995%)。

1.2 仪器

SFE-2 Supercritical Fluid Extractor (Applied Separations，USA)，样品池体积10mL。

1.3 试验方法

1.3.1 萃取流程 CO2气瓶→热交换器→高压泵→萃取釜→限流器→收集器。

1.3.2 萃取方法 天枰称取脱水油脚3～5g，置入油脚萃取池中，首先将高纯CO2罐供给阀门打开，调节高压泵使液体CO2达到理想压力，控制器控制萃取池的温度，限流器达到的温度要求高出萃取温度20℃，然后进气阀排气，静态萃取10min，再打开出气阀，动态萃取至规定时间。

1.3.3 花生磷脂测定 采用钼兰比色法，GB5537-85。

1.3.4 单因素试验 设置单因素4项，分别考察超临界CO2萃取花生油脚中磷脂时的萃取压力、萃取温度、CO2流速和乙醇添加量对花生磷脂提取率的影响。(1)萃取压力。萃取温度35 ℃、CO2流速6 L/h、无改性剂，萃取压力分别为17.24、20.69、24.13、27.58、31.03、34.48MPa；(2)萃取温度。CO2流速6 L/h、 萃取压力31.03MPa、无改性剂、萃取温度分别为30、35、40、45、50、55℃；(3)CO2流速。萃取压力31.03MPa、 萃取温度45℃、无改性剂时，CO2萃取流速分别为4、5、6、7、8、9 L/h；(4)乙醇添加量。萃取温度45℃、萃取压力31.03MPa、萃取流速7 L/h、乙醇添加量分别为0、2%、4%、6%、8%、10%。

1.3.5 响应面试验 采用Design-Expert软件设计响应面试验，试验的各因素水平范围由单因素试验结果确定，利用模型—Box-Behnken，以花生磷脂的提取率为响应值做四因素三水平试验，共29个试验点的二次回归正交组合设计试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 萃取压力对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响 萃取压力在花生磷脂萃取率的众多因素中影响较大，设置这一过程的压力范围为17.24～34.48MPa(萃取温度35 ℃、CO2流速6 L/h、无改性剂)，对花生油脚中磷脂进行超临界萃取。原理上萃取压力影响CO2的密度，进而改变超临界CO2的溶解解能力。从图1中可以看出，随着萃取压力的增加，萃取率成增大趋势，当萃取压力达到31.03MPa时，萃取率为75.42%。但随着压力增加，超过31.03MPa后，其磷脂萃取效率又出现下降趋势，因此，可选择压力为31.03MPa左右进行萃取。

图1 萃取压力对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响

2.1.2 萃取温度对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响 超临界CO2的性质受到萃取温度的影响，试验中选择从温度30℃开始，最高温度达到55℃(CO2流速6 L/h、 萃取压力31.03MPa、无改性剂)，测定不同萃取温度下对花生磷脂的提取率的影响。从图2可以看出，随温度升高，花生油脚中磷脂萃取率逐渐增加，温度45℃时萃取率最高，达到75.88%。当温度进一步升高，花生磷脂萃取率逐渐降低。考虑到磷脂生物活性的保护，不易于采用太高的温度。

图2 萃取温度对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响

2.1.3 CO2用量对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响 CO2流速的对溶质与溶剂之间的传质推动力影响较大，当CO2用量增大，传质效率提升，花生磷脂的萃取率也相应提高。测定不同CO2用量对萃取率的影响(萃取压力31.03MPa、 萃取温度45℃、无改性剂)。从图3中可以看出，随着CO2流速的增加，萃取率逐渐增加，至CO2流速为7L/h时，萃取率增加到最大值，此时萃取率为88.49%，流速超过7L/h后，萃取率又随着CO2流速的增加而逐渐减小，这可能因为流速增加反而缩小了溶质与溶剂之间的传质时间，使萃取率降低。

图3 CO2流速对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响

2.1.4 改性剂对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响 乙醇作为本试验中的改性剂，分别以0、2%、4%、6%、8%、10%的比例与CO2预先混合，萃取条件为：萃取温度45℃、萃取压力31.03MPa、萃取时间30min、CO2流量7L/h (静态萃取10min、动态萃取20min)。从图4中可以看出，在CO2中加入2%的乙醇可大幅度提高花生磷脂的提取率，提取率可达93.88%，相对于不使用改性剂提取率增加了5.78%，但超过了2%，随乙醇添加量的增大花生磷脂的萃取率反而降低。

图4 乙醇添加量对花生油脚中花生磷脂萃取率的影响

2.2 响应面试验结果

利用Design-Expert软件，选用模型—Box-Behnken，以花生油脚中花生磷脂的提取率作为响应值，设计四因素三水平共29个试验点的响应面试验(表1)。利用Design-Expert软件对磷脂提取率的响应面试验结果进行二次多元回归拟合，得到花生油脚中花生磷脂的提取率对自变量A、B、C和D的二次多项式回归方程：R=93.53-0.47A+0.41B+0.094C+0.33AB+0.19AC+0.12BC-1.07A2-0.91B2-0.84 C2(表2)。

表1 因素水平

表2 Box-Behnken设计方案及试验结果

表3 回归模型方差分析

回归模型中的A 萃取压力、B 萃取温度、AB(萃取压力和萃取温度的交互作用)、A2、B2、C2的P值均小于0.01，结果说明这些因素对花生磷脂提取率的影响极显著。萃取压力、萃取温度、CO2流速这3个因素对花生磷脂提取率的影响由大到小依次为萃取压力、萃取温度、CO2流速。利用Design-Expert软件结合试验结果，得到二元二次方程，绘出响应面图。等高线的形状表示两个因素交互效应的强弱大小，椭圆形表示交互作用显著，而圆形则与之相反，由图5～7可知，3个因素两两之间皆有交互作用。

图5 萃取压力和萃取时间的交互作用对萃取率的响应面图和等高线图

图6 萃取压力和CO2流速的交互作用对萃取率的响应面图和等高线图

图7 萃取温度和CO2流速的交互作用对萃取率的响应面图和等高线图

对如上回归模型进行响应面分析，找出本次研究的稳定值及最优条件，得到萃取花生油脚中花生磷脂的最优条件为萃取压力31.64MPa、萃取温度45.59℃、CO2流速7.02L/h，理论上此条件下花生磷脂的提取率可达到93.61%。通过对响应面分析法得出的最优条件进行验证试验，并重复3次，得到花生磷脂的提取率平均值为93.43%，与理论值相比偏差0.19%，因此，利用响应面法优化得到的超临界CO2法萃取花生油脚中花生磷脂的最佳工艺条件是可靠的。

3 结论

本试验以花生油脚中花生磷脂的萃取率为指标，首先进行单因素试验研究，在此基础上采用响应面分析法，排除影响较小的因素—改性剂，对超临界CO2萃取法萃取花生油脚中花生磷脂工艺的3个关键因素萃取压力、萃取温度、CO2流速进行了优化，确定了工艺条件。试验结果表明萃取温度、萃取压力和CO2流速的交互作用对花生磷脂提取率的影响显著；萃取压力与萃取温度对花生磷脂提取率的影响极显著；三个因素对花生磷脂提取率的影响由大到小依次为萃取压力>萃取温度>CO2流速。超临界CO2萃取法从花生油脚中萃取花生油脂优化的萃取工艺条件为萃取压力31.64MPa、萃取温度45.59℃，CO2流速7.02L/h、乙醇添加量为2%。在此条件下，实际超临界CO2萃取花生磷脂达到93.43%，达到了极高的提取率，提高了花生油脚的附加值，减少了资源浪费。

4 讨论

花生是世界上最重要的油料作物之一，花生仁脂肪含量在50%左右[11-12]，作为主要供油作物它的产品下脚料相应很多，花生油脚含有一定量的磷脂残留，将这部分磷脂提取出来并加以利用是符合市场需求与资源利用的。从花生油脚中提取磷脂的传统方法必然涉及在油脂制取前对油料进行有效的清除和除杂，以期达到减少油脂损失、减轻设备磨损、减少尘土飞扬、改善环境、安全生产的目的[13]。

超临界CO2萃取技术作为一种绿色工艺，克服了回收率低和有机溶剂残留等问题[14]，取消了对花生油脚进行预除杂等操作步奏，显示了巨大的市场潜力。采用超临界CO2萃取法从花生油脚中萃取花生磷脂可以提高花生油脚的资源利用率及提取产物得率，产品颜色淡黄，纯度很高。但另一方面，超临界CO2萃取法所需设备的投资较大、占地面积多，并且需要精深操作管理，专业人士按时检验保修，所以采用超临界CO2萃取法制备的高纯度的花生磷脂应该应用于附加值高的产品，在这方面还是大有前景的，具有开发利用价值。本文对花生油脚中花生磷脂的提取工艺进行了单因素及响应面优化工艺试验，最终确定了最优提取条件，并达到了极高的提物率，它为规模化制取花生油脚中的磷脂提供了有价值的参考依据。◇

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[14]张德权，胡晓丹.食品超临界 CO2流体加工技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

(责任编辑 刘宏)

Optimizationon Supercritical CO2Extraction Technology of Phospholipids from Peanut Oil Sediment

DENG Peng，SUN Wen-jia，XU Tong-cheng，JIA Min，GONG Dong-ying，LIU Li-na

(Institute of Agro-food Science and Technology，Shandong Academy of Agricultural Science/ Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Products Deep Processing，Jinan 250100，China)

In order to explore optimum conditions of supercritical CO2extraction technology of phospholipids in peanut oil sediment by Response Surface Methodology，phospholipids were extracted from peanut oil sediment by supercritical CO2extraction method，and using the yield of phospholipids as indicator，the key factors of supercritical CO2extraction method，extraction pressure，temperature and CO2flow speed were optimized by Box-Behnken Response Surface Methodology on the base of single factor tests.The results showed that extraction pressure，temperature，the interaction between extraction pressure and temperature had very significant effects on the yield of phospholipids.The optimal extraction conditions for the extraction of peanut oil sediment were，extraction pressure 31.64MPa,extraction temperature 45.59℃,CO2flow speed 7.02L/h,the amount of added ethanol 2%，the yield of phospholipids under these conditions 93.43%,so resource utilization of peanut oil sediment can be improved by supercritical CO2extraction Technology of phospholipids in peanut oil sediment.

peanut oil sediment；phospholipids；supercritical CO2extraction；response surface methodology

山东省科技发展计划“花生油脚中磷脂精制关键工艺研究与应用”(项目编号：2013GNC11305)；山东省引进海外高层次人才创新计划“泰山学者海外特聘专家资金项目”(项目编号：tshw20110532)。

邓鹏(1982— )，男，硕士，副研究员，研究方向：粮油加工。

刘丽娜(1978— )，女，博士，副研究员，研究方向：粮油加工。