响应面法优化腰果脂肪提取工艺

许金花，陈健

（海南大学食品学院，海南海口570228）

响应面法优化腰果脂肪提取工艺

许金花，陈健*

（海南大学食品学院，海南海口570228）

优化腰果脂肪提取工艺。先对提取腰果脂肪的方法进行选择，然后在单因素试验的基础上，应用响应面法对腰果脂肪提取条件进行优化。结果表明，腰果脂肪提取工艺最优条件为料液比1∶27（g/mL），提取时间4.44h，温度60.60℃，提取溶剂为纯石油醚。腰果脂肪实际平均得率为47.76%，所得腰果脂肪提取回归模型高度显著（相关系数R2=0.984 7），拟合性好（修正后的相关系数R2Adj=0.965 0）。

腰果脂肪；响应面优化；索氏提取法；工艺参数

腰果，一种肾形坚果，有丰富的营养价值，是世界著名四大干果之一[1-3]。腰果的脂肪含量在50%左右[4]，高于花生（约44%）、大豆（约20%）等食用油主要加工原料，但早年因我国腰果产量低[5]（产量从2001年的1118 t逐渐减少到2005年390 t）故无法成为食用油的加工原料，但近年来产量逐渐增加到2010年720 t，因此可成为食用油的加工原料；腰果脂肪所含脂肪酸中，不饱和脂肪酸高达80%，其中单不饱和脂肪酸约占63%，高于多不饱和脂肪酸（17%）[6-8]，而在防治心血管疾病等方面，单不饱和脂肪酸优于多不饱和脂肪酸，因此腰果脂肪作为一种富含单不饱和脂肪酸的功能性脂肪，具有很高的营养价值[9-12]；近年来，我国腰果加工品需求量持续增长[5]，进口量从2003年26 t增加到2010年的1 365 t。因此，大规模发展腰果生产、加工和基础理论研究势在必行。

目前有关腰果的研究集中在腰果蛋白的提取加工工艺及其特性研究[13-14]、腰果脂肪成分分析及其特性研究[4，6]，对腰果中脂肪提取工艺优化研究较少[15-17]。钟俊桢等用水剂法提取腰果脂肪，脂肪提取率74.39%；李维静等用水剂法提取，脂肪得率34.86%；郭兴峰等采用压榨法提取腰果脂肪，脂肪得率低。

综上，现有关于腰果脂肪提取工艺的研究表明脂肪得率低且成本高。试验以海南腰果为原料，采用响应面法优化腰果脂肪提取工艺参数，脂肪得率高达47.76%，且成本低，试剂污染小，在腰果脂肪的提取及综合开发利用方面具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

海南腰果（脂肪含量45%～50%[4]）：海南省乐东市；沸程30℃～60℃石油醚（分析纯）：西陇化工股份有限公司；φ12.5 cm脱脂滤纸：杭州沃华滤纸有限公司。

1.2 仪器与设备

250 mL索氏抽提装置：郑州兴华玻璃仪器厂；DS-1组织捣碎机：上海右一仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅：金坛市盛蓝仪器制造有限公司；SHIMADZU AUW220电子天平：厦门群隆仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 腰果脂肪的测定[18]

按中华人民共和国国家标准GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的测定》第一法测定腰果中脂肪含量。

1.3.2 腰果脂肪得率的测定[19]

腰果脂肪得率/%=（滤纸质量+样品质量-提取后滤纸包质量）/样品质量×100

1.4 脂肪提取工艺的确定

1.4.1 方法选择

腰果是一种坚果，且出于成本考虑，提取腰果中脂肪的方法主要有以下几种。

1.4.1.1 索氏提取法（按中华人民共和国国家标准GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的测定》第一法）

腰果脂肪得率/%=（滤纸质量+样品质量-提取后滤纸包质量）/样品质量×100

1.4.1.2 酸水解（按中华人民共和国国家标准GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的测定》第二法）

腰果脂肪得率/%=（已恒重装有脂肪的油杯重量-已恒重的油杯重量）/样品质量×100

1.4.1.3 氯仿-甲醇提取法[20]

腰果脂肪得率/%＝（烧杯及油脂质量－烧杯质量）/样品质量×2.5×100

通过上述3种方法提取腰果中的脂肪，计算得率并对比，确定最佳提取方法。

1.4.2 单因素试验设计

在1.4.1方法选择的基础上，确定最佳方法为索氏提取法，索氏提取法中影响脂肪得率的因素主要有提取温度T、提取时间t、不同比例混合溶剂和料液比。准确称量腰果粉5.00 g，按1.3.2测量脂肪含量，计算脂肪得率。

1.4.2.1 混合溶剂比例的确定

在料液比为 1∶29（g/mL），T=60℃，t=4 h时，混合溶剂（氯仿∶石油醚）采用0∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6（体积比）7个水平进行3次平行试验，确定最佳混合溶剂比例。

1.4.2.2 提取温度T的确定

在料液比为 1∶29（g/mL），混合溶剂（氯仿 ∶石油醚）0 ∶1（体积比），t=4 h 时，T 采用 30、40、50、60、70、80℃6个水平进行3次平行试验，确定最佳提取温度。

1.4.2.3 提取时间t的确定

在料液比为 1 ∶29（g/mL），混合溶剂（氯仿 ∶石油醚）0∶1（体积比），T=60℃时，t分别取 3、4、5、6、7 h，5个水平进行3次平行试验，确定最佳提取时间。

1.4.2.4 料液比的确定

在混合溶剂（氯仿 ∶石油醚）0∶1（体积比），T=60 ℃，t=4 h 时，料液比采用 1 ∶21、1 ∶23、1∶25、1 ∶27、1∶29、1∶31（g/mL）6个水平进行 3 次平行试验，确定最佳料液比。

1.4.3 响应面法优化提取工艺

根据单因素试验结果，取其中影响程度较大的3个因素作为影响脂肪得率的自变量，选择合适的水平，进一步探讨它们对腰果脂肪得率的影响，根据Box-Behnken，用Design ExpertV7.0软件进行试验设计（见表1），确定腰果脂肪最佳提取工艺。

表1 腰果脂肪响应面设计因素及水平编码Table 1 Box-Behnken design with 3-level factorials for cashew nuts fat

1.5 数据处理

所有试验重复3次，使用SPSS19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 试验方法选择

索氏提取法、酸水解法、氯仿-甲醇提取法对腰果脂肪得率的影响见图1。

图1 提取方法对腰果脂肪得率的影响Fig.1 Effect of the extraction method on extraction rate of cashew nuts fat

原料脂肪含量在45%～50%[4]，由图1可看出索氏提取法的得率最大，在40%～50%之间，酸水解法和氯仿甲醇提取法的得率相差无几，在10%～30%之间，这是由于索氏提取法利用溶剂回流及虹吸原理，使腰果粉连续不断地被提取溶剂萃取，对腰果内脂肪提取较完全。综合考虑，最佳方法为索氏提取法。

2.2 单因素试验

2.2.1 混合溶剂比例（氯仿∶石油醚）对腰果脂肪得率的影响

溶剂比例对腰果脂肪得率的影响见图2。

图2 溶剂比例（氯仿∶石油醚）对腰果脂肪得率的影响Fig.2 Effect of the mixed solvent ratio（chloroform∶petroleum）on extraction rate of cashew nuts fat

由图2可知，当溶剂比例（氯仿∶石油醚）为0∶1时，脂肪得率达到最大值，溶剂比例（氯仿∶石油醚）由0∶1上升到1∶1时，脂肪的得率大幅下降，而从溶剂比例（氯仿∶石油醚）1∶1上升至溶剂比例（氯仿∶石油醚）1∶3，得率有明显的增加，其后得率维持在一定水平，这是因为腰果脂肪酸结构多是非极性[20]，石油醚极性小于氯仿，故腰果脂肪在石油醚中溶解性较氯仿强。综合考虑，溶剂比例（氯仿∶石油醚）宜保持0∶1左右，即提取溶剂为纯石油醚。

2.2.2 提取温度对腰果脂肪得率的影响

温度对腰果脂肪得率的影响见图3。

图3 温度对腰果脂肪得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of cashew nuts fat

由图3可知，在30℃～60℃之间，脂肪得率逐渐上升。当提取温度达到60℃时，脂肪得率最高。当超过60℃时，得率明显下降。因为温度较低时，脂肪溶出缓慢，温度升高，分子运动更快，更容易溶解来自样品中的脂肪；但随着温度的持续升高，脂肪的得率反而降低，这是由于温度过高，提取溶剂（沸程30℃～60℃的石油醚）挥发性强，提取体系的提取溶剂挥发加快，而腰果脂肪沸点在提取温度之上[21]，因此导致料液比减少，得率下降。并且高温会使脂肪变性，直接影响产品质量。所以综合考虑，提取体系的温度应保持在60℃左右。

2.2.3 提取时间对腰果脂肪得率的影响

提取时间对腰果脂肪得率的影响见图4。

图4 提取时间对腰果脂肪得率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of cashew nuts fat

由图4可知，腰果脂肪的得率在3 h～5 h之间呈现上升趋势，在5 h时达到最高，得率维持在一定水平，这是因为腰果中的脂肪提取一定时间后提取完全，故提取时间的增加并不会导致得率的增加。综合时间成本考虑，提取体系最终确定最佳提取时间为5 h。

2.2.4 料液比对腰果脂肪得率的影响

料液比对腰果脂肪得率的影响见图5。

图5 料液比对腰果脂肪得率的影响Fig.5 Effect of solid-to-liquid ratio on extraction rate of cashew nuts fat

由图5可知，脂肪得率随料液比的增加呈现先上升后维持在一定水平的趋势。当料液比为1∶27（g/mL）时，得率达到最大值。可能的原因是随着提取溶剂的增加，来自原料中的脂肪更容易被溶解出来，得率相应增大。当提取溶剂用量过多时，会造成原料的浪费，增加产品成本。综合考虑，提取体系最终确定最佳料液比为 1 ∶27（g/mL）。

综合4个因素对腰果脂肪得率的影响结果，溶剂比例（氯仿∶石油醚）0∶1（体积比）的得率远大于其他比例的得率，因此固定溶剂比例（氯仿∶石油醚）0∶1（体积比），对其余3个因素进行响应面优化设计。

2.3 腰果脂肪响应面优化提取条件

2.3.1 回归模型的建立

每个试验组合重复试验3次，取其平均值。用表1的响应面设计，用软件共设计了17个以随机次序排列的响应面试验（见表2），脂肪得率为响应值。利用Design Expert软件可得到二次多元回归方程：

表2 试验设计与结果Table 2 Experimental design and results

回归方程的方差分析结果见表3。

表3 回归模型及方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

回归模型的P值（p＜0.000 1）明显小于0.01，表明所得模型较显著。模型误差失拟项中P=0.715 5＞0.05，说明该方程对试验拟合度较好，预测值与试验值之间具有高度的相关性（相关系数R2=0.984 7），仅有约1.14%的得率变异不能由该模型解释（RAdj2=0.965 0）。可以利用上述模型预测提取条件对脂肪得率的影响。由表 3 可知，F（B）=192.59，F（C）=6.80，F（A）=0.64，即各因素对腰果脂肪得率的影响顺序为提取时间＞温度＞料液比。 从表3中可得，C、AB及AC对试验指标影响显著，B、A2、B2及C2对试验指标影响极显著。

2.3.2 各因素对腰果脂肪得率的响应面分析

响应曲面的陡峭程度反映了各因素对响应量的影响显著程度。二者成正比关系，即曲面越陡峭，影响越显著。图6～图8反映了各因素对腰果脂肪得率的影响。

图6 料液比和提取时间对脂肪得率影响的响应面和等高线Fig.6 Responsive surfaces and contour plot of the effect of solidto-liquid ratio and time on fat extraction yield

图7 料液比和温度对脂肪得率影响的响应面和等高线Fig.7 Responsive surfaces and contour plot of the effect of solidto-liquid ratio and extraction temperature on fat extraction yield

图8 提取时间和温度对脂肪得率影响的响应面和等高线Fig.8 Responsive surfaces and contour plot of the effect of time and extraction temperature on fat extraction yield

由图6可知，温度为60℃，在提取时间为较低水平时，脂肪得率随着料液比的增大呈先增大后下降趋势，但在高液料比下，脂肪得率却呈现出上升趋势，这与液料比与时间之间负交互作用高度显著有关。由图7可以看出，当提取时间为4 h，随着料液比的升高，在温度为较低水平下，脂肪得率随着料液比的增大呈先增大后下降趋势。同理，由图8可以看出，料液比为1∶27（g/mL）时，随着提取时间的增大，在较低温度水平下，脂肪得率呈增大趋势，但在较高温度水平下，脂肪得率却呈现出下降趋势。对比3张图可得，料液比（A）和温度（C）的交互作用最为显著，提取时间（B）与温度（C）的相互影响最小，与表3模型方差分析结果一致。

2.3.3 获取最佳提取条件

由Design-ExpertV7.0分析得最佳提取条件是：料液比 1 ∶27.12（g/mL），提取时间 4.41 h，温度 60.6 ℃。此条件下的理论得率为48.22%。为检验试验结果的可靠性，可进行验证试验。但显然料液比的比例不便于操作，所以将最佳工艺条件修正为料液比1∶27（g/mL），提取时间4.44 h，温度60.60℃。在该条件下进行3次平行试验，测得腰果脂肪实际得率为47.76%，相对误差为1.34%，无显著性差异。

3 结论

本研究以腰果为原料，采用响应面法优化提取腰果中的脂肪。通过单因素试验得出，料液比、提取温度、提取时间这3个因素对脂肪的得率影响较大。其主次顺序为：提取时间＞提取温度＞料液比，通过响应面试验优化工艺参数，得出最佳工艺条件为：料液比1∶27（g/mL），提取时间4.44 h，温度60.60℃，溶剂纯石油醚。在此工艺条件下，脂肪的理论得率为48.22%，实际平均得率为47.76%，相对误差为1.34%。说明通过响应分析法得到的回归方程可较好地预测试验结果。

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Optimization of Fat Extraction of Cashew Nuts by Using Response Surface Methodology

XU Jin-hua，CHEN Jian*
（College of Food Science and Technology，Hainan University，Haikou 570228，Hainan，China）

To optimize the extraction conditions of cashew nuts fat，chossing a method of fat extraction of cashew nuts firstly，then based on the single factor experiments，the response surface methodology（RSM）was employed to optimize the extraction conditions of cashew nuts fat.The optimum extraction conditions were as follow：solid-to-liquid（S/L）ratio of 1 ∶27（g/mL），extraction time of 4.44 h，extraction temperature of 60.60 ℃，and the solvent of petroleum ether.The yield of fat was 47.76%.The cashew nuts fat extraction regression model was highly significant（R2=0.984 7）and with good fitting（R2Adj=0.965 0）.

cashew nuts fat；response surface optimization；soxhlet extraction method；process parameters

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.008

海南省自然科学基金项目（20163053）；海南大学科研启动基金项目（kyqd1553）

许金花（1994—），女（汉），本科生，研究方向:天然产物的加工与利用。

*通信作者:陈健（1985—），男，讲师，研究方向：天然产物的加工与利用。

2016-09-21