响应面优化超临界CO2萃取怀远石榴籽油及其体外抗氧化性研究

2018-01-22伍亚华石亚中钱时权蚌埠学院生物与食品工程系安徽蚌埠233030

中国油脂 2017年12期

伍亚华，石亚中，钱时权(蚌埠学院生物与食品工程系,安徽蚌埠 233030)

石榴 (PunicagranatumL.)为石榴科石榴属植物，在我国分布范围广，其籽含油量较高，可达20%[1]。石榴籽油富含多种不饱和脂肪酸(其中石榴酸含量为64%～83%[2])，被认为是唯一的多不饱和共轭脂肪酸的植物油来源[3-4]，不但具有较好的抗氧化性，还可降血糖、降血脂、抗癌[5-7]，对人体非常有益[8]，经济价值较高。

目前，植物油脂的提取方法较多，如压榨法、溶剂浸提法、索氏抽提法、超临界CO2萃取法等[9]。压榨法主要适用于含油量较高的原料，溶剂浸提法和索氏抽提法的油脂得率较高，但存在残留溶剂的问题。超临界流体萃取技术(SFE)是利用超临界流体的溶解能力对物质进行萃取、分离和纯化，具有提取温度低、效率高、溶剂分离完全等优点[10-11]。CO2在超临界条件下溶剂特性良好，具有化学惰性，与大部分物质都不起化学反应，安全无毒，可循环使用，因此是最常用的SFE气体。

安徽省怀远县是我国著名的石榴之乡，“怀远石榴”已成为国家地理标志保护产品。该县石榴资源丰富，所产石榴很多被用来生产石榴果酒，石榴籽作为生产果酒的下脚料，利用率较低，既浪费资源，也污染环境[12]。本研究以怀远石榴酿酒后的下脚料石榴籽为原料，以超临界CO2萃取技术萃取石榴籽油，在单因素实验的基础上，采用响应面分析法优化萃取工艺条件，并对所得石榴籽油的理化指标进行测定，通过体外抗氧化性实验考察了石榴籽油清除自由基的能力，以期为怀远石榴的深加工与综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

石榴籽，怀远成果石榴酒厂提供，60℃烘干，去除果衣、果皮等杂质，粉碎，过筛，得不同目数的粉末，60℃烘干至恒重，备用。CO2，食品级，纯度大于等于99.5%，蚌埠市鑫源气体有限公司。

1.1.2 仪器与设备

HL-1L/50-ⅡA超临界CO2萃取装置，杭州华黎泵业有限公司；WSL-2A比较测色仪，上海先科仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 石榴籽油的超临界CO2流体萃取

称取一定粉碎度的石榴籽粉末250 g装入萃取釜中，CO2流量10 L/min条件下，根据实验条件所设定的参数进行超临界CO2萃取。每隔一段时间收集一次石榴籽油萃取液，质量记为m1。石榴籽油得率记为w，则：w=m1/250×100%。

1.2.2 理化指标的测定

酸值测定参照GB/T 5530—2005，过氧化值测定参照GB/T 5538—2005，皂化值测定参照GB/T 5534—2008，碘值测定参照GB/T 5532—2008，透明度、气味测定参照GB/T 5525—2008。

1.2.3 体外抗氧化性实验

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 萃取压力对石榴籽油得率的影响

在石榴籽粉碎度60目、萃取温度50℃、萃取时间90 min条件下，考察萃取压力(20、25、30、35、40 MPa)对石榴籽油得率的影响，结果见图1。

图1 萃取压力对石榴籽油得率的影响

由图1可知，萃取压力较低时，石榴籽油得率也较低，当萃取压力为20 MPa时，石榴籽油的得率仅为12.8%。随后，在萃取压力20～30 MPa范围内，随着萃取压力升高，石榴籽油的得率明显增加，当萃取压力为30 MPa时，石榴籽油的得率可升至19.1%。这是因为在临界条件下，压力的提高会导致超临界流体的密度急剧增加，而密度大小与超临界流体的溶解度正相关，因此流体的溶解度也随之快速增加。当萃取压力进一步增加时，石榴籽油得率的增加趋于平缓，这是因为萃取压力达一定值后，压力对流体密度的影响就会趋稳。而且，压力太大对设备的要求更高，设备的投资及运行成本也会急剧增加。综合考虑，萃取压力选取30 MPa。

2.1.2 萃取温度对石榴籽油得率的影响

在石榴籽粉碎度60目、萃取压力30 MPa、萃取时间90 min条件下，考察萃取温度(35、40、45、50、55℃)对石榴籽油得率的影响，结果见图2。

图2 萃取温度对石榴籽油得率的影响

由图2可知，在较低的温度条件下，升高萃取温度，石榴籽油的得率也会同步增加。萃取温度为35℃时，石榴籽油得率只有12.5%；当萃取温度升高到50℃时，得率达到最大，为19.1%；其后，进一步升高萃取温度，石榴籽油的得率反而下降。这是因为萃取温度升高，分子的热运动增加，使得石榴籽油的挥发性与扩散速度也随着增加，导致其在超临界流体中的浓度增大；但萃取温度升高也会导致超临界流体密度的降低，其对石榴籽油的溶解能力下降，导致石榴籽油在超临界流体中的浓度减小。在萃取温度较低的范围内，前者是矛盾的主体，因此随着萃取温度的升高，石榴籽油的得率会增加，但萃取温度升高到一定值后，后者成为矛盾的主体，石榴籽油的得率反而下降。因此，萃取温度选择为50℃。

2.1.3 萃取时间对石榴籽油得率的影响

在石榴籽粉碎度60目、萃取压力30 MPa、萃取温度50℃条件下，考察萃取时间(30、60、90、120、150 min)对石榴籽油得率的影响，结果见图3。

图3 萃取时间对石榴籽油得率的影响

由图3可知，在萃取刚开始时，随着萃取时间的延长，石榴籽油的得率增加很快。萃取时间为30 min 时，石榴籽油的得率为11.9%；当萃取时间延长到90 min时，石榴籽油的得率可达18.9%；其后，随着萃取时间的进一步延长，石榴籽油得率的增加幅度逐渐趋于平缓。这是因为刚开始萃取时，石榴籽油在细胞内外的浓度差很大，传质效率高；随着萃取时间的延长，细胞内外的浓度差减小，石榴籽粉末中固相残留物质也会阻碍石榴籽油的扩散，因此传质效率降低，而且萃取时间越长，其他脂溶性的物质也被萃取出更多。综合考虑到萃取成本以及油品质量，萃取时间选择为90 min。

2.1.4 粉碎度对石榴籽油得率的影响

在萃取压力30 MPa、萃取温度50℃、萃取时间90 min条件下，考察粉碎度(20、40、60、80、100目)对石榴籽油得率的影响，结果见图4。

由图4可知，当粉碎度较低时，增加粉碎度，可有效增加石榴籽油的得率。粉碎度为20目时，石榴籽油的得率为13.4%；粉碎度增加到60目时，石榴籽油的得率为19.3%；其后，随着粉碎度的进一步增大，石榴籽油的得率反而随之下降。这是因为随着石榴籽粉碎度的增加，粉末颗粒度减小，石榴籽油从原料粉末向溶剂CO2传输的路径缩短，与溶剂的接触表面积也增大，有利于细胞内物质的溶出，增大传质效率，从而增加石榴籽油的得率；但如果粉末的粉碎度过大，也就是说粉末颗粒度过小，容易造成过滤网的堵塞，从而造成设备的破坏；另外，粉末颗粒度过小也会导致粉末原料在高压条件下被紧紧压缩在一起，反而不利用细胞内物质的溶出。因此，石榴籽粉末的粉碎度以60目为宜。

图4 粉碎度对石榴籽油得率的影响

2.2 响应面优化实验

在单因素实验基础上，以萃取压力、萃取温度、萃取时间及粉碎度为自变量，石榴籽油得率为响应值，利用Design-Expert 7.0 软件设计二次响应面模型。因素水平见表1，响应面实验设计及结果见表2。

表1 因素水平

表2 响应面实验设计及结果

续表2

实验号ABCD石榴籽油得率Y/%16-100-115．617001118．61810-1016．31901-1016．720000019．3210-11017．522100118．523-10-1015．3241-10017．425110017．52600-1116．427101018．628-110016．629-1-10014．9

利用Design-Expert 7.0软件，通过对多项式回归分析，得到的拟合全变量二次回归方程模型为：Y=19.26+0.91A+0.43B+0.94C+0.22D-0.40AB+0.43AC-0.30AD-0.38BC-0.38BD-0.025CD-1.40A2-1.24B2-1.33C2-0.54D2。

该回归方程的回归模型方差分析结果见表3。

表3 回归模型方差分析

注： **差异极显著(P<0.001)； *差异显著(P<0.05)。

由回归模型进行响应面分析，可以得到石榴籽油的最佳工艺参数为萃取压力32.00 MPa、萃取温度50.17℃、萃取时间103.22 min、粉碎度61.60目，在此条件下，石榴籽油得率预测值为19.505 2%。考虑到操作实际情况，选择萃取压力32.0 MPa、萃取温度50.0℃、萃取时间103.0 min、粉碎度60.0目，以此条件进行3 次重复实验，得石榴籽油得率的平均值为19.4%，与预测值相差不大，由此即可确定石榴籽油的最佳萃取工艺条件。

2.3 理化指标及体外抗氧化性评价

2.3.1 理化指标的测定

以超临界CO2萃取法、索氏抽提法提取的石榴籽油为研究对象，进行理化指标的分析测定，具体结果如表4所示。

表4 怀远石榴籽油理化指标

由表4可知，与索氏抽提法比较，超临界CO2萃取法所制得的石榴籽油酸值低，过氧化值与皂化值小，碘值稍大，颜色较浅，清澈透明，感官更好。由此可见，超临界CO2萃取法所制得的怀远石榴籽油的品质更好。

2.3.2 体外抗氧化性实验

2.3.2.1 石榴籽油对DPPH·的清除能力(见图5)

图5 石榴籽油对DPPH·清除能力

由图5可知，与VC相比较，在质量浓度较低的情况下，石榴籽油对DPPH·的清除效果较差，石榴籽油质量浓度为2 mg/mL时，对DPPH·的清除率为19.5%，而VC的清除率为54.1%；当石榴籽油质量浓度增大时，对DPPH·的清除率增加明显，石榴籽油质量浓度为10 mg/mL时，对DPPH·的清除率可达79.3%，已略高于VC。这说明该石榴籽油对DPPH·具有良好的清除能力，且清除能力与质量浓度正相关。

2.3.2.2 石榴籽油对ABTS+·的清除能力(见图6)

图6 石榴籽油对ABTS+·清除能力

由图6可知，当石榴籽油质量浓度为0.2 mg/mL时，对ABTS+·的清除率仅为9.7%，而VC可达21.5%；随着石榴籽油质量浓度的增加，其对ABTS+·的清除率也快速增加，且增加幅度明显高于VC；当石榴籽油质量浓度为1.0 mg/mL时，对ABTS+·的清除率可达42.6%，而VC为40.2%。由此可见，石榴籽油质量浓度与ABTS+·的清除效果呈正相关，质量浓度越大，清除效果越好。

图7 石榴籽油对清除能力

3 结论

(1)以怀远石榴籽为原料，采用超临界CO2萃取法制备石榴籽油，在单因素实验基础上，利用响应面法优化萃取工艺，得到石榴籽油的最佳萃取工艺条件为萃取压力32.0 MPa、萃取温度50.0℃、萃取时间103.0 min、粉碎度60.0目，在此条件下，石榴籽油得率可达19.4%。

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