超临界CO2提取板栗油工艺优化研究

吴 定 黄卉卉 路桂红 王 媛 刘常金 付懋林

(南京财经大学食品科学与工程学院1，南京 210046)(天津科技大学食品科学与生物技术学院2，天津 300457)

板栗是一种营养较为丰富的坚果，也是我国广为种植的经济作物。目前，我国板栗种植面积约占全世界60%，年产板栗约82.5万t，年产量以6.8%的速率平稳上升[1-2]。

板栗仁是人体必需脂肪酸、必需氨基酸、维生素、膳食纤维和钾、镁、铁等矿物质等营养素良好来源；研究显示，板栗仁含42.5%～56.6%水，37.99%～48.83%淀粉、3.95%～9.11%蛋白质、2.43%～8.73%脂肪、2.24%～3.67%纤维素；维生素C含量为26.3～46.7 mg/100 g，钙含量为32.7～42.8 mg/100 g，铁含量为40～53.7 mg/kg，不同品种板栗仁营养素含量差异较大[3-8]。不同品种板栗仁中脂肪含量及脂肪酸组成存在明显差异，但在板栗种群之间未表现出显著差异；板栗种仁中的饱和脂肪酸(SFA)占总脂肪酸的9.64%～29.22%，而不饱和脂肪酸(UFA)占70.78%～90.36%，因此，板栗油是一种天然的高品质油脂[9-10]。

近年来，板栗仁的综合利用研究主要围绕板栗淀粉性质和提取、板栗蛋白萃取、板栗仁脂肪中脂肪酸组成、板栗多糖萃取及多糖清除自由基活性、板栗壳抗氧化活性物提取等方面开展研究，但鲜有对板栗油的超临界CO2提取工艺的探讨[7-17]。

为了开发板栗油这种优质食用油脂，在单因素实验基础上，探讨了响应面优化超临界CO2提取板栗油工艺，为建立板栗油绿色、环保生产工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

板栗：南京市溧水区板栗种植基地；CO2气源(食品级)：南京特种气体股份有限公司。

1.2 主要仪器

LDJ-10型冷冻干燥仪：博康(北京)实验仪器股份有限公司；HA220-50-06型超临界流体萃取装置：南通市华安超临界萃取有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 板栗粉样品制备

板栗仁开水浸泡后脱衣，去衣板栗仁粉碎，经过冷冻干燥28 h，再经过超级粉碎机粉碎，过筛，保鲜袋密封5 ℃保藏待用。

1.3.2 Plackett-Burman实验设计

选用板栗粉目数、提取压力、提取温度、提取时间和提取剂流量作为实验考察因素，在单因素实验的基础上，以板栗油提取率为响应值，选用N=11的Plackett-Burman设计，其中F～K作为误差分析空白项，确定实验因素的上下限水平(表1)。用design expert 7.1.3软件中的Plackett-Burman设计方案。

表1 Plackett-Burman实验设计因素及编码值

1.3.3 最陡爬坡实验设计

根据Plackett-Burman设计实验分析结果，对显著影响板栗油提取率的因素(提取温度、提取时间)进行最陡爬坡实验，通过合理设计步长，逼近提取率最高的区域。

1.3.4 超临界CO2提取板栗油响应面中心组合实验设计

根据最陡爬坡实验结果，通过design expert 7.1.3软件中Central Composite设计变量(提取温度和提取时间)响应面中心组合实验。板栗粉目数为60目、提取压力为30 MPa、提取剂流量为20 L/h。

1.3.5 提取率

提取率=(提取板栗油含量/板栗中油含量)×100%

2 结果与分析

2.1 Plackett-Burman实验设计及响应值

利用design expert 7.1.3软件，设计了Plackett-Burman实验方案，并依据因素组合进行实验，结果见表2。

表2 Plackett-Burman实验设计及各实验组响应值

2.2 Plackett-Burman实验中各影响因素评估

模型的F值为28.47，说明建立的模型具有显著性影响。当P值小于0.05说明模型中的因素有显著影响。从表3可知，C因素(提取温度)和E因素(提取时间)的P值都小于0.05，而A(板栗目数)、B(提取压力)、D(提取剂流量)三因素的P值皆大于0.05，说明提取温度和提取时间对超临界CO2提取板栗油有显著影响，而板栗粉目数、提取压力和提取剂流量在实验范围内对板栗油的提取率没有显著影响。于是，确定提取温度和提取时间2个显著影响参数作为最陡爬坡方向实验参数。

表3 实验模型中各影响因素方差分析表

2.3 最陡爬坡实验分析

通过最陡爬坡实验显示，当超临界CO2溶剂提取温度为40 ℃、提取时间120 min时，板栗油的提取率接近最高水平，再提高提取温度和延长提取时间对板栗油提取率的提高几乎没有影响(表4)。因此，确定爬坡实验中3号实验条件作为响应面中心实验的中心点，即0水平时，提取温度为40 ℃、提取时间120 min。

表4 最陡爬坡实验设计及实验结果

2.4 中心组合响应面实验设计及结果

表5 中心组合实验设计及结果

运用响应面分析软件，通过对响应值(提取率)进行回归分析，获得板栗油提取率回归方程。

y=81.134+1.996 61A+4.102 91B+0.38AB-1.946 37A2-2.988 7B2

表6 模型可信度分析

2.5 中心组合实验结果分析

中心组合实验结果回归分析显示(表7)，实验建立模型具有高度的显著性(F=60.58，P<0.000 1)。因此，该模型可以用来实验预测。

表7 中心组合回归分析结果

注：A提取时间；B提取温度；※※差异显著(P<0.05)；※差异不显著(P>0.10)。

对模型方程进行逐步回归，回归方程存在稳定编码值(+1、+0.5)，稳定点的特征值表明为稳定点的目标点，即提取时间140 min、提取温度为42.5 ℃，在此优化工艺条件下，板栗油提取率的预测值为82.68%。优化后的板栗油提取工艺：板栗粉为60目、提取压力为30 MPa、提取剂流量为20 L/h、提取温度为43 ℃、提取时间为140 min。

2.6 优化工艺验证实验

利用冷冻干燥板栗粉作为原料，根据中心组合实验优化实验参数进行验证实验。8个批次平行样本验证实验显示，板栗油提取率均值为82.15%，与模型预测提取率82.68%有较高吻合度。

3 结论

根据Plackett-Burman设计实验及其影响因素方差统计分析，超临界CO2提取板栗油工艺的因素影响为提取时间和提取温度，而提取剂流量、提取压力和板栗粉目数在实验范围内几乎没有影响。确定提取时间和提取温度为爬坡实验影响因素。

最陡爬坡实验显示，超临界CO2溶剂提取温度在40 ℃、提取时间120 min时，板栗油的提取率接近最高水平，并以此作为中心组合实验的中心点。

优化后的超临界CO2提取板栗油工艺为板栗粉为60目、提取压力为30 MPa、提取剂流量为20 L/h、提取温度为43 ℃、提取时间为140 min。在此实验条件下板栗油提取率均值为82.15%。

[1]霍婷,杨建华,薛文通,等.板栗的综合开发与利用[J].食品工业科技,2008,29(7):297-300

HUO T,YANG J H,XUE W T,et al.Comprehensive development and utilization of chestnut[J].Science and Technology of Food Industry,2008,29(7):297-300

[2]高海生,常学东,蔡金星,等.我国板栗加工产业的现状与发展趋势[J].中国粮油学报,2006,6(1):429-436

GAO H S,CHANG X D,CAI J X,et al.Present situation and development trend of chestnut processing industry in China[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2006,6(1):429-436

[3]周家华,常虹,熊融,等.不同板栗品种营养品质的模糊综合评价研究[J].食品工业，2013，34(1)：113-116

ZHOU J H,CHANG H,XIONG R,et al.Research of fuzzy comprehensive evaluation on quality assessment in chestnut of different species[J].The Food Industry,2013，34(1)：113-116

[4]陈顺伟,彭华正,江美都,等.浙江主栽板栗营养物质的品种和地域差异分析[J].经济林研究，2000,18(3)：13-17

CHEN S W,PENG H Z,JIANG M D,et al.Chinese chestnut in Zhejiang:variation of nutritive substances with cultivar and provenance[J].Economic Forest Researches,2000,18(3)：13-17

[5]贺玉婷,唐正弦.板栗感官品质与贮藏过程中营养成分变化趋势的研究[J].轻工科技,2015(8):1-5

HE Y T,TANG Z X.Study on the change trend of sensory quality and nutrition composition of chestnut during storage[J].Light Industry Science and Technology,2015(8):1-5

[6]王向红,桑建新,张子德,等.不同品种板栗的营养价值和品质分析[J].食品科技,2004,29(3)：95-97

WANG X H,SANG J X,ZHANG Z D,et al.Quality analysis of different chestnut[J].Food Science and Technology,2004,29(3)：95-97

[7]KAN L N,LI Q,XIE S S,et al.Effect of thermal processing on the physicochemical properties of chestnut starch and textural profile of chestnut kernel[J].Carbohydrate Polymers,2016,151:614-623

[8]YANG B,JIANG G,GU C,et al.Structural changes in polysaccharides isolated from chestnut(CastaneamollissimaBl.)fruit at different degrees of hardening[J].Food Chemistry,2010,119:1211-1215

[9]WANG S J,LIU C,WANG S.Drying methods used in starch isolation change properties of C-type chestnut(Castaneamollissima)starches[J].LWT-Food Science and Technology,2016,73:663-669

[10]LOPES B D M,DEMIATE I M,ITO V C,et al.Effects of partial in vitro digestion on properties of European chestnut(CastaneasativaMill)flour[J].Thermochimica Acta,2016,640:34-41

[11]SERVILLO L,GIOVANE A,CASALE R,et al.Betaines and related ammonium compounds in chestnut(CastaneasativaMill.)[J].Food Chemistry,2016,196:1301-1309

[12]HE Y C,LIU F,DI J H,et al.Effective enzymatic saccharification of dilute NaOH extraction of chestnut shell pretreated by acidified aqueous ethylene glycol media[J].Industrial Crops and Products,2016,81:129-138

[13]LEMOS A M,ABRAAO A S,CRUZ B R,et al.Effect of granular characteristics on the viscoelastic and mechanical properties of native chestnut starch(CastaneasativaMill)[J].Food Hydrocolloids,2015,51:305-317

[14]邵亭亭,张海晖,段玉清,等.亚临界水萃取板栗多糖及其清除自由基活性研究[J].食品科技,2012,37(12)：156-161

SHAO T T,ZHANG H H,DUAN Y Q,et al.Extraction on chestnut polysaccharide by subcritical water and analysis on free radical scavenging capacity[J].Food Science and Technology,2012,37(12)：156-161

[15]张海晖,邵亭亭,段玉清,等.亚临界水萃取板栗蛋白工艺研究[J].食品工业,2013,34(4):67-69

ZHANG H H,SHAO T T,DUAN Y Q,et al.Optimization for the extraction of protein from chestnut by subcritical water[J].The Food Industry,2013，34(4)：67-69

[16]梁丽松,李如华,王贵禧,等.板栗种仁脂肪含量及其脂肪酸组成[J].食品科学,2013,34(10):153-157

LIANG L S,LI R H,WANG G X,et al.Fat content and fatty acid composition of Chinese chestnut(castaneamollissimablume)kernels[J].Food Science,2013,34(10):153-157

[17]回瑞华,侯冬岩,李铁纯,等.板栗中脂肪酸的气相色谱-质谱分析[J].食品科学,2008,29(8):541-542

HUI R H,HOU D Y,LI T C,et al.Analysis of fatty acids in chestnut by GC-MS[J].Food Science,2008,29(8):541-542.