响应曲面法优化茶油超临界CO2萃取工艺研究

林树真，林树红，龙 婷，吴雪辉，谢洁梅

（1.广州市金妮宝食用油有限公司，广东广州 511475；2.广东金妮宝科技发展有限公司，广东广州 511475；3.华南农业大学食品学院，广东省油茶工程技术研究中心，广东广州 510642）

茶油是我国特有的木本油脂，其脂肪酸组成与世界公认最好的橄榄油相似，有“东方的橄榄油”之称[1]。据《本草纲目》记载：茶油性偏凉，有凉血、止血、清热、解毒之功效，主治肝血亏损、益肠胃、明目，长期食用能增强血管弹性和韧性、延缓动脉粥样硬化、增加肠胃吸收功能、促进内分泌腺体激素分泌、防治神经功能下降、提高人体免疫力[2-4]。目前，茶油的提取方法主要有压榨法和溶剂浸出法，其中压榨法提油率较低，浸出法存在着溶剂残留，需要较复杂的后处理过程，操作复杂，易造成环境污染[5]。

超临界CO2流体萃取（Supercritical fluid extraction，SCFE） 技术是20世纪80年代发展起来的一种独特、高效、清洁的新型分离精制的高新技术[6]，广泛应用于食品、医药、化工、环保等领域，成为获得高质量产品最有效的方法之一[7-9]。采用超临界萃取法应用于茶油的萃取，可简化精炼工序、提高茶油质量。同时，由于超临界萃取过程不产生污染，提油后的茶粕具有较高的营养价值和综合利用价值[10-13]。响应曲面分析法 （Response surface methodology，RSM）是评价指标和因素间的非线性关系的一种试验设计方法，具有采用较少的试验次数和较短的时间全面研究所选的试验参数，得出正确结论的优越性[14-16]。因此，试验以油茶籽为原料，茶油提取率为指标，采用SFEC技术和RSM试验设计方法，对影响超临界CO2萃取茶油的主要工艺参数进行优化设计试验，为超临界CO2流体萃取技术应用于茶油工业化生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

油茶籽（脂肪含量为21.3%），广东金妮宝科技发展有限公司提供；瓶装CO2（纯度99.9%），广州气体厂提供。

SFE-1L型超临界CO2萃取设备，贵州航天乌江机电设备有限责任公司产品；DF-15型中药粉碎机，温岭市大德中药机械有限公司产品；DGG-9420A型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司产品；JA2003A型电子天平，上海精密科学仪器有限公司产品；气相色谱-质谱联用仪，Finnigan公司产品；1100LC型液相色谱仪，百捷伦公司产品。

1.2 茶油提取方法

称取一定量经预处理好的茶籽粉末装于萃取釜中，在设置的萃取条件下进行萃取，溶有茶籽油的超临界CO2经减压、升温后与茶籽分离，萃取结束后，精确称取萃取物质量（辅以萃取后物料差值），并按下式计算茶油提取率。

其中：G1——油茶籽的质量，g；

G2——萃取出的油脂的质量，g；

X1——油茶籽中油脂含量，%。

1.3 响应曲面（RSM）设计试验茶油提取方法

在单因素试验基础上[17]，选取萃取压力、萃取温度、萃取时间对茶油提取率影响较大的3个因素作为自变量，分别以X1，X2，X3表示，其余条件为物料颗粒度40～80目，CO2流量10 L/h，萃取压力6 MPa，萃取温度50℃。以茶油提取率为因变量，超临界CO2萃取茶油的提取率Y为响应值，进行试验。

试验因素与水平设计见表1。

表1 试验因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 茶油提取率工艺模型建立及显著性检验

利用Design Expert软件建立试验。

RSM试验设计与结果见表2。

表2 RSM试验设计与结果

运用Design Expert软件对表2的试验数据进行回归分析，得到茶油提取率的二次多元回归模型为：

对模型进行方差分析。

回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析

由表3提取率回归模型方差分析（ANOVA）可以看出，F回归=5.806 253＞（F0.01（9，10）=4.94），p值=0.005 543＜0.01，表明模型极其显著。提取率F失拟=0.4＜（F0.05（9，5）=4.77），失拟项p=0.83＞0.05，表明失拟不显著。

回归方程系数显著性检验见表4。

从表4回归方程系数显著性检验可知，p＜0.05说明模型显著；p＜0.01，说明模型极显著。各因素对茶油提取率影响的大小顺序为萃取时间（X3）＞萃取压力（X1）＞萃取温度（X2）。提取率模型中一次项萃取压力 X1（p＜0.01），萃取时间 X3（p＜0.01） 极显著；二次项（p＜0.05），（p＜0.05） 显著，其余项均不显著。为简化回归方程，去掉不显著项，得到简化后的回归模型为：

表4 回归方程系数显著性检验

2.2 超临界CO2萃取茶油的响应面分析和优化

萃取压力和萃取温度对提取率影响的等高线和响应曲面见图1。

图1 萃取压力和萃取温度对提取率影响的等高线和响应曲面（X3=2 h）

从图1可以看出，萃取温度不变，随着萃取压力的增大，茶油提取率呈现增加趋势，萃取压力为30.5 MPa时，茶油提取率达到最大，继续增大萃取压力，提取率开始下降；当萃取压力恒定时，萃取温度在32～48℃内变化，首先随着萃取温度的升高，茶油提取率逐渐增大；萃取温度为40℃，茶油提取率达到最大，随后茶油提取率随萃取温度的升高呈现下降趋势。因为萃取温度对茶油提取率的影响较为复杂，一方面随着温度升高，萃取物的蒸汽压增大，其扩散系数和传质系数增大，提取率增加；另一方面萃取温度升高，超临界CO2的密度降低，导致流体的溶剂化效应下降，使萃取物在溶剂中的溶解度下降，提取率降低。萃取过程中到底是流体溶解能力降低还是萃取物扩散系数和传质系数增加起主导作用，取决于萃取压力。

萃取压力和萃取时间对茶油提取率影响的等高线和响应曲面见图2。

图2 萃取压力和萃取时间对茶油提取率影响的等高线和响应曲面（X2=40℃）

由图2可知，萃取时间不变，随着萃取压力的增大，茶油提取率呈现增加趋势。萃取压力达到一定值后，茶油提取率变化平缓，继续增加萃取压力提取率有所降低；萃取压力恒定时，萃取时间在1.16～2.84 h内变化，开始时随萃取时间的增加茶油提取率升高，但到达一定值后，萃取时间延长，茶油的提取率影响较小。

萃取温度和萃取时间对茶油提取率影响的等高线和响应曲面见图3。

图3 萃取温度和萃取时间对茶油提取率影响的等高线和响应曲面（X1=28 MPa）

由图3可知，萃取时间不变，升高萃取温度，茶油提取率呈现增加的趋势，不过萃取温度较低时对提油率的影响不大，达到一定萃取温度后，提取率最大，继续增加萃取温度，茶油提取率开始下降；萃取温度恒定时，萃取时间在1.20～2.80 h内，延长萃取时间有利于提高茶油的提取率。

对三维非线性回归模型（1）进行求一阶偏导，并令其为零，得出茶油提取率较高的条件：X1=0.627，X2=-0.313，X3=1.148，此时Y=96.48；转化为实际参数，即在萃取压力31 MPa，萃取温度38℃，萃取时间2.60 h下，提油率高达96.48%。在该条件下，试验值为96.58%，两者相对偏差小于5%。

2.3 模型的检验

由回归模型（1） 来预测茶油提取率的最优条件，利用统计软件Design-Expert分析，优选出10组参数来验证。

模型的验证结果见表5。

由表5可知，采用Design-Expert软件中Box-Behnken法优选的10组工艺参数进行超临界CO2萃取茶油试验，结果平均相对误差为3.36%，小于5%，证明该模型能较好地评价超临界CO2萃取茶油的作用效果。

2.4 超临界CO2萃取的茶油主要成分及品质分析

2.4.1 脂肪酸组成

表5 模型的验证结果

不同方法提取的茶油脂肪酸组成见表6，茶油脂肪酸组成气相色谱图见图4。

表6不同方法提取的茶油脂肪酸组成/%

由表6可见，3种方法提取的茶油脂肪酸组成没有显著差别，其饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的分别基本相同，说明超临界CO2萃取法不改变茶油组成。

2.4.2 不同方法提取的茶油品质指标测定

测定超临界CO2萃取茶油的品质指标，并与压榨法和浸出法提取的毛茶油进行对比。

不同方法提取的茶油品质指标见表7。

从表7可以看出，超临界法提取的茶油各项指标明显优于压榨法和浸出法，说明超临界CO2具有较好的选择性，萃取的杂质少、颜色浅，皂化价、不溶性杂质、水分及挥发物含量均小于压榨和浸出毛油。而且，超临界法提取温度低，不会引起油脂的高温氧化和酸败，所以酸价和过氧化值也较低。

3 结论

（1） 用RSM建立了超临界CO2萃取茶油提取率的数学模型。从模型直观图能获得工艺参数大概的取值范围，有利于工艺参数选择和优化。

（2） RSM获得超临界CO2萃取茶油的最优工艺参数为萃取压力31 MPa，萃取温度38℃，萃取时间2.60 h，该条件下茶油提取率为96.48%。经检验证明该萃取茶油工艺参数合理可靠。

图4 茶油脂肪酸组成气相色谱图

表7 不同方法提取的茶油品质指标

（3） 超临界CO2萃取的茶油在脂肪酸组成上与常规的压榨、浸出法差异不大，VE等活性成分的含量明显提高，各项品质指标均优于压榨和浸出法。说明超临界CO2萃取不改变茶油主要组成，但可提高活性成分含量和品质，提高茶油的营养价值和保健功能，减少后面的精炼工序，缩短生产周期，降低精炼成本。

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