响应面法优化微波预处理文冠果冷榨工艺的研究

李 信，郑 畅，上官慧娟，杨 博，李文林

(中国农业科学院 油料作物研究所，油料油脂加工技术国家地方联合工程实验室，农业部油料加工重点实验室，油料脂质化学与营养湖北省重点实验室，武汉 430062)

文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge.)又名崖木瓜、文灯果等，是我国北方特有的木本油料树种，具有很强的耐旱、耐寒以及耐土壤贫瘠的特性，经常被种植在环境条件恶劣的山区地段，用于绿化山区、防风固沙[1]。近几年我国大力提倡加快木本油料产业发展，增加优质食用植物油的供给。文冠果种子含油率30%以上，去皮后种仁含油率可达60%以上，油中不饱和脂肪酸含量高达90%以上，且含有丰富的亚油酸，被用作中药“益寿宁”的主要原材料[2]。文冠果油营养丰富，颜色清亮，含有丰富的维生素E、植物甾醇及矿物质元素等[3]。文冠果油中含有少量神经酸，神经酸是大脑神经系统生长发育及修复的必需物质，具有促进神经细胞生长和发育的功能[4-5]。此外，文冠果油的脂肪酸组成与理想柴油替代品的分子组成相似，适合作为制备生物柴油的原料[6-7]。

目前，文冠果油的提取多采用传统压榨法、溶剂提取法、超临界CO2萃取法等[8]。传统压榨法多采用液压榨油机压榨制油，其出油率低，压榨时间长，效率低；溶剂提取法出油率高，但溶剂容易污染环境，且油中存在溶剂残留等安全问题；超临界CO2萃取法出油率高，但设备昂贵，工业化生产成本高。微波技术应用于油脂加工业，具有加热速度快、受热均匀、操作简单及节约能源等特点，可以在一定程度上改变油料作物的细胞壁结构，扩张油脂通路，提高出油率，且能钝化脂肪酶和脂肪氧化酶，提高油的氧化稳定性，并对油脂品质有一定影响[9-10]。本文以文冠果种仁为原料，进行微波预处理后，通过螺旋榨油机压榨制取文冠果油，探讨微波预处理对文冠果出油率及油脂品质的影响，以期对文冠果油的加工技术有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

文冠果种子，产自山西霍州。石油醚(30～60℃)、无水乙醚、异丙醇、氢氧化钾、三氯甲烷、乙酸、戊二醛、磷酸缓冲溶液、无水乙醇、丙酮均为分析纯；锇酸，SPI-CHEM公司。

密闭式微波消解仪，美国CEM公司；CA59G冷榨机，德国Komet公司；Avanti J-26XP型落地离心机，美国Beckman公司；B-811索氏提取/固液萃取仪，瑞士Buchi公司；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱；ME104/02电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司;HCP-2型临界点干燥仪、SU-8010型扫描电镜，日本Hitachi公司；7890A气相色谱仪，美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 文冠果油的制备

将清理挑选好的文冠果种子破壳后分离出种仁，低温储藏备用。根据实验需要调节文冠果种仁的水分，于4℃冰箱中放置24 h，使水分被充分吸收。取8个直径85 mm玻璃平皿，每个平皿上称取40 g文冠果种仁，放置于微波消解仪中，在既定微波条件下进行微波处理后，置于干燥器中冷却至室温，掺入文冠果种壳后用螺旋榨油机压榨制油，8 000 r/min 离心15 min去除残渣后得到文冠果油，按下式计算出油率。

文冠果出油率=(m1-m2)/m3×100%

式中：m1为文冠果油及油瓶的总质量，g；m2为油瓶质量，g；m3为文冠果种仁的质量，g。

1.2.2 扫描电镜观察微波预处理前后文冠果种仁的结构变化

将样品在2.5%戊二醛溶液中4℃固定12 h，用0.1 mol/L、pH 7.0的磷酸缓冲溶液漂洗后，再用1%锇酸溶液固定样品1 h，磷酸缓冲溶液漂洗样品; 将固定好的样品用梯度浓度的乙醇溶液进行脱水处理；然后经临界点干燥， 镀膜后在扫描电镜中观察。

1.2.3 文冠果油理化指标及脂肪酸组成测定

文冠果种仁含油率按GB/T 14488.1—2008方法测定；酸价按GB 5009.229—2016方法测定；过氧化值按GB 5009.227—2016方法测定;脂肪酸组成按GB/T 17376—2008、GB/T 17377—2008方法测定。

2 结果与分析

2.1 文冠果种仁微波预处理前后微观结构的变化(见图1)

注：A.微波预处理前; B.微波预处理后。

微波是从原料内部开始加热，使水分从内向外扩散，增加了油脂溢出的通路。由图1可以看出，不经微波预处理的文冠果种仁细胞完整，排列紧密，经微波预处理后文冠果种仁细胞破裂，结构被破坏，使油更容易被榨出[11-12]。

2.2 单因素实验

2.2.1 原料水分对文冠果出油率的影响

将清理挑选好的文冠果种仁水分分别调至7%、8%、9%、10%、11%，在4℃冰箱中放置24 h,使水分被充分吸收。设置微波消解仪参数为微波功率800 W、微波时间5 min，对不同水分的文冠果种仁进行微波预处理，冷却后掺入文冠果种壳，使仁壳比为9∶1，充分混匀后压榨制油，计算出油率。结果见图2。

图2 原料水分对文冠果出油率的影响

由图2可知，随着原料水分的提高，文冠果出油率先增后减，当原料水分为8%时，出油率最高。当原料水分过低时，微波预处理后文冠果种仁过于干燥，榨油时容易被挤压成粉末，难以出粕，且容易焦化堵膛，影响出油率；而原料水分过高时，在压榨时容易使原料形成团块，降低出油率。因此，文冠果种仁水分适当时，原料流动性好，可以保证原料有适当的弹性和塑性，使榨油机保持正常的榨膛压力，从而使出油效果更好。

2.2.2 仁壳比对文冠果出油率的影响

将文冠果种仁水分调至8%，4℃冰箱中放置24 h,使水分被充分吸收。设置微波消解仪参数为微波功率800 W、微波时间5 min，对文冠果种仁进行微波预处理，冷却后掺入文冠果种壳，调节仁壳比为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，充分混匀后压榨制油，计算出油率。结果见图3。

图3 仁壳比对文冠果出油率的影响

由图3可知，文冠果出油率随着含壳率的增大呈现先增加后减小的趋势，当仁壳比为9∶1时，文冠果出油率最高。这是由于榨油过程中，当螺杆推动物料向前时，种仁较软，难以挤压出粕，加入适当的种壳后，种壳较硬，可起到增加摩擦力的作用，对种仁形成推力，同时增加了油的通路，有利于提高出油率。但是在榨油的过程中，种壳也会吸收种仁中的部分油脂，当加入过多的壳后，出油率反而会下降，且容易堵塞榨油机。在本实验中，当仁壳比调至6∶4时，由于加入的壳过多，对榨油机造成堵塞，已不能正常出油。

2.2.3 微波功率对文冠果出油率的影响

将文冠果种仁水分调至8%，4℃冰箱中放置24 h，使水分被充分吸收。设置微波消解仪参数微波功率分别为400、600、800、1 000、1 200 W,微波时间为5 min,对文冠果种仁进行微波预处理，冷却后加入种壳，使仁壳比为9∶1，充分混匀后压榨制油，计算出油率。结果见图4。

图4 微波功率对文冠果出油率的影响

由图4可知，随着微波功率的增加，文冠果出油率呈现先增后减的趋势，当微波功率为1 000 W时，文冠果出油率最高。这是由于不同微波功率对文冠果种仁结构的破坏程度不同，其出油效果也不同，较高的微波功率可以更大程度上破坏文冠果种仁的结构，并且在微波辐射下，原料中的水分子逸出，使油脂的通路增多，有利于出油。但微波功率过高容易使原料水分降低过大，原料过于干燥，反而不利于出油[13]。

2.2.4 微波时间对文冠果出油率的影响

将文冠果种仁水分调至8%，4℃冰箱放置24 h，使水分被充分吸收。设置微波消解仪参数微波时间分别为4、4.5、5、5.5、6 min，微波功率为800 W，对文冠果种仁进行微波预处理，冷却后加入种壳，使仁壳比为9∶1，充分混匀后压榨制油，计算出油率。结果见图5。

图5 微波时间对文冠果出油率的影响

由图5可知，文冠果出油率随着微波时间的延长呈现先增后降的趋势，当微波时间为5.5 min时，出油率最高。微波对文冠果种仁有一定的破壁作用，随着微波时间的延长，物料结构逐渐被破坏，水分子逐渐逸出，有利于油脂的溢出，增加出油率,而微波时间过长会使原料过于干燥，容易破碎，反而不利于出油。

2.3 响应面优化实验

2.3.1 响应面实验设计及结果

在单因素实验的基础上, 根据Box-Behnken实验设计原理对微波预处理文冠果冷榨工艺进行响应面优化实验，以原料水分(A)、仁壳比(B)、微波时间(C)、微波功率(D)为实验因素，以文冠果出油率(Y)为响应值，实验因素及水平见表1，响应面实验设计及结果见表2。

表1 实验因素及水平

表2 响应面实验设计及结果

利用Design-Expert8.0.6软件对表2进行回归拟合，得到文冠果出油率对原料水分、仁壳比、微波时间以及微波功率的二次多项式回归方程为：Y=56.38+2.14A+3.46B-0.97C-0.42D-0.14AB-0.24AC-0.064AD+0.12BC+0.23BD-0.12CD-3.60A2-5.78B2-3.31C2-1.28D2。对此模型进行方差分析，结果见表3。

表3 响应面回归模型方差分析

2.3.2 验证实验

通过响应面软件分析，预测出微波预处理冷榨文冠果油的最佳工艺条件为原料水分8.3%、仁壳比9∶1、微波时间5.42 min、微波功率967.51 W，在此工艺条件下预测的出油率为56.82%。为了满足实际操作过程中的可行性，将工艺条件修正为原料水分8.3%、仁壳比9∶1、微波时间5.4 min、微波功率960 W，在此条件下进行3次验证实验，得到文冠果平均出油率为56.79%，与模型的预测值相近，且与直接冷榨文冠果的出油率(46.37%)相比，提高了10.42个百分点。因此，此模型可以用来预测微波预处理冷榨文冠果的出油率。

2.4 文冠果油理化指标及脂肪酸组成

通过测定发现：本实验中文冠果种仁的含油率为64.76%；微波预处理前冷榨文冠果油的酸价(KOH)为0.5 mg/g，微波预处理后文冠果油的酸价(KOH)为0.68 mg/g；微波预处理后文冠果油的过氧化值由0.18 mmol/kg(预处理前)上升到0.22 mmol/kg。可知，微波预处理可使文冠果油的酸价、过氧化值略微提高，但远低于食用油的国家标准要求。

本实验从文冠果油中分离鉴定了10种脂肪酸，结果见表4。

表4 微波预处理前后文冠果油脂肪酸组成与相对含量 %

由表4可知，文冠果油中主要脂肪酸为亚油酸和油酸，且含有约2.5%的神经酸。文冠果油中的不饱和脂肪酸含量高，属优质食用油，微波预处理对文冠果油的脂肪酸组成及含量几乎没有影响。

3 结 论

微波预处理后，对文冠果进行压榨制油，在单因素实验的基础上，利用Design-Expert8.0.6软件进行Box-Behnken响应面实验设计，以文冠果出油率为响应值进行了工艺优化。结果表明，微波预处理冷榨文冠果油的最佳工艺条件为原料水分8.3%、仁壳比9∶1、微波时间5.4 min、微波功率960 W，在此工艺条件下文冠果出油率为56.79%，与直接冷榨文冠果出油率(46.37%)相比，提高了10.42个百分点。

微波预处理文冠果后，文冠果油的酸价(KOH)由0.5 mg/g 上升到0.68 mg/g,过氧化值由0.18 mmol/kg上升到0.22 mmol/kg，但远低于食用油的国家标准要求限值。从文冠果油中分离鉴定了10种脂肪酸，主要脂肪酸为亚油酸、油酸、花生一烯酸等，且含有约2.5%的神经酸，油中的不饱和脂肪酸含量高，属优质食用油，微波预处理对文冠果油的脂肪酸组成及含量几乎没有影响。