鮑志杰，王 玉，于殿宇*

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取黑加侖籽油的提取工藝研究

鮑志杰，王 玉，于殿宇*

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

利用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)提取黑加侖籽油，運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化萃取工藝條件。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間為響應(yīng)因素，黑加侖籽油出油率為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法，確定各工藝條件對(duì)出油率的影響。結(jié)果表明：超臨界二氧化碳萃取黑加侖籽油的最佳工藝條件為萃取壓力33MPa、萃取溫度38℃、萃取時(shí)間180min，在此條件下，黑加侖籽油出油率達(dá)到14%，與理論值基本一致。

超臨界CO2萃取；黑加侖籽油；響應(yīng)面法

Abstract：The present study aimed to optimize the supercritical carbon dioxide extraction of blackcurrant seed oil using response surface methodology combined with a 3-variable, 3- level Box-Benhnken central composite design (CCD) on the basis of single factor experiments. Results showed that the optimal extraction for 180 min at 33 MPa and 38 ℃ resulted in a blackcurrant seed oil yield of up to 14%.

Key words：blackcurrant seed oil；supercritical carbon dioxide extraction；response surface methodology

黑加侖又名黑夏果、黑豆果，學(xué)名黑穗醋栗(black currant)，為虎耳草科(Saxifrage)茶麓子屬植物的果實(shí)，屬多年生小灌木[1]。是我國(guó)東北地區(qū)廣泛種植的一種灌木小漿果的果樹(shù)[2]，經(jīng)常用于生產(chǎn)果醬、飲料、利口酒、乳制品和著色劑等[3]。黑加侖漿果榨汁后的果渣中含有大量的黑加侖籽，黑加侖籽中含有大量的ω-3和ω-6兩個(gè)系列的多種不飽和脂肪酸[3]，尤其富含人體必需脂肪酸γ-亞麻酸[4-5]，目前天然γ-亞麻酸來(lái)源尚不多，因此從黑加侖籽中提取富含γ-亞麻酸的高級(jí)營(yíng)養(yǎng)油是一有效途[2]。

油脂提取多采用壓榨法或溶劑萃取法提取，其中壓榨法的缺點(diǎn)是得油率低[6]；溶劑萃取法雖然可獲得較高的收率，但不可避免地存在著溶劑殘留問(wèn)題[7]。而超臨界萃取經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展[8]，憑借著其萃取溫度低、萃取能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)[9]已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到醫(yī)藥和食品行業(yè)中[10-13]，并且在油脂提取中得到了較好的應(yīng)用。

響應(yīng)面分析法(response surface methodology，RSM)是一種優(yōu)化反應(yīng)條件和加工工藝參數(shù)的有效方法，廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、生物工程、食品工業(yè)等方面[14]。它與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法不同，具有試驗(yàn)周期短，求得的回歸方程精度高,能研究幾種因素間交互作用等優(yōu)點(diǎn)[15]。目前采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化超臨界萃取黑加侖籽油的工藝未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以黑加侖籽油出油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間等單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取黑加侖籽油的工藝條件，為黑加侖籽油的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑加侖籽(產(chǎn)于黑龍江省大興安嶺地區(qū))；CO2氣體(純度≥99.5%) 黎明氣體公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HA121-50-01型CO2超臨界萃取裝置 江蘇華安科研儀器有限公司；YHW1104遠(yuǎn)紅外恒溫干燥箱 天津北華儀器廠(chǎng)；CN62M/DFY-200A型搖擺式粉碎機(jī) 北京中西化玻儀器科技公司；PL203-S型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

黑加侖籽→干燥→粉碎→過(guò)篩→稱(chēng)量→裝料入萃取釜、密閉→控制合適溫度、壓力、時(shí)間→在超臨界狀態(tài)下萃取→由分離釜獲得黑加侖籽油

1.3.2 出油率計(jì)算

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行響應(yīng)面法Box-Benhnken模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間為獨(dú)立變量(X1、X2、X3)，以出油率為響應(yīng)值，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1 Variables and levels in Box-Benhnken CCD

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2超臨界萃取單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取壓力對(duì)出油率的影響

在萃取溫度為35℃、萃取時(shí)間為180min、粉碎60目的條件下，萃取壓力對(duì)出油率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，壓力對(duì)超臨界CO2萃取黑加侖籽油效果的影響比較明顯。在其他條件不變的條件下，出油率隨壓力的升高而增加，壓力超過(guò)30MPa，增加幅度減緩，并在40MPa時(shí)出現(xiàn)下降。因?yàn)樵趬毫ο鄬?duì)較低時(shí)，增大壓力不但會(huì)增加流體密度，還會(huì)減少分子間的傳質(zhì)阻力和傳質(zhì)距離，增加溶質(zhì)與溶劑之間的傳質(zhì)效率，對(duì)出油率的提高有利。但由于高壓下密度較大，可壓縮性較小，溶解能力增加有限，隨著壓力的升高，萃取的選擇性會(huì)下降，出油率降低。同時(shí)，高壓會(huì)增加設(shè)備的損耗和降低經(jīng)濟(jì)效益并且還會(huì)使色素等一些成分被萃取出來(lái)，使油的顏色加深，影響品質(zhì)。綜合考慮，萃取壓力30MPa為宜。

圖1 萃取壓力對(duì)出油率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on blackcurrant seed oil yield

2.1.2 萃取溫度對(duì)出油率的影響

在萃取壓力30MPa、萃取時(shí)間180min 、粉碎程度60目的條件下、萃取溫度對(duì)出油率的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 萃取溫度對(duì)出油率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on blackcurrant seed oil yield

萃取溫度是影響超臨界CO2密度的一個(gè)重要因素，一方面，隨著溫度的升高，CO2流體的黏度下降，使傳質(zhì)系數(shù)增加，有利于溶質(zhì)擴(kuò)散速度的提高，同時(shí)，溶質(zhì)的蒸汽壓上升使溶解度增加，進(jìn)而有利于提高萃取率。另一方面，溫度升高，使流體密度減小，導(dǎo)致流體溶解度下降，對(duì)萃取反而不利。由圖2可知，在萃取溫度在35℃時(shí)出油率較高；當(dāng)萃取溫度大于35℃時(shí)，出油率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，所以萃取溫度在35℃為宜。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響

在萃取壓力30MPa、萃取溫度35℃、粉碎程度60目的條件下，萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響Fig.3 Effect of extraction time on blackcurrant seed oil yield

從圖3可以看出，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，黑加侖籽油的出油率逐漸升高，因?yàn)檩腿傞_(kāi)始時(shí)，由于超臨界CO2流體與溶質(zhì)未達(dá)到良好接觸，萃取量較少，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，傳質(zhì)達(dá)到良好狀態(tài)，單位時(shí)間萃取量增大。當(dāng)萃取時(shí)間超過(guò)180min時(shí)，黑加侖籽油的出油率趨于平緩。而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)使CO2的消耗量和能耗進(jìn)一步加大，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，選取萃取時(shí)間180min為宜。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 方差分析及二元回歸方程擬合

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Benhnken CCD matrix and experimental values of blackcurrant seed oil yield

利用Design-Expert7軟件對(duì)表2進(jìn)行回歸分析，得二次多元回歸模型為：Y=13.91+0.099X1+0.28X2+0.076X3+0.012X1X2－0.03X1X3－0.048X2X3－0.079X12－0.21X22－ 0.078X32。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出：一次項(xiàng)中X1、X2偏回歸系數(shù)極顯著，說(shuō)明萃取壓力、萃取溫度對(duì)黑加侖籽油的出油率有極顯著影響，X3的偏回歸系數(shù)高度顯著，說(shuō)明萃取時(shí)間對(duì)出油率有顯著影響；X2X3交互作用顯著，說(shuō)明出油率受到了萃取溫度和萃取時(shí)間的共同影響，在出油率的提高中起到了關(guān)鍵作用；二次項(xiàng)中X1、X2、X3的偏回歸系數(shù)均達(dá)到高度顯著的水平?；貧w模型極顯著(P＜0.0001)而誤差項(xiàng)不顯著，模型的調(diào)整系數(shù)R2adj=0.9835，說(shuō)明該模型能解釋98.35%響應(yīng)值變化，說(shuō)明回歸方程與實(shí)際情況吻合較好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)超臨界CO2萃取黑加侖籽油進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

2.2.2 交互作用分析

2.2.2.1 萃取溫度與萃取壓力的交互作用分析

圖4 萃取溫度與萃取壓力對(duì)出油率的交互影響Fig.4 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and pressure on blackcurrant seed oil yield

在固定萃取時(shí)間為180min的條件下，萃取溫度與萃取壓力的響應(yīng)面與等高線(xiàn)圖見(jiàn)圖4。萃取壓力與萃取溫度的交互作用并不顯著，出油率主要受萃取溫度的影響，出油率隨萃取溫度的升高而加大，在38℃左右時(shí)，出油率出現(xiàn)峰值，從等高線(xiàn)也可看出，在萃取壓力為33MPa時(shí)，較低的萃取溫度即可獲得較高的出油率。

采用Design-Expert軟件對(duì)分析所得的二元多項(xiàng)式進(jìn)行優(yōu)化求解，超臨界CO2萃取黑加侖籽油最佳工藝條件為：萃取壓力33.26MPa、萃取溫度38.38℃、萃取時(shí)間184min。得出最大萃取出油率為14.05%。

2.2.2.2 萃取時(shí)間與萃取溫度的交互作用分析

在固定萃取壓力為30MPa的條件下，萃取時(shí)間與萃取溫度的響應(yīng)面與等高線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。萃取時(shí)間與萃取溫度交互作用顯著，出油率主要由萃取時(shí)間與萃取溫度共同影響，兩者在出油率的提高中起到關(guān)鍵的作用，在保證出油率的前提下，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)脑黾虞腿囟葟亩鴾p少存取時(shí)間。

圖5 萃取時(shí)間與萃取溫度對(duì)出油率的交互影響Fig.5 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and extraction duration on blackcurrant seed oil yield

2.2.2.3 萃取時(shí)間與萃取壓力的交互作用分析

圖6 萃取時(shí)間與萃取壓力對(duì)出油率的交互影響Fig.6 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and time on blackcurrant seed oil yield

在固定萃取溫度為35℃的條件下，萃取時(shí)間與萃取壓力的響應(yīng)面與等高線(xiàn)圖見(jiàn)圖6。

如圖6所示，萃取時(shí)間與萃取壓力的交互作用不顯著，出油率主要受萃取壓力影響，出油率隨萃取壓力的增大而提高，在萃取時(shí)間為186min左右時(shí)，較低的萃取壓力及可獲得較高的出油率。

2.3 模型驗(yàn)證

在上述響應(yīng)面分析的結(jié)果確定的最佳工藝條件下，考慮到實(shí)際操作的便利，確定黑加侖籽油的工藝條件為萃取壓力33MPa、萃取溫度38℃、萃取時(shí)間180min，經(jīng)過(guò)3次萃取驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到黑加侖籽油的平均出油率為14%，與理論值相差不大。

3 結(jié) 論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)Design-Expert軟件，采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)超臨界CO2流體萃取黑加侖籽油工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化。結(jié)果表明，萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間對(duì)黑加侖籽油的出油率影響均顯著，溫度和時(shí)間的交互作用顯著，但壓力和溫度、壓力和時(shí)間的交互作用不顯著。超臨界CO2萃取黑加侖籽油的最佳工藝條件為萃取溫度38℃、萃取時(shí)間180min、萃取壓力33MPa，在此條件下黑加侖籽油的出油率為14%，與理論值14.05%基本一致，說(shuō)明響應(yīng)面法適用于對(duì)黑加侖籽油的超臨界CO2萃取進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，對(duì)于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)有一定的實(shí)際意義。

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Reponses Surface Methodology for Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Black Currant Seed Oil

BAO Zhi-jie，WANG Yu，YU Dian-yu*
(School of Food Science and Technology, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

TS224.4

A

1002-6630(2010)10-0030-05

2010-03-08

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2009BADB9B08)

鮑志杰(1987—)，男，本科生，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量與安全。E-mail：zhijie_bao@163.com

*通信作者：于殿宇(1964—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)榇蠖辜庸ぜ夹g(shù)。E-mail：dyyu2000@yahoo.com.cn