吳 定 謝惠惠 黃卉卉 路桂紅 劉長(zhǎng)鵬 劉常金 付懋林

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046）

（天津科技大學(xué)食品科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院2，天津 300457）

占2%～3%小麥籽粒重的小麥胚芽是小麥加工副產(chǎn)品，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，其蛋白質(zhì)、脂肪、糖和礦物質(zhì)含量分別是小麥粉的3倍、7倍、15倍和6倍，遺憾的是除做動(dòng)物飼料外，全世界約2 500萬(wàn)t沒(méi)有得到充分利用[1-9]。脫脂麥胚是富含蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，含27.8%～30%蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)中富含賴(lài)氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸等人體健康需要的必需氨基酸，是人類(lèi)未來(lái)優(yōu)質(zhì)蛋白良好來(lái)源[2-9]。麥胚蛋白不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，而且可以用來(lái)制備抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶活性肽[3]。此外，小麥胚芽還含有能降低血液低密度脂蛋白的甘蔗脂肪醇（二十八烷醇）、清除過(guò)氧化合物和自由基的還原型谷胱甘肽和具有功能活性的植物化學(xué)物質(zhì)，如甾醇、黃酮類(lèi)色素和小麥胚芽凝集素，它們對(duì)人體健康均有益生作用[4，10-11]。

小麥胚芽含油率約占10%，小麥胚芽油營(yíng)養(yǎng)豐富，人類(lèi)可直接食用，也可以用于醫(yī)療和化妝品行業(yè)[11-13]。小麥胚芽油的脂肪酸組成包括42%～59%亞油酸，12%～28%油酸，11%～19%棕櫚酸，2%～11%α-亞麻酸，1%硬脂酸，此外還含0.14%維生素E[11-13]。而且，小麥胚芽油中非皂化物質(zhì)具有較好抗氧化活性[14]。

目前，大中型生產(chǎn)企業(yè)主要采用溶劑萃取或壓力溶劑萃取小麥胚芽油[15-16]，但都存在溶劑殘留等安全隱患。超臨界CO2萃取技術(shù)以無(wú)毒的CO2作為萃取試劑，具有操作溫度低、綠色、環(huán)保、得率高等優(yōu)點(diǎn)，在提取植物油受到廣泛關(guān)注[17-18]。

在單因素影響試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)小麥胚粉碎顆粒目數(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)麥胚目數(shù)）、麥胚水分含量、萃取壓力、萃取溫度、萃取劑流量和萃取時(shí)間進(jìn)行Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)，篩選出5個(gè)有顯著貢獻(xiàn)的因素，并進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取小麥胚芽油工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥胚試驗(yàn)樣品：南京財(cái)經(jīng)大學(xué)生物工程試驗(yàn)室[19]；食品級(jí)CO2：南京優(yōu)捷喜特種氣體有限公司。

1.2 主要儀器

WD900SL23-2型微波爐：廣東省順德市格蘭仕微波爐有限公司；HA221-50-03型超臨界流體萃取裝置：江蘇省南通市華安超臨界萃取有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

Plackett-Burman，簡(jiǎn)稱(chēng)PB設(shè)計(jì)，是一種從多因素中選取對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響的因素的方法。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了PB設(shè)計(jì)每個(gè)因素的上、下限（表1）。

通過(guò) design expert7.1.3軟件，利用 Box-Behnken對(duì)因素1（萃取劑流量）、因素2（萃取壓力）、因素3（萃取時(shí)間）、因素4（萃取溫度）和因素5（麥胚目數(shù)）進(jìn)行五因素三水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表1 影響水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)design expert7.1.3軟件，設(shè)計(jì)了影響因素Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)序號(hào)和試驗(yàn)水平參數(shù)依次進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化超臨界CO2萃取小麥胚芽油試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)PB設(shè)計(jì)，篩選出有影響的5個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化水平組合試驗(yàn)（表2）。

通過(guò) design expert7.1.3軟件，利用 Box-Behnken對(duì)因素1（萃取劑流量）、因素2（萃取壓力）、因素3（萃取時(shí)間）、因素4（萃取溫度）和因素5（麥胚目數(shù)）進(jìn)行五因素三水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表2 響應(yīng)面分析因素水平表

1.3.3 萃取率

萃取率＝萃取小麥胚芽油含量／麥胚中油脂含量×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)design expert7.1.3軟件，設(shè)計(jì)了影響因素Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，獲得了試驗(yàn)結(jié)果（表3）。

表3 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果

2.2 Plackett-Burman試驗(yàn)中影響因素分析

建立模型的F值為106.79，因此，模型的影響顯著。由于試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的變異僅為0.01%。預(yù)測(cè)的為0.955 4，而實(shí)際的為 0.983，因此回歸方程具有相當(dāng)高的擬合度。Rsn為信號(hào)誤差比，理想的模型中信號(hào)誤差比＞4.0，建立的模型信號(hào)誤差比為30.649，說(shuō)明該模型可用于設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)。

表4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈饔绊懸蛩胤讲罘治霰?/p>

P＜0.05，說(shuō)明該模型項(xiàng)影響顯著；P＞0.10，說(shuō)明該模型項(xiàng)影響不顯著。建立的模型中A、C、D、E和F項(xiàng)的P值都小于0.05，因此，A、C、D、E和F五項(xiàng)對(duì)模型有顯著影響，其中E（P＜0.000 1）影響最大，其次是C（P＝0.000 1）和 F（P＝0.000 1），然后是 D（P＝0.003 1）和 A（P＝0.009 2），而試驗(yàn)麥胚中水分含量對(duì)超臨界CO2萃取麥胚油影響不顯著。因此，超臨界CO2萃取小麥胚芽油的影響因素依次排序?yàn)椋狠腿┝髁浚‥）＞萃取壓力（C）和萃取時(shí)間（F）＞萃取溫度（D）＞麥胚目數(shù)（A）。

2.3 小麥胚芽油萃取影響因素的優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)（五因素三水平），共設(shè)計(jì)43個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中有40個(gè)分析點(diǎn)，3個(gè)零點(diǎn)用來(lái)評(píng)估試驗(yàn)誤差。采用萃取率作為試驗(yàn)響應(yīng)值。Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用響應(yīng)面分析程序?qū)憫?yīng)值（萃取率）進(jìn)行回歸分析，經(jīng)過(guò)回歸擬合得到萃取率（Y）與各影響因素的回歸方程：

表5 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

回歸方程模型的可信度分析見(jiàn)表6。R2Pred為0.856 2，而 R2Adj為0.930 4，因此回歸方程具有很好的擬合度。信噪比（Rsn）為21.847，遠(yuǎn)大于4，模型的可信度高，可以用來(lái)預(yù)測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)響應(yīng)面。

表6 模型可信度分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 小麥胚芽油萃取率模型顯著性分析

通過(guò)Design-expert分析軟件，對(duì)回歸方程模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，模型具有高度的顯著性 （F＝29.08，P＜0.000 1）；相對(duì)于純誤差來(lái)說(shuō)，失擬（F＝3.07）不顯著。因此，該模型可以用來(lái)試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

若P＜0.05，表明影響因素有顯著影響；若P＞0.10，說(shuō)明影響因子沒(méi)有顯著影響。由表7可知，5個(gè)因素對(duì)萃取工藝都有顯著影響，尤其是萃取劑流量、萃取壓力、萃取時(shí)間影響很大。5個(gè)因素中兩兩交互作用無(wú)顯著影響。

為了進(jìn)一步確定萃取劑流量、萃取壓力、萃取時(shí)間、萃取溫度和麥胚目數(shù)5個(gè)因素對(duì)麥胚油萃取率的影響，對(duì)模型方程進(jìn)行逐步回歸，得到最佳小麥胚芽油萃取工藝參數(shù)為萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時(shí)間為141 min、萃取溫度39.8℃和麥胚目數(shù)為60目。在此條件下，小麥胚芽油萃取率預(yù)測(cè)值為82.82%。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中考慮操作過(guò)程方便性，萃取溫度定為40℃。

表7 回歸方程模型各項(xiàng)的方差分析

2.5 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

根據(jù)模型回歸方程，做響應(yīng)面曲面圖，考察了擬合響應(yīng)面的形狀，其響應(yīng)面曲線(xiàn)如圖1～圖10所示，反映了超臨界CO2萃取麥胚油工藝中5個(gè)因素對(duì)小麥胚芽油萃取率的影響。

圖1顯示，在80目麥胚、萃取溫度為35℃、萃取時(shí)間為120 min條件下，萃取劑流量和萃取壓力對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取劑流量條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率隨之增加。同樣，在不同萃取壓力時(shí)，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在萃取壓力為＋1水平、萃取劑流量為＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大值。

圖1 萃取劑流量和萃取壓力對(duì)萃取率影響

圖2顯示，在80目麥胚、萃取壓力20 MPa、萃取溫度35℃條件下，萃取劑流量和萃取時(shí)間對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時(shí)間下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取劑流量條件下，隨著萃取時(shí)間的增加，小麥胚芽油萃取率在-1～＋0.5水平內(nèi)呈直線(xiàn)增加，在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)趨于平緩。在萃取劑流量為＋1水平、萃取時(shí)間為＋0.5水平，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖2 萃取劑流量和萃取時(shí)間對(duì)萃取率影響

圖3顯示，在80目麥胚、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間為120 min條件下，萃取劑流量和萃取溫度對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取溫度條件下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取劑流量條件下，在-1～＋0.5水平萃取溫度范圍內(nèi)，隨著萃取溫度提高小麥胚芽油萃取率緩慢上升，萃取溫度在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)小麥胚芽油萃取率趨于平緩。在萃取劑流量為＋1水平、萃取溫度＋0.5～＋1水平，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖3 萃取劑流量和萃取溫度對(duì)萃取率影響

圖4顯示，在萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為35℃、萃取時(shí)間為120 min的條件下，萃取劑流量和麥胚目數(shù)對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取劑流量條件下，隨著麥胚目數(shù)的增加，小麥胚芽油萃取率開(kāi)始緩慢下降，隨后下降速度加快。在不同麥胚目數(shù)條件下，隨著萃取劑流量的增加，小麥胚芽油萃取率線(xiàn)性增加。在麥胚目數(shù)為-1水平、萃取劑流量為＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖4 萃取劑流量和麥胚目數(shù)對(duì)萃取率影響

圖5 萃取壓力和萃取時(shí)間對(duì)萃取率影響

圖5顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取溫度35℃條件下，萃取壓力和萃取時(shí)間對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時(shí)間條件下，隨著萃取溫度提高，小麥胚芽油萃取率也隨之增加。在不同萃取壓力條件下，萃取時(shí)間在-1～＋0.5水平范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之增加，萃取時(shí)間在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率趨于平緩。在萃取壓力為＋1水平、萃取溫度為＋0.5～＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖6顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取時(shí)間為120 min條件下，萃取壓力和萃取溫度對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取壓力條件下，隨著萃取溫度的提高，小麥胚芽油萃取率開(kāi)始快速增加，隨后增加速度緩慢。在萃取溫度條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之線(xiàn)性增加。在萃取溫度＋1水平、萃取壓力＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖6 萃取壓力和萃取溫度對(duì)萃取率影響

圖7顯示，在萃取劑流量為25 L／h、萃取溫度35℃、萃取時(shí)間為120 min條件下，萃取壓力和麥胚目數(shù)對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取壓力條件下，隨著麥胚目數(shù)的增加，小麥胚芽油萃取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。在不同麥胚目數(shù)條件下，隨著萃取壓力的增加，小麥胚芽油萃取率也隨之線(xiàn)性增加。在麥胚目數(shù)為-1水平、麥胚壓力為＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖7 萃取壓力和麥胚目數(shù)對(duì)萃取率影響

圖8顯示，在80目麥胚、萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa條件下，萃取時(shí)間和萃取溫度對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時(shí)間條件下，隨著萃取溫度的提高，在-1～0水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取溫度在0～＋1水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率緩慢上升。在不同萃取溫度條件下，在萃取時(shí)間為-1～＋0.5水平范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取時(shí)間在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)，隨萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥胚芽油萃取率開(kāi)始緩慢下降。在萃取溫度＋0.5水平、萃取時(shí)間＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖8 萃取時(shí)間和萃取溫度對(duì)萃取率影響

圖9顯示，在萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa、萃取溫度35℃條件下，萃取時(shí)間和麥胚目數(shù)對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取時(shí)間內(nèi)，隨著麥胚目數(shù)增加，小麥胚芽油萃取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。在不同麥胚目數(shù)條件下，萃取時(shí)間為-1～＋0.5水平范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取時(shí)間在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率上升非常緩慢。在麥胚目數(shù)-1水平、萃取時(shí)間為＋0.5～＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖9 萃取時(shí)間和麥胚目數(shù)對(duì)萃取率影響

圖10顯示，萃取劑流量為25 L／h、萃取壓力為20 MPa、萃取時(shí)間為120 min條件下，萃取溫度和麥胚目數(shù)對(duì)小麥胚芽油萃取率影響。在不同萃取溫度條件下，麥胚目數(shù)在-1～-0.5水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率處于很高的水平；麥胚目數(shù)在-0.5～＋1水平范圍內(nèi)，隨著麥胚目數(shù)增加，小麥胚芽油萃取率不斷下降。在不同麥胚目數(shù)條件下，萃取溫度為-1～＋0.5水平范圍內(nèi)，隨著萃取溫度的增加，小麥胚芽油萃取率快速上升；萃取溫度在＋0.5～＋1水平范圍內(nèi)，小麥胚芽油萃取率上升非常緩慢。在麥胚目數(shù)為-1～-0.5水平、萃取溫度為＋0.5～＋1水平時(shí)，小麥胚芽油萃取率達(dá)到最大水平。

圖10 萃取溫度和麥胚目數(shù)對(duì)萃取率影響

2.6 優(yōu)化工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

利用含水量為4%的麥胚作為試驗(yàn)原料，采用麥胚目數(shù)為60目、萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時(shí)間為141 min和萃取溫度40℃進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)。共進(jìn)行6個(gè)批次平行樣本試驗(yàn)，平均小麥胚芽油萃取率達(dá)到82.79%，與模型預(yù)測(cè)萃取率82.82%有很好吻合度。

3 結(jié)論

利用Plackett-Burman試驗(yàn)及其影響因素方差分析，超臨界CO2萃取小麥胚芽油的因素影響大小依次排序?yàn)椋狠腿┝髁浚据腿毫洼腿r(shí)間＞萃取溫度＞麥胚目數(shù)。3.3%～4.7%范圍內(nèi)麥胚水分對(duì)超臨界CO2萃取小麥胚芽油的萃取率影響極小。

采用萃取劑流量、萃取壓力、萃取時(shí)間、萃取溫度和麥胚目數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，得到小麥胚芽油萃取率回歸方程：Y＝73.58＋3.67X1＋4.61X2＋2.02X3＋1.17X4-0.77X5-0.62X1X2＋0.38X1X3＋1.08X1X4-0.3X1X5-0.25X2X3-0.5X2X4-0.25X2X5＋0.31X3X4-，方程達(dá)到極顯著水平，且擬和很好，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可以對(duì)超臨界CO2萃取小麥胚芽油的萃取率進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

通過(guò)方差分析顯示，萃取劑流量（P＜0.000 1）、萃取壓力（P＜0.000 1）、萃取時(shí)間（P＜0.000 1）、萃取溫度（P＝0.000 3）和麥胚目數(shù)（P＝0.010 6）對(duì)萃取工藝都有顯著影響，尤其是萃取劑流量、萃取壓力、萃取時(shí)間影響很大。

通過(guò)對(duì)回歸方程逐步回歸，得到超臨界CO2萃取小麥胚芽油最佳工藝參數(shù)：麥胚目數(shù)為60目、萃取劑流量為30 L／h、萃取壓力為25 MPa、萃取時(shí)間為141 min和萃取溫度40℃。在此條件下小麥胚芽油萃取率達(dá)到82.79%。

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