馮秀靜，陸海勤，陳淋轉(zhuǎn)，李凱

(1.崇左幼兒師范高等?？茖W(xué)校，廣西 崇左 532200；2.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

糖廠甘蔗濾泥含有豐富的蔗脂、蔗蠟等物質(zhì)[1]，其中，蔗蠟用途廣泛。一方面，可以用作涂料、塑化劑、保鮮劑等的生產(chǎn)；另一方面，以蔗蠟為原料可以分離得到植物甾醇、二十八烷醇、三十烷醇等功能性產(chǎn)品。以二十八烷醇為原料制作的微乳液飲品質(zhì)量優(yōu)良；將二十八烷醇乳化液加入含有果葡糖漿等配料的蔗糖溶液中，能做成一種理想的抗疲勞運(yùn)動型營養(yǎng)補(bǔ)充劑。此外，從甘蔗蠟中分離出高營養(yǎng)價(jià)值的蠟油脂肪酸，精制甘蔗蠟還可用作水果、巧克力等的保護(hù)涂層。

亞臨界萃取技術(shù)是一種低能耗、綠色環(huán)保、無溶劑殘留的物理提取技術(shù)[2,3]。以糖廠甘蔗濾泥為試驗(yàn)原料，以甘蔗蠟的提取率為指標(biāo)，研究提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)、料液比對甘蔗蠟提取率的影響，在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化出甘蔗蠟的最佳提取工藝。不僅能為甘蔗蠟的大批量、產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持，而且能為甘蔗大宗產(chǎn)物濾泥的綜合利用提供一種可以選擇的參考，具有較高的研究意義和潛在的商業(yè)價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甘蔗濾泥(石灰法工藝，水分含量為73%～75%)：廣西寧明糖廠提供；丁烷(純度99.99%)：河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器

CBE-30+5 L亞臨界丁烷萃取設(shè)備 亞臨界生物技術(shù)有限公司；DGG-9140B電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；LFP-800T粉碎機(jī) 佳盼電器專營店；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取適量待用甘蔗濾泥，以亞臨界丁烷為溶劑，設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，萃取一定時(shí)間，在分離罐收集試驗(yàn)所得甘蔗蠟，稱重。將原料萃取足夠長的時(shí)間，近似看成原料完全提取得到甘蔗蠟的質(zhì)量。計(jì)算糖廠甘蔗濾泥中甘蔗蠟提取率和提取得率。每個(gè)樣品做3個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值。甘蔗蠟提取率按照下式計(jì)算：

1.4 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的單因素試驗(yàn)

對提取溫度、提取時(shí)間、料液比、提取次數(shù)分別做單因素試驗(yàn)，考察這幾個(gè)因素對糖廠甘蔗濾泥中蔗蠟提取率的影響，選取最佳的因素和水平，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)[4]。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化甘蔗蠟提取條件

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果[5,6]。選擇A(提取溫度)、B(提取時(shí)間)、C(提取次數(shù))3個(gè)因素，做Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)[7,8]，見表1。以甘蔗蠟的提取率為試驗(yàn)優(yōu)化的指標(biāo)，研究在提取過程中各因素之間的交互作用，得出最佳提取工藝。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平Table 1 The factors and levels of response surface test

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度對提取率的影響

圖1 提取溫度對提取率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the extraction rate

由圖1可知，在一定溫度范圍內(nèi)，亞臨界丁烷提取甘蔗濾泥中甘蔗蠟的提取率隨著溫度的升高逐漸增大，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，甘蔗蠟的提取率最大，為10.02%，但是隨著溫度的逐漸增大，曲線的斜率逐漸減小，即甘蔗蠟提取率增大的幅度逐漸減小。一方面，隨著溫度的升高，分子運(yùn)動速率加快，萃取罐中分子活化能增大，分子之間的有效碰撞增大，更有益于溶質(zhì)分子與溶劑分子接觸，所以甘蔗蠟的提取率逐漸增大；另一方面，隨著溫度逐漸接近甘蔗濾泥中有機(jī)物分子的熔點(diǎn)，達(dá)到熔點(diǎn)的物質(zhì)液化、溶出，甚至?xí)^續(xù)氣化，分子擴(kuò)散速度加快，從而使得甘蔗蠟的提取率隨著溫度的升高而增大。然而，由于反應(yīng)系統(tǒng)是密閉的，在溫度升高的過程中，壓強(qiáng)也會相應(yīng)增大，溶劑氣化使溶質(zhì)的溶解能力逐漸降低，而且隨著溫度的升高，分子間的相互作用力也逐漸增大，選擇性降低，甚至?xí)l(fā)副反應(yīng)，部分有機(jī)分子結(jié)構(gòu)被破壞，分解成氣態(tài)小分子物質(zhì)，導(dǎo)致最終無法收集。此外，更高的提取溫度可能會造成儀器問題、增加試驗(yàn)成本、浪費(fèi)資源等不利影響。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的溫度為70 ℃。

2.2 時(shí)間對提取率的影響

圖2 提取時(shí)間對提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate

由圖2可知，萃取的第10～20 min，隨著萃取時(shí)間的延長，甘蔗蠟萃取率顯著增大，在20～30 min之間提取率增加的幅度降低，但萃取率仍然隨萃取時(shí)間的延長呈增加的趨勢；然而，第30 min以后，甘蔗蠟提取率隨著萃取時(shí)間的增大而減小。由于是固-液萃取過程，需要一定時(shí)間浸沒物料，且甘蔗蠟中化學(xué)組分較為復(fù)雜，靜態(tài)萃取一定時(shí)間內(nèi)，溶劑逐漸浸沒物料，根據(jù)相似相溶原理，與溶劑極性接近且分子結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)充分溶出，提取率隨著萃取時(shí)間的延長而增大。然而，當(dāng)分子擴(kuò)散效果達(dá)到一定限度，溶劑溶解能力趨于飽和狀態(tài)，溶解效果顯著降低，提取率降低；另一方面，隨著萃取時(shí)間的延長，系統(tǒng)中某些難分解的物質(zhì)分解成易揮發(fā)的小分子物質(zhì)，或者和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而降低甘蔗蠟提取率。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的萃取時(shí)間為30 min[9]。

2.3 萃取次數(shù)對提取率的影響

圖3 萃取次數(shù)對提取率的影響Fig.3 Effect of extraction times on the extraction rate

由圖3可知，亞臨界丁烷靜態(tài)萃取1次時(shí)，甘蔗蠟的提取率為5.16%；連續(xù)萃取2次時(shí)，甘蔗蠟的提取率顯著增加，為8.874%；連續(xù)萃取3次時(shí)，甘蔗蠟的萃取率最大，為10.02%；然而，連續(xù)萃取4次、5次時(shí)甘蔗蠟的提取率反而隨著提取次數(shù)的增大而減小。主要是因?yàn)榉磻?yīng)是在一定溫度和壓強(qiáng)下進(jìn)行的，連續(xù)多次萃取時(shí)，每次重新打入溶劑都屬于動態(tài)萃取的過程，使溶質(zhì)和高純度的溶劑重新接觸，從而使得樣品中殘留的可溶性物質(zhì)充分溶出。此外，萃取1次后的樣品，由于第1次萃取已經(jīng)溶出部分物質(zhì)，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，若連續(xù)萃取，能快速高效地將樣品中殘存的能溶于溶劑的物質(zhì)溶出。但是由于連續(xù)萃取會在一定程度上延長反應(yīng)時(shí)間，使得萃取后流入分離罐中的甘蔗蠟繼續(xù)受熱分解，從而使甘蔗蠟最終的提取率降低。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的萃取次數(shù)為3次。

2.4 料液比對提取率的影響

圖4 提取料液比對提取率的影響Fig.4 Effect of extraction solid-liquid rate on the extraction rate

由圖4可知，在一定濃度范圍內(nèi)，甘蔗蠟提取率隨著料液比的減小而增大，呈現(xiàn)正相關(guān)，料液比為1∶20 (g/mL)時(shí)甘蔗蠟的提取率最大，為9.9%，但是當(dāng)料液比小于1∶20 (g/mL)時(shí)，甘蔗蠟提取率隨著料液比的減小而減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。主要是由于在萃取過程中，溶劑滲透物料，溶質(zhì)分子擴(kuò)散溶出，隨著溶劑加入量的增大，溶液濃度減小，溶液粘度降低，擴(kuò)散傳質(zhì)阻力減小，所以甘蔗蠟提取率會隨著溶劑加入量的增大而增大，當(dāng)料液比為1∶20 (g/mL)時(shí)甘蔗蠟的提取率最大，為9.9%，但是由于甘蔗濾泥中成分復(fù)雜，當(dāng)溶劑加入量繼續(xù)增大時(shí)，達(dá)到固液溶解平衡，固液界面會出現(xiàn)反吸附作用，溶質(zhì)分子集中在界面層無法到達(dá)溶劑相，從而使甘蔗蠟提取率減小。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的料液比為1∶20 (g/mL)。

2.5 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇提取溫度(A)、提取時(shí)間(B)、提取次數(shù)(C)為3個(gè)因素，參考文獻(xiàn)[10]中的試驗(yàn)方法，進(jìn)行BBD響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定提取的最優(yōu)工藝條件。

表2 甘蔗蠟產(chǎn)量的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)值Table 2 Box-Behnken experiment design and response value of sugarcane wax yield

以甘蔗蠟的提取率為試驗(yàn)優(yōu)化的指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面(BBD)優(yōu)化試驗(yàn)，研究提取溫度(A)、提取時(shí)間(B)和提取次數(shù)(C)與甘蔗蠟提取率之間的關(guān)系及各因素之間的交互作用，得出最佳提取工藝。

回歸方程：Y=9.52-0.067AB-0.31AC-0.22BC+0.88A+0.11B+0.49C-0.33A2-0.2B2-0.15C2。

2.6 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟試驗(yàn)響應(yīng)面結(jié)果及方差分析

對該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到方差分析結(jié)果，見表3。

表3 二次多項(xiàng)式回歸方程的方差分析Table 3 ANOVA results for quadratic polynomial model

續(xù) 表

由表3可知，方程的P<0.0001，表明非常顯著，失擬項(xiàng)為0.3065>0.05，表明失擬項(xiàng)影響不顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.9801，說明該模型預(yù)測值與試驗(yàn)真實(shí)值的相關(guān)性好，RAdj2=0.9545說明試驗(yàn)結(jié)果有95.45%受試驗(yàn)因素影響，此模型能從理論上預(yù)測亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的提取率。根據(jù)表3中F檢驗(yàn)和P檢驗(yàn)可知，提取溫度A、提取時(shí)間B、提取次數(shù)C對甘蔗蠟提取率的影響程度由大到小依次是：提取溫度>提取次數(shù)>提取時(shí)間。

2.7 響應(yīng)面分析

3個(gè)因素AB、AC、BC 之間的交互作用通過Design Expert軟件進(jìn)行了分析，提取次數(shù)和提取溫度是曲面變化最為陡峭、等高線分布最為密集的橢圓形，表明提取次數(shù)和提取溫度的交互作用對甘蔗蠟提取率的影響最顯著(P=0.0071<0.05)。提取溫度和提取次數(shù)對甘蔗蠟提取率的響應(yīng)面圖和等高線圖見圖5。

圖5 提取溫度和提取次數(shù)對甘蔗蠟提取率交互作用的等高線圖(C)和響應(yīng)面圖(D)Fig.5 Contour diagram (C) and response surface diagram (D) of the interaction between extraction temperature and extraction times on the extraction rate of sugarcane wax

3 結(jié)論

以糖廠甘蔗濾泥為原料，研究了亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的過程中提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)、提取壓力4個(gè)因素對甘蔗蠟提取率的影響，選擇對甘蔗蠟提取率影響最顯著的提取溫度、提取時(shí)間、提取次數(shù)3個(gè)因素為主要因素，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。采用響應(yīng)面法研究各因素之間的交互作用對甘蔗蠟提取率的影響，各因素按照影響顯著性程度大小排序依次是：提取溫度>提取次數(shù)>提取時(shí)間。通過回歸方程方差分析，得到最佳提取工藝：甘蔗蠟為200 g，提取時(shí)間為20 min，料液比為1∶20 (g/mL)，提取溫度為70 ℃，提取次數(shù)為3次，系統(tǒng)壓強(qiáng)為0.7 MPa。此工藝條件下得到甘蔗蠟的提取率為9.835%，此時(shí)提取得率為98.5%。通過響應(yīng)面法得到亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的最佳提取條件，為甘蔗蠟的生產(chǎn)提供了理論參考，同時(shí)也為甘蔗蠟中功能性成分的精制提供了原料。