響應面法優(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)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

響應面法優(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)大學食品學院，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，運用響應面法優(yōu)化萃取工藝條件。在單因素試驗基礎上，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間為響應因素，黑加侖籽油出油率為響應值，根據(jù)中心組合Box-Benhnken試驗設計原理采用三因素三水平的響應面分析法，確定各工藝條件對出油率的影響。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℃、萃取時間180min，在此條件下，黑加侖籽油出油率達到14%，與理論值基本一致。

超臨界CO2萃取；黑加侖籽油；響應面法

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，學名黑穗醋栗(black currant)，為虎耳草科(Saxifrage)茶麓子屬植物的果實，屬多年生小灌木[1]。是我國東北地區(qū)廣泛種植的一種灌木小漿果的果樹[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-亞麻酸來源尚不多，因此從黑加侖籽中提取富含γ-亞麻酸的高級營養(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題[7]。而超臨界萃取經(jīng)過三十多年的發(fā)展[8]，憑借著其萃取溫度低、萃取能力強、效率高等特點[9]已經(jīng)被廣泛的應用到醫(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用。

響應面分析法(response surface methodology，RSM)是一種優(yōu)化反應條件和加工工藝參數(shù)的有效方法，廣泛應用于化學化工、生物工程、食品工業(yè)等方面[14]。它與正交試驗設計法不同，具有試驗周期短，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[15]。目前采用響應面設計優(yōu)化超臨界萃取黑加侖籽油的工藝未見報道。

本研究以黑加侖籽油出油率為評價指標，在萃取壓力、萃取溫度、萃取時間等單因素試驗的基礎上，利用響應面分析法優(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遠紅外恒溫干燥箱 天津北華儀器廠；CN62M/DFY-200A型搖擺式粉碎機 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→過篩→稱量→裝料入萃取釜、密閉→控制合適溫度、壓力、時間→在超臨界狀態(tài)下萃取→由分離釜獲得黑加侖籽油

1.3.2 出油率計算

1.3.3 響應面試驗

依據(jù)單因素試驗結(jié)果，進行響應面法Box-Benhnken模型試驗設計，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間為獨立變量(X1、X2、X3)，以出油率為響應值，試驗因素水平設計及結(jié)果見表1。

表1 響應面因素水平編碼表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

2.1.1 萃取壓力對出油率的影響

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

由圖1可知，壓力對超臨界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30MPa，增加幅度減緩，并在40MPa時出現(xiàn)下降。因為在壓力相對較低時，增大壓力不但會增加流體密度，還會減少分子間的傳質(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，萃取的選擇性會下降，出油率降低。同時，高壓會增加設備的損耗和降低經(jīng)濟效益并且還會使色素等一些成分被萃取出來，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 萃取溫度對出油率的影響

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

圖2 萃取溫度對出油率的影響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)擴散速度的提高，同時，溶質(zhì)的蒸汽壓上升使溶解度增加，進而有利于提高萃取率。另一方面，溫度升高，使流體密度減小，導致流體溶解度下降，對萃取反而不利。由圖2可知，在萃取溫度在35℃時出油率較高；當萃取溫度大于35℃時，出油率出現(xiàn)下降趨勢，所以萃取溫度在35℃為宜。

2.1.3 萃取時間對出油率的影響

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

圖3 萃取時間對出油率的影響Fig.3 Effect of extraction time on blackcurrant seed oil yield

從圖3可以看出，隨著萃取時間的延長，黑加侖籽油的出油率逐漸升高，因為萃取剛開始時，由于超臨界CO2流體與溶質(zhì)未達到良好接觸，萃取量較少，隨著萃取時間的延長，傳質(zhì)達到良好狀態(tài)，單位時間萃取量增大。當萃取時間超過180min時，黑加侖籽油的出油率趨于平緩。而且隨著時間的延長，會使CO2的消耗量和能耗進一步加大，考慮到經(jīng)濟效益，選取萃取時間180min為宜。

2.2 響應面試驗

2.2.1 方差分析及二元回歸方程擬合

表2 響應面試驗設計及結(jié)果Table 2 Box-Benhnken CCD matrix and experimental values of blackcurrant seed oil yield

利用Design-Expert7軟件對表2進行回歸分析，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。

對模型進行方差分析結(jié)果，結(jié)果見表3。

從表3可以看出：一次項中X1、X2偏回歸系數(shù)極顯著，說明萃取壓力、萃取溫度對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，說明萃取時間對出油率有顯著影響；X2X3交互作用顯著，說明出油率受到了萃取溫度和萃取時間的共同影響，在出油率的提高中起到了關鍵作用；二次項中X1、X2、X3的偏回歸系數(shù)均達到高度顯著的水平。回歸模型極顯著(P＜0.0001)而誤差項不顯著，模型的調(diào)整系數(shù)R2adj=0.9835，說明該模型能解釋98.35%響應值變化，說明回歸方程與實際情況吻合較好，實驗誤差小，可以用此模型對超臨界CO2萃取黑加侖籽油進行分析和預測。

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

在固定萃取時間為180min的條件下，萃取溫度與萃取壓力的響應面與等高線圖見圖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，出油率出現(xiàn)峰值，從等高線也可看出，在萃取壓力為33MPa時，較低的萃取溫度即可獲得較高的出油率。

采用Design-Expert軟件對分析所得的二元多項式進行優(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℃、萃取時間184min。得出最大萃取出油率為14.05%。

2.2.2.2 萃取時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，萃取時間與萃取溫度的響應面與等高線圖見圖5。萃取時間與萃取溫度交互作用顯著，出油率主要由萃取時間與萃取溫度共同影響，兩者在出油率的提高中起到關鍵的作用，在保證出油率的前提下，可根據(jù)實際情況適當?shù)脑黾虞腿囟葟亩鴾p少存取時間。

圖5 萃取時間與萃取溫度對出油率的交互影響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 萃取時間與萃取壓力的交互作用分析

圖6 萃取時間與萃取壓力對出油率的交互影響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，萃取時間與萃取壓力的響應面與等高線圖見圖6。

如圖6所示，萃取時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，在萃取時間為186min左右時，較低的萃取壓力及可獲得較高的出油率。

2.3 模型驗證

在上述響應面分析的結(jié)果確定的最佳工藝條件下，考慮到實際操作的便利，確定黑加侖籽油的工藝條件為萃取壓力33MPa、萃取溫度38℃、萃取時間180min，經(jīng)過3次萃取驗證實驗，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

在單因素試驗基礎上，通過Design-Expert軟件，采用Box-Benhnken試驗設計法對超臨界CO2流體萃取黑加侖籽油工藝進行設計并優(yōu)化。結(jié)果表明，萃取溫度、萃取壓力、萃取時間對黑加侖籽油的出油率影響均顯著，溫度和時間的交互作用顯著，但壓力和溫度、壓力和時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，說明響應面法適用于對黑加侖籽油的超臨界CO2萃取進行參數(shù)優(yōu)化，對于指導工業(yè)生產(chǎn)有一定的實際意義。

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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”國家科技支撐計劃重點項目(2009BADB9B08)

鮑志杰(1987—)，男，本科生，研究方向為食品質(zhì)量與安全。E-mail：zhijie_bao@163.com

*通信作者：于殿宇(1964—)，男，教授，碩士，研究方向為大豆加工技術(shù)。E-mail：dyyu2000@yahoo.com.cn