響應面法優化菜籽毛油甾醇提取

諸愛士 李廬川

(浙江科技學院生物與化學工程學院，杭州 310023)

響應面法優化菜籽毛油甾醇提取

諸愛士 李廬川

(浙江科技學院生物與化學工程學院，杭州 310023)

為優化菜籽毛油植物甾醇的提取工藝，以10 mL菜籽毛油的植物甾醇產量為指標，對液料比、反應時間、反應溫度、萃取劑用量、萃取次數及試劑回收等因素進行了考察;并在單因素試驗的基礎上，采用響應曲面法對影響植物甾醇提取效果的3個主要影響因素，即液料比、反應時間和萃取劑用量進行了優化，建立并分析了各因子與甾醇產量關系的數學模型。結果表明，植物甾醇提取的最佳工藝條件為:液料比5.5:1，反應時間47 min，反應溫度93℃，用103 mL的乙醚提取，提取1次。采用該工藝條件，10 mL原油的植物甾醇理論產量可達到23.20 mg，驗證試驗值為22.86 mg，與理論值相對誤差為－1.47%。

菜籽毛油 植物甾醇 提取 響應面分析法 優化

植物甾醇具有很好的抗氧化作用，可降低血液中膽固醇濃度，具有消炎、退熱、抗潰瘍的藥理功效，其應用涉及醫藥、化妝品、食品、光學產品、飼料、油漆、顏料、樹脂、造紙、紡織、殺蟲劑及除草劑等［1－3］。

天然植物甾醇種類繁多，主要包括β－谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇4種無甲基甾醇。植物甾醇主要存在于油脂中，特別是精煉油后的脫臭餾出物中富含植物甾醇，所以在大多數已報道的研究中，一般都以脫臭餾出物作為提取原料，用不同的方法加以提取［4－8］。直接以植物油作為提取原料的研究報道，只有高政等［9］采用單因素與正交考察了氫氧化鉀－乙醇皂化液用量、皂化時間、萃取劑用量3個因素的影響。本試驗以菜籽毛油為原料提取植物甾醇，以氫氧化鈉－乙醇溶液作皂化液，考察了液料比、反應時間、反應溫度、萃取劑用量、提取次數等對提取甾醇的影響，同時考察了試劑回收循環使用等工業化問題。在此基礎上，選取對提取影響較大的液料比、反應時間、萃取劑用量3因素，采用響應面法(RSM)對條件進行優化，并得出模型，結果可作為實際生產的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原料:農村自制菜籽毛油。

氫氧化鈉(分析純)、氫氧化鉀(分析純):浙江中星化工試劑有限公司;無水乙醇(分析純):杭州長征化學試劑有限公司;無水乙醚(分析純):杭州化學試劑有限公司;硫酸(分析純):浙江衢州巨化試劑有限公司。

722E型可見分光光度計:上海光譜儀器有限公司;DK－S24電熱恒溫水浴鍋:上海精宏試驗設備有限公司;BS124S電子天平:北京塞多利斯儀器系統有限公司;RE52CS旋轉蒸發器:上海亞龍生化儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 甾醇的提取

設置恒溫水浴鍋溫度，量取菜籽毛油10 mL置于500 mL燒瓶中，加入50 mL 1 mol/L的氫氧化鈉－乙醇溶液，煮沸回流1 h后，減壓蒸餾回收乙醇。然后加蒸餾水稀釋至150 mL，將得到的皂化液冷卻，備用。取皂化液50 mL，每次用50 mL乙醚提取，共提取2次，合并上層乙醚提取液，依次經50 mL蒸餾水洗2次，用15 mL 0.5 mol/L的氫氧化鈉水溶液連續洗滌，再用蒸餾水連續洗滌乙醚溶液至溶液的pH呈中性為止。最后在常溫下減壓蒸餾回收乙醚溶劑，得到菜籽毛油粗甾醇制品。由于提取過程中投料量少，且操作時溶液呈沸騰狀，故沒有攪拌，而是用間歇振蕩來促進傳質，并不作一個因素考察。

1.2.2 檢測方法

按GB 5530—1985測定酸價;按GB 5534—1995測定皂化值;植物甾醇在650 nm時有最大吸收波長，采用改進的Liebennann－Burchard比色法測定甾醇含量，并計算甾醇產量［10－11］。

2 結果與討論

2.1 菜籽毛油理化指標與甾醇總含量

菜籽毛油理化指標與甾醇總含量見表1。

表1 菜籽毛油理化指標與甾醇總含量

2.2 單因素考察及其分析

2.2.1 液料比對甾醇產量的影響

反應溫度95℃，反應時間1 h，每次用50 mL乙醚提取，提取2次，液料比(1 mol/L的氫氧化鈉－乙醇溶液體積與菜籽毛油體積之比，下同)分別為3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1 mL/mL，測得 10 mL 原油的甾醇產量(mg，下同)見圖1。當液料比小于6∶1時，甾醇的產量隨著液料比增加而增大，這是由于隨液料比增大，皂化越趨完全，同時甾醇提取過程中的傳質推動力也隨液料比的增加而增大，使甾醇越易被提取。但在液料比大于6∶1時，甾醇產量反而有所下降，這是可能堿性增強導致副反應，使甾醇產量降低;同時隨著液料比增加，操作過程中的甾醇損失量增大。液料比5∶1與6∶1時的甾醇產量相差僅為6%，但液料比大則氫氧化鈉和乙醇用量大，使得皂化反應的消耗增大，考慮到經濟問題，選取液料比為5∶1。

圖1 液料比對甾醇產量的影響

2.2.2 反應時間對甾醇產量的影響

液料比5∶1，反應溫度95℃，每次用50 mL乙醚提取，提取 2 次，反應時間分別為 30、45、60、75、90 min，測得10 mL原油的甾醇產量見圖2。當反應時間在45 min內時，隨著時間增加甾醇產量增大，大于45 min時隨著時間增加產量反而下降。這是因為該皂化過程是一個液—油非均相傳遞和反應的過程，物質的傳遞和反應需要一定的時間，因此隨反應時間的增長產量就提高，但是時間過長可能由于甾醇變性，使得結果有所降低。從實際生產考慮，時間越長，就意味著生產周期越長，設備的生產能力就降低;同時能耗、人工的投入就越大，后期提純負荷增大，所以確定提取時間為45 min。

圖2 反應時間對甾醇產量的影響

2.2.3 反應溫度對甾醇產量的影響

液料比5∶1，反應時間45 min，每次用50 mL乙醚提取，提取 2次，反應溫度分別為 87、89、91、93、95℃，測得10 mL原油的甾醇產量見圖3。當溫度小于93℃時，甾醇產量隨反應溫度的升高而增大，這是因為溫度升高，反應速率和傳質速率均加快，相同時間內反應更充分，傳遞的物質越多。但在大于93℃后，溫度升高甾醇含量反而略有下降，這是可能過高的溫度使甾醇發生了變性。另外，溫度越高能耗越大，從經濟角度考慮溫度應選93℃。

圖3 反應溫度對甾醇產量的影響

2.2.4 萃取劑用量對甾醇產量的影響

液料比5∶1，反應溫度93℃，反應時間45 min，每次用30、40、45、50、60 mL 的乙醚提取，提取 2 次，測得10 mL原油的甾醇產量見圖4。

隨著萃取劑用量增加，甾醇產量也增大。這是因為萃取劑用量越多，傳質推動力增大，使溶解在萃取劑中的甾醇越多。但在用量大于50 mL以后，萃取劑用量增加甾醇產量變化不大，這是由于甾醇已基本溶于萃取劑中了，再增加萃取劑用量對甾醇的結果影響不大。由圖4可知萃取劑用量60 mL最好，但50 mL和60 mL甾醇產量的增幅只有3.1%。從實際生產考慮，為了節約成本，減少乙醚用量，選用50 mL乙醚，2次合計100 mL。

圖4 萃取劑用量對甾醇產量的影響

2.2.5 萃取次數對甾醇產量的影響

液料比5∶1，反應時間45 min，反應溫度93℃，萃取劑總量100 mL，分別萃取1次，2次，3次，測得10 mL原油的甾醇產量見表2。隨著萃取1次與2次差別不大，3次甾醇產量略有下降，可能是由于乙醚極易揮發，萃取時間越長乙醚揮發越多，相當于乙醚的總用量減少得越多;而且萃取次數越多，能耗亦成倍增加，提取時間也越長。從能耗和時間上考慮，提取次數越少越好，故提取次數為1次。

表2 萃取次數對甾醇產量的影響

2.2.6 溶劑的回收

試驗表明氫氧化鈉－乙醇溶液中的乙醇回收率為89%左右。乙醇損失是由于揮發到大氣中、減壓蒸餾時沒有全部冷凝而被抽到真空泵溶于水中、減壓蒸餾時未完全蒸出而留在皂化產物中等。

乙醚的回收率為94%左右。乙醚損失是由于在操作過程中的揮發。可以采取降低冷卻水溫度的方法來提高乙醚的回收率。預計工業化生產時回收率會比試驗值要高。

2.2.7 回收的試劑與新鮮的試劑比較

考慮到工業生產應該將溶劑和萃取劑回收循環利用，做了回收試劑與新鮮試劑的對比，試驗用回收乙醇配氫氧化鈉－乙醇溶液，用回收乙醚作萃取劑，結果見表3。回收的試劑和新鮮的試劑試驗結果相差很小，試劑回收與重新利用是可行的。以下試驗采用回收的乙醇、乙醚。

表3 回收試劑對比試驗結果

2.3 響應面法優化植物甾醇提取工藝

在單因素試驗的基礎上，采用Box－Behnken設計，以甾醇產量為響應值Y(mg/10 mL)，選取對甾醇產量影響較大的液料比、反應時間和萃取劑用量3因素對應 3個獨立變量 X1、X2和 X3，提取溫度93℃，提取1次，進行條件優化。試驗因素見表4，所得結果見表5。

表4 試驗因素水平編碼

表5 試驗方案及結果分析

通過試驗設計軟件Design－Expert7.1.6將表5的結果進行了擬合，得到了按實際值計的擬合方程:

Y= －288.790+19.310X1+1.845X2+4.194X3+0.031X1X2+0.128X1X3+0.007X2X3－ 3.100X21－0.029X22－0.025X23

試驗的方差分析見表6。

表6 回歸模型方差分析

從表 6 可知，方程的 F 值為 14.10，F ＞ f0.01(9，7)=5.61，說明因變量和全體自變量之間的線性關系顯著;模型的R2=0.947 7，說明擬合程度較高，即試驗方法是可靠的。

由RSM預測最高產量23.20 mg，條件是 X1=5.48∶1，X2=46.88 min，X3=102.95 mL。因此用菜籽毛油提取甾醇的最佳工藝條件為:液料比5.48∶1，反應時間 46.88 min，萃取劑用量 102.95 mL，反應溫度93℃，萃取1次。

響應曲面圖及其等高線圖見圖5～圖7。可看出，3個響應曲面均為開口向下的凸形曲面，X1、X2和X33個因素與甾醇產量呈拋物線關系，且在考察范圍內存在響應值(甾醇產量)的極高值。

圖5 Y=f(X1，X2)的等高線圖與響應面

為檢驗RSM法的可靠性，采用上述最優提取條件進行植物甾醇的提取試驗，考慮到實際操作的方便，將條件修正為液料比5.5∶1，反應時間47 min，萃取劑用量103 mL，提取1次，反應溫度93℃，平行3次試驗。實際測得10 mL原油的甾醇產量平均值為22.86 mg，與理論預測值相比，相對誤差是－1.47%。因此，采用RSM法優化得到的工藝條件參數準確可靠，具有實用價值。

3 結論

由單因素考察得到菜籽毛油植物甾醇的初步提取工藝條件為:液料比5∶1，反應時間45 min，反應溫度93℃，萃取劑用量100 mL，提取1次，試劑回收循環使用可行。

響應面優化得到的最佳提取工藝條件為:液料比 5.5∶1，反應時間47 min，萃取劑用量 103 mL，反應溫度93℃，提取1次，10 mL原油的甾醇理論產量可達到 23.20 mg，驗證試驗值為 22.86 mg，與理論值相對誤差為－1.47%。

菜籽毛油植物甾醇提取的優化數學回歸模型:

Y= －288.790+19.310X1+1.845X2+4.194X3+0.031X1X2+0.128X1X3+0.007X2X3－ 3.100X21－0.029X22－0.025X2

3

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Optimization for Extraction of Phytosterol from Crude Rapeseed Oil by Response Surface Methodology

Zhu Aishi Li Luchuan
(School of Biological and Chemical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023)

To optimize the extraction technology of phytosterols from crude rapeseed oil，the phytosterol yield of 10 mL crude rapeseed oil was taken as an index，and liquid － material ratio，extraction time，extractant volume，extraction temperature，extraction times and reagent recovery were investigated.Based on the single factor experiment，the effects of liquid － material ratio，extraction time and extractant volume on the phytosterol yield were optimized with Response Surface Methodology(RSM).A mathematical model was established and analyzed to describe the relationship between the studied factors and the response of the phytosterol yield.The result showed that the optimum extraction conditions were as follows:the liquid － material ratio was 5.5∶1，the time of extraction was 47 min，the reaction temperature was 93 ℃，the extractant volume was 103 mL，and the extraction times was once.Under the optimum conditions，the theoretical phytosterols yield of 10 mL crude rapeseed oil was 23.20 mg，and the corroboration experimental yield was 22.86 mg.The relative error was－1.47%compared with theoretical value.

crude rapeseed oil，phytosterols，extraction，response surface methodology，optimization

TQ645.9+8;TQ028.4

A

1003－0174(2011)07－0063－05

浙江省科技計劃項目(2007C21063)

2010－09－04

諸愛士，男，1966年出生，副教授，農產品加工