響應(yīng)面法優(yōu)化核桃粕油脂提取工藝

摘要：以冷榨核桃粕為原料，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用超聲波技術(shù)輔助乙醇提取餅粕中的油脂，以油脂提取得率為考察指標(biāo)進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，在料液比1 g ∶25 mL、提取溫度78 ℃的條件下，最佳提取工藝參數(shù)為超聲波時(shí)間43 min、超聲波功率90 W、乙醇濃度93%，在此條件下的油脂提取得率為9.34%。與索氏抽提法的油脂得率為9.87%相比，超聲波輔助乙醇提取核桃粕油脂的方案是可行的，并且對(duì)于深入開(kāi)發(fā)安全、健康的核桃粕產(chǎn)品具有重要意義。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)面法；超聲波輔助提取；核桃粕；油脂；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)： O657.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）07-0274-03

收稿日期：2013-09-30

作者簡(jiǎn)介：趙見(jiàn)軍（1988—），男，河南鹿邑人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：729031039@qq.com。

通信作者：張有林，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：youlinzh@snnu.edu.cn。核桃（Juglans regia L.）別稱胡桃、羌桃，屬胡桃科胡桃屬植物，與扁桃、腰果、榛子并列為世界四大干果[1]。中國(guó)核桃資源豐富，在大部分地區(qū)都有分布，但以云南、山西、四川、河北、新疆、陜西等省居多。核桃是一種營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都很高的珍貴果木，據(jù)分析，核桃仁含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，其中脂肪含量60%～70%，高于大豆、芝麻、花生、油菜等油料作物；此外，蛋白質(zhì)含量15%～20%，碳水化合物含量10%左右，纖維素含量60%左右，含有人體必需的維生素A、維生素E、維生素D、維生素K等多種維生素[2]，鉀、鈉、鋅、鈣、磷、鐵、硒等礦質(zhì)元素含量較高，且含有肌醇、咖啡酸等活性成分[3]，銅、錳含量適中。作為冷榨后的副產(chǎn)物，核桃粕保留了核桃仁的主要營(yíng)養(yǎng)成分，脫脂核桃粕蛋白含量高達(dá)53.89%[4]，核桃蛋白中含有18種氨基酸，其中有8種為人體必需氨基酸，精氨酸和谷氨酸含量很高[5]，表現(xiàn)出很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，具有很好的開(kāi)發(fā)前景。但核桃粕殘油較高，在空氣中易氧化產(chǎn)生不良?xì)馕抖y以保存[6]。目前大部分優(yōu)質(zhì)核桃粕的利用方式是直接當(dāng)作飼料和肥料，浪費(fèi)了許多優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源[7]，因而充分綜合利用核桃資源，提高核桃的經(jīng)濟(jì)與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，對(duì)核桃粕進(jìn)行深加工研究顯得尤為重要。

冷榨制油技術(shù)是一種直接將未經(jīng)軋胚或蒸炒的油料在室溫至65 ℃之間經(jīng)低溫榨油機(jī)壓榨而獲得具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化的油脂和餅粕的制油技術(shù)。該技術(shù)天然、安全、無(wú)污染，加工工藝較簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境影響較小，并可節(jié)約生產(chǎn)成本（約為熱榨的1/3）[8]。冷榨制油法屬于物理方法，加壓而不升溫，對(duì)油脂營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沒(méi)有影響[9]。但冷榨餅粕殘油高，冷榨餅的殘油約為12%～20%，為熱榨餅的2～3倍。加大冷榨壓力或增加壓榨次數(shù)可降低冷榨餅的殘油，同時(shí)也降低了冷榨溫度和冷榨油的品質(zhì)，這樣的改變有悖與整個(gè)冷榨工藝的原始目的，顯然是不可采用的[10]。索氏抽提法是國(guó)標(biāo)中測(cè)定脂肪含量的方法，通過(guò)此法測(cè)定脂肪含量可以為優(yōu)化超聲波輔助提取核桃粕中油脂提取工藝提供參照。超聲波提取是應(yīng)用超聲波強(qiáng)化提取植物的有效成分，是一種物理破碎過(guò)程，主要對(duì)媒質(zhì)產(chǎn)生獨(dú)特的機(jī)械振動(dòng)作用和空化作用[11]，該提取技術(shù)作為一項(xiàng)高效的輔助提取技術(shù)在植物有效成分提取中應(yīng)用較廣。乙醇具有易制備、易回收、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在替代正己烷、正丁烷等有害溶劑作為植物油脂浸提溶劑上有很大的應(yīng)用潛力。

響應(yīng)面法（response surface methodology，RSM）是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，通過(guò)中心組合設(shè)計(jì)（CCD）試驗(yàn)，將多因素試驗(yàn)中因素與水平之間的相互關(guān)系用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，然后對(duì)函數(shù)的響應(yīng)面進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地描述因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系[12-13]。RSM是數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合的產(chǎn)物，用來(lái)對(duì)所感興趣的響應(yīng)受多個(gè)變量影響的問(wèn)題進(jìn)行建模和分析，其最終目的是優(yōu)化該響應(yīng)值[14]。1996年，Khuri和Comelly已經(jīng)對(duì)響應(yīng)面法進(jìn)行了比較全面系統(tǒng)的論述[15]。如今，RSM在化學(xué)工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物制藥領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[16-18]，同時(shí)，食品學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)等方面也都涉及到了響應(yīng)面法的應(yīng)用[19-21]。本試驗(yàn)以乙醇為提取劑，采用超聲波輔助乙醇提取二次冷榨核桃粕中的油脂，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用RSM對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1材料與方法

1.1材料與儀器

冷榨核桃粕為香菱冷核桃品種取仁、采用冷榨法榨取核桃油后的剩余物，經(jīng)測(cè)定含有13%粗脂肪、56%蛋白質(zhì)、46%水分、6.7%灰分、5.2%粗纖維；試驗(yàn)用試劑為國(guó)產(chǎn)分析純。

試驗(yàn)用儀器有：KQ-3200DE數(shù)控超聲波清洗儀，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；PL203電子分析天秤，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；LXJ-IIB離心機(jī)，上海安亭實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海安亭實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TU-1810紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；NH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司。

1.2核桃粕中粗脂肪的測(cè)定

對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)先干燥，采用索氏抽提法，以石油醚作提取劑，沸程為30～60 ℃。在提取溫度45 ℃、提取時(shí)間4 h、浸提次數(shù)6次的條件下，測(cè)定核桃粕中總脂肪為9.87%。

1.3冷榨核桃粕中油脂提取方法

1.3.1超聲波輔助乙醇提取油脂工藝流程冷榨核桃粕→烘干→粉碎→過(guò)100目篩→超聲波輔助提取→離心→分離→濃縮（旋蒸）→干燥→測(cè)定含量。

1.3.2油脂得率計(jì)算方法油脂得率的計(jì)算公式為：

得率=提取油質(zhì)量核桃粕質(zhì)量×100%。

1.3.3超聲波輔助提取油脂試驗(yàn)設(shè)計(jì)前期的單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，影響核桃油脂得率的主要因素有：超聲波時(shí)間、超聲波功率及乙醇濃度。因此在固定料液比為1 g ∶25 mL、提取溫度78 ℃條件下，以超聲波時(shí)間、超聲波功率及乙醇濃度作為研究對(duì)象，以核桃油脂得率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面因素水平表，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的二次回歸擬合分析各因素的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，得出最佳工藝參數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

單因素試驗(yàn)確定響應(yīng)面試驗(yàn)的因素的水平取值見(jiàn)表1，采用Box-Behnken中心組合進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。準(zhǔn)確稱取100 g核桃粕樣品，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入乙醇溶液，并調(diào)整相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)功率，提取完成后測(cè)定油脂得率，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析見(jiàn)表3。

由圖1可以看出，在提取溫度為78 ℃、料液比為 1 g ∶25 mL 的條件下，冷榨核桃餅中油脂得率隨著超聲波時(shí)間、超聲波功率的增加而減少，在較短的超聲波時(shí)間內(nèi)油脂得率較低；超聲波功率較低或較高時(shí)，均不利于油脂的溶出。

由圖2可知，在提取溫度為78 ℃、料液比為1 g ∶25 mL的條件下，冷榨核桃餅中油脂得率隨乙醇濃度、超聲波時(shí)間的增加而減少，且超聲波作用時(shí)間越短，油脂得率越低，較高的作用時(shí)間有利于提高油脂得率；在低濃度或高濃度乙醇溶液下，油脂得率均較低。

由圖3可知，在提取溫度為78 ℃、料液比為1 g ∶25 mL條件下，核桃油的得率隨乙醇濃度、超聲波功率的增加而先增加后減少。一定范圍內(nèi)超聲波的高頻振蕩及沸騰的高濃度乙醇利于油脂分子的溶出。

2.3最佳提取工藝及驗(yàn)證試驗(yàn)

在料液比1g ∶25mL、提取溫度78 ℃條件下，以油脂得率為指標(biāo)，通過(guò)MATLAB分析得出回歸模型，用Design-Expert進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到最佳提取工藝為超聲波時(shí)間 43.42 min，超聲波功率89.58 W，乙醇濃度9289%，在此條件下油脂提取得率為9.35%。為了試驗(yàn)操作方便，確定驗(yàn)證試驗(yàn)的工藝為超聲波時(shí)間43 min，超聲波功率90 W，乙醇濃度93%，提取溫度78 ℃，料液比1 g ∶25 mL，重復(fù)試驗(yàn)6次，油脂平均得率為9.34%，與回歸方程預(yù)測(cè)值（9.357 8%）非常接近，也與索氏抽提法油脂得率（987%）相差不大。

3結(jié)論

在料液比1 g ∶25 mL、提取溫度為78 ℃的條件下，超聲波輔助乙醇提取核桃粕中油脂的最佳工藝為超聲波時(shí)間 43.42 min，超聲波功率89.58 W，乙醇濃度92.89%，相應(yīng)的油脂提取得率為9.35%，調(diào)整后的最佳工藝為超聲波時(shí)間 43 min，超聲波功率90 W，乙醇濃度93%，此條件下油脂得率為9.34%，與預(yù)測(cè)值非常接近，也與索氏抽提法結(jié)果相差不大，從而驗(yàn)證了所建回歸模型的正確性，也充分證明了超聲波輔助提取替代索氏抽提法提取油脂方法的可行性，為深入開(kāi)發(fā)安全、健康的核桃粕產(chǎn)品提供了參考。

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