響應面法優化超臨界CO2萃取楊梅籽油工藝條件的研究

董迪迪 王鴻飛 周增群 邵興鋒 許 鳳 楊 娜 龔 洋

(寧波大學食品科學與工程系，寧波 315211)

楊梅(Myrica rubra)為楊梅目(Myricales)楊梅科(Myricaceae)楊梅屬(Myrica)常綠落葉喬木植物，是原產于中國的亞熱帶的漿果類水果，廣泛分布于我國的浙江、福建、江蘇、湖南、廣東、廣西、貴州等地區。楊梅籽為楊梅果實榨汁或釀酒后的副產物，約占楊梅果實的8% ～10%，楊梅籽中含有60% ～70%的籽仁油。楊梅籽油中含有大量亞油酸等不飽和脂肪酸，還含有亞麻酸等人體必需的多不飽脂肪酸［1－3］。楊梅加工企業一般把加工產生的楊梅籽作為廢渣直接處理掉，造成了極大的資源浪費和環境污染［4］。

目前，植物油脂提取的方法主要采用傳統的壓榨法、有機溶劑浸提法、水代法等，這些傳統的提取方法存在機械設備復雜、有機溶劑殘留、提取率低等缺點。超臨界CO2萃取技術是近年來興起的一項高新型物質分離精制技術，在接近室溫的環境下對原料進行萃取，不會破壞其活性物質，而且與傳統的食用油生產方法相比具有操作方便，能耗低，無污染，分離能力高，無溶劑殘留等特點［5－7］。

本試驗采用超臨界CO2萃取技術，研究了楊梅籽油萃取的工藝條件，并用響應面分析法對楊梅籽油萃取的工藝條件進行了優化，獲得了產率高、品質好的楊梅籽油，為進一步開發楊梅籽開辟了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

楊梅籽:浙江聚仙莊酒業有限公司，經初步測定每100 g楊梅籽仁約含有70 g油脂、15 g水分、8 g蛋白質等。其中，楊梅籽油中含有約20%的飽和脂肪酸，約75%的單不飽和脂肪酸，還含有約5%的亞麻酸、共軛亞油酸等功能性多不飽和脂肪酸。據測定，楊梅籽油的酸價為8.13 mgKOH/g、過氧化值為1.05 mmol/kg、碘價為107.43 gI2/100 g、折光系數為1.642(20℃)、比重為0.914(20℃)。CO2:食品級(純度＞99.9%)，寧波市方辛氣體有限公司。

1.2 儀器與設備

Spe－ed SFE型超臨界萃取儀:美國 Applied Separations公司;EL204型電子天平:梅特勒－托利多儀器上海有限公司;CS101－1AB型電熱鼓風干燥箱:重慶銀河實驗儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 楊梅籽油萃取的工藝流程

楊梅籽→晾曬→去殼→粉碎→過篩→干燥→稱重→超臨界CO2萃取→分離→楊梅籽油

剔除霉變、蟲害等劣質楊梅籽，將去殼后的楊梅籽仁進行研磨粉碎，過篩后在45℃下干燥4.5 h，每份稱取約10 g備用。

1.3.2 楊梅籽油超臨界CO2萃取單因素試驗

試驗選擇楊梅籽仁的顆粒度、萃取壓力、靜態萃取時間、動態萃取時間、萃取溫度等作為楊梅籽油萃取效果的主要影響因素［8－10］，以萃取率為考察指標，進行單因素試驗。

在萃取壓力30 MPa、靜態萃取時間30 min、動態萃取時間2 h、萃取溫度40℃條件下，研究楊梅籽仁顆粒度(5、10、20、30、40 目)對楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、靜態萃取時間30 min、動態萃取時間2 h、顆粒度40目的條件下，研究萃取溫度(20、25、30、35、40、45 ℃)，對楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、靜態萃取時間30 min、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究動態萃取時間(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h)，對楊梅籽油萃取率的影響;在萃取壓力30 MPa、動態萃取時間2 h、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究靜態萃取時間(0、10、20、30、40 min)對楊梅籽油萃取率的影響;在動態萃取時間2 h、靜態萃取時間30 min、顆粒度40目、萃取溫度40℃條件下，研究萃取壓力(20、25、30、35、40、45 MPa)對楊梅籽油萃取率的影響。

1.3.3楊梅籽油超臨界CO2萃取的工藝優化

根據Box－Behnken的中心組合實驗設計原理，綜合單因素試驗所得結果，確定顆粒度為40目、靜態萃取時間為30 min，選取動態萃取時間、萃取壓力、萃取溫度3個對楊梅籽油萃取影響顯著的因素，分別以A、B和C為代表，每一個自變量的低、中、高試驗水平分別以 －1、0、+1 進行編碼(表 1)［11－12］。以楊梅籽油的萃取率為響應值(Y)，在單因素試驗基礎上，采用三因素三水平的響應面分析方法，對楊梅籽油的超臨界CO2萃取工藝進行優化，其水平編碼如下表1，每組平行試驗3次。

表1 響應面分析因素與水平

1.3.4 楊梅籽油分析的方法

1.3.4.1 楊梅籽油的萃取率

楊梅籽油超臨界CO2萃取效果以萃取率為考察指標，萃取率為楊梅籽油實際萃取量與每份樣品含油量之比:

Y=m/M×100

式中:Y為楊梅籽油的萃取率/%;m為楊梅籽油實際萃取質量/g;M為每份樣品所含油脂的質量/g。

1.3.4.2 楊梅籽油理化性質分析

折光率:采用阿貝折光儀測定，酸價、碘價、過氧化值、皂化值分別采用 GB/T 5530—2005、GB/T 5532—2008、GB/T 5538—2005、GB/T 5534—2008 進行測定，每個指標平行測定3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 楊梅籽仁顆粒度對楊梅籽油萃取率的影響

試驗以萃取率為考察指標，在萃取壓力、靜態萃取時間、動態萃取時間、萃取溫度一定的條件下，楊梅籽仁顆粒度對楊梅籽油萃取率的影響結果如圖1所示。

圖1 顆粒度對楊梅籽油萃取率的影響

在萃取過程中，原料的顆粒度愈大，顆粒直徑愈小，顆粒比表面就愈大，CO2流體與物料的接觸面愈大，CO2流體在物料中的滲透性、擴散性、溶解性就愈強，萃取率就愈高。但是，顆粒度不能太大，顆粒度太大，顆粒愈細，使得物料間的空隙減小，降低了CO2的流速，使得傳質阻力增大，萃取率反而會降低。

由圖1可知，當顆粒度在30目以下時，隨著楊梅籽仁顆粒度的增加萃取率逐漸升高;當顆粒度增加到40目以后，萃取率會緩慢降低。在顆粒度40目時，楊梅籽油萃取率較高。

2.2 萃取溫度對楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、靜態萃取時間、動態萃取時間一定的條件下，萃取溫度對楊梅籽油萃取效果的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對楊梅籽油萃取率的影響

由圖2可知:當萃取溫度小于30℃時，楊梅籽油萃取率隨溫度的升高而增加;當溫度在30～40℃時楊梅籽油萃取率隨溫度的變化不大;當溫度大于40℃時，楊梅籽油萃取率隨溫度的升高而降低。溫度是影響超臨界CO2密度的一個重要因素，一方面溫度升高使分子間熱運動加劇，傳質效率和擴散系數增加，增大了CO2流體的溶解度，萃取率升高;另一方面溫度的升高降低了CO2流體的密度，使其溶解度降低，萃取率降低。因此，為了提高萃取率，同時降低能耗，適宜的萃取溫度為30℃。

2.3 動態萃取時間對楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、靜態萃取時間、萃取溫度一定的條件下，動態萃取時間對楊梅籽油萃取效果的影響見圖3。

圖3 動態萃取時間對楊梅籽油萃取率影響

由圖3可知，隨著動態萃取時間的延長，楊梅籽油的萃取率逐漸升高。當動態萃取時間小于2 h時，CO2流體對物料浸提不完全，萃取率低;當萃取時間為2 h以后時，CO2流體與物料充分接觸，浸提充分，萃取率較高，但萃取率隨時間的延長升高速度減緩。因此，考慮到萃取效率和成本，適宜的動態萃取時間至少為2 h。

2.4 靜態萃取時間對楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、萃取壓力、動態萃取時間、萃取溫度一定的條件下，靜態萃取時間對楊梅籽油萃取效果的影響見圖4。

圖4 靜態萃取時間對楊梅籽油萃取影響

由圖4可知，隨著靜態萃取時間的延長，楊梅籽油的萃取率升高，但當靜態萃取時間超過30 min后，萃取率的升高減緩。靜態萃取過程就是CO2流體對物料的浸提過程，萃取釜中穩定的高壓可以破壞物料的細胞結構，提高滲透效果，使浸提更加充分，因此適當提高靜態萃取時間，可以提高萃取率，但當靜態萃取時間過長時，浸提體系已經達到平衡，此時靜態萃取時間的延長對萃取率的影響減小。因此，考慮到萃取效率和成本，靜態萃取時間可取30 min。

2.5 萃取壓力對楊梅籽油萃取率的影響

在楊梅籽仁顆粒度、靜態萃取時間、動態萃取時間、萃取溫度一定的條件下，萃取壓力對楊梅籽油萃取效果的影響見圖5。

圖5 萃取壓力對楊梅籽油萃取影響

由圖5可知，隨著萃取壓力的升高，楊梅籽油的萃取率不斷增加。當萃取壓力小于30 MPa時，萃取率隨壓力的升高而迅速增加;當萃取壓力大于30 MPa時，萃取率隨萃取壓力的升高增加變緩。CO2流體的密度隨壓力的升高而增大，使得其密度逐漸接近油脂密度，根據相似相溶原理，CO2流體中楊梅籽油的溶解度不斷增加，萃取率升高，但當萃取壓力繼續升高時，溶解度達到飽和，楊梅籽油的溶解量幾乎不再增加，萃取率增加減緩。因此，考慮到萃取效率、能耗等問題，萃取壓力可取30 MPa。

2.6 楊梅籽油超臨界CO2萃取工藝優化

在單因素試驗的基礎上，利用響應面分析法進行萃取工藝條件的優化。在實際應用時，可以將物料粒度及靜態萃取時間事先確定，選擇動態萃取時間、萃取壓力、萃取溫度進行三因素三水平響應面優化試驗。此試驗是在楊梅籽仁顆粒度40目、靜態萃取時間30 min的前提下，進行了萃取工藝響應面分析，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面試驗方案及結果

利用Design Expert軟件對表2試驗結果進行分析，得萃取率Y對動態萃取時間A、萃取壓力B、萃取溫度C的二次多項回歸方程為:

Y=78.07+16.17 × A+15.17 × B+4.70 × C+5.61×A×B+1.98×A×C+2.75×B ×C －16.07×A2－15.45 ×B2－6.58×C2

回歸方程方差分析見表3。由方差分析可見:試驗所選用模型 P＜0.000 1，決定系數為 R2=0.993 6，說明響應值的變化有99.36%來源于所選因素，該模型能很好地解釋響應面的變化，擬合程度良好，試驗誤差小。

表3 回歸分析結果

從回歸方程系數顯著性檢驗可知:一次項動態萃取時間A、萃取壓力B、萃取溫度C極顯著;二次項A2、B2、C2極顯著;交互項 AB 極顯著，AC、BC 不顯著。由回歸方程所作的響應曲面圖及其等高線圖如圖6～圖8所示。

圖6 動態萃取時間和萃取壓力對萃取率影響的響應曲面圖和等高線圖

圖7 萃取溫度和動態萃取時間對萃取率影響的響應曲面圖和等高線圖

圖8 萃取溫度和萃取壓力對萃取率影響的響應曲面圖和等高線圖

圖6～圖8直觀地反映了動態萃取時間、萃取壓力、萃取溫度對楊梅籽油萃取率的影響，由等高線圖可以看出存在極值的條件應該在圓心的位置。比較3組圖可知:動態萃取時間(A)、萃取壓力(B)對楊梅籽油萃取率的影響都很顯著，表現為曲線較陡，等高線(響應值)隨其數值變化而迅速變化;而萃取溫度(C)次之，表現為曲線比較平滑，隨其數值的變化等高線(響應值)變化較小。為了進一步確定最優工藝條件及最高萃取率，對回歸方程取一階偏導數等于零并整理得:

求解方程組得 A=0.620 4，B=0.653 3，C=0.502 8，即楊梅籽油超臨界CO2萃取的最適宜條件為動態萃取時間 2.62 h、萃取壓力 36.53 MPa、萃取溫度40.03℃時，在此條件下，楊梅籽油萃取理論值可達89.73%。

為了檢驗該響應面優化方法的可靠性，采用上述最適宜萃取條件進行楊梅籽油萃取的驗證試驗，同時為了實際操作的方便，將楊梅籽油超臨界CO2萃取最適宜條件修正為動態萃取時間2.6 h、萃取壓力36.5 MPa、萃取溫度 40℃，實際測得的萃取率88.67%，與理論預測值相比誤差在1%左右，因此，采用響應面優化超臨界CO2萃取楊梅籽油的工藝條件參數準確可靠，具有實用價值。

3 結論

3.1 通過超臨界CO2萃取楊梅籽油的單因素試驗，在顆粒度為40目、萃取溫度30～40℃、動態萃取時間至少為2h、靜態萃取時間為30 min以上、萃取的壓力為30 MPa以上時，楊梅籽油的萃取率較高。

3.2 通過萃取的響應面分析，獲得萃取率Y對動態萃取時間A、萃取壓力B、萃取溫度C的二次多項回歸方程為:Y=78.07+16.17A+15.17B+4.70C+5.61AB+1.98AC+2.75BC － 16.07A2－ 15.45B2－6.58C2。方差分析表明，試驗所選用模型 P＜0.000 1，決定系數為 R2=0.993 6，該模型能很好地解釋響應面的變化，擬合程度良好，試驗誤差小。適宜的工藝條件為楊梅籽仁的顆粒度40目、萃取壓力36.53 MPa、靜態萃取時間 30 min、動態萃取時間2.62 h、萃取溫度40.03℃，在該條件下楊梅籽油的萃取率為89.73%。

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