山桐子油的超臨界CO2萃取工藝優化及脂肪酸組成分析

曠春桃

吳 斌2

唐宏偉1

向 舒1

賀劍揚1

(1. 中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 四川省林業科學研究院，四川 成都 610066)

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山桐子油的超臨界CO2萃取工藝優化及脂肪酸組成分析

曠春桃1

吳 斌2

唐宏偉1

向 舒1

賀劍揚1

(1. 中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 四川省林業科學研究院，四川 成都 610066)

為了充分利用山桐子資源，采用單因素試驗和Box-Behnken試驗設計優化山桐子油的超臨界CO2萃取工藝，運用氣相色譜—質譜(GC—MS)分析山桐子油的脂肪酸組成。結果表明：超臨界CO2萃取山桐子油的優化工藝條件為萃取時間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa；在該條件下，山桐子油得率為(38.25±0.41)%。山桐子油得率和影響因素間的回歸模型極顯著(P=0.000 9)。GC—MS結果表明，山桐子油主要由不飽和脂肪酸組成，不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量為71.43%。山桐子油是一種優質的食用油資源，超臨界CO2可以高效萃取山桐子油。

山桐子油；超臨界CO2萃取；脂肪酸

山桐子(IdesiaPolycarpa)是大風子科山桐子屬落葉喬木，在中國陜西、甘肅、四川和湖南等省均有分布。山桐子是一種重要的油料資源，其干果中含油率35.0%～40.9%[1-2]。山桐子油中富含亞油酸、油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，精煉后可以加工成優質的食用油[3]。此外，山桐子油也可用于生產生物柴油[4]、生物基潤滑油[5]等，因此，開展山桐子油的綠色高效提取技術研究，將對中國食用油安全和生物質資源高效利用具有重要意義。

山桐子油中不飽和脂肪酸含量在85%以上[6]，其中人體內不能合成的亞油酸含量高于茶籽油和橄欖油等[7-8]，不飽和脂肪酸可以降血清總膽固醇水平，預防心血管疾病的發生[9-11]，因此，山桐子油有“21世紀長壽保健油”之稱。劉春雷等[7]采用索氏法提取山桐子油(山桐子油得率為28.5%)，并對其脂肪酸組成進行了分析。吳發旺等[12]優化了冷榨法提取山桐子油的工藝，山桐子油得率為26.61%，亞油酸含量為67.30%。華婉等[13]采用不同方法提取山桐子油，索氏提取法的得率為35%，優于壓榨法。超聲波溶劑提取法提取的山桐子油橙黃清亮，提取效率高[14]，但是，目前中國尚未有超臨界CO2萃取山桐子油的文獻報道。本研究擬采用單因素試驗和Box-Behnken試驗設計優化超臨界CO2萃取山桐子油的工藝，并對其脂肪酸組成進行分析，以期為山桐子油的高效加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

山桐子：四川省林業科學研究院；

CO2：食品級(>99.9%)，長沙高科氣體有限公司；

其他試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備

超臨界萃取裝置：HA121-50-01型，南通市華安超臨界萃取設備有限公司；

氣相色譜—質譜聯用儀(GC—MS)：Clarcus 600T型，美國PerkinElmer 公司；

高速粉碎機：WK-10B型，山東青州市精誠機械制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2萃取山桐子油 山桐子果實去果柄后粉碎，過篩，稱取100 g過20目篩的山桐子放入萃取釜內，開啟超臨界CO2制冷裝置，在試驗的溫度和壓力下萃取，萃取完成后，從分離釜1和分離釜2中分出山桐子油，取出萃取釜中的山桐子渣。山桐子油的得率按式(1)計算：

(1)

式中：

Y——山桐子油得率，%；

m1——山桐子油的質量，g；

m2——山桐子的質量，g。

1.2.2 單因素試驗設計 以萃取壓力、萃取溫度和萃取時間為因素，考察各因素對山桐子油的影響。

(1) 萃取壓力對山桐子油得率的影響：固定萃取溫度45 ℃，萃取時間120 min，考察萃取壓力(15.0，20.0，25.0，30.0，35.0 MPa)對山桐子油得率的影響。

(2) 萃取溫度對山桐子油得率的影響：固定萃取壓力25 MPa，萃取時間120 min，考察萃取溫度(35.0，40.0，45.0，50.0，55.0 ℃)對山桐子油得率的影響。

(3) 萃取時間對山桐子油得率的影響：固定萃取壓力25 MPa，萃取溫度45 ℃，考察萃取時間(60，90，120，150，180 min)對山桐子油得率的影響。

1.2.3 響應面優化 根據單因素試驗結果，選擇萃取壓力、萃取溫度和萃取時間為影響因素，得率為響應值，采用響應面中的Box-Behnken設計方法進一步對超臨界CO2萃取山桐子油的工藝進行優化，并對其數據進行回歸分析[15-16]。

1.2.4 山桐子油的脂肪酸成分分析 參考文獻[17～19]制備GC—MS分析用脂肪酸甲酯化樣品。采用NIST譜庫，計算機檢索和人工解析進行定性分析；采用面積歸一化法對脂肪酸進行定量分析。

(1) GC條件：HP-FFAP極性毛細管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升溫程序：初溫80 ℃，保持1 min，15 ℃/min 升至200 ℃，然后以3 ℃/min升至 210 ℃，最后以1 ℃/min升至230 ℃；載氣(He)流速1.0 mL/min；進樣量：1.0 μL；分流比20∶1。

(2) MS條件：EI離子源；電子能量70 eV；離子源溫度200 ℃；質量掃描范圍m/z40～600。

2 結果與分析

2.1 萃取壓力對山桐子油得率的影響

由圖1可知，萃取壓力從15 MPa增加到25 MPa，山桐子油得率增加，再增加萃取壓力，得率下降。因為萃取溫度一定時，隨著萃取壓力的增大，CO2的密度增大，山桐子油在CO2中的溶解度增大，得率增加，當達到一定萃取壓力后，CO2的黏度增大，擴散性能降低，得率下降[20-21]，同時，萃取壓力太高，對設備的耐壓性和密封性要求更高，會縮短設備使用壽命。因此，適宜的萃取壓力為25 MPa左右。

圖1 萃取壓力對山桐子油得率的影響Figure 1 Effect of extraction pressure on yield ofIdesia polycarpa oil

2.2 萃取溫度對山桐子油得率的影響

由圖2可知，溫度從35 ℃增加到50 ℃，山桐子油的得率增加，因為隨溫度升高，山桐子油在超臨界CO2中的擴散系數增大，有利于山桐子油的萃取。再升高萃取溫度，得率下降，因為隨溫度升高，超臨界CO2的密度下降，山桐子油在超臨界CO2中的溶解度下降[22-24]，因此，綜合考慮山桐子油得率和節能，適宜萃取溫度為45～50 ℃。

圖2 萃取溫度對山桐子油得率的影響Figure 2 Effect of extraction temperature on yieldIdesia polycarpa oil

2.3 萃取時間對山桐子油得率的影響

由圖3可知，山桐子油的得率隨萃取時間的增加先增加，然后減少。因為萃取時間越長，傳質效果越好，得率會隨之增加，當萃取時間達到120 min后，山桐子油基本萃取完全，再延長萃取時間，已經萃取出來的山桐子油會被CO2帶出分離釜，導致得率減少[20]。因此，適宜的萃取時間為120 min左右。

2.4 響應曲面法優化山桐子油的萃取工藝

在單因素試驗的基礎上，以山桐子油的得率為響應值，采用Box-Behnken試驗設計進一步優化萃取時間、萃取溫度和萃取壓力對山桐子油得率的影響，因素和水平見表1，響應面試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

圖3 萃取時間對山桐子油得率的影響Figure 3 Effect of extraction time on yield ofIdesia polycarpa oil表1 響應面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

水平A萃取時間/minB萃取溫度/℃C萃取壓力/MPa-19045200120502511505530

表2 響應面試驗結果Table 2 Results of response surface experiment

運用Design-Expert 7.1.3軟件對表2的試驗數據進行多元回歸分析，得到的二次多項回歸方程為：

Y=38.01+2.77A+1.51B-0.39C+1.29AB-2.16BC-4.95A2-2.85B2-3.16C2。

(2)

由表3可知，A、A2、B2和C2對山桐子油得率的影響極顯著，B和BC的影響顯著，因素C在試驗選定的區域內影響不顯著。各因素對山桐子油得率的影響依次為萃取時間>萃取溫度>萃取壓力。

表3 方差分析?Table 3 Analysis of variance

? **表示極顯著(P <0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

二次多項回歸方程的響應曲面圖見圖4、5。等高線的形狀可反映交互作用的強弱，橢圓形表示交互作用顯著，圓形表示交互作用不顯著[25]。由圖4可知，萃取壓力一定時，山桐子油得率隨萃取時間的增加先增加后減少，而山桐子油得率隨萃取溫度變化相對較為平緩，說明萃取時間對山桐子油得率影響大，萃取時間和萃取溫度交互作用不顯著。

圖4 時間和溫度對山桐子油得率影響的響應面

Figure 4 Response surface showing the effect of time and temperature on yield ofIdesiapolycarpaoil

圖5 溫度和壓力對山桐子油得率影響的響應面

Figure 5 Response surface showing the effect of temperature and pressure on yield ofIdesiapolycarpaoil

由圖5可知，山桐子油得率隨萃取壓力和萃取溫度增加，開始時呈顯著增加，然后變化比較平緩。溫度對超臨界CO2萃取山桐子油有兩個方面的影響，一方面，隨溫度升高，超臨界CO2的密度減少，山桐子油在超臨界CO2中溶解度下降，另一方面，溫度增加，山桐子油在超臨界CO2中的擴散系數增大[22-23]。壓力的影響也有兩個方面，壓力增加，超臨界CO2密度增加，有利用山桐子油的萃取，但超臨界CO2粘度增加，不利于山桐子油的萃取[20-21]，上述結果與單因素試驗結果一致。

Design-Expert 7.1.3軟件對回歸方程求解，得到山桐子油的最佳萃取工藝為：萃取時間147.24 min，萃取溫度52.83 ℃，萃取壓力23.72 MPa，得率37.26%。為實際操作的可控性，將試驗條件調整為萃取時間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa，在該條件進行重復實驗3次，山桐子油的平均得率為(38.25±0.41)%，與預測值基本一致，說明根據回歸模型得到工藝參數準確可靠。

2.5 山桐子油中脂肪酸組成分析

山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS總離子流色譜圖見圖6。由表4可知，從山桐子油中鑒定出7中脂肪酸，鑒定成分的含量為97.99%，不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量高達71.43%。亞油酸是一種人體必需又不能合成的不飽和脂肪酸，它能降低血液中的膽固醇，同時具有抗癌作用，參與機體免疫調節、細胞生長與凋亡等。因此，山桐子油是一種優質的食用油資源，同時也具有潛在的藥用價值。

圖6 山桐子油中脂肪酸甲酯的GC—MS總離子流色譜圖

Figure 6 GC—MS total ion chromatogram of fatty acid methyl ester inIdesiaPolycarpaoil

表4 山桐子油中脂肪酸甲酯含量Table 4 Content of fatty acid methyl ester inIdesia Polycarpa oil

3 結論

采用超臨界CO2萃取山桐子油，運用單因素試驗和Box-Behnken試驗獲得了其優化工藝條件：萃取時間147 min，萃取溫度53 ℃，萃取壓力24 MPa，該條件下，山桐子油得率為(38.25±0.41)%，超臨界CO2法是一種綠色、高效的萃取山桐子油的方法。

采用GC—MS分析了山桐子油的脂肪酸組成，山桐子油中不飽和脂肪酸含量為81.33%，亞油酸含量為71.43%。

山桐子油需經過脫色、脫酸和脫膠等過程方能達到食用要求，下一步可以在山桐子油的精煉方面進行系統研究。

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Supercritical CO2extraction of Idesia Polycarpa oil and analysis of its fatty acid composition

KUANG Chun-tao1

WUBin2

TANGHong-wei1

XIANGShu1

HEJian-yang1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.SichuanAcademyofForestry,Chengdu,Sichuan610066,China)

To make full use ofIdesiapolycarparesource, the optimum conditions of extracting oil inI.Polycarpaby supercritical CO2were studied by single factor and Box- Behnken designs, and the fatty acid composition of this oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the yield of the oil inI.polycarpaextracted by supercritical CO2was (38.25±0.41)%, when extracted at 24 MPa and 53 ℃ for 147 min. Moreover, the regression model between yield and influence factors was very significant (P=0.000 9). In addition, the results of GC-MS showed that the total content of unsaturated fatty acid in the oil was 81.33%, and that of linoleic acid was 71.43%. In conclusion, the oil extracted fromI.polycarpais an edible oil resource with high quality, and could be efficiently extracted by using supercritical CO2.

Idesiapolycarpaoil; supercritical CO2extraction; response surface methodology; fatty acid

國家林業公益性行業科研專項(編號：201204811)

曠春桃(1973-)，男，中南林業科技大學副教授，博士。 E-mail:hnkct@163.com

2016-08-29

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.035