超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂工藝條件的優化

鄧 鵬，孫文佳，徐同成，賈 敏，鞏東營，劉麗娜

(山東省農業科學院農產品研究所/山東省農產品精深加工技術重點實驗室，濟南 250100)

超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂工藝條件的優化

鄧 鵬，孫文佳，徐同成，賈 敏，鞏東營，劉麗娜

(山東省農業科學院農產品研究所/山東省農產品精深加工技術重點實驗室，濟南 250100)

為探究響應面優化超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂的工藝條件，采用超臨界CO2法萃取花生油腳中磷脂，以花生磷脂的提取率為指標，在單因素試驗的基礎上，利用Box-Behnken響應面法對萃取工藝的關鍵因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速進行優化。結果顯示：萃取壓力、萃取溫度、萃取壓力和萃取溫度的交互作用對花生磷脂提取率的影響極顯著。優化得到超臨界CO2法提取花生油腳中磷脂的最優條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃、CO2流速7.02L/h、乙醇添加量為2%，此條件下花生油腳中花生磷脂的提取率為93.43%。說明采用超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生磷脂可以提高花生油腳的資源利用率。

花生油腳；磷脂；超臨界CO2萃取；響應面法

作為一種天然表面活性劑，花生磷脂是重要的生物活性物質[1]。它的成分主要包括PC(磷脂酰膽堿)和腦磷脂這兩種，具有恢復腦功能、增強記憶力以及抗衰老的功效，并能改善肌體神經功能障礙及紊亂[2-3]。高純度磷脂的獲取渠道有很多，如層析法、有機溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法等。其中有機溶劑萃取磷脂[4]的工藝簡單，所得產品的純度并不是很高，純度可高達90%以上的層析法處理能力有限，又殘留許多有機溶劑，而超臨界CO2萃取磷脂方法，保證了產品無溶劑殘留，色澤、風味皆比其他方法制備的產品優越，可直接用于醫療。采用傳統方法炸取花生油，靜置后得到的沉淀物為花生油腳，花生油腳中含有一定量的油。雖然花生磷脂含量低于高純度磷脂，但為了提高花生油腳的附加值，減少資源浪費，亟待探索新型提取花生磷脂的工藝方法。

目前，超臨界CO2提取方法在食品行業已被廣泛應用，如在咖啡豆中咖啡因的抽提、沙棘籽油的萃取精制、EPA及DHA的精制[5]、冷榨甜橙油中芳香物質的分離、煙草中煙堿的去除[6]、啤酒花有效成分的分離提取、柑桔汁脫苦[7]，大豆磷脂的超臨界萃取[8-10]等方面都取得了較大的研究進展。但是，鮮見報道運用超臨界CO2方法萃取花生磷脂，本文探討了超臨界CO2萃取花生油腳中磷脂的工藝，為規模化制取花生磷脂提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

花生油腳(脫水)、高純CO2(SPE級，99.995%)。

1.2 儀器

SFE-2 Supercritical Fluid Extractor (Applied Separations，USA)，樣品池體積10mL。

1.3 試驗方法

1.3.1 萃取流程 CO2氣瓶→熱交換器→高壓泵→萃取釜→限流器→收集器。

1.3.2 萃取方法 天枰稱取脫水油腳3～5g，置入油腳萃取池中，首先將高純CO2罐供給閥門打開，調節高壓泵使液體CO2達到理想壓力，控制器控制萃取池的溫度，限流器達到的溫度要求高出萃取溫度20℃，然后進氣閥排氣，靜態萃取10min，再打開出氣閥，動態萃取至規定時間。

1.3.3 花生磷脂測定 采用鉬蘭比色法，GB5537-85。

1.3.4 單因素試驗 設置單因素4項，分別考察超臨界CO2萃取花生油腳中磷脂時的萃取壓力、萃取溫度、CO2流速和乙醇添加量對花生磷脂提取率的影響。(1)萃取壓力。萃取溫度35 ℃、CO2流速6 L/h、無改性劑，萃取壓力分別為17.24、20.69、24.13、27.58、31.03、34.48MPa；(2)萃取溫度。CO2流速6 L/h、 萃取壓力31.03MPa、無改性劑、萃取溫度分別為30、35、40、45、50、55℃；(3)CO2流速。萃取壓力31.03MPa、 萃取溫度45℃、無改性劑時，CO2萃取流速分別為4、5、6、7、8、9 L/h；(4)乙醇添加量。萃取溫度45℃、萃取壓力31.03MPa、萃取流速7 L/h、乙醇添加量分別為0、2%、4%、6%、8%、10%。

1.3.5 響應面試驗 采用Design-Expert軟件設計響應面試驗，試驗的各因素水平范圍由單因素試驗結果確定，利用模型—Box-Behnken，以花生磷脂的提取率為響應值做四因素三水平試驗，共29個試驗點的二次回歸正交組合設計試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 萃取壓力對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 萃取壓力在花生磷脂萃取率的眾多因素中影響較大，設置這一過程的壓力范圍為17.24～34.48MPa(萃取溫度35 ℃、CO2流速6 L/h、無改性劑)，對花生油腳中磷脂進行超臨界萃取。原理上萃取壓力影響CO2的密度，進而改變超臨界CO2的溶解解能力。從圖1中可以看出，隨著萃取壓力的增加，萃取率成增大趨勢，當萃取壓力達到31.03MPa時，萃取率為75.42%。但隨著壓力增加，超過31.03MPa后，其磷脂萃取效率又出現下降趨勢，因此，可選擇壓力為31.03MPa左右進行萃取。

圖1 萃取壓力對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.2 萃取溫度對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 超臨界CO2的性質受到萃取溫度的影響，試驗中選擇從溫度30℃開始，最高溫度達到55℃(CO2流速6 L/h、 萃取壓力31.03MPa、無改性劑)，測定不同萃取溫度下對花生磷脂的提取率的影響。從圖2可以看出，隨溫度升高，花生油腳中磷脂萃取率逐漸增加，溫度45℃時萃取率最高，達到75.88%。當溫度進一步升高，花生磷脂萃取率逐漸降低。考慮到磷脂生物活性的保護，不易于采用太高的溫度。

圖2 萃取溫度對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.3 CO2用量對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 CO2流速的對溶質與溶劑之間的傳質推動力影響較大，當CO2用量增大，傳質效率提升，花生磷脂的萃取率也相應提高。測定不同CO2用量對萃取率的影響(萃取壓力31.03MPa、 萃取溫度45℃、無改性劑)。從圖3中可以看出，隨著CO2流速的增加，萃取率逐漸增加，至CO2流速為7L/h時，萃取率增加到最大值，此時萃取率為88.49%，流速超過7L/h后，萃取率又隨著CO2流速的增加而逐漸減小，這可能因為流速增加反而縮小了溶質與溶劑之間的傳質時間，使萃取率降低。

圖3 CO2流速對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.1.4 改性劑對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響 乙醇作為本試驗中的改性劑，分別以0、2%、4%、6%、8%、10%的比例與CO2預先混合，萃取條件為：萃取溫度45℃、萃取壓力31.03MPa、萃取時間30min、CO2流量7L/h (靜態萃取10min、動態萃取20min)。從圖4中可以看出，在CO2中加入2%的乙醇可大幅度提高花生磷脂的提取率，提取率可達93.88%，相對于不使用改性劑提取率增加了5.78%，但超過了2%，隨乙醇添加量的增大花生磷脂的萃取率反而降低。

圖4 乙醇添加量對花生油腳中花生磷脂萃取率的影響

2.2 響應面試驗結果

利用Design-Expert軟件，選用模型—Box-Behnken，以花生油腳中花生磷脂的提取率作為響應值，設計四因素三水平共29個試驗點的響應面試驗(表1)。利用Design-Expert軟件對磷脂提取率的響應面試驗結果進行二次多元回歸擬合，得到花生油腳中花生磷脂的提取率對自變量A、B、C和D的二次多項式回歸方程：R=93.53-0.47A+0.41B+0.094C+0.33AB+0.19AC+0.12BC-1.07A2-0.91B2-0.84 C2(表2)。

表1 因素水平

表2 Box-Behnken設計方案及試驗結果

表3 回歸模型方差分析

回歸模型中的A 萃取壓力、B 萃取溫度、AB(萃取壓力和萃取溫度的交互作用)、A2、B2、C2的P值均小于0.01，結果說明這些因素對花生磷脂提取率的影響極顯著。萃取壓力、萃取溫度、CO2流速這3個因素對花生磷脂提取率的影響由大到小依次為萃取壓力、萃取溫度、CO2流速。利用Design-Expert軟件結合試驗結果，得到二元二次方程，繪出響應面圖。等高線的形狀表示兩個因素交互效應的強弱大小，橢圓形表示交互作用顯著，而圓形則與之相反，由圖5～7可知，3個因素兩兩之間皆有交互作用。

圖5 萃取壓力和萃取時間的交互作用對萃取率的響應面圖和等高線圖

圖6 萃取壓力和CO2流速的交互作用對萃取率的響應面圖和等高線圖

圖7 萃取溫度和CO2流速的交互作用對萃取率的響應面圖和等高線圖

對如上回歸模型進行響應面分析，找出本次研究的穩定值及最優條件，得到萃取花生油腳中花生磷脂的最優條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃、CO2流速7.02L/h，理論上此條件下花生磷脂的提取率可達到93.61%。通過對響應面分析法得出的最優條件進行驗證試驗，并重復3次，得到花生磷脂的提取率平均值為93.43%，與理論值相比偏差0.19%，因此，利用響應面法優化得到的超臨界CO2法萃取花生油腳中花生磷脂的最佳工藝條件是可靠的。

3 結論

本試驗以花生油腳中花生磷脂的萃取率為指標，首先進行單因素試驗研究，在此基礎上采用響應面分析法，排除影響較小的因素—改性劑，對超臨界CO2萃取法萃取花生油腳中花生磷脂工藝的3個關鍵因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速進行了優化，確定了工藝條件。試驗結果表明萃取溫度、萃取壓力和CO2流速的交互作用對花生磷脂提取率的影響顯著；萃取壓力與萃取溫度對花生磷脂提取率的影響極顯著；三個因素對花生磷脂提取率的影響由大到小依次為萃取壓力>萃取溫度>CO2流速。超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生油脂優化的萃取工藝條件為萃取壓力31.64MPa、萃取溫度45.59℃，CO2流速7.02L/h、乙醇添加量為2%。在此條件下，實際超臨界CO2萃取花生磷脂達到93.43%，達到了極高的提取率，提高了花生油腳的附加值，減少了資源浪費。

4 討論

花生是世界上最重要的油料作物之一，花生仁脂肪含量在50%左右[11-12]，作為主要供油作物它的產品下腳料相應很多，花生油腳含有一定量的磷脂殘留，將這部分磷脂提取出來并加以利用是符合市場需求與資源利用的。從花生油腳中提取磷脂的傳統方法必然涉及在油脂制取前對油料進行有效的清除和除雜，以期達到減少油脂損失、減輕設備磨損、減少塵土飛揚、改善環境、安全生產的目的[13]。

超臨界CO2萃取技術作為一種綠色工藝，克服了回收率低和有機溶劑殘留等問題[14]，取消了對花生油腳進行預除雜等操作步奏，顯示了巨大的市場潛力。采用超臨界CO2萃取法從花生油腳中萃取花生磷脂可以提高花生油腳的資源利用率及提取產物得率，產品顏色淡黃，純度很高。但另一方面，超臨界CO2萃取法所需設備的投資較大、占地面積多，并且需要精深操作管理，專業人士按時檢驗保修，所以采用超臨界CO2萃取法制備的高純度的花生磷脂應該應用于附加值高的產品，在這方面還是大有前景的，具有開發利用價值。本文對花生油腳中花生磷脂的提取工藝進行了單因素及響應面優化工藝試驗，最終確定了最優提取條件，并達到了極高的提物率，它為規模化制取花生油腳中的磷脂提供了有價值的參考依據。◇

[1]王麗麗，孫樹杰，徐同成，等.花生磷脂的概述及其生物學功能的研究進展[J]. 農產品加工，2013(1)：64-66.

[2]Singletona，J.A.，et al.Separation and Characterization of Peanut Phospholipid Molecular Species Using High-Performance Liquid Chromatography and Fast Atom Bombardment Mass Spectrometry[J]. JAOCS，1999，76(1)：49-56.

[3]張妓勤，陳軍，李子雨.花生功能活性成分研究進展[J]. 糧油加工，2008(12)：72-76.

[4]戴欣，楊雪薇，崔巖，等.不同溶劑萃取小球藻油脂結構及組分差異[J]. 化工進展，2015，34(6)：1631-1635.

[5]Flick G，J.，et al，Advances in Seafood Biochemistry Composition and Quality[D]. Conference Proceedings，1992.

[6]Habert P,et al.Angew.Chem.Int，Ed.Engl，1978，17(10)：710.

[7]Kimball DA.Debittering of Citrus Juice Using Superritieal Carbon Dioxide[J]. J Food Sci，1987(52)：481.

[8]張德權，陳衛濤，張柏林.超臨界CO2萃取大豆卵磷脂工藝研究[J]. 中國糧油學報，2007，22(2)：32-36.

[9]張麗.超臨界二氧化碳精制大豆卵磷脂[D]. 沈陽：東北大學，2006.

[10]樊永華.超臨界萃取技術在大豆中的應用[J]. 糧食科技與經濟，2014，39(5)：70-72.

[11]章寶.超臨界 CO2萃取花生油工藝優化及其副產物綜合利用的研究[D]. 長沙：中南大學，2012.

[12]江利華.水酶法提取花生油和水解蛋白的中試工藝及花生 ACE 抑制肽的研究[D]. 江蘇無錫：江南大學，2010.

[13]孫樹杰，邱斌，陶海騰，等.花生磷脂提取工藝的研究進展[J]. 中國食物與營養，2013，18(12)：38-40.

[14]張德權，胡曉丹.食品超臨界 CO2流體加工技術[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

(責任編輯 劉宏)

Optimizationon Supercritical CO2Extraction Technology of Phospholipids from Peanut Oil Sediment

DENG Peng，SUN Wen-jia，XU Tong-cheng，JIA Min，GONG Dong-ying，LIU Li-na

(Institute of Agro-food Science and Technology，Shandong Academy of Agricultural Science/ Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Products Deep Processing，Jinan 250100，China)

In order to explore optimum conditions of supercritical CO2extraction technology of phospholipids in peanut oil sediment by Response Surface Methodology，phospholipids were extracted from peanut oil sediment by supercritical CO2extraction method，and using the yield of phospholipids as indicator，the key factors of supercritical CO2extraction method，extraction pressure，temperature and CO2flow speed were optimized by Box-Behnken Response Surface Methodology on the base of single factor tests.The results showed that extraction pressure，temperature，the interaction between extraction pressure and temperature had very significant effects on the yield of phospholipids.The optimal extraction conditions for the extraction of peanut oil sediment were，extraction pressure 31.64MPa,extraction temperature 45.59℃,CO2flow speed 7.02L/h,the amount of added ethanol 2%，the yield of phospholipids under these conditions 93.43%,so resource utilization of peanut oil sediment can be improved by supercritical CO2extraction Technology of phospholipids in peanut oil sediment.

peanut oil sediment；phospholipids；supercritical CO2extraction；response surface methodology

山東省科技發展計劃“花生油腳中磷脂精制關鍵工藝研究與應用”(項目編號：2013GNC11305)；山東省引進海外高層次人才創新計劃“泰山學者海外特聘專家資金項目”(項目編號：tshw20110532)。

鄧鵬(1982— )，男，碩士，副研究員，研究方向：糧油加工。

劉麗娜(1978— )，女，博士，副研究員，研究方向：糧油加工。