響應面法優化腰果脂肪提取工藝

許金花，陳健

（海南大學食品學院，海南海口570228）

響應面法優化腰果脂肪提取工藝

許金花，陳健*

（海南大學食品學院，海南海口570228）

優化腰果脂肪提取工藝。先對提取腰果脂肪的方法進行選擇，然后在單因素試驗的基礎上，應用響應面法對腰果脂肪提取條件進行優化。結果表明，腰果脂肪提取工藝最優條件為料液比1∶27（g/mL），提取時間4.44h，溫度60.60℃，提取溶劑為純石油醚。腰果脂肪實際平均得率為47.76%，所得腰果脂肪提取回歸模型高度顯著（相關系數R2=0.984 7），擬合性好（修正后的相關系數R2Adj=0.965 0）。

腰果脂肪；響應面優化；索氏提取法；工藝參數

腰果，一種腎形堅果，有豐富的營養價值，是世界著名四大干果之一[1-3]。腰果的脂肪含量在50%左右[4]，高于花生（約44%）、大豆（約20%）等食用油主要加工原料，但早年因我國腰果產量低[5]（產量從2001年的1118 t逐漸減少到2005年390 t）故無法成為食用油的加工原料，但近年來產量逐漸增加到2010年720 t，因此可成為食用油的加工原料；腰果脂肪所含脂肪酸中，不飽和脂肪酸高達80%，其中單不飽和脂肪酸約占63%，高于多不飽和脂肪酸（17%）[6-8]，而在防治心血管疾病等方面，單不飽和脂肪酸優于多不飽和脂肪酸，因此腰果脂肪作為一種富含單不飽和脂肪酸的功能性脂肪，具有很高的營養價值[9-12]；近年來，我國腰果加工品需求量持續增長[5]，進口量從2003年26 t增加到2010年的1 365 t。因此，大規模發展腰果生產、加工和基礎理論研究勢在必行。

目前有關腰果的研究集中在腰果蛋白的提取加工工藝及其特性研究[13-14]、腰果脂肪成分分析及其特性研究[4，6]，對腰果中脂肪提取工藝優化研究較少[15-17]。鐘俊楨等用水劑法提取腰果脂肪，脂肪提取率74.39%；李維靜等用水劑法提取，脂肪得率34.86%；郭興峰等采用壓榨法提取腰果脂肪，脂肪得率低。

綜上，現有關于腰果脂肪提取工藝的研究表明脂肪得率低且成本高。試驗以海南腰果為原料，采用響應面法優化腰果脂肪提取工藝參數，脂肪得率高達47.76%，且成本低，試劑污染小，在腰果脂肪的提取及綜合開發利用方面具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海南腰果（脂肪含量45%～50%[4]）：海南省樂東市；沸程30℃～60℃石油醚（分析純）：西隴化工股份有限公司；φ12.5 cm脫脂濾紙：杭州沃華濾紙有限公司。

1.2 儀器與設備

250 mL索氏抽提裝置：鄭州興華玻璃儀器廠；DS-1組織搗碎機：上海右一儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋：金壇市盛藍儀器制造有限公司；SHIMADZU AUW220電子天平：廈門群隆儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 腰果脂肪的測定[18]

按中華人民共和國國家標準GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》第一法測定腰果中脂肪含量。

1.3.2 腰果脂肪得率的測定[19]

腰果脂肪得率/%=（濾紙質量+樣品質量-提取后濾紙包質量）/樣品質量×100

1.4 脂肪提取工藝的確定

1.4.1 方法選擇

腰果是一種堅果，且出于成本考慮，提取腰果中脂肪的方法主要有以下幾種。

1.4.1.1 索氏提取法（按中華人民共和國國家標準GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》第一法）

腰果脂肪得率/%=（濾紙質量+樣品質量-提取后濾紙包質量）/樣品質量×100

1.4.1.2 酸水解（按中華人民共和國國家標準GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》第二法）

腰果脂肪得率/%=（已恒重裝有脂肪的油杯重量-已恒重的油杯重量）/樣品質量×100

1.4.1.3 氯仿-甲醇提取法[20]

腰果脂肪得率/%＝（燒杯及油脂質量－燒杯質量）/樣品質量×2.5×100

通過上述3種方法提取腰果中的脂肪，計算得率并對比，確定最佳提取方法。

1.4.2 單因素試驗設計

在1.4.1方法選擇的基礎上，確定最佳方法為索氏提取法，索氏提取法中影響脂肪得率的因素主要有提取溫度T、提取時間t、不同比例混合溶劑和料液比。準確稱量腰果粉5.00 g，按1.3.2測量脂肪含量，計算脂肪得率。

1.4.2.1 混合溶劑比例的確定

在料液比為 1∶29（g/mL），T=60℃，t=4 h時，混合溶劑（氯仿∶石油醚）采用0∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6（體積比）7個水平進行3次平行試驗，確定最佳混合溶劑比例。

1.4.2.2 提取溫度T的確定

在料液比為 1∶29（g/mL），混合溶劑（氯仿 ∶石油醚）0 ∶1（體積比），t=4 h 時，T 采用 30、40、50、60、70、80℃6個水平進行3次平行試驗，確定最佳提取溫度。

1.4.2.3 提取時間t的確定

在料液比為 1 ∶29（g/mL），混合溶劑（氯仿 ∶石油醚）0∶1（體積比），T=60℃時，t分別取 3、4、5、6、7 h，5個水平進行3次平行試驗，確定最佳提取時間。

1.4.2.4 料液比的確定

在混合溶劑（氯仿 ∶石油醚）0∶1（體積比），T=60 ℃，t=4 h 時，料液比采用 1 ∶21、1 ∶23、1∶25、1 ∶27、1∶29、1∶31（g/mL）6個水平進行 3 次平行試驗，確定最佳料液比。

1.4.3 響應面法優化提取工藝

根據單因素試驗結果，取其中影響程度較大的3個因素作為影響脂肪得率的自變量，選擇合適的水平，進一步探討它們對腰果脂肪得率的影響，根據Box-Behnken，用Design ExpertV7.0軟件進行試驗設計（見表1），確定腰果脂肪最佳提取工藝。

表1 腰果脂肪響應面設計因素及水平編碼Table 1 Box-Behnken design with 3-level factorials for cashew nuts fat

1.5 數據處理

所有試驗重復3次，使用SPSS19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 試驗方法選擇

索氏提取法、酸水解法、氯仿-甲醇提取法對腰果脂肪得率的影響見圖1。

圖1 提取方法對腰果脂肪得率的影響Fig.1 Effect of the extraction method on extraction rate of cashew nuts fat

原料脂肪含量在45%～50%[4]，由圖1可看出索氏提取法的得率最大，在40%～50%之間，酸水解法和氯仿甲醇提取法的得率相差無幾，在10%～30%之間，這是由于索氏提取法利用溶劑回流及虹吸原理，使腰果粉連續不斷地被提取溶劑萃取，對腰果內脂肪提取較完全。綜合考慮，最佳方法為索氏提取法。

2.2 單因素試驗

2.2.1 混合溶劑比例（氯仿∶石油醚）對腰果脂肪得率的影響

溶劑比例對腰果脂肪得率的影響見圖2。

圖2 溶劑比例（氯仿∶石油醚）對腰果脂肪得率的影響Fig.2 Effect of the mixed solvent ratio（chloroform∶petroleum）on extraction rate of cashew nuts fat

由圖2可知，當溶劑比例（氯仿∶石油醚）為0∶1時，脂肪得率達到最大值，溶劑比例（氯仿∶石油醚）由0∶1上升到1∶1時，脂肪的得率大幅下降，而從溶劑比例（氯仿∶石油醚）1∶1上升至溶劑比例（氯仿∶石油醚）1∶3，得率有明顯的增加，其后得率維持在一定水平，這是因為腰果脂肪酸結構多是非極性[20]，石油醚極性小于氯仿，故腰果脂肪在石油醚中溶解性較氯仿強。綜合考慮，溶劑比例（氯仿∶石油醚）宜保持0∶1左右，即提取溶劑為純石油醚。

2.2.2 提取溫度對腰果脂肪得率的影響

溫度對腰果脂肪得率的影響見圖3。

圖3 溫度對腰果脂肪得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of cashew nuts fat

由圖3可知，在30℃～60℃之間，脂肪得率逐漸上升。當提取溫度達到60℃時，脂肪得率最高。當超過60℃時，得率明顯下降。因為溫度較低時，脂肪溶出緩慢，溫度升高，分子運動更快，更容易溶解來自樣品中的脂肪；但隨著溫度的持續升高，脂肪的得率反而降低，這是由于溫度過高，提取溶劑（沸程30℃～60℃的石油醚）揮發性強，提取體系的提取溶劑揮發加快，而腰果脂肪沸點在提取溫度之上[21]，因此導致料液比減少，得率下降。并且高溫會使脂肪變性，直接影響產品質量。所以綜合考慮，提取體系的溫度應保持在60℃左右。

2.2.3 提取時間對腰果脂肪得率的影響

提取時間對腰果脂肪得率的影響見圖4。

圖4 提取時間對腰果脂肪得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of cashew nuts fat

由圖4可知，腰果脂肪的得率在3 h～5 h之間呈現上升趨勢，在5 h時達到最高，得率維持在一定水平，這是因為腰果中的脂肪提取一定時間后提取完全，故提取時間的增加并不會導致得率的增加。綜合時間成本考慮，提取體系最終確定最佳提取時間為5 h。

2.2.4 料液比對腰果脂肪得率的影響

料液比對腰果脂肪得率的影響見圖5。

圖5 料液比對腰果脂肪得率的影響Fig.5 Effect of solid-to-liquid ratio on extraction rate of cashew nuts fat

由圖5可知，脂肪得率隨料液比的增加呈現先上升后維持在一定水平的趨勢。當料液比為1∶27（g/mL）時，得率達到最大值。可能的原因是隨著提取溶劑的增加，來自原料中的脂肪更容易被溶解出來，得率相應增大。當提取溶劑用量過多時，會造成原料的浪費，增加產品成本。綜合考慮，提取體系最終確定最佳料液比為 1 ∶27（g/mL）。

綜合4個因素對腰果脂肪得率的影響結果，溶劑比例（氯仿∶石油醚）0∶1（體積比）的得率遠大于其他比例的得率，因此固定溶劑比例（氯仿∶石油醚）0∶1（體積比），對其余3個因素進行響應面優化設計。

2.3 腰果脂肪響應面優化提取條件

2.3.1 回歸模型的建立

每個試驗組合重復試驗3次，取其平均值。用表1的響應面設計，用軟件共設計了17個以隨機次序排列的響應面試驗（見表2），脂肪得率為響應值。利用Design Expert軟件可得到二次多元回歸方程：

表2 試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results

回歸方程的方差分析結果見表3。

表3 回歸模型及方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

回歸模型的P值（p＜0.000 1）明顯小于0.01，表明所得模型較顯著。模型誤差失擬項中P=0.715 5＞0.05，說明該方程對試驗擬合度較好，預測值與試驗值之間具有高度的相關性（相關系數R2=0.984 7），僅有約1.14%的得率變異不能由該模型解釋（RAdj2=0.965 0）。可以利用上述模型預測提取條件對脂肪得率的影響。由表 3 可知，F（B）=192.59，F（C）=6.80，F（A）=0.64，即各因素對腰果脂肪得率的影響順序為提取時間＞溫度＞料液比。 從表3中可得，C、AB及AC對試驗指標影響顯著，B、A2、B2及C2對試驗指標影響極顯著。

2.3.2 各因素對腰果脂肪得率的響應面分析

響應曲面的陡峭程度反映了各因素對響應量的影響顯著程度。二者成正比關系，即曲面越陡峭，影響越顯著。圖6～圖8反映了各因素對腰果脂肪得率的影響。

圖6 料液比和提取時間對脂肪得率影響的響應面和等高線Fig.6 Responsive surfaces and contour plot of the effect of solidto-liquid ratio and time on fat extraction yield

圖7 料液比和溫度對脂肪得率影響的響應面和等高線Fig.7 Responsive surfaces and contour plot of the effect of solidto-liquid ratio and extraction temperature on fat extraction yield

圖8 提取時間和溫度對脂肪得率影響的響應面和等高線Fig.8 Responsive surfaces and contour plot of the effect of time and extraction temperature on fat extraction yield

由圖6可知，溫度為60℃，在提取時間為較低水平時，脂肪得率隨著料液比的增大呈先增大后下降趨勢，但在高液料比下，脂肪得率卻呈現出上升趨勢，這與液料比與時間之間負交互作用高度顯著有關。由圖7可以看出，當提取時間為4 h，隨著料液比的升高，在溫度為較低水平下，脂肪得率隨著料液比的增大呈先增大后下降趨勢。同理，由圖8可以看出，料液比為1∶27（g/mL）時，隨著提取時間的增大，在較低溫度水平下，脂肪得率呈增大趨勢，但在較高溫度水平下，脂肪得率卻呈現出下降趨勢。對比3張圖可得，料液比（A）和溫度（C）的交互作用最為顯著，提取時間（B）與溫度（C）的相互影響最小，與表3模型方差分析結果一致。

2.3.3 獲取最佳提取條件

由Design-ExpertV7.0分析得最佳提取條件是：料液比 1 ∶27.12（g/mL），提取時間 4.41 h，溫度 60.6 ℃。此條件下的理論得率為48.22%。為檢驗試驗結果的可靠性，可進行驗證試驗。但顯然料液比的比例不便于操作，所以將最佳工藝條件修正為料液比1∶27（g/mL），提取時間4.44 h，溫度60.60℃。在該條件下進行3次平行試驗，測得腰果脂肪實際得率為47.76%，相對誤差為1.34%，無顯著性差異。

3 結論

本研究以腰果為原料，采用響應面法優化提取腰果中的脂肪。通過單因素試驗得出，料液比、提取溫度、提取時間這3個因素對脂肪的得率影響較大。其主次順序為：提取時間＞提取溫度＞料液比，通過響應面試驗優化工藝參數，得出最佳工藝條件為：料液比1∶27（g/mL），提取時間4.44 h，溫度60.60℃，溶劑純石油醚。在此工藝條件下，脂肪的理論得率為48.22%，實際平均得率為47.76%，相對誤差為1.34%。說明通過響應分析法得到的回歸方程可較好地預測試驗結果。

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Optimization of Fat Extraction of Cashew Nuts by Using Response Surface Methodology

XU Jin-hua，CHEN Jian*
（College of Food Science and Technology，Hainan University，Haikou 570228，Hainan，China）

To optimize the extraction conditions of cashew nuts fat，chossing a method of fat extraction of cashew nuts firstly，then based on the single factor experiments，the response surface methodology（RSM）was employed to optimize the extraction conditions of cashew nuts fat.The optimum extraction conditions were as follow：solid-to-liquid（S/L）ratio of 1 ∶27（g/mL），extraction time of 4.44 h，extraction temperature of 60.60 ℃，and the solvent of petroleum ether.The yield of fat was 47.76%.The cashew nuts fat extraction regression model was highly significant（R2=0.984 7）and with good fitting（R2Adj=0.965 0）.

cashew nuts fat；response surface optimization；soxhlet extraction method；process parameters

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.008

海南省自然科學基金項目（20163053）；海南大學科研啟動基金項目（kyqd1553）

許金花（1994—），女（漢），本科生，研究方向:天然產物的加工與利用。

*通信作者:陳健（1985—），男，講師，研究方向：天然產物的加工與利用。

2016-09-21