亞臨界丁烷提取甘蔗濾泥中蔗蠟的工藝優化

馮秀靜，陸海勤，陳淋轉，李凱

(1.崇左幼兒師范高等專科學校，廣西 崇左 532200；2.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

糖廠甘蔗濾泥含有豐富的蔗脂、蔗蠟等物質[1]，其中，蔗蠟用途廣泛。一方面，可以用作涂料、塑化劑、保鮮劑等的生產；另一方面，以蔗蠟為原料可以分離得到植物甾醇、二十八烷醇、三十烷醇等功能性產品。以二十八烷醇為原料制作的微乳液飲品質量優良；將二十八烷醇乳化液加入含有果葡糖漿等配料的蔗糖溶液中，能做成一種理想的抗疲勞運動型營養補充劑。此外，從甘蔗蠟中分離出高營養價值的蠟油脂肪酸，精制甘蔗蠟還可用作水果、巧克力等的保護涂層。

亞臨界萃取技術是一種低能耗、綠色環保、無溶劑殘留的物理提取技術[2,3]。以糖廠甘蔗濾泥為試驗原料，以甘蔗蠟的提取率為指標，研究提取溫度、提取時間、提取次數、料液比對甘蔗蠟提取率的影響，在單因素試驗結果基礎上設計響應面試驗，優化出甘蔗蠟的最佳提取工藝。不僅能為甘蔗蠟的大批量、產業化、工業化生產提供理論支持，而且能為甘蔗大宗產物濾泥的綜合利用提供一種可以選擇的參考，具有較高的研究意義和潛在的商業價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

甘蔗濾泥(石灰法工藝，水分含量為73%～75%)：廣西寧明糖廠提供；丁烷(純度99.99%)：河南省亞臨界生物技術有限公司提供。

1.2 試驗儀器

CBE-30+5 L亞臨界丁烷萃取設備 亞臨界生物技術有限公司；DGG-9140B電熱鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；LFP-800T粉碎機 佳盼電器專營店；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 試驗方法

稱取適量待用甘蔗濾泥，以亞臨界丁烷為溶劑，設置相應的試驗參數，萃取一定時間，在分離罐收集試驗所得甘蔗蠟，稱重。將原料萃取足夠長的時間，近似看成原料完全提取得到甘蔗蠟的質量。計算糖廠甘蔗濾泥中甘蔗蠟提取率和提取得率。每個樣品做3個平行試驗，取平均值。甘蔗蠟提取率按照下式計算：

1.4 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的單因素試驗

對提取溫度、提取時間、料液比、提取次數分別做單因素試驗，考察這幾個因素對糖廠甘蔗濾泥中蔗蠟提取率的影響，選取最佳的因素和水平，設計響應面試驗[4]。

1.5 響應面優化甘蔗蠟提取條件

根據上述單因素試驗結果[5,6]。選擇A(提取溫度)、B(提取時間)、C(提取次數)3個因素，做Box-Behnken響應面試驗[7,8]，見表1。以甘蔗蠟的提取率為試驗優化的指標，研究在提取過程中各因素之間的交互作用，得出最佳提取工藝。

表1 響應面試驗因素及水平Table 1 The factors and levels of response surface test

2 結果分析與討論

2.1 溫度對提取率的影響

圖1 提取溫度對提取率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the extraction rate

由圖1可知，在一定溫度范圍內，亞臨界丁烷提取甘蔗濾泥中甘蔗蠟的提取率隨著溫度的升高逐漸增大，當溫度達到70 ℃時，甘蔗蠟的提取率最大，為10.02%，但是隨著溫度的逐漸增大，曲線的斜率逐漸減小，即甘蔗蠟提取率增大的幅度逐漸減小。一方面，隨著溫度的升高，分子運動速率加快，萃取罐中分子活化能增大，分子之間的有效碰撞增大，更有益于溶質分子與溶劑分子接觸，所以甘蔗蠟的提取率逐漸增大；另一方面，隨著溫度逐漸接近甘蔗濾泥中有機物分子的熔點，達到熔點的物質液化、溶出，甚至會繼續氣化，分子擴散速度加快，從而使得甘蔗蠟的提取率隨著溫度的升高而增大。然而，由于反應系統是密閉的，在溫度升高的過程中，壓強也會相應增大，溶劑氣化使溶質的溶解能力逐漸降低，而且隨著溫度的升高，分子間的相互作用力也逐漸增大，選擇性降低，甚至會引發副反應，部分有機分子結構被破壞，分解成氣態小分子物質，導致最終無法收集。此外，更高的提取溫度可能會造成儀器問題、增加試驗成本、浪費資源等不利影響。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的溫度為70 ℃。

2.2 時間對提取率的影響

圖2 提取時間對提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate

由圖2可知，萃取的第10～20 min，隨著萃取時間的延長，甘蔗蠟萃取率顯著增大，在20～30 min之間提取率增加的幅度降低，但萃取率仍然隨萃取時間的延長呈增加的趨勢；然而，第30 min以后，甘蔗蠟提取率隨著萃取時間的增大而減小。由于是固-液萃取過程，需要一定時間浸沒物料，且甘蔗蠟中化學組分較為復雜，靜態萃取一定時間內，溶劑逐漸浸沒物料，根據相似相溶原理，與溶劑極性接近且分子結構相似的物質充分溶出，提取率隨著萃取時間的延長而增大。然而，當分子擴散效果達到一定限度，溶劑溶解能力趨于飽和狀態，溶解效果顯著降低，提取率降低；另一方面，隨著萃取時間的延長，系統中某些難分解的物質分解成易揮發的小分子物質，或者和其他物質發生化學反應，從而降低甘蔗蠟提取率。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的萃取時間為30 min[9]。

2.3 萃取次數對提取率的影響

圖3 萃取次數對提取率的影響Fig.3 Effect of extraction times on the extraction rate

由圖3可知，亞臨界丁烷靜態萃取1次時，甘蔗蠟的提取率為5.16%；連續萃取2次時，甘蔗蠟的提取率顯著增加，為8.874%；連續萃取3次時，甘蔗蠟的萃取率最大，為10.02%；然而，連續萃取4次、5次時甘蔗蠟的提取率反而隨著提取次數的增大而減小。主要是因為反應是在一定溫度和壓強下進行的，連續多次萃取時，每次重新打入溶劑都屬于動態萃取的過程，使溶質和高純度的溶劑重新接觸，從而使得樣品中殘留的可溶性物質充分溶出。此外，萃取1次后的樣品，由于第1次萃取已經溶出部分物質，分子內部結構發生了改變，若連續萃取，能快速高效地將樣品中殘存的能溶于溶劑的物質溶出。但是由于連續萃取會在一定程度上延長反應時間，使得萃取后流入分離罐中的甘蔗蠟繼續受熱分解，從而使甘蔗蠟最終的提取率降低。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的萃取次數為3次。

2.4 料液比對提取率的影響

圖4 提取料液比對提取率的影響Fig.4 Effect of extraction solid-liquid rate on the extraction rate

由圖4可知，在一定濃度范圍內，甘蔗蠟提取率隨著料液比的減小而增大，呈現正相關，料液比為1∶20 (g/mL)時甘蔗蠟的提取率最大，為9.9%，但是當料液比小于1∶20 (g/mL)時，甘蔗蠟提取率隨著料液比的減小而減小，呈現負相關。主要是由于在萃取過程中，溶劑滲透物料，溶質分子擴散溶出，隨著溶劑加入量的增大，溶液濃度減小，溶液粘度降低，擴散傳質阻力減小，所以甘蔗蠟提取率會隨著溶劑加入量的增大而增大，當料液比為1∶20 (g/mL)時甘蔗蠟的提取率最大，為9.9%，但是由于甘蔗濾泥中成分復雜，當溶劑加入量繼續增大時，達到固液溶解平衡，固液界面會出現反吸附作用，溶質分子集中在界面層無法到達溶劑相，從而使甘蔗蠟提取率減小。因此，選擇亞臨界丁烷萃取甘蔗蠟的料液比為1∶20 (g/mL)。

2.5 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的響應面試驗設計及結果

根據上述單因素試驗結果，選擇提取溫度(A)、提取時間(B)、提取次數(C)為3個因素，參考文獻[10]中的試驗方法，進行BBD響應面試驗設計，確定提取的最優工藝條件。

表2 甘蔗蠟產量的Box-Behnken試驗設計和響應值Table 2 Box-Behnken experiment design and response value of sugarcane wax yield

以甘蔗蠟的提取率為試驗優化的指標進行試驗，進行三因素三水平響應面(BBD)優化試驗，研究提取溫度(A)、提取時間(B)和提取次數(C)與甘蔗蠟提取率之間的關系及各因素之間的交互作用，得出最佳提取工藝。

回歸方程：Y=9.52-0.067AB-0.31AC-0.22BC+0.88A+0.11B+0.49C-0.33A2-0.2B2-0.15C2。

2.6 亞臨界丁烷提取甘蔗蠟試驗響應面結果及方差分析

對該模型進行顯著性檢驗得到方差分析結果，見表3。

表3 二次多項式回歸方程的方差分析Table 3 ANOVA results for quadratic polynomial model

續 表

由表3可知，方程的P<0.0001，表明非常顯著，失擬項為0.3065>0.05，表明失擬項影響不顯著，相關系數R2=0.9801，說明該模型預測值與試驗真實值的相關性好，RAdj2=0.9545說明試驗結果有95.45%受試驗因素影響，此模型能從理論上預測亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的提取率。根據表3中F檢驗和P檢驗可知，提取溫度A、提取時間B、提取次數C對甘蔗蠟提取率的影響程度由大到小依次是：提取溫度>提取次數>提取時間。

2.7 響應面分析

3個因素AB、AC、BC 之間的交互作用通過Design Expert軟件進行了分析，提取次數和提取溫度是曲面變化最為陡峭、等高線分布最為密集的橢圓形，表明提取次數和提取溫度的交互作用對甘蔗蠟提取率的影響最顯著(P=0.0071<0.05)。提取溫度和提取次數對甘蔗蠟提取率的響應面圖和等高線圖見圖5。

圖5 提取溫度和提取次數對甘蔗蠟提取率交互作用的等高線圖(C)和響應面圖(D)Fig.5 Contour diagram (C) and response surface diagram (D) of the interaction between extraction temperature and extraction times on the extraction rate of sugarcane wax

3 結論

以糖廠甘蔗濾泥為原料，研究了亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的過程中提取溫度、提取時間、提取次數、提取壓力4個因素對甘蔗蠟提取率的影響，選擇對甘蔗蠟提取率影響最顯著的提取溫度、提取時間、提取次數3個因素為主要因素，設計三因素三水平響應面優化試驗。采用響應面法研究各因素之間的交互作用對甘蔗蠟提取率的影響，各因素按照影響顯著性程度大小排序依次是：提取溫度>提取次數>提取時間。通過回歸方程方差分析，得到最佳提取工藝：甘蔗蠟為200 g，提取時間為20 min，料液比為1∶20 (g/mL)，提取溫度為70 ℃，提取次數為3次，系統壓強為0.7 MPa。此工藝條件下得到甘蔗蠟的提取率為9.835%，此時提取得率為98.5%。通過響應面法得到亞臨界丁烷提取甘蔗蠟的最佳提取條件，為甘蔗蠟的生產提供了理論參考，同時也為甘蔗蠟中功能性成分的精制提供了原料。