響應面法優化超臨界CO2萃取油莎豆油及理化性質分析

段蕾，于化鵬，韓墨，程珊，吳修利*

長春大學食品科學與工程學院（長春 130022）

油莎豆（Cyperus esculeutus）別名油莎草、洋地栗，多年生草本油料作物，原產于非洲東北部，是一種優質、高產、綜合利用價值很高的糧、油、飼、肥多用型經濟作物，具有廣泛的應用價值[1-2]。油莎豆油脂含量豐富（20%～35%），在當前油料作物緊張的社會背景下，推廣新型油料作物尤為重要。油脂的提取是推廣油莎豆油的基礎，常見的油脂提取技術有機械壓榨法、索氏提取法、水酶法、超聲、微波輔助法[3-5]等，近年超臨界CO2萃取法被應用于油脂的提取，相對于傳統提取方法，超臨界CO2萃取法作用溫度低，可較好保存油脂中活性物質，并且萃取劑為CO2，具有安全環保的優點。試驗采用響應面法優化超臨界CO2萃取油莎豆油工藝，并對油脂進行理化性質及脂肪酸分析，旨在為工業化生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑、設備與儀器

油莎豆：產自云南騰沖；CO2氣體（純度＞99.5%）：長春巨洋氣體有限公司；其他試劑均為分析純。

GZX-9070MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；WJX-A1000型高速多功能粉碎機，浙江永康市紅太陽機電有限公司；7890N-5975型氣相色譜-質譜聯用儀，安捷倫科技（中國）有限公司；HA121-50-0.5型超臨界萃取裝置，江蘇華安科研儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝路線

油莎豆干燥→粉碎過篩→稱量后裝萃取釜→調節工藝參數→超臨界萃取→分離釜得到產物→油脂干燥→油莎豆油

1.2.2 超臨界CO2萃取法工藝參數

1.2.2.1 單因素試驗提取油莎豆油

準確稱取過40目篩的油莎豆粉50.0 g裝入萃取釜，考察萃取壓力、溫度、時間對油莎豆油得率的影響。按式（1）計算油脂得率。

油莎豆油得率=油莎豆油質量（g）/油莎豆粉質量（g）×100% （1）

1.2.2.2 響應面優化試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選取萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時間（C）為響應變量，油莎豆油得率為響應值，采用Box-Behnken Design（BBD）原理設計三因素三水平試驗，因素與水平編碼見表1。

表1 試驗分析因素與水平

1.2.3 油莎豆油理化性質分析

酸值測定參考GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》；過氧化值測定參考GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》；碘值測定參考GB/T 5532—2008《動植物油脂 碘值的測定》；皂化值測定參考GB/T 5534—2008《動植物油脂 皂化值的測定》。

1.2.4 脂肪酸分析

1.2.4.1 脂肪酸甲酯化

參考賈曉艷等[6]的方法。

1.2.4.2 GC-MS分析條件

GC條件：色譜柱為安捷倫19091N-113 HP-INNOWax聚乙二醇石英毛細管柱（30.0 m×0.25 mm；0.25 μm）；升溫程序為初始溫度80 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃，保持20 min；載氣為高純氦氣，流速1.0 mL/min；進樣量1 μL；分流進樣，分流比50∶1。

MS條件：電子轟擊（EI）離子源，離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；接口溫度280 ℃；質量掃描范圍m/z20～500。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 萃取壓力對油莎豆油得率的影響

萃取壓力對油莎豆油得率的影響如圖1所示。在初期階段，油莎豆油得率呈現較明顯的上升趨勢，但壓力達到25 MPa后，油莎豆油得率上升幅度開始緩慢，曲線斜率也隨之下降，當壓力35 MPa時油得率達到峰值為19.88%，隨后油莎豆油得率開始下降。這是因為：壓力對超臨界流體密度有重要影響，進而直接影響油的萃取效果[7]。當萃取壓力超過35 MPa后，隨著壓力的增加，導致流體密度過大，對油脂溶解性減小，萃取率下降。但壓力過大也會造成設備的損耗和成本的增加。因而萃取最佳壓力選擇為35 MPa。

圖1 萃取壓力對油莎豆油得率的影響

2.1.2 萃取溫度對油莎豆油得率的影響

萃取溫度對油莎豆油得率的影響如圖2所示。在溫度40～45 ℃之間，隨溫度升高，油莎豆油得率隨之增加，這是因為升高溫度，加快了分子熱運動的速度，增加了分子間相互碰撞的幾率，增加了超臨界CO2介質與油莎豆油的接觸，加快傳質速度，有利于萃取的快速進行，萃取得率增大；但溫度過高會導致CO2流體密度下降，對油脂的溶解能力減小，得油率降低[8]，因此選擇最佳萃取溫度為45 ℃。

2.1.3 萃取時間對油莎豆油得率的影響

由圖3可知，在萃取時間范圍內，油莎豆油得率隨萃取時間延長而增加。這是因為萃取剛開始時，傳質未到達最佳狀態，因此得率較低；隨著萃取時間的增加，萃取速率增加，直至傳質達到最大程度；而后，由于有效成分的溶出減少，降低了傳質動力，從而降低了萃取率，綜合考慮，最佳萃取時間選擇為180 min。

圖2 萃取溫度對油莎豆油得率的影響

圖3 萃取時間對油莎豆油得率的影響

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面回歸模型的建立及結果分析

根據單因素試驗結果優化超臨界CO2萃取工藝，進行方差分析及建立響應面模型，并用此模型對超臨界CO2萃取油莎豆油進行分析和預測，結果見表2，多元回歸模型方差分析結果見表3。

表2 超臨界CO2萃取油莎豆油工藝優化響應面試驗設計與結果

油莎豆油得率以及所選3個因素編碼值的二次回歸方程為：Y=23.68-1.08A+0.73B+1.5C+0.04AB+0.67AC+2.17BC+0.12A2-1.93B2-2.91C2。

由表3可知，F=50.23，p＜0.01表明模型極顯著。失擬項為0.120 3＞0.05，失擬項不顯著，說明模型與實際情況擬合較好，可使用方程進行試驗分析。各因素對油莎豆油得率的影響程度大小順序為：萃取時間＞萃取壓力＞萃取溫度。回歸系數R2=0.984 8＞0.75，表明該模型可以解釋響應面中98.48%的變異。調整確定系數R2adj=0.965 1，表明模型擬合程度較好，試驗誤差小。變異系數（C.V.）=2.26%＜10%，說明該模型具有很好的再現性，信噪比=20.905＞4，說明擬合的模型具有較強的響應信號[9]。

表3 方差分析

2.2.2 響應面交互作用分析

由表3可知，壓力和時間、溫度和時間因素兩兩之間交互作用顯著，而壓力和溫度之間交互作用較弱。為研究各因素之間交互作用的影響，對油莎豆油得率三維響應面進行分析，結果如圖4和圖5所示。從響應面圖可以直接觀察各因素對油莎豆油提取率的影響，曲線越平緩，說明該因素對油脂得率影響越小。同時，等高線越接近橢圓形，表明兩因素交互作用越顯著[10]。其中，圖5響應曲面最陡峭，等高線圖最接近橢圓形，故萃取溫度和萃取時間對油莎豆油得率影響最大，交互作用最顯著。

2.2.3 驗證試驗

通過Design Expert 8.0.6軟件分析，并根據實際情況修正，得到最優工藝條件為：萃取壓力30 MPa，萃取溫度47 ℃，萃取時間188 min，此時油莎豆油理論得率25.11%。根據上述最優工藝條件進行驗證試驗，3次試驗平均值為24.90%，相對誤差為0.84%，與理論值基本吻合。

2.3 油莎豆油的理化性質及脂肪酸分析

2.3.1 油莎豆油理化性質分析

油莎豆油常見的理化指標如表4所示，油脂過氧化值、酸價是評價油脂品質的指標。通過超臨界CO2萃取得到的油莎豆油，酸價及過氧化值均符合植物油食品安全國家標準GB 2716—2018（酸價≤3.0 mg/g，過氧化值≤0.25 g/100 g）。皂化值較大，說明脂肪酸分子量較小，有助于人體吸收。碘值較大，說明不飽和脂肪酸含量較高，同時碘值小于100 g/100 g，說明提取的油莎豆油屬于不干性油脂。

圖4 壓力和時間對油莎豆油得率的交互作用

圖5 溫度和時間對油莎豆油得率的交互作用

表4 油莎豆油理化指標

2.3.2 油莎豆油脂肪酸分析

由表5可知，油莎豆油中主要含有8種脂肪酸，其中飽和與不飽和脂肪酸相對百分含量分別為20.769%和78.171%，其中單不飽和脂肪酸以油酸為主，含量為64.767%；多不飽和脂肪酸以亞油酸為主，含量為12.799%。

表5 油莎豆油的主要脂肪酸組成

3 結論

試驗采用超臨界CO2萃取油莎豆油，在單因素試驗基礎上，選擇萃取釜壓力、萃取釜溫度、萃取時間為主要考察因素，應用響應面法建立超臨界CO2萃取油莎豆油的二次回歸模型，對提油工藝進行優化，結果表明：萃取釜壓力30 MPa，萃取釜溫度47 ℃，萃取時間188 min，油莎豆油萃取率可達到24.90%，經驗證試驗，該結果具有良好的擬合性。

超臨界CO2萃取的油莎豆油酸價0.54 mg/g、皂化值180.39 mg/g、碘值93.10 g/100 g、過氧化值0.023 g/100 g；經脂肪酸分析得出不飽和脂肪酸含量高達78.171%，不飽和脂肪酸易于人體吸收，在調節人體某些疾病中發揮重要作用，極具開發利用價值。同時油莎豆油不飽和脂肪酸含量高，易于氧化，在今后的試驗中可加強對油脂抗氧化保護的研究，提高油脂的貨架期，以期得到油脂的充分利用。