響應面法優化超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝

王秋玲，莫建光*，謝一興

(1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西分析測試研究中心，廣西 南寧 530022)

響應面法優化超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝

王秋玲1，莫建光2,*，謝一興2

(1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西分析測試研究中心，廣西 南寧 530022)

采用響應面法優化超臨界二氧化碳萃取工藝提取火龍果籽油，用Design Expert軟件對試驗數據進行分析，并用氣相色譜-質譜法對萃取所得火龍果籽油進行成分分析。結果表明：萃取時間、萃取壓力、萃取溫度對火龍果籽油超臨界CO2萃取工藝影響顯著，其最佳提取工藝參數為萃取壓力25MPa、萃取溫度40℃、萃取時間3.5h，火龍果籽油萃取得率為30.21%。火龍果籽油中脂肪酸主要成分以不飽和脂肪酸為主，占總脂肪酸含量的74.64%，其中亞油酸及其異構體為46.91%，油酸及其異構體為25.36%；飽和脂肪酸以棕櫚酸為主，棕櫚酸及其異構體占總脂肪酸含量的21.10%。火龍果籽油可以作為一種食品保健油進行開發。

火龍果籽油；超臨界二氧化碳；萃取；響應面法；氣相色譜-質譜法(GC-MS)；脂肪酸；理化性質

火龍果是一種蔓藤類仙人掌的果實[1]，起源于美洲南北部熱帶地區[2]，目前已商業化種植的火龍果品種主要有紅火龍果、白火龍果和黃火龍果[3]。如今，白火龍果已在亞洲地區廣泛種植[4]。火龍果籽是火龍果果實中類似芝麻狀的種仁。火龍果籽油脂含量較高，為29.5%～32%，其中必需脂肪酸含量達50%左右(C18∶2為48%，C18∶3為1.5%)[5]。每100g火龍果籽油中總生育酚含量在36.70～43.50mg之間，另外在火龍果籽油中發現的植物甾醇類化合物有膽固醇、菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇，并確定了7種酚醛酸類化合物，其分別是沒食子酸、香草酸、丁香酚、兒茶酚、對羥基苯甲酸、香豆酸和咖啡酸[6]。

目前，國內外對火龍果籽油成分及其含量的研究較多，但在火龍果籽油提取工藝研究方面鮮有報道。超臨界二氧化碳萃取火龍果籽油的關鍵影響因素是萃取壓力、萃取溫度和萃取時間，本實驗采用響應面法對關鍵影響因素進行優化，建立超臨界二氧化碳萃取火龍果籽油的數學模型，并采用氣相色譜-質譜法(gas chromatography-mass speetrometry，GC-MS)對萃取的火龍果籽油進行成分分析，以期為火龍果籽油的進一步開發利用提供研究依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

火龍果籽 廣西欽州高豐農業有限公司。火龍果籽先置于60℃的烘箱中烘干過夜，然后用粉碎機粉碎并過篩，于冷凍室中保存待用。

CO2(98.86%)、氦氣(99.99%) 南寧市柳電化化工有限公司；其他化學試劑(均為AR級) 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

HL-2＋1L/50-ⅡBO超臨界流體(CO2)萃取裝置(配有制冷系統、1L萃取釜和二級分離體系) 杭州華黎泵業有限公司；TRACE DSQ Ⅱ (配有GC ultra氣相色譜儀、DSQⅡ質譜檢測器和NIST 05質譜庫) 美國Thermo Frace公司。

1.3 方法

1.3.1 火龍果籽含油量測定

火龍果籽含油量采用索氏提取法測定。取20g火龍果籽物料樣品，按料液比1∶14(g/mL)加入正己烷(沸點60～80℃)索氏提取12h，測定火龍果籽含油量。

1.3.2 超臨界CO2萃取

1.3.2.1 萃取裝置的操作及萃取率

在超臨界CO2萃取實驗開始進行之前，先開啟超臨界流體(CO2)萃取裝置1～2h使其達到穩定狀態，然后進行填料，打開萃取釜進氣閥進行靜態萃取1h，結束后再轉換到動態萃取狀態，動態萃取時間根據實驗工藝設計進行選擇。萃取實驗過程中，設備分離Ⅰ釜壓力為6～8MPa，分離Ⅱ釜壓力為4～6MPa，萃取釜的容積為1L。

式中：A1為填料量/g；A2為油脂萃取量/g。

1.3.2.2 超臨界CO2萃取單因素試驗

超臨界CO2萃取的主要影響因素有萃取壓力、萃取時間、萃取溫度、物料性狀、填料量和分離溫度等[7]，本實驗采用單因素試驗的方法，參照相似油料物質如獼猴桃籽[8-9]、杏仁[10]和柚子種子[11]等超臨界CO2萃取油脂的工藝選擇單因素的試驗條件。

1.3.2.3 超臨界CO2萃取響應面法設計

在單因素試驗的基礎上，選取對萃取火龍果籽得油率影響較大的超臨界CO2萃取影響因素，采用Box-Behnken模型，利用統計軟件Design Expert 7.1.5來進行試驗設計與數據分析，顯著水平P＜0.05，以萃取得油率為指標篩選最佳萃取條件，對火龍果籽油萃取工藝進行優化。

1.3.3 火龍果籽油中脂肪酸成分分析

1.3.3.1 火龍果籽油中脂肪酸的甲酯化

稱取150mg火龍果籽油樣，精確至1mg，放入圓底燒瓶中，加入5mL 1%甲醇鈉溶液，加熱回流直至油珠完全消失，再加入1mol/L鹽酸-甲醇溶液約6mL，繼續加熱回流約10min，停止加熱，冷卻后，將圓底燒瓶中的溶液倒入分液漏斗，加入10mL水和10mL正庚烷，猛烈振搖2min，分層后，棄去水相，將上層正庚烷溶液過濾，取濾液進行氣相色譜-質譜測定。

1.3.3.2 檢測條件

GC條件：色譜柱HP-88毛細管柱(60m×0.25mm，0.2μm)；載氣：高純氦氣(He)，流速1.0mL/min；升溫程序：初始溫度160℃，以1.3℃/min升至200℃，保留10min，再以10℃/min升至250℃；進樣口溫度220℃，進樣量1.0μL，不分流進樣。

MS條件：EI離子源，電子能量70eV，FID檢測器，離子源溫度230℃，接口溫度280℃，掃描范圍m/z 35～450，全離子掃描，排除溶劑峰，對峰面積進行歸一化，對GC-MS總離子流色譜圖，檢索NIST 05質譜庫對火龍果籽油中脂肪酸成分進行分析。

1.3.4 火龍果籽油理化性質測定

相對密度：GB/T 5526—1985《植物油脂檢驗：比重測定法》；折光指數：GB/T 5527—2010《動植物油脂：折光指數的測定》；碘值：GB/T 5532—2008《動植物油脂：碘值的測定》；酸值：GB/T 5530—2005《動植物油脂：酸值和酸度測定》。

2 結果與分析

2.1 超臨界CO2萃取條件的選擇

2.1.1 物料粉碎度的影響

通過單因素試驗考察物料粉碎度對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃、萃取壓力25MPa、萃取時間3h(其中1h靜態，2h動態)，投料量300g，分離溫度為室溫(15～20℃)，結果見圖1。

圖1 物料粉碎度對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.1 Effect of material crushing degree on extraction yield of pitaya seed oilseeds oil

由圖1可知，粉碎度為10～20目和90～100目時，火龍果籽萃取得油率在20%左右。由此可知，物料粉碎度過粗或者過細均會影響萃取效果。原因可能是物料過粗則增加了超臨界流體在火龍果籽中的擴散距離以導致萃取不完全；過細的物料在高壓下易被壓實，增大了傳質阻力，同時易堵塞濾網，致使萃取效率降低。當粉碎度在30～80目之間時，萃取得油率為27%左右，且此物料粉碎度區間對萃取影響較小。為節省物料處理時間，本實驗選擇物料粉碎度為40目。

2.1.2 填料量的影響

考察填料量對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用物料粉碎度為40目，其他條件同2.1.1節，結果見圖2。

圖2 填料量對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.2 Effect of feeding quantity on extraction yield of pitaya seed oil

由圖2可知，隨著填料量的增加，火龍果籽萃取得油率升高，但是當填料量增加到400g時出現了一個轉折點，填料量為500g時火龍果籽油萃取得率反而降低到26.5%。這有可能是因為填料量過多，物料的堆積密度過大，增加了超臨界流體的擴散阻力，且容易產生氣流分布不均勻的情況從而降低了萃取效率。因此，本實驗選取物料填料量為400g。

2.1.3 分離溫度的影響

考察分離溫度對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用物料填料量為400g，其他條件同2.1.2節，結果見圖3。

由圖3可知，分離溫度在45℃以下時，火龍果籽油的萃取率幾乎不受影響，但在50℃時，火龍果籽油萃取得率降低到了20.2%。在實驗過程中，當分離溫度在40℃以下時，實驗結束后從分離釜中取出萃取物時發現有大量干冰殘留于火龍果籽油中，且火龍果籽油呈凝固狀態；而當分離溫度為50℃時無干冰殘留，所得火龍果籽油完全呈現液體狀態。從實驗現象及所得數據表明，若分離釜分離溫度過高，有可能在分離過程中由于較高壓力的存在，萃取物會被氣態CO2帶走從而降低了萃取得率，因此，當分離釜溫度能夠使萃取物保持在固體狀態時則不會出現上述情況。綜上所述，本實驗的分離溫度采用室溫，即15～20℃。2.1.4萃取時間的影響

圖3 分離溫度對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.3 Effect of separation temperature on extraction yield of pitaya seed oil

考察萃取時間對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃、萃取壓力25MPa、投料量400g，分離溫度為室溫(15～20℃)和火龍果籽粉碎度為40目，結果見圖4。

圖4 萃取時間對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of pitaya seed oil

由圖4可知，隨著萃取時間的延長，火龍果籽油萃取得率也逐漸增大，在2～3h時萃取得率增加速率最快，3～3.5h時趨于平緩上升狀態，3.5～4h時上升速率又加大。不同萃取時間對火龍果籽油萃取得率影響較大，應進一步研究此因素在超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝中的影響參數。在工藝條件摸索時，若選擇的萃取時間過長不僅耗費過多CO2氣體，且在實際操作中也不易實現，因此選擇2.5、3、3.5h(其中靜態萃取時間均為1h)為響應面試驗的條件。

2.1.5 萃取溫度的影響

考察萃取溫度對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取時間3h，其他條件同2.1.4節，結果見圖5。

圖5 萃取溫度對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on extraction yield of pitaya seed oil

由圖5可知，隨著萃取溫度的升高，火龍果籽油的萃取得率也在升高，從45℃開始，溫度升高時萃取得率逐漸下降。當萃取溫度達到55℃時，萃取釜底部有少許物料未被萃取到。由實驗現象及結果表明，在一定程度上由于溫度升高，超臨界流體的擴散能力增強，被萃取組分的溶解度也在增加，使得萃取得率增加；但是隨著溫度的繼續升高，CO2密度急劇降低使其溶解能力下降，從而出現了萃取得率下降的情況。結合萃取溫度與火龍果籽油萃取得率的關系曲線圖，選擇40、45、50℃為響應面試驗的條件。

2.1.6 萃取壓力的影響

考察萃取壓力對火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃，其他條件同2.1.5節，結果見圖6。

圖6 萃取壓力對火龍果籽油萃取得率的影響Fig.6 Effect of extraction pressure on extraction yield of pitaya seed oil

由圖6可知，隨著萃取壓力的上升，火龍果籽油萃取得率也逐漸升高，在25～30MPa之間趨于平衡，當壓力超過30MPa時，萃取得率呈下降的趨勢。萃取壓力與CO2密度相關，壓力越大，CO2密度越大，溶解力越高；但達到一定程度后，在過高壓力下，CO2壓縮能力減小，此時在增加壓力對萃取得率的提高起不到太大意義，反而將物料壓得更實不有利于超臨界流體與物料充分接觸，致使萃取得率下降。萃取壓力是超臨界萃取的關鍵影響因素，選取較高萃取得油率的試驗條件，即25、30、35MPa進行響應面試驗設計。2.2響應面試驗法模型預測

在單因素試驗基礎上，采用響應面試驗法Box-Behnken設計試驗(表1)，以萃取得率為指標篩選最佳萃取條件。利用Design Expert軟件對數據進行回歸分析，得三次多元回歸模型(1)：

對模型(1)進行方差分析(表2)：模型項P＜0.05，表明差異顯著，F回歸＝59.35＞F0.0l(9,4)＝14.66，P＜0.000l表明模型(1)極顯著，不同處理間的差異極顯著；F失擬＝0.058＜F0.05(9,3)＝8.81，失擬項P＝0.9790>0.05，不顯著；模型的調整確定系數R2Adj＝0.9704，說明該模型能解釋97.04%響應值的變化，因而該模型擬合程度良好，試驗誤差小，可以用此模型對超臨界CO2流體萃取火龍果籽油得率進行分析和預測。由回歸方程系數顯著性檢驗可知：模型(1)一次項X1(P＜0.000l)、X2(P＜0.000l)、X3(P＜0.000l)和二次項X12(P＜0.000l)、三次項X12X3(P＝0.0018)差異極顯著；二次項X22(P＝0.0454)差異顯著；交互項X1X3(P＝0.3137)、X2X3(P＝0.2323)和二次項X32(P＝0.0661)差異不顯著。

表2 回歸模型的方差分析Table 2 Variance analysis of regression model

通過對回歸模型(1)得出火龍果籽油萃取的最佳工藝條件：萃取溫度40℃、萃取時間3.5h、萃取壓力25MPa，萃取得率預測值為30.13%，在此條件下進行3組驗證實驗，實際萃取得油率平均值為30.21%，表明該工藝穩定可行。

2.3 火龍果籽油脂肪酸GC-MS定性定量分析

圖7 火龍果籽油脂肪酸GC-MS總離子流色譜圖Fig.7 GC-MS total ion current chromatogram of pitaya seed oil

由圖7可知，排除溶劑峰影響，經數據工作站檢索及與NIST 05標準譜庫中標準譜圖對照，各色譜峰相應質譜圖經圖譜庫正、反兩向檢索定性鑒別，并結合匹配度數據選擇高符合度的檢索結果，共鑒定出14個組分，并用峰面積歸一法對各組分進行了定量分析，結果見表3。

表3 火龍果籽油脂肪酸組成和含量Table 3 Fatty acid compositions and contents of pitaya seed oil

研究結果表明，火龍果籽油的主要成分為不飽和脂肪酸，占總脂肪酸含量的74.64%，低于Lim等[6]和李升峰等[12]分別檢測得到的77.22%～82.01%和78.10，其中亞油酸及其異構體為46.91%，油酸及其異構體為25.36%，相似于Ariffin等[5]檢測得到的24.7%～26.6%；飽和脂肪酸以棕櫚酸為主，棕櫚酸及其異構體占總脂肪酸含量的21.10%。

2.4 火龍果籽油理化性質

火龍果籽油呈淡黃色，澄清透明，有特殊香味。火龍果籽油的相對密度(d420)為0.9239，折光指數(20℃)為1.742，碘值為140.8g/100g，酸價為33.3mg/g。

3 結 論

索氏提取法測得火龍果籽含油量為33.52%，屬高含油油料，其碘值140.8g/100g表明火龍果籽油為干性油。采用超臨界CO2萃取技術對火龍果籽油進行提取，通過單因素試驗和中心復合試驗設計以及響應面分析對超臨界CO2萃取工藝進行優化，得出較優工藝條件，在此條件下火龍果籽得油率為30.21%。并得到火龍果籽得油率與超臨界CO2萃取處理各因素變量的回歸方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好，具有一定應用價值。對火龍果籽油中脂肪酸成分進行了GC-MS分析結果表明，火龍果籽油中不飽和脂肪酸占總脂肪酸的74.64%，其中以油酸(25.36%)和亞油酸(46.91%)為主。來源于火龍果果汁、果醋[13-14]、果酒[15]及果酵素行業的副產物——火龍果籽，完全可以作為一種食品保健油源。

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Optimization of Supercritical CO2Extraction of Pitaya Seed Oil by Response Surface Methodology

WANG Qiu-ling1，MO Jian-guang2,*，XIE Yi-xing2
(1. Institute of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；2. Research Center of Analysis and Testing of Guangxi Province, Nanning 530022, China)

The extraction process for pitaya seeds oil via supercritical carbon dioxide was optimized by response surface methodology (RSM), the test data were analyzed by software Design Expert and the chemical compositions of pitaya seed oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that supercritical CO2 extraction process were impacted significantly by extraction time, pressure, and temperature; the optimum extraction parameters were extraction pressure at 25 MPa, extraction temperature at 40 ℃, and extraction time for 3.5 h the oil extraction yield was 30.21%. The main fatty acids of pitaya seed oil were unsaturated fatty acids, which accounted for 74.64% of total fatty acids, and linoleic acid and its isomer were 46.91%, oleic acid and its isomer were 25.36%; saturated fatty acids were dominated by palmitic acid, and palmitic acid and its isomer consisted of 21.10%. Pitaya seed oil can be used as healthy oil for development.

pitaya seed oil；supercritical carbon dioxide extraction；response surface method；gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)；fatty acid；physical and chemical properties

TS225.6

A

1002-6630(2012)10-0092-06

2011-04-18

廣西食品藥品及公共安全檢測技術服務平臺建設項目(08-05-01D)

王秋玲(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：741807327@qq.com

*通信作者：莫建光(1955—)，男，教授級高級工程師，學士，研究方向為食品科學。E-mail：bhl0771@163.com