響應面法優化火麻仁油冷榨提取工藝

周鴻翔，黃小煥，王廣莉，邱樹毅，程艷波

響應面法優化火麻仁油冷榨提取工藝

周鴻翔，黃小煥，王廣莉，邱樹毅*，程艷波

(貴州大學化學與化工學院，貴州 貴陽 550003)

目的：得到高品質、純天然火麻仁油及保留餅粕中蛋白質的天然生物活性。方法：采用冷榨法提取火麻仁油，在單因素試驗基礎上，采用響應面法對提取工藝參數進行優化。建立入榨水分含量、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間與火麻仁油提取率之間的數學模型。采用氣相色譜法測定、面積歸一化法分析所提取火麻仁油脂肪酸組成及含量。結果：通過典型性分析得出最優工藝條件為入榨水分含量4.5%、入榨溫度59℃、壓榨壓力40MPa、壓榨時間36min，在此最佳工藝條件下火麻仁油提取率可達82.74%。脂肪酸測定表明火麻仁冷榨油富含亞油酸、亞麻酸、油酸、花生四烯酸等不飽和脂肪酸，其總含量高達89.80%。結論：將響應面分析法應用于冷榨提取火麻仁油工藝條件優化，獲得良好效果。火麻仁冷榨油不飽和脂肪酸含量高，是一種具有高營養保健價值的功能性油脂。

火麻仁油；冷榨；響應面分析；氣相色譜；脂肪酸

火麻仁是桑科植物大麻(Cannabis sativa L.)的干燥成熟種仁，是典型的藥食同源作物，在中國作為藥食同源已經有3000多年的歷史[1]。火麻仁含脂肪油、蛋白質、纖維素、維生素、礦物質等多種營養成分[2]。火麻仁油含脂肪酸、酮、醇、烴等物質，脂肪酸占總含量的99.12%，其中不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸、亞麻酸等)含量超過80%[3]。現代醫學研究表明，不飽和脂肪酸具有抗氧化[4]、抗自由基、抗腫瘤、增強免疫的作用，可明顯降低高密度脂蛋白血清膽固醇作用，進而減少高血壓、心臟病及中風等疾病的發病率[5]。不同制油方法對火麻仁油得率、品質、脂肪酸組成均會造成影響，壓榨法是傳統的榨油方法，包括熱榨法和冷榨法兩種，冷榨可保存油料中的天然成分和生理活性物質、雜質少、無污染。熱榨有蒸炒等工序，其脂肪酸經高溫處理發生氧化分解，導致其含量下降，蛋白質經高溫處理發生嚴重變性，維生素礦物質等也會受到不同程度的影響[6]。冷榨不僅可以得到高品質純天然的油脂且不會對餅粕蛋白造成變性等影響，可大大提高餅粕的綜合利用率。

本研究以去殼火麻仁為原料，采用液壓壓榨法冷榨提取火麻仁油，在單因素試驗基礎上，選擇B o x-Behnken設計和響應面分析方法，研究入榨水分、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間對火麻仁油提取率影響及它們之間的交互作用，從而確定液壓壓榨法提取火麻仁油的最佳工藝，以期為冷榨法提取火麻仁油工藝研究開發提供借鑒，找到一種簡便、天然的提油方法。同時采用氣相色譜測定所提取火麻仁冷榨油脂肪酸組成及含量，為火麻仁冷榨油的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

去殼火麻仁 山東省汶上縣忠金鑫中藥材加工廠。

50T小型香油液壓壓榨機 德州市恒翔機械制造廠；MB23水分分析儀 奧豪斯儀器(上海)有限公司；DJ-300J電子天平 莆田市亞太計量儀器有限公司；GZX-9070ME數顯鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；HPX-9162數顯電熱培養箱 MBE上海博迅實業有限公司醫療設備廠；醫用脫脂紗布 遵義聯盟醫用器材有限公司；GC-2014C型氣相色譜儀 日本島津公司；柱子(LD-FFAP 30m×0.53mm，0.53μm) 貴州萊德色譜有限公司。

1.2 方法

1.2.1 火麻仁油冷榨工藝

工藝流程：去殼火麻仁→水分調節→恒溫處理→包扎→壓榨→火麻仁冷榨油。

稱取330g去殼火麻仁于50℃恒溫干燥箱中干燥一定時間，調節入榨水分，然后從中稱取300g分裝于自封袋中，置于一定溫度的恒溫干燥箱中保溫1h，迅速用醫用脫脂紗布包扎，稱量火麻仁和紗布總質量，使用小型香油液壓壓榨機進行壓榨，壓榨完成后稱量紗布和餅粕的總質量，計算可得榨出油的質量，計算火麻仁油提取率。

式中：m1為壓榨前火麻仁和紗布總質量/g；m2為壓榨后餅粕和紗布總質量/g；m為300g火麻仁中所含的油質量/g。

1.2.2 火麻仁油冷榨工藝優化試驗設計

單因素試驗：在固定入榨水分含量4.8%、入榨溫度50℃、壓榨壓力30MPa、壓榨時間30min條件下，分別考察入榨水分3.2%、4.0%、4.8%、5.6%、6.4%、7.2%，入榨溫度35、40、45、50、55、60℃，壓榨壓力10、20、30、40、50MPa，壓榨時間10、20、30、40、50、60min各單因素對火麻仁油提取率的影響。

響應面法試驗：在單因素試驗的基礎上，選擇榨水分含量、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間4因素為自變量，以火麻仁油提取率為響應值，設計4因素3水平試驗，優化火麻仁油冷榨工藝。

1.2.3 火麻仁冷榨油肪酸測定方法

采用氣相色譜法測定、面積歸一化法分析火麻仁冷榨油中脂肪酸種類及相對含量。

1.2.4 氣相色譜法測定條件

進樣口溫度：250℃；檢測器溫度280℃；柱溫：180℃保持2min，以10℃/min升到230℃保持15min；分流比：20∶1；進樣量：2μL；氫氣壓力：55kPa；空氣壓力：55kPa。

2 結果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 入榨水分含量影響

圖1 水分含量對火麻仁油提取率的影響Fig.1 Effect of raw material water content on oil yield

由圖1可知，隨著水分含量的增加，火麻仁油提取率緩慢增加，當水分含量為4.8%時，提取率達到最大值，之后隨著水分含量的增加，提取率顯著下降。這是因為，水分對油料的彈性、塑性、機械強度、導熱性、組織結構等物理性質產生影響，隨著水分含量的增加，可塑性也逐漸增加。當水分達到某一點時，壓榨出油情況最佳，一旦略微超過此含量，則會產生很劇烈的“擠出”現象，即“突變”現象。另一方面，如果水分略低，也會使可塑性突然降低，使粒子結合松散，不利于油榨出[7]。所以，最終選擇水分含量4.8%為入榨最佳水分。

2.1.2 入榨溫度影響

圖2 入榨溫度對火麻仁油提取率的影響Fig.2 Effect of pressing temperature on oil yield

由圖2可知，隨著入榨溫度的增加，火麻仁油提取率呈上升趨勢，這是因為榨料加熱，可塑性提高；榨料冷卻，則可塑性降低。壓榨時，若溫度顯著降低，則榨料粒子結合就不好，所得餅塊松散不易成型。但是，溫度也不宜過高，否則將會因高溫而使某些物質分解成氣體或產生焦味，同時會造成餅粕中蛋白質變性。本實驗為冷榨法提取火麻仁油，溫度不能高于65℃，綜合考慮效能和能耗，最終選擇55℃為入榨溫度。

2.1.3 壓榨壓力影響

圖3 壓榨壓力對火麻仁油提取率的影響Fig.3 Effect of pressing pressure on oil yield

由圖3可知，隨著壓力的升高，壓力小于30MPa時火麻仁油提取率顯著增加，當壓力大于30MPa后，增長趨勢緩慢，綜合考慮能耗和動力等因素，選用30MPa為壓榨壓力較為適宜。

2.1.4 壓榨時間影響

圖4 壓榨時間對火麻仁油提取率之間的影響Fig.4 Effect of pressing time on oil yield

由圖4可知，壓榨時間小于30min時，提取率增加較明顯，但時間大于30min增加趨勢緩慢。通常，壓榨時間長，提取率高。然而，壓榨時間過長，榨料溫度的降低同樣會影響提取率，還會降低設備的生產效率。綜合考慮以上因素，本實驗選用30min為最終壓榨時間。

2.1.5 響應面法優化冷榨工藝參數

根據單因素試驗結果，采用響應面設計，應用Box-Behnken設計原理[8-9]，選取入榨水分含量(X1)、入榨溫度(X2)、壓榨壓力(X3)、壓榨時間(X4)4個因素為自變量，每個因素取3個水平，以－1、0、1編碼，以火麻仁油提取率為響應值，設計4因素3水平試驗，試驗因素與水平設計見表1。

表1 火麻仁油冷榨提取工藝優化Box-Behnken設計試驗因素水平表Table 1 Independent variables and their coded levels used in Box-Behnken experimental design

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 數據分析

表2 火麻仁油冷榨提取工藝優化Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design protocol and corresponding results

根據表2方案進行響應面試驗，在29個試驗中，試驗1～24為析因試驗，24個析因點為自變量取值在X1、X2、X3、X4所構成的三維定點；25～29為中心零點試驗，零點試驗重復5次，用于估計試驗誤差。采用Design-Expert 8.05軟件對所得數據進行回歸分析，分析結果見表3。

圖5 入榨水分含量與壓榨壓力交互影響火麻仁油提取率曲面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots indicating the effects of raw material water content and pressing pressure on oil yield

表3 回歸方程的回歸分析Table 3 Analysis of variance for the established regression equation

由表3可知，一次項中X1、X2、X3、X4偏回歸系數均極顯著，說明入榨水分含量、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間對火麻仁油提取率均具有顯著性影響。交互項中X1X3和X1X4達極顯著水平。二次項中X12、X42偏回歸系數達極顯著水平。失擬項P＞0.05，差異不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起。R2＝0.9723，說明響應值的變化有97.23%來源于所選變量，即入榨水分含量、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間。由回歸分析可知，影響火麻仁油提取率為：壓榨壓力＞壓榨時間＞入榨水分含量＞入榨溫度。

2.2.2 RSM分析各因素的影響

響應面圖形是響應值對各因素所構成的三維空間曲面圖，在方差分析的基礎上，利用Design Expert繪制交互顯著項X1X3、X1X4的交互作用曲面圖和等高線圖，如圖5、6所示，等高線圖呈橢圓形表示兩者交互顯著[8,10]，這與回歸分析結果一致。

圖6 入榨水分含量與壓榨時間交互影響火麻仁油提取率曲面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plot indicating the effects of raw material water content and pressing time on oil yield

2.2.3 火麻仁油提取率最佳工藝條件確定

利用Design-Exper 8.05軟件對響應值與各因素進行多元回歸擬合，得到與火麻仁油提取率為響應值的函數二次回歸方程：

通過軟件Design-Expert 8.05求解方程，得出了最優冷榨法提取火麻仁油的工藝條件為入榨水分含量4.53%、入榨溫度58.99℃、壓榨壓力39.94MPa、壓榨時間36.44min。考慮到實際操作的可行性，將冷榨提取火麻仁油的最佳工藝條件修正為入榨水分含量4.5%、入榨溫度59℃、壓榨壓力40MPa、壓榨時間36min。由回歸方程預測冷榨提取火麻仁油理論提取率可達83.00%。為檢驗結果的可靠性，采用修正條件進行3次平行驗證實驗，結果得出火麻仁油的實際平均提取率為82.74%，與理論預測值83.00%基本吻合，說明該方程與實際情況擬合較好，充分驗證所建模型的正確性。因此，利用響應面分析法優化得到的火麻仁油提取工藝參數真實可靠，具有實用價值。

2.3 火麻仁冷榨油肪酸測定及結果

測定圖譜見圖7，脂肪酸組成見表4。

圖7 火麻仁油脂肪酸組成圖譜Fig.7 GC chromatogram of fatty acid composition of hemp seed oil

表4 火麻仁油脂肪酸組成及含量Table 4 Fatty acids and contents in hemp seed oil

由表4可知，火麻仁冷榨油中脂肪酸主要以棕櫚酸、棕櫚油酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生酸、花生烯酸為主，其中亞油酸含量高達57.85%、亞麻酸18.42%、油酸13.16%。不飽和脂肪酸(亞油酸、亞麻酸、油酸、花生四烯酸、棕櫚油酸等)總含量高達89.80%，高于周永紅[11]所報道的使用石油醚浸提火麻仁油不飽和脂肪酸含量(86.04%)。其中亞油酸含量基本相同(58.66%)，但亞麻酸(14.01%)和油酸(10.14%)均低于冷榨提取火麻仁油含量。最近的研究表明，亞油酸與亞麻酸的比例為2∶1～3∶1對人體是最平衡的，心血管疾病的發病率最低[12-13]。由以上分析可得，冷榨提取火麻仁油中亞油酸與亞麻酸比例接近3∶1，而有機溶劑浸提所得火麻仁油的比例卻超過了3∶1，所以冷榨火麻仁油對人體更健康。從分析結果看，火麻仁不僅可直接食用，還因其高含量的亞油酸、亞麻酸、油酸等不飽和脂肪酸，可作為制備營養保健油的優質原料，也可將其用于高級護膚品領域[14]，具有很好的開發應用前景。

3 結 論

將響應面分析法應用于冷榨提取火麻仁油工藝條件優化，獲得良好效果。結果表明入榨水分含量、入榨溫度、壓榨壓力、壓榨時間對火麻仁油提取率均有顯著性影響。由模型最優化計算獲得最佳提取工藝條件為入榨水分含量4.5%、入榨溫度59℃、壓榨壓力40MPa、壓榨時間36min，在此最佳工藝條件下冷榨提取火麻仁油提取率可達82.74%。冷榨提取火麻仁油不僅操作工藝簡單，且能得到高品質的油和保留餅粕蛋白質的生物活性。采用氣相色譜法測定、面積歸一化法分析所提取火麻仁油脂肪酸組成及含量，測定結果表明火麻仁油富含亞油酸、亞麻酸、油酸等不飽和脂肪酸，亞油酸含量高達57.85%、亞麻酸18.42%、油酸13.16%。不飽和脂肪酸總含量達89.80%，較有機溶劑提取所得火麻仁油不飽和脂肪酸含量高，且亞油酸和亞麻酸比例接近3∶1，是一種具有高保健營養價值和藥療功效的功能性油脂，不僅可直接食用，也可作為高血脂、冠狀動脈粥樣化、心血管病人的長期食療保健油品、用于護膚品及醫療等領域。

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Optimization of Cold-Pressed Extraction Process for Hemp Seed Oil by Response Surface Methodology

ZHOU Hong-xiang，HUANG Xiao-huan，WANG Guang-li，QIU Shu-yi*，CHENG Yan-bo
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

Objective∶ To obtain high quality, pure, natural hemp seed oil and meanwhile maintain the natural bioactivity of protein retained in hemp seed meal. Methods∶ One-factor-at-a-time design and response surface methodology were applied for the optimization of process parameters for the extraction of hemp seed oil by cold pressed method. A mathematical mode describing oil yield as a function of raw material water content, temperature, pressure and time was set up. The fatty acid composition and purity of hemp seed oil were analyzed by GC and peak area normalization method. Results∶ The optimal process parameters were determined through canonical analysis as follows∶ hemp seeds containing 4.5% water were pressed at 40 MPa and 59 ℃ for 36 min. Under these conditions, the yield of hemp seed oil was up to 82.74%. Hemp seed oil was found to be rich in linoleic acid, linolenic acid, oleic acid, arachidonic acid and other unsaturated fatty acids and have a total unsaturated fatty acids content as high as 89.80%. Conclusion∶ Response surface analysis is effective for optimizing the cold-pressed extraction of hemp seed oil. Hemp seed oil is rich in unsaturated fatty acids and can thus be seen as a functional oil with high nutritional value.

hemp seed oil；cold pressing；response surface methodology (RSM)；gas chromatography (GC)；fatty acid

TS224.3

A

1002-6630(2012)18-0067-06

2011-07-12

周鴻翔(1975—)，男，副教授，本科，研究方向為食品工藝。E-mail：zhou-hx@163.com

*通信作者：邱樹毅(1963—)，男，教授，博士，研究方向為應用生物技術。E-mail：shuyiqiu1217@sohu.com