響應面分析優化小麥胚油浸出法提取工藝

吳 定 黃卉卉 孫嘉文 楊曉蓉 路桂紅 劉長鵬

(南京財經大學食品科學與工程學院，南京 210046)

響應面分析優化小麥胚油浸出法提取工藝

吳 定 黃卉卉 孫嘉文 楊曉蓉 路桂紅 劉長鵬

(南京財經大學食品科學與工程學院，南京 210046)

微波穩定化后小麥胚芽作為試驗原料，用國家標準規定的植物油抽提溶劑，建立了浸出法提取小麥胚油優化生產工藝。探討了不同原料顆粒度對麥胚出油率影響、溶劑體積分數與麥胚質量分數比值(溶胚比值)對麥胚出油率影響、溶劑浸提溫度對麥胚出油率影響、溶劑提取時間對麥胚出油率的影響等單因素試驗。依據Box－Behnken試驗設計原理，選擇溶胚比值、浸提溫度和提取時間為響應面優化分析試驗設計因素，建立了小麥胚油浸出法優化提取工藝的二次多項數學模型。優化小麥麥胚油浸出工藝:顆粒度為60目篩上麥胚粉碎物，以植物油抽提溶劑為提取溶劑，溶胚比值為20.5∶1，溫度43℃、浸提38 min。優化工藝模型預測出油率的理論值為6.67%，驗證試驗顯示小麥胚油實際出油率為6.65%。

小麥胚油 植物油抽提溶劑 提取工藝 出油率

小麥胚芽是小麥粉生產加工的副產物，含有豐富、優質的脂肪、蛋白、多糖等營養物質［1－5］，還含有麥胚凝集素、谷胱甘肽、VE、二十八烷醇、黃酮類化合物等多種生物活性物質［6－11］，不僅具有抗氧化、抗逆、抗癌的作用，還能增強人體的運動機能，被營養學家稱為“人類天然的營養寶庫”［1－3］。

小麥胚油是以小麥胚芽為生產原料制取的一種植物油，富含VE、亞油酸、二十八碳醇等生物活性成分，具有很高營養價值［5－8］。近幾年來，人們探討了壓榨法、浸出法、超臨界CO2萃取技術以及水酶法制取麥胚油的工藝，其中浸出法是采用氯仿、二氯甲烷、乙醚等非食用有機溶劑，限制了企業實際生產使用［12－13］。

目前，浸出法仍然是我國植物油生產企業提取油脂主要方法之一。本試驗利用國家標準植物油提取溶劑，通過響應面分析優化方法，探討了小麥胚油浸出法提取工藝，以期為小麥胚油的開發利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

新鮮小麥胚芽(含水量11.8%、含油量3.58%):南京六合區海佳面粉加工生產有限公司。

新鮮小麥胚芽用WD900SL23－2型微波爐加熱90 S，穩定化處理后的小麥胚芽(以下簡稱麥胚)(含水量約4.00%)放入密封容器中冷藏待用［1］。

1.2 試劑與儀器

植物油抽提溶劑:中國石油化工股份有限公司金陵分公司。

CHA－S型恒溫振蕩培養箱:常州國華電器有限公司;BS224S型電子天平:北京賽多利斯儀器系列有限公司。

1.3 方法

1.3.1 麥胚油含量測定、出油率和浸出效率

按照糧油檢驗國家標準GB/T 5512—2008［14］測定微波穩定化處理過的麥胚中油脂的含量(每個樣本重復3次);用提取溶劑提取麥胚后的殘余油脂含量也用國家標準的方法進行測定(每個樣本重復3次)。

出油率=［(麥胚油脂含量－麥胚抽提后殘留油脂含量)/麥胚重］×100%

浸出效率=［出油率×麥胚重/麥胚油脂含量］×100%

1.3.2 麥胚油浸出提取工藝單因子試驗

1.3.2.1 麥胚顆粒度對麥胚油浸出效率影響

麥胚粉碎后分別過100、80、60和40目標準篩，分別收集篩上物作為試驗樣本。

每個樣本稱取10.00 g，以植物油抽提溶劑為浸提試劑，在浸提試劑體積分數與麥胚質量分數比值(以下簡稱溶胚比值)15∶1、溫度40℃條件下，振蕩抽提30 min，間隔10 min取樣，過濾后，麥胚揮干，分別測定麥胚中油脂殘留量(每個樣本重復3次)。

1.3.2.2 溶胚比值對麥胚出油率影響

麥胚粉碎后過60目標準篩，取篩上物作試驗樣本。每個樣本稱取10.00 g，以植物油抽提溶劑為浸提試劑。溶胚比值分別為 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1 和30∶1，在溫度40℃條件下，振蕩抽提30 min，過濾后，麥胚揮干，分別測定麥胚中油脂殘留量(每個樣本重復3次)。

1.3.2.3 溶劑浸提溫度對出油率影響

麥胚粉碎后過60目標準篩，取篩上物作試驗樣本。每個樣本稱取10.00 g，以植物油抽提溶劑為浸提試劑。按照1.3.2.2試驗得到最適宜溶胚比值進行試驗。在溫度分別為25、30、35、40、45℃條件下，振蕩抽提30 min，過濾后，麥胚揮干，分別測定麥胚中油脂殘留量(每個樣本重復3次)。1.3.2.4 溶劑提取時間對出油率影響

麥胚粉碎后過60目標準篩，取篩上物作試驗樣本。每個樣本稱取10.00 g，以植物油抽提溶劑為浸提試劑。按照1.3.2.2試驗得到最適宜溶胚比值和1.3.2.3試驗得到最適宜溫度條件，恒溫振蕩抽提時間分別為20、25、30、35、40 min，過濾后，麥胚揮干，分別測定麥胚中油脂殘留量(每個樣本重復3次)。

1.3.3 麥胚油浸出提取工藝響應面分析

根據單因子試驗結果，利用EXPERT 6.0.5軟件中Box－Benhnken中心組合試驗設計原理，進行麥胚油浸出提取優化工藝響應面分析設計。選取對出油率指標有顯著影響的3個因素:溶胚比值、浸提溫度和提取時間，進行了3因子3水平的響應面分析試驗設計(表1)。

表1 響應面分析試驗設計

2 結果與分析

2.1 麥胚顆粒度對麥胚油浸出效率影響

由表2可知，麥胚的顆粒度對麥胚油浸出效率有一定的影響。經過30 min振蕩提取后，其中100目以上篩上物浸出效率最高，達到86.22%。從節能角度考慮，可以選60目以上篩上物。

表2 麥胚顆粒度對麥胚出油率影響

2.2 溶胚比值對麥胚出油率影響

從圖1可以看出，溶胚比值在10∶1～20∶1范圍內，隨著提取溶劑用量的增加，麥胚出油率顯著增加。溶胚比值大于20∶1后，增加提取溶劑用量對提高麥胚出油率的影響不顯著。選取溶胚比值為20∶1。

圖1 溶胚比值對麥胚出油率影響

2.3 溶劑浸提溫度對出油率影響

從圖2可以看出，在25～40℃溫度范圍內，隨著浸提溫度的提高，麥胚出油率不斷提高;浸提溫度超過40℃以后，浸提溫度對提高麥胚出油率的影響不顯著。選取適宜的提取溫度為40℃。

圖2 溶劑浸提溫度對出油率影響

2.4 溶劑提取時間對出油率影響

從圖3可以看出，在20～35 min時間范圍內，隨著提取時間的延長，麥胚出油率快速提高;提取時間大于35 min以后，提取時間對提高麥胚出油率的影響不顯著。

圖3 溶劑提取時間對出油率影響

2.5 小麥胚油提取工藝參數的優選

根據Box－Behnken中心組合設計原理，設計響應面分析試驗(3因素3水平)，共設計17個試驗點，其中有12個分析點，5個零點，用來評估試驗誤差。采用出油率作為試驗響應值。Box－Behnken試驗設計及其試驗結果見表3。

表3 Box－Behnken試驗設計與試驗結果

根據表3的試驗結果，運用SAS程序對響應值(出油率)進行回歸分析，經過回歸擬合得到出油率(Y)與3個因素的回歸方程:

Y=6.604+0.032 5X1+0.125X2+0.087 5X3－0.199 5X1

2－0.164 5X22－0.109 5X3

2+0.015X1X2+0.1X2X3

表4 模型可信度分析統計結果

2.6 麥胚出油率模型顯著性分析

通過Design－expert分析軟件，對回歸方程模型進行方差分析，結果見表5。由表5可知，模型具有高度的顯著性(F=384.91，P ＜0.000 1);相對于純誤差來說，失擬(F=1.79)不顯著。因此，該模型可以用來試驗預測。

表5 回歸方程模型各項的方差分析

若P值小于0.05表明影響因子有顯著影響;若P值大于0.1說明影響因子沒有顯著影響。由表5可知，溶胚比值(P=0.000 2)、浸提溫度(P ＜0.000 1)、提取時間(P＜0.000 1)和浸提溫度和提取時間的交互作用對出油率有顯著影響。溶胚比值和浸提溫度的交互作用對出油率影響較小，而溶胚比值和提取時間的交互作用對出油率無影響。

為了進一步確定溶胚比值、浸提溫度和提取時間3因素對出油率的影響，對所得方程進行逐步回歸，回歸模型存在穩定點編碼值(+0.10，+0.59，+0.67)，穩定點的特征值表明為穩定點的目標點，即最佳工藝參數為溶胚比值為20.5∶1、浸提溫度為42.95℃、提取時間為38.35 min。在此條件下，出油率預測值為6.67%。

2.7 響應曲面分析與優化

根據模型回歸方程，做響應面曲面圖，考察了擬合響應面的形狀，分析了溶胚比值、浸提溫度和提取時間對的出油率影響。其響應面曲線如圖4～圖6所示，3組圖直觀地反映了各因素對出油率的影響。

圖4反映了在提取時間為35 min條件下，溶胚比值和浸提溫度對出油率影響。在不同溶胚比值條件下，隨著樣本浸提溫度的升高出油率呈先增高后減少趨勢;在不同浸提溫度水平下，隨著溶胚比值增大出油率也呈先高后減少趨勢。在浸提溫度為－1水平、溶胚比值為－1水平時，出油率為最小值;浸提溫度為+0.5～+1水平、溶胚比值為0～+0.5水平時出油率為最大值。

圖5反映了在浸提溫度40℃條件下，溶胚比值和提取時間對出油率影響。在不同溶胚比值條件下，隨著提取時間的延長出油率呈先增高后減少趨勢;在不同提取時間水平下，隨著溶胚比值增大出油率也呈先高后減少趨勢。在提取時間為－1水平、溶胚比值為－1水平時，出油率為最小值;提取時間為+0.5～+1水平、溶胚比值為0～+0.5水平時出油率為最大值。

圖6反映了在溶胚比值為20∶1時，浸提溫度和提取時間對出油率影響。在不同提取時間條件下，隨著浸提溫度的上升，出油率呈先增高后減少趨勢;在不同浸提溫度水平下，隨著提取時間延長，出油率也呈先增高后減少趨勢。在浸提溫度為－1水平和提取時間為－1水平時，出油率為最小值;浸提溫度為+1水平和提取時間為+1水平時，出油率為最大值。

2.8 優化工藝驗證試驗

采用溶胚比值為20.5∶1、浸提溫度為43℃、提取時間為38 min進行工藝參數優化驗證試驗。共進行5個平行樣本試驗，平均出油率為6.65%。

3 結論

單因素試驗顯示，麥胚粉碎后顆粒度為60目篩上物、溶胚比值為20∶1、浸提溫度為40℃、提取時間為35 min可以得到較高出油率。

采用溶胚比值、浸提溫度和提取時間進行響應面分析試驗，得到麥胚出油率的回歸方程:Y=6.604+0.032 5X1+0.125X2+0.087 5X3－ 0.199 5X12－0.164 5X2

2－0.109 5X32+0.015X1X2+0.1X2X3，方程達到極顯著水平，且擬和很好，在試驗設計范圍內可以對出油率進行有效預測。

通過方差分析顯示，溶胚比值(P=0.000 2)、浸提溫度(P＜0.000 1)和提取時間(P＜0.000 1)3因素對出油率有顯著影響。

通過對回歸方程逐步回歸，得到最佳工藝參數為溶胚比值為20.5∶1、浸提溫度為43℃、提取時間為38 min。在此條件下，出油率為6.65%。

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Analysis of Response Surface Optimization of Wheat Germ Oil Extraction Process

Wu Ding Huang HuihuiSun Jiawen Yang Xiaorong Lu Guihong Liu Changpeng
(School of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210046)

Wheat germ after microwave stabilization as raw material of the experiment，with the national standard of plant oil extraction solvent，the production process optimization on extraction of wheat germ oil was established.The effect of different particle size of raw materials on wheat germ oil yield，solvent volume fraction and mass fraction ratio(soluble embryo ratio)on wheat germ oil rate，solvent extraction temperature on the effect of wheat germ oil rate，solvent extraction time on wheat germ oil rate were discussed.Select solution embryo ratio，extraction temperature and extraction time for response surface optimization design of experiment factors，two multinomial mathematical model on optimize extraction process of wheat germ oil was established according to Box－Behnken principles of experimental design.Optimization of wheat germ oil leaching process:Particle size above 60 mesh sieve after crushing wheat germ，the national standard of plant oil extraction solvent，Soluble embryo ratio is 20.5∶1，a temperature of 43 ℃，extracting 38 min.Theoretical value of predict the rate of oil to optimization of process model was 6.67%，experiments shown the actual oil yield of wheat germ oil for 6.65%.

wheat germ oil，plant oil extraction solvent，extraction process，oil rate

TS224.4

A

1003－0174(2012)09－0071－05

江蘇省教育廳高新技術產業(JHB04－003)

2011－12－22

吳定，男，1962年出生，教授，碩士生導師，食品生物工程