響應面法優化亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝研究

馬 燕,張 健,張 謙,孟伊娜,鄒淑萍,許銘強,張 平

(新疆農業科學院農產品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091)

響應面法優化亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝研究

馬 燕,張 健,張 謙,孟伊娜,鄒淑萍,許銘強,張 平*

(新疆農業科學院農產品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091)

以新疆主栽杏品種-紅心杏仁為研究試材,在一定的操作條件下,采用響應面法對亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝進行優化。在單因素實驗的基礎上,采用Box-Behnken設計,運用SAS8.0軟件回歸分析了萃取時間、萃取溫度、料溶比3個因素對杏仁油得率的影響,并對所得杏仁油的質量指標進行測定。結果表明:萃取時間為46min、萃取溫度為42℃、料溶比為1∶6.6g/mL,此時,杏仁油的萃取率為88.58%；其質量指標均符合國家標準。

亞臨界丁烷,杏仁油,工藝,萃取率

杏仁油中富含的不飽和脂肪酸對冠心病、高血壓、高血脂等心血管疾病具有較好的預防和治療作用,是一種食用保健油,也是新一代保健食品和化妝品的重要原料[1]。目前杏仁油的提取方法主要為溶劑浸提法和壓榨法。壓榨法提油率較低；浸提法工藝和后處理過程較復雜,易造成環境污染[2]。亞臨界萃取技術作為一種實用性較強新型的提取分離技術,現已在天然產物的提取、生物化工、食品和色素等行業得到廣泛的研究和應用,并已部分實現工業化生產[3]。其具有萃取壓力低,萃取溫度低,萃取效率高,可循環萃取,無有害溶劑殘留、操作方便、能耗低、安全環保等優點,不僅降低了設備制造成本,還可實現杏仁油大規模工業化連續性生產,具有廣泛的生產實用性,解決了杏仁油提取分離技術中存在的安全、環保、營養、乳化以及實用性等問題[4-7]。因此,亞臨界流體萃取在天然產物有效成分提取中具有很大的發展空間。本文以杏仁為原料,采用響應面法優化研究亞臨界丁烷萃取杏仁油工藝,確定了亞臨界丁烷萃取杏仁油最佳工藝條件,為杏仁油工業化生產提供了新的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新疆紅心杏仁 新疆輪臺縣,粗脂肪含量為54.4%。

TD電子天平 余姚市金諾天平儀器有限公司；HH-S4數顯恒溫水浴鍋 金壇市醫療儀器廠；101型電熱鼓風干燥箱 北京市永光明醫療儀器廠；液氮低溫超微粉碎裝置 自主設計與組裝；CBE-10L型亞臨界流體萃取裝置 河南亞臨界生物技術有限公司；85-2A控溫磁力攪拌器 常州市國立實驗設備研究所；DL-4013飛鴿系列離心機 上海安寧科學儀器廠；GC-2000型氣相色譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點 杏仁去皮、干燥:將杏仁放入80℃的熱水中浸泡1min,去皮干燥72h,干燥溫度50℃,保證水分含量控制在1.5%左右。

杏仁低溫超微粉碎:為了避免杏仁油脂含量過高導致其在粉碎過程受熱發粘,不易粉碎過篩,將杏仁與-100℃的液氮反應10s后,在3000r/min的轉速下進行粉碎,不僅使杏仁本身酥脆易粉碎、易過篩,還能夠保證其營養成分不會因粉碎產生的高溫受到損失。

杏仁入料:將粉碎過篩后的杏仁裝入篩絹,鋪平卷入萃取釜中。篩絹目數為200目,相當于一層過濾膜,可有效地將杏仁油與粕完全分離,過濾掉油中的部分雜質,還有利于粕的統一收集及進一步綜合利用。

低壓脫溶:減壓脫溶應先打開壓縮機,抽至0.1MPa后,再打開真空泵連抽4次抽至-0.01MPa,最后依次關真空泵、壓縮機和加熱泵,萃取1次。

離心分離:在3500r/min轉速下離心分離15min即得杏仁油。

1.2.3 杏仁油萃取率

杏仁油萃取率(%)=萃取的杏仁油質量/(杏仁原料×粗脂肪含量)×100

1.2.4 杏仁油單因素實驗 通過選取杏仁原料粒度、萃取時間、萃取溫度、料溶比這4個因素中的最佳參數,來確定單因素的最佳萃取條件。

1.2.4.1 原料粒度的選擇 將粉碎好的杏仁分別過20、40、60目篩,以萃取率作為指標,選擇最佳的原料粒度。

1.2.4.2 萃取時間的選擇 將杏仁過40～60目,在料溶比為1∶4、萃取溫度為45℃的條件下,確定萃取時間分別為10、20、30、40、50min時杏仁油的萃取率,選擇最佳的萃取時間。

1.2.4.3 萃取溫度的選擇 將杏仁過40～60目，在萃取時間40min,料溶比為1∶4的條件下,確定萃取溫度分別為35、40、45、50、55℃時杏仁油的萃取率,選擇最佳萃取溫度。

1.2.4.4 料溶比的選擇 將杏仁過40～60目，在萃取時間為40min,萃取溫度為50℃,確定料溶比分別為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8時杏仁油的萃取率,選擇最佳料溶比。

1.2.5 杏仁油工藝的優化 根據單因素實驗得出較優的工藝條件為:物料粒度40～60目,萃取時間40min,萃取溫度50℃,料溶比1∶6。在此基礎上,以萃取率為響應值,選擇萃取時間、萃取溫度、料溶比這3個主要因素作為對萃取效果影響較大的實驗因子進行響應面優化。

1.2.6 數學模型的建立 通過單因素實驗得到因素水平表。采用SAS8.0統計分析軟件[8]建立多元二次回歸模型方程并進行方程分析,進一步優化杏仁油的提取工藝參數響應面分析方案及結果。

1.2.7 杏仁油質量指標測定 根據GB/T5009.37-2003,GB/T5530-1998,GB/T5532-2008,GB/T5534-2008和GB/T17377-2008等國家標準,對亞臨界萃取后的杏仁油進行質量指標測定。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 原料不同粒度對杏仁油萃取率的影響 由圖1可得,萃取率隨原料粒度減小而增加,在40～60目時萃取率最高,可達70.16%。但由于杏仁油粗脂肪含量較高,隨著顆粒度的增加,過篩困難,易造成油脂損失,因此,選擇40～60目為最佳粒度。

圖1 原料粒度對萃取率的影響Fig.1 Effect of particle size on raw materials extraction rate

2.1.2 不同萃取時間對杏仁油萃取率的影響 由圖2可知,隨著萃取時間的增加,萃取率逐漸增加,當萃取時間在40min時萃取率達最高,之后隨著時間的增加萃油過程隨之降低趨于平衡。這可能是由于油料的油路堵塞,不能夠繼續出油,因此時間繼續增加也不會使得萃取率升高。萃取時間為40min時為最佳提取時間。

圖2 萃取時間對杏仁油萃取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on raw materials extraction rate

2.1.3 不同萃取溫度對杏仁油萃取率的影響 由圖3所示,隨著萃取溫度的逐漸增加,萃取率增加較快,當萃取溫度達到50℃時,萃取率達到最高；但超過50℃后,隨著萃取溶劑的氣化程度的增加,與物料接觸面積減小,使萃取速率逐漸下降。因此,萃取溫度為50℃時為最佳萃取溫度。但若從萃取率與能耗方面進行綜合考慮,則可選擇45℃最為優化萃取溫度。

圖3 萃取溫度對杏仁油萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on raw materials extraction rate

2.1.4 不同料溶比對杏仁油萃取率的影響 從圖4可以看出,隨著料溶比的增加,萃取速率由快到慢,當料溶比在1∶6時,萃取率達最高。在料溶比為1∶8以后,趨于平衡。這可能是由于原料中含有較多的油脂,物料與之混合會使油脂的粘度下降,從而有利于油脂萃出；但當料溶比高于或低于一定比例時,物料與溶劑之間分子運動速率逐漸趨于平衡,反而不利于油脂的萃出。

圖4 料溶比對杏仁油萃取的影響Fig.4 Effect of the proportion of dissolved material on raw materials extraction rate

2.2 響應面分析方案及結果

響應面分析及結果見表2。

根據表3所得的實驗數據,運用SAS8.0統計軟件進行數據處理[8],采用響應曲面統計法對實驗數據進行擬合,建立了萃取率與萃取時間、萃取溫度和料溶比相互關系的二次多項數學回歸方程:

Y=86.68-2.14X1+3.13X2-2.15X3-12.28X1X2-1.86X1X3-1.72X2X3-4.17X12-4.03 X22+4.89X32

表2 響應面分析方案及結果Table 2 Design and result of response surface analysis

表3 回歸模型系數及顯著性檢驗結果Table 3 Regression coefficients and significant test for quadratic polynomial model equation

進一步對該回歸模型進行顯著性分析,響應曲面數據的方差分析結果見表3,分析結果顯示模型中F=72.97>F0.05(9,9)=3.18,p<0.0001,表明回歸模型極其顯著,失擬項p=0.5025>0.1,表明失擬項不顯著,說明該模型擬合程度良好,實驗誤差小；模型中的一次項、交叉項、平方項影響顯著。通過分析表4可知負相關系數R2為0.9924,說明模型基本可以合理解釋實驗中所得杏仁油萃取率的變化,方程擬合程度較好。Y的變異系數(CV)與實驗精確度成反比,本設計實驗中的CV較低,為1.46%,說明實驗精確度越高,由此可得回歸方程符合模型建立。

表4 模擬的可信度分析Table 4 Confidence analysis of regression equation model

2.3 響應曲面分析與優化

通過對以下模型響應面以及相對應的等高線進行分析,并對模型進行驗證,從而得到提取杏仁油的最佳優化條件。模型的響應曲面見圖5～圖7。

圖5 Y=f(X1,X2)響應曲面立體圖及等高線Fig.5 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X2)

圖6 Y=f(X1,X3)響應曲面立體圖及等高線Fig.6 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X1,X3)

圖7 Y=f(X2,X3)響應曲面立體圖及等高線Fig.7 Response surface plot and contour map plot for Y=f(X2,X3)

組圖直觀地反映了各因素對響應值的影響。由圖5、圖6可知,料溶比和萃取時間、萃取溫度之間對杏仁油得率交互作用顯著。由圖7可知,萃取時間和萃取溫度的交互作用顯著。

圖5～圖7表明,杏仁的得率隨萃取時間和萃取溫度的上升而增大,隨后逐漸緩慢,且每個影響因子對于杏仁油萃取率都有一個最佳穩定條件,因此,可以在實驗范圍內尋找到最優點。得到X1=0.58,X2=-0.62,X3=0.32,將這三個值代入變換式,得到最佳組合為:萃取時間為46min、萃取溫度為41.9℃、料液比為1∶6.6g/mL,此時,模型預測杏仁油的最大萃取率為88.65%;

為檢驗模型預測的準確性,方便實際操作，將最佳條件調整為：萃取時間46min,萃取溫度42℃，料液比1∶6.6g/mL，,所得萃取率分別為88.55%、88.63%、88.56%,平均值為88.58%(誤差0.07%)。所得的回歸方程的最大預測值與驗證值非常接近,說明回歸方程能較真實地反映各篩選因素的影響,建立的模型與實際情況比較吻合。因此,響應面法優化杏仁油萃取率的工藝條件是可行的。

2.4 杏仁油質量指標

根據國家標準[9]對亞臨界萃取所得的杏仁油進行質量指標測定,結果見表5。

表5 亞臨界萃取杏仁油的質量指標測定結果Table 5 The result of quality of Apricot oil was determined

由表5可得,亞臨界萃取杏仁油油品較好,各項指標均符合《國家食用油衛生標準》(GB2716-2005)中對植物原油和食用植物油色澤、酸價、過氧化值和溶劑殘留的要求,產品可省去現有復雜的精煉工藝。

3 結論

杏仁經過去皮、干燥、低溫超微粉碎及過篩等一系列前處理,在單因素的基礎上,確定了料溶比,萃取時間,萃取溫度為主要影響因素；采用響應曲面分析法對亞臨界丁烷萃取杏仁油率的工藝條件進行優化,采用Box-Behnken設計和SAS8.0軟件分析確定最佳工藝參數:萃取時間為46min、萃取溫度為42℃、料溶比為1∶6.6g/mL,此時,杏仁油的萃取率為88.58%。采用此法制得的杏仁油油品較佳,符合國家標準。通過深入研究更好的低溫萃油工藝和技術,不僅對促進杏子產后加工業的發展,也對促進我區經濟發展具有非常重要的現實意義。

[1]姚石,周如金,朱廣文,等.杏仁油提取的各種工藝方法與研究[J].廣東石油化工學院學報,2011,21(1):30-32.

[2]馬力,陳永忠,陳隆升.油茶籽油不同提取方法的比較分析[J].農產品加工·學刊,2010(11):11-13.

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[4]祁坤.亞臨界溶劑生物萃取技術的發展及現狀[J].糧食與食品工業,2012(5):5-8.

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[7]劉肖麗,吳雪輝.不同提取方法對茶油品質的影響[J].食品工業科技,2012(24):307-310.

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[9]《國家食用油衛生標準》 GB2716-2005.

Research of processing optimization of almond oil bysubcritical butane using response surface method

MA Yan,ZHANG Jian,ZHANG Qian,MENG Yi-na,ZOU Shu-ping,XU Ming-qiang,ZHANG Ping*

(Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Storage and Processing Institute,Urumqi 830091,China)

Xinjiang apricot cultivars varieties-Red almonds was used as research test material,the response surface method was used in optimizing the extract of almond oil by Subcritical Butane under certain operating conditions. Box-Behnken was designed,SAS8.0 was used in analyzing the effect of extract time,extract temperature,the proportion of dissolved material on almond oil yield.The result showed extract time was 46min,extract temperature was 42℃,the proportion of materials and solvents was 1∶6.6g/mL,the extraction rate of almond oil was 88.58%,and its quality indicators are in line with national standards.

subcritical butane;almond oil;process;extract;quality

2014-05-04

馬燕(1984-)，女，碩士，助理研究員，研究方向：食品科學。

*通訊作者:張平(1964-)，男，博士，研究員，研究方向：食品科學。

農業部公益性行業(農業)科研專項課題(201003058-7)；“杏、李新型產品加工關鍵技術研究與示范”。

TS225.1+9

B

1002-0306(2015)03-0238-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.041