超臨界CO2提取板栗油工藝優化研究

吳 定 黃卉卉 路桂紅 王 媛 劉常金 付懋林

(南京財經大學食品科學與工程學院1，南京 210046)(天津科技大學食品科學與生物技術學院2，天津 300457)

板栗是一種營養較為豐富的堅果，也是我國廣為種植的經濟作物。目前，我國板栗種植面積約占全世界60%，年產板栗約82.5萬t，年產量以6.8%的速率平穩上升[1-2]。

板栗仁是人體必需脂肪酸、必需氨基酸、維生素、膳食纖維和鉀、鎂、鐵等礦物質等營養素良好來源；研究顯示，板栗仁含42.5%～56.6%水，37.99%～48.83%淀粉、3.95%～9.11%蛋白質、2.43%～8.73%脂肪、2.24%～3.67%纖維素；維生素C含量為26.3～46.7 mg/100 g，鈣含量為32.7～42.8 mg/100 g，鐵含量為40～53.7 mg/kg，不同品種板栗仁營養素含量差異較大[3-8]。不同品種板栗仁中脂肪含量及脂肪酸組成存在明顯差異，但在板栗種群之間未表現出顯著差異；板栗種仁中的飽和脂肪酸(SFA)占總脂肪酸的9.64%～29.22%，而不飽和脂肪酸(UFA)占70.78%～90.36%，因此，板栗油是一種天然的高品質油脂[9-10]。

近年來，板栗仁的綜合利用研究主要圍繞板栗淀粉性質和提取、板栗蛋白萃取、板栗仁脂肪中脂肪酸組成、板栗多糖萃取及多糖清除自由基活性、板栗殼抗氧化活性物提取等方面開展研究，但鮮有對板栗油的超臨界CO2提取工藝的探討[7-17]。

為了開發板栗油這種優質食用油脂，在單因素實驗基礎上，探討了響應面優化超臨界CO2提取板栗油工藝，為建立板栗油綠色、環保生產工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

板栗：南京市溧水區板栗種植基地；CO2氣源(食品級)：南京特種氣體股份有限公司。

1.2 主要儀器

LDJ-10型冷凍干燥儀：博康(北京)實驗儀器股份有限公司；HA220-50-06型超臨界流體萃取裝置：南通市華安超臨界萃取有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 板栗粉樣品制備

板栗仁開水浸泡后脫衣，去衣板栗仁粉碎，經過冷凍干燥28 h，再經過超級粉碎機粉碎，過篩，保鮮袋密封5 ℃保藏待用。

1.3.2 Plackett-Burman實驗設計

選用板栗粉目數、提取壓力、提取溫度、提取時間和提取劑流量作為實驗考察因素，在單因素實驗的基礎上，以板栗油提取率為響應值，選用N=11的Plackett-Burman設計，其中F～K作為誤差分析空白項，確定實驗因素的上下限水平(表1)。用design expert 7.1.3軟件中的Plackett-Burman設計方案。

表1 Plackett-Burman實驗設計因素及編碼值

1.3.3 最陡爬坡實驗設計

根據Plackett-Burman設計實驗分析結果，對顯著影響板栗油提取率的因素(提取溫度、提取時間)進行最陡爬坡實驗，通過合理設計步長，逼近提取率最高的區域。

1.3.4 超臨界CO2提取板栗油響應面中心組合實驗設計

根據最陡爬坡實驗結果，通過design expert 7.1.3軟件中Central Composite設計變量(提取溫度和提取時間)響應面中心組合實驗。板栗粉目數為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h。

1.3.5 提取率

提取率=(提取板栗油含量/板栗中油含量)×100%

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman實驗設計及響應值

利用design expert 7.1.3軟件，設計了Plackett-Burman實驗方案，并依據因素組合進行實驗，結果見表2。

表2 Plackett-Burman實驗設計及各實驗組響應值

2.2 Plackett-Burman實驗中各影響因素評估

模型的F值為28.47，說明建立的模型具有顯著性影響。當P值小于0.05說明模型中的因素有顯著影響。從表3可知，C因素(提取溫度)和E因素(提取時間)的P值都小于0.05，而A(板栗目數)、B(提取壓力)、D(提取劑流量)三因素的P值皆大于0.05，說明提取溫度和提取時間對超臨界CO2提取板栗油有顯著影響，而板栗粉目數、提取壓力和提取劑流量在實驗范圍內對板栗油的提取率沒有顯著影響。于是，確定提取溫度和提取時間2個顯著影響參數作為最陡爬坡方向實驗參數。

表3 實驗模型中各影響因素方差分析表

2.3 最陡爬坡實驗分析

通過最陡爬坡實驗顯示，當超臨界CO2溶劑提取溫度為40 ℃、提取時間120 min時，板栗油的提取率接近最高水平，再提高提取溫度和延長提取時間對板栗油提取率的提高幾乎沒有影響(表4)。因此，確定爬坡實驗中3號實驗條件作為響應面中心實驗的中心點，即0水平時，提取溫度為40 ℃、提取時間120 min。

表4 最陡爬坡實驗設計及實驗結果

2.4 中心組合響應面實驗設計及結果

表5 中心組合實驗設計及結果

運用響應面分析軟件，通過對響應值(提取率)進行回歸分析，獲得板栗油提取率回歸方程。

y=81.134+1.996 61A+4.102 91B+0.38AB-1.946 37A2-2.988 7B2

表6 模型可信度分析

2.5 中心組合實驗結果分析

中心組合實驗結果回歸分析顯示(表7)，實驗建立模型具有高度的顯著性(F=60.58，P<0.000 1)。因此，該模型可以用來實驗預測。

表7 中心組合回歸分析結果

注：A提取時間；B提取溫度；※※差異顯著(P<0.05)；※差異不顯著(P>0.10)。

對模型方程進行逐步回歸，回歸方程存在穩定編碼值(+1、+0.5)，穩定點的特征值表明為穩定點的目標點，即提取時間140 min、提取溫度為42.5 ℃，在此優化工藝條件下，板栗油提取率的預測值為82.68%。優化后的板栗油提取工藝：板栗粉為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h、提取溫度為43 ℃、提取時間為140 min。

2.6 優化工藝驗證實驗

利用冷凍干燥板栗粉作為原料，根據中心組合實驗優化實驗參數進行驗證實驗。8個批次平行樣本驗證實驗顯示，板栗油提取率均值為82.15%，與模型預測提取率82.68%有較高吻合度。

3 結論

根據Plackett-Burman設計實驗及其影響因素方差統計分析，超臨界CO2提取板栗油工藝的因素影響為提取時間和提取溫度，而提取劑流量、提取壓力和板栗粉目數在實驗范圍內幾乎沒有影響。確定提取時間和提取溫度為爬坡實驗影響因素。

最陡爬坡實驗顯示，超臨界CO2溶劑提取溫度在40 ℃、提取時間120 min時，板栗油的提取率接近最高水平，并以此作為中心組合實驗的中心點。

優化后的超臨界CO2提取板栗油工藝為板栗粉為60目、提取壓力為30 MPa、提取劑流量為20 L/h、提取溫度為43 ℃、提取時間為140 min。在此實驗條件下板栗油提取率均值為82.15%。

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