瓜蔞籽油超臨界CO2萃取工藝條件優化研究

吳 定 黃卉卉 孫嘉文 路桂紅 劉長鵬 劉常金

(南京財經大學食品科學與工程學院;江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室;江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心1，南京 210023)

(天津科技大學食品工程與生物技術學院2，天津 300457)

瓜蔞(Trchosanthes kiriowii Maxim)，別名栝樓、糖瓜蔞、蔞瓜、吊瓜，俗稱野葫蘆，是葫蘆科栝樓屬的一種藥用植物，也是優良的食品資源;我國的瓜蔞主要分布于江蘇、安徽、江西、四川、浙江、福建、湖南、湖北等地，目前許多地區將其作為經濟作物［1－9］。

瓜蔞的種子中藥名為栝樓仁，食品名為吊瓜子。《本草綱目》記載，栝樓仁具有潤肺、止咳、滑腸之功效;吊瓜籽富含營養成分，籽仁中粗脂肪質量分數高達51.30% ～59.80%，粗蛋白質量分數為20.21% ～32.89%，K、Fe、Zn、Mg、Ca、Cu、Se 含量分別為 5.31 ×103～5.82 ×103、139.06 ～158.17、2.57 ～21.55、3.89×103～4.45 ×103、43.67 ～112.70、23.14 ～40.28、14.58 ～92.71 μg/g［1－10］。

瓜蔞籽仁油中飽和脂肪酸占11% ～30%，以棕櫚酸、硬脂酸為主;不飽和脂肪酸占66.5% ～89%，以油酸、亞油酸、栝樓酸 (trichosanicacid)為主;此外還含有石榴酸、亞麻油酸、亞油烯酸、花生烯酸、正三十四烷酸、富馬酸、琥珀酸等脂肪酸，其中人體必需脂肪酸質量分數高達47%;另外，瓜蔞籽油中還含有較多的 n－3系列不飽和脂肪酸，如 EPA和DHA［1－9］。因此，瓜蔞籽油能作為理想的、有益人體健康的食用油。

目前，國內外瓜蔞籽的研究主要是藥學活性、化學成分分析、各種營養成分及其特性分析檢測、蛋白質及其肽類提取、色素與多糖等提取和傳統工藝提取油脂研究;瓜蔞籽作為食品原料主要用于吊瓜子烘炒生產，鮮有規模化深加工開發［1－9，11－22］。

目前，響應面優化超臨界萃取瓜蔞籽油工藝鮮見報道，而且已報道論文中作為響應面實驗的影響因素是人為主觀認定的，沒有經過Plackett－Burman設計實驗篩選出顯著影響因素，也沒有通過爬坡實驗確定顯著影響因素中心組合標點，研究方法缺乏嚴謹性和科學性。本研究目的就是通過科學研究方法探討超臨界CO2萃取瓜蔞籽油工藝，為綠色、環保的超臨界CO2技術規模化提取瓜蔞籽油工藝奠定基礎，從而促進瓜蔞籽經濟作物種植業和深加工業的發展，促進區域農業產業結構調整，增加農業生產經濟收益，同時也促進瓜蔞籽健康油脂新技術開發。

1 材料與方法

1.1 材料

瓜蔞籽:南京市高淳區游子山農業經濟示范基地;食品級CO2氣源。

1.2 主要儀器

LDJ－10型冷凍干燥儀;HA220－50－06型超臨界CO2萃取機。

1.3 實驗方法

1.3.1 瓜蔞籽粉實驗樣本制備

成熟、曬干瓜蔞籽真空狀態下破碎，立即密封后置于－80℃凍干30 min，經過－53℃冷凍干燥30 h，然后經超微粉碎機破碎，過標準篩，收集瓜蔞籽粉置于保鮮袋密封在0～4℃冰柜保藏待用。

1.3.2 Plackett－Burman 設計實驗中各因素水平

根據超臨界CO2萃取機可操作選擇的條件和實驗樣本處理過程，選用瓜蔞籽粉顆粒、萃取壓力、萃取溫度、萃取時間和CO2流量作為因素影響度實驗因素，將瓜蔞籽油萃取率設為考察指標，利用Plackett－Burman統計軟件，選用自由度(N)11的方案進行因素影響度實驗設計，將其中F～K項設為空白項用于誤差分析，在預實驗基礎上，確定各因素的上下限水平(表1)。

表1 Plackett－Burman設計實驗中各因素水平

1.3.3 萃取率爬坡實驗設計

依照Plackett－Burman設計，實驗結果分析顯示瓜蔞籽粉顆粒和萃取時間對瓜蔞籽油萃取率有顯著影響，確定這兩種因素進行萃取率爬坡實驗。

1.3.4 超臨界萃取瓜蔞籽油中心組合實驗設計

依照萃取率爬坡實驗結果，利用Design expert 7.1.3軟件中Central Composite統計分析工具設計瓜蔞籽粉顆粒和萃取時間兩變量的中心組合實驗，導出了實驗方案。瓜蔞籽油萃取實驗設定壓力為20 MPa、溫度為40 ℃、CO2流量為15 L/h。

1.3.5 瓜蔞籽油萃取率

萃取率=萃取瓜蔞籽油含量/瓜蔞籽中油含量×100%

2 結果與分析

2.1 Plackett－Burman導出實驗方案及其實驗結果

利用Design expert 7.1.3實驗設計與分析軟件，通過Plackett－Burman軟件工具導出了實驗設計方案，并依照方案依次進行各因素影響實驗(表2)。

表2 Plackett－Burman導出實驗方案及其實驗結果

2.2 Plackett－Burman實驗中各影響因素評估

實驗結果經軟件統計得到模型的F=6.11，P＜0.024，表明該模型具有顯著性影響(表3)。瓜蔞籽粉顆粒(X1)和萃取時間(X4)的P值都小于0.05，而萃取壓力(X2)、萃取溫度(X3)、CO2流量(X5)三因素的P值都大于0.1，說明萃取壓力、萃取溫度和CO2流量在實驗條件范圍內對瓜蔞籽油萃取率無顯著影響，而瓜蔞籽粉顆粒大小和萃取時間對瓜蔞籽油的萃取率有顯著影響(表3)。選擇瓜蔞籽粉顆粒和萃取時間兩個顯著影響因素作為萃取率爬坡實驗變量。

表3 實驗模型中各影響因素方差分析表

2.3 萃取率爬坡實驗分析

通過萃取率爬坡實驗顯示，當瓜蔞籽粉顆粒為200目、萃取時間250 min時，瓜蔞籽油的萃取率接近最高水平(表4)。依據實驗結果，推薦爬坡實驗中Ⅲ號實驗條件設定為中心組合實驗的中心標點，即0水平時，瓜蔞籽粉顆粒為200目、萃取時間250 min。

表4 萃取率爬陡實驗設計及其實驗結果

2.4 中心組合實驗設計及結果

根據中心組合實驗結果，運用Central Composite分析軟件，對瓜蔞籽油萃取率進行回歸分析(表5)，推導出瓜蔞籽油數學模型(y)。

表5 中心組合實驗設計及結果

理想模型的信噪比(Rsn)要求大于4，本實驗模型信噪比為10.824，說明該模型具有很高的可信度，能用來預測中心組響應面設計(表6)。

表6 數學模型可信度分析結果

2.5 中心組合實驗結果統計分析

中心組合實驗結果統計分析顯示，實驗推導出的數學模型具有高度的顯著性 (F=16.65，P=0.000 9)(表7)。因此，該模型可以用來實驗預測。瓜蔞籽粉顆粒大小和萃取時間對瓜蔞籽油萃取率都有顯著影響，但萃取時間的影響(P=0.000 7)比瓜蔞籽粉顆粒大小的影響(P=0.002 4)要大。

表7 中心組合實驗結果回歸分析

經過逐步回歸，得到穩定編碼值(+0.2、+0.2)，即瓜蔞籽粉顆粒206目、萃取時間為260 min，在此理想工藝參數條件下，瓜蔞籽油萃取率的預測值為84.49%。由于標準篩尚無206目設置，實際采用200目標準篩。優化后的瓜蔞籽油萃取工藝:瓜蔞籽粉顆粒為200目、萃取壓力為20 MPa、CO2流量為15 L/h、萃取溫度為40℃、萃取時間為260 min。

2.6 優化工藝驗證實驗

利用冷凍干燥瓜蔞籽粉作為原料，根據優化工藝參數進行超臨界CO2萃取實驗。分別進行6個批次驗證實驗，瓜蔞籽油萃取率均值為84.21%，與模型預測萃取率84.49%有高度的吻合。

3 結論

利用Plackett－Burman設計實驗及其實驗結果統計方差分析，在實驗范圍內，萃取溫度，CO2流量、萃取壓力對超臨界CO2萃取瓜蔞籽油無顯著影響，而瓜蔞籽粉顆粒大小和萃取時間對瓜蔞籽油萃取有顯著影響。故用瓜蔞籽粉顆粒和萃取時間作為爬坡實驗變量因素。結果顯示，瓜蔞籽粉顆粒在200目、萃取時間250 min時，瓜蔞籽油的萃取率接近最高水平，故以此作為中心組合實驗的中心標點。

利用Central Composite設計中心組合實驗，通過實驗結果回歸分析，推導出超臨界CO2萃取瓜蔞籽油數學模型:y=84.026+1.231 06X1+1.528 35X2+0.215X1X2－1.230 5X12－1.030 5，模型具有高度的顯著性 (F=16.65，P=0.000 9)，在實驗參數設置區域內，對瓜蔞籽油萃取率能有效預測。

優化后的超臨界CO2萃取瓜蔞籽油工藝為瓜蔞籽粉顆粒為200目、提取壓力為20 MPa、CO2流量為15 L/h、萃取溫度為40℃、萃取時間為260 min。在此實驗條件下瓜蔞籽油提取率均值為84.21%。