響應面法優化亞臨界提取堿蓬籽油工藝的研究

徐海龍，于 瑩，趙明波

（1.威海市藍色經濟研究院有限公司，山東 威海 264300；2.威海市海洋生態經濟研究院，山東 威海 264300）

堿蓬為一年生草本，堿蓬籽油中不飽和脂肪酸含量極高，其含亞油酸70%，油酸10%，亞麻酸5%，多不飽和脂肪酸含量是評價營養水平的重要依據，如亞油酸、亞麻酸，它們是人體必需的脂肪酸，能夠調節血脂、清理血栓、免疫調節、補腦健腦，具有很好的保健價值[1-5]。因此，堿蓬籽油的開發具有很高的經濟價值，目前使用的常規方法有溶劑浸提及機械壓榨的方法，但存在收率低、殘留有毒溶劑的缺點[6-9]。亞臨界流體萃取技術，是一種低耗、綠色、經濟、應用前景廣闊的新技術[10-11]。它是一種低溫、低壓、高成效物理方法，能避免植物油脂提取中因加熱產生反式脂肪酸、縮合甘油酯、三氯丙醇酯等有害物，確保植物油提取中組分全、味純正，且亞臨界流體來源廣，價格低、無毒、無味。選擇用亞臨界萃取技術對堿蓬籽油進行提取，在單因素試驗的基礎上，利用響應面分析法對其提取工藝進行優化，旨在為堿蓬籽油系列產品的開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鹽地堿蓬籽，采自山東亞通鹽松檉柳基地，經曬干、人工分選得到純種籽，于80℃下干燥24 h，將堿蓬籽仁粉碎到20目備用。

萃取劑：四號溶劑，濮陽市液化石油氣有限公司提供。

1.2 儀器

848型電位滴定儀；7890B型氣相色譜儀；GA600型全自動折光儀，北京斯達沃科技有限公司產品；870型卡爾費休水分測定儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 設備

亞臨界萃取設備DYY-2，南通杜楊科研儀器有限公司設計提供，由溶劑儲罐（5 L）、萃取罐（2 L）、分離罐（3.2 L）、冷凝器、溶劑壓縮機等。

亞臨界萃取設備結構示意圖見圖1。

圖1 亞臨界萃取設備結構示意圖

1.3.2 亞臨界萃取

打開萃取罐裝入預先處理好的物料，設備密封，打開真空泵將整個系統處于真空狀況，關閉溶劑過濾器閥門，將萃取劑通過計量泵以亞臨界流體形式注入萃取罐。提取過程中的壓力和溫度均由控制器根據設定值自動達到并保持，達到萃取時間后，打開溶劑過濾器閥門，溶劑進入分離罐中，打開壓縮機，萃取液不斷氣化，經壓縮冷凝為液態，重新流回到溶劑儲罐中；然后再將萃取劑注入萃取罐中，循環萃取，最終從分離罐中得到堿蓬籽油。

1.3.3 堿蓬籽油提取率

堿蓬籽油提取率計算如下式所示：

1.3.4 單因素試驗

以篩網目數50目、萃取溫度55℃、萃取時間2.0 h為基本提取條件，進一步探究篩網目數（20，30，40，50，60目）、萃取溫度（40，45，50，55，60℃）、萃取時間（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）3個因素對堿蓬籽油提取率的影響。

1.3.5 響應面優化試驗

選用篩網目數、萃取溫度、萃取時間3個因素為自變量，以堿蓬籽油提油率為響應值，采用Boxbehnken試驗原理進行三因素三水平響應面分析試驗。

響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平設計

1.4 理化指標檢測

感官，參照GB/T 5009.37—2003的方法進行測定；酸價（KOH），參照GB 5009.229—2016的方法進行測定；過氧化值，參照GB 5009.227—2016的方法進行測定；折光指數，參照GB/T 5527—2010的方法進行測定；相對密度，參照GB/T 5526—1985的方法進行測定；碘值，參照GB/T 5532—2008的方法進行測定；皂化值，參照GB/T 5534—2008的方法進行測定；脂肪酸組成，參照GB 5009.168—2016的方法進行測定。

2 結果與分析

2.1 單因素條件對堿蓬籽油提取率的影響

2.1.1 篩網目數對堿蓬籽油提取率的影響

在萃取溫度55℃條件下，依次選擇使用20，30，40，50，60目不同篩網目數篩過的物料，分別萃取2 h，研究物料粒徑不同對堿蓬籽油提取率的影響。

篩網目數對堿蓬籽油提取率的影響見圖2。

圖2 篩網目數對堿蓬籽油提取率的影響

由圖2可知，提取率隨目數增加而增大，當篩網達到特定目數后反而呈下降趨勢，這是因為物料顆粒愈細與提取介質的接觸面愈大，目標物浸出效果愈好，但粉碎的過細，使黏液質浸出導致物料黏度增大，影響溶劑在物料表面的擴散，并出現難過濾的現象，對萃取不利。因此，物料粒徑過大或過小均對堿蓬籽油的提取率有所影響，篩網目數選50目為宜。

2.1.2 萃取溫度對堿蓬籽油提取率的影響

用過50目篩網孔徑物料，選擇萃取溫度為40，45，50，55，60℃，分別萃取2 h，考查不同溫度對堿蓬籽油提取率的影響。

萃取溫度對堿蓬籽油提取率的影響見圖3。

圖3 萃取溫度對堿蓬籽油提取率的影響

由圖3可知，當萃取溫度由40℃升至55℃時，提取率迅速增加，繼續升高溫度，其提取率增加不明顯。這是因為溫度升高加速了分子間的擴散速率，此外壓力也將增大更有利于目標物的提取，但溫度過高會造成一些不飽和脂肪酸成分分解、變質，也對設備材質耐壓程度有更高要求，綜合考慮選擇55℃作為最佳萃取溫度。

2.1.3 萃取時間對堿蓬籽油提取率的影響

用過50目篩網孔徑物料，萃取溫度為55℃條件下，選擇萃取時間為1.0，1.5，2.0，3.0 h，考查萃取時間不同對堿蓬籽油提取率的影響。

萃取時間對堿蓬籽油提取率的影響見圖4。

圖4 萃取時間對堿蓬籽油提取率的影響

由圖4可知，在一段時間內，堿蓬籽油提取率隨時間延長而增加，一般來說，浸取時間和浸取量呈正比，時間愈長，擴散值越大，愈有利于浸取，但當傳質速率達到動態平衡后，進一步延長萃取時間堿蓬籽油提取率將不變，因此選擇2 h作為最佳提取時間。

2.2 響應面優化亞臨界提取堿蓬籽油工藝

單因素試驗結果表明，最佳提取條件為篩網目數50目，萃取溫度55℃，萃取時間2.0 h，選擇合適范圍，以堿蓬籽油提取率為響應值，采用Boxbehnken試驗原理進行三因素三水平響應面優化試驗。

響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果

2.3 回歸模型方差分析

回歸模型方差分析見表3。

經回歸擬合后，得到堿蓬籽油提取率對萃取時間、篩網目數、萃取溫度的線性回歸模型方程為：

由表3可知，模型回歸效果高度顯著p〈0.000 1，失擬項不顯著p=0.181 9，說明試驗模型擬合程度較好，可充分擬合堿蓬籽油提取率與萃取時間、篩網目數、萃取溫度之間的線性關系，用此方程得出提取的最佳工藝條件，同時從顯著性檢驗可以看出，影響提取率的主次順序依次為篩網目數、萃取溫度和萃取時間。

表3 回歸模型方差分析

2.4 響應曲面分析

各因素交互作用對提油率影響的響應面圖及等高線圖見圖5。

由圖5可知，篩網目數（B）與萃取溫度（C）的響應面圖較陡峭，說明提取率受該因素的影響較顯著。在等高線中，篩網目數與萃取溫度、篩網目數與萃取時間（A）等高線呈橢圓形，說明它們彼此間交互作用顯著，與方差分析結果一致。Design Expect軟件給出的最佳提取條件為篩網目數54.37，萃取溫度59.3℃，萃取時間2.1 h，此時堿蓬籽油的提取率為7.93%。根據實際操作可將條件改為篩網目數55目，萃取溫度60℃，萃取時間2.1 h，在此條件進行實驗，得出堿蓬籽油提取率為7.86%，與預測結果接近，證明該模型結果可靠。

圖5 各因素交互作用對提取率影響的響應面圖及等高線圖

2.5 理化指標的檢測

對萃取產物堿蓬籽原油的感官、酸價、過氧化值、折光指數、相對密度、碘值、皂化值、水分及揮發物和脂肪酸組成的測定結果。

堿蓬籽原油理化指標檢測結果見表4。

表4 堿蓬籽原油理化指標檢測結果

鹽地堿蓬籽原油的各項理化指標均符合鹽地堿蓬籽油行業標準LS/T 3263—2019[12]，說明亞臨界提取得到堿蓬籽油的各項理化指標都符合鹽地堿蓬籽油行業標準。

3 結論

通過單因素試驗及響應面分析法研究亞臨界流體萃取堿蓬籽油的最佳工藝條件，結果表明，影響堿蓬籽油萃取效果的主要因素依次為篩網目數、萃取溫度和萃取時間；最佳萃取工藝為篩網目數55目，在萃取溫度60℃，萃取時間2.1 h，堿蓬籽油提取率為7.89%，與模型預測值接近，各項理化指標都符合鹽地堿蓬籽油行業標準。與傳統提取工藝相比，本文研究為堿蓬籽油的開發及利用提供一種經濟環保、工藝可行的新方法。