響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝

王秋玲，莫建光*，謝一興

(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西分析測(cè)試研究中心，廣西 南寧 530022)

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝

王秋玲1，莫建光2,*，謝一興2

(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西分析測(cè)試研究中心，廣西 南寧 530022)

采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取工藝提取火龍果籽油，用Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)萃取所得火龍果籽油進(jìn)行成分分析。結(jié)果表明：萃取時(shí)間、萃取壓力、萃取溫度對(duì)火龍果籽油超臨界CO2萃取工藝影響顯著，其最佳提取工藝參數(shù)為萃取壓力25MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間3.5h，火龍果籽油萃取得率為30.21%?；瘕埞延椭兄舅嶂饕煞忠圆伙柡椭舅釣橹?，占總脂肪酸含量的74.64%，其中亞油酸及其異構(gòu)體為46.91%，油酸及其異構(gòu)體為25.36%；飽和脂肪酸以棕櫚酸為主，棕櫚酸及其異構(gòu)體占總脂肪酸含量的21.10%。火龍果籽油可以作為一種食品保健油進(jìn)行開發(fā)。

火龍果籽油；超臨界二氧化碳；萃?。豁憫?yīng)面法；氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)；脂肪酸；理化性質(zhì)

火龍果是一種蔓藤類仙人掌的果實(shí)[1]，起源于美洲南北部熱帶地區(qū)[2]，目前已商業(yè)化種植的火龍果品種主要有紅火龍果、白火龍果和黃火龍果[3]。如今，白火龍果已在亞洲地區(qū)廣泛種植[4]?；瘕埞咽腔瘕埞麑?shí)中類似芝麻狀的種仁?；瘕埞延椭枯^高，為29.5%～32%，其中必需脂肪酸含量達(dá)50%左右(C18∶2為48%，C18∶3為1.5%)[5]。每100g火龍果籽油中總生育酚含量在36.70～43.50mg之間，另外在火龍果籽油中發(fā)現(xiàn)的植物甾醇類化合物有膽固醇、菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇，并確定了7種酚醛酸類化合物，其分別是沒食子酸、香草酸、丁香酚、兒茶酚、對(duì)羥基苯甲酸、香豆酸和咖啡酸[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)火龍果籽油成分及其含量的研究較多，但在火龍果籽油提取工藝研究方面鮮有報(bào)道。超臨界二氧化碳萃取火龍果籽油的關(guān)鍵影響因素是萃取壓力、萃取溫度和萃取時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面法對(duì)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行優(yōu)化，建立超臨界二氧化碳萃取火龍果籽油的數(shù)學(xué)模型，并采用氣相色譜-質(zhì)譜法(gas chromatography-mass speetrometry，GC-MS)對(duì)萃取的火龍果籽油進(jìn)行成分分析，以期為火龍果籽油的進(jìn)一步開發(fā)利用提供研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

火龍果籽 廣西欽州高豐農(nóng)業(yè)有限公司?；瘕埞严戎糜?0℃的烘箱中烘干過(guò)夜，然后用粉碎機(jī)粉碎并過(guò)篩，于冷凍室中保存待用。

CO2(98.86%)、氦氣(99.99%) 南寧市柳電化化工有限公司；其他化學(xué)試劑(均為AR級(jí)) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HL-2＋1L/50-ⅡBO超臨界流體(CO2)萃取裝置(配有制冷系統(tǒng)、1L萃取釜和二級(jí)分離體系) 杭州華黎泵業(yè)有限公司；TRACE DSQ Ⅱ (配有GC ultra氣相色譜儀、DSQⅡ質(zhì)譜檢測(cè)器和NIST 05質(zhì)譜庫(kù)) 美國(guó)Thermo Frace公司。

1.3 方法

1.3.1 火龍果籽含油量測(cè)定

火龍果籽含油量采用索氏提取法測(cè)定。取20g火龍果籽物料樣品，按料液比1∶14(g/mL)加入正己烷(沸點(diǎn)60～80℃)索氏提取12h，測(cè)定火龍果籽含油量。

1.3.2 超臨界CO2萃取

1.3.2.1 萃取裝置的操作及萃取率

在超臨界CO2萃取實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行之前，先開啟超臨界流體(CO2)萃取裝置1～2h使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后進(jìn)行填料，打開萃取釜進(jìn)氣閥進(jìn)行靜態(tài)萃取1h，結(jié)束后再轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)萃取狀態(tài)，動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇。萃取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備分離Ⅰ釜壓力為6～8MPa，分離Ⅱ釜壓力為4～6MPa，萃取釜的容積為1L。

式中：A1為填料量/g；A2為油脂萃取量/g。

1.3.2.2 超臨界CO2萃取單因素試驗(yàn)

超臨界CO2萃取的主要影響因素有萃取壓力、萃取時(shí)間、萃取溫度、物料性狀、填料量和分離溫度等[7]，本實(shí)驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)的方法，參照相似油料物質(zhì)如獼猴桃籽[8-9]、杏仁[10]和柚子種子[11]等超臨界CO2萃取油脂的工藝選擇單因素的試驗(yàn)條件。

1.3.2.3 超臨界CO2萃取響應(yīng)面法設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取對(duì)萃取火龍果籽得油率影響較大的超臨界CO2萃取影響因素，采用Box-Behnken模型，利用統(tǒng)計(jì)軟件Design Expert 7.1.5來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，顯著水平P＜0.05，以萃取得油率為指標(biāo)篩選最佳萃取條件，對(duì)火龍果籽油萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1.3.3 火龍果籽油中脂肪酸成分分析

1.3.3.1 火龍果籽油中脂肪酸的甲酯化

稱取150mg火龍果籽油樣，精確至1mg，放入圓底燒瓶中，加入5mL 1%甲醇鈉溶液，加熱回流直至油珠完全消失，再加入1mol/L鹽酸-甲醇溶液約6mL，繼續(xù)加熱回流約10min，停止加熱，冷卻后，將圓底燒瓶中的溶液倒入分液漏斗，加入10mL水和10mL正庚烷，猛烈振搖2min，分層后，棄去水相，將上層正庚烷溶液過(guò)濾，取濾液進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定。

1.3.3.2 檢測(cè)條件

GC條件：色譜柱HP-88毛細(xì)管柱(60m×0.25mm，0.2μm)；載氣：高純氦氣(He)，流速1.0mL/min；升溫程序：初始溫度160℃，以1.3℃/min升至200℃，保留10min，再以10℃/min升至250℃；進(jìn)樣口溫度220℃，進(jìn)樣量1.0μL，不分流進(jìn)樣。

MS條件：EI離子源，電子能量70eV，F(xiàn)ID檢測(cè)器，離子源溫度230℃，接口溫度280℃，掃描范圍m/z 35～450，全離子掃描，排除溶劑峰，對(duì)峰面積進(jìn)行歸一化，對(duì)GC-MS總離子流色譜圖，檢索NIST 05質(zhì)譜庫(kù)對(duì)火龍果籽油中脂肪酸成分進(jìn)行分析。

1.3.4 火龍果籽油理化性質(zhì)測(cè)定

相對(duì)密度：GB/T 5526—1985《植物油脂檢驗(yàn)：比重測(cè)定法》；折光指數(shù)：GB/T 5527—2010《動(dòng)植物油脂：折光指數(shù)的測(cè)定》；碘值：GB/T 5532—2008《動(dòng)植物油脂：碘值的測(cè)定》；酸值：GB/T 5530—2005《動(dòng)植物油脂：酸值和酸度測(cè)定》。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界CO2萃取條件的選擇

2.1.1 物料粉碎度的影響

通過(guò)單因素試驗(yàn)考察物料粉碎度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃、萃取壓力25MPa、萃取時(shí)間3h(其中1h靜態(tài)，2h動(dòng)態(tài))，投料量300g，分離溫度為室溫(15～20℃)，結(jié)果見圖1。

圖1 物料粉碎度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.1 Effect of material crushing degree on extraction yield of pitaya seed oilseeds oil

由圖1可知，粉碎度為10～20目和90～100目時(shí)，火龍果籽萃取得油率在20%左右。由此可知，物料粉碎度過(guò)粗或者過(guò)細(xì)均會(huì)影響萃取效果。原因可能是物料過(guò)粗則增加了超臨界流體在火龍果籽中的擴(kuò)散距離以導(dǎo)致萃取不完全；過(guò)細(xì)的物料在高壓下易被壓實(shí)，增大了傳質(zhì)阻力，同時(shí)易堵塞濾網(wǎng)，致使萃取效率降低。當(dāng)粉碎度在30～80目之間時(shí)，萃取得油率為27%左右，且此物料粉碎度區(qū)間對(duì)萃取影響較小。為節(jié)省物料處理時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)選擇物料粉碎度為40目。

2.1.2 填料量的影響

考察填料量對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用物料粉碎度為40目，其他條件同2.1.1節(jié)，結(jié)果見圖2。

圖2 填料量對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.2 Effect of feeding quantity on extraction yield of pitaya seed oil

由圖2可知，隨著填料量的增加，火龍果籽萃取得油率升高，但是當(dāng)填料量增加到400g時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，填料量為500g時(shí)火龍果籽油萃取得率反而降低到26.5%。這有可能是因?yàn)樘盍狭窟^(guò)多，物料的堆積密度過(guò)大，增加了超臨界流體的擴(kuò)散阻力，且容易產(chǎn)生氣流分布不均勻的情況從而降低了萃取效率。因此，本實(shí)驗(yàn)選取物料填料量為400g。

2.1.3 分離溫度的影響

考察分離溫度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用物料填料量為400g，其他條件同2.1.2節(jié)，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，分離溫度在45℃以下時(shí)，火龍果籽油的萃取率幾乎不受影響，但在50℃時(shí)，火龍果籽油萃取得率降低到了20.2%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)分離溫度在40℃以下時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后從分離釜中取出萃取物時(shí)發(fā)現(xiàn)有大量干冰殘留于火龍果籽油中，且火龍果籽油呈凝固狀態(tài)；而當(dāng)分離溫度為50℃時(shí)無(wú)干冰殘留，所得火龍果籽油完全呈現(xiàn)液體狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及所得數(shù)據(jù)表明，若分離釜分離溫度過(guò)高，有可能在分離過(guò)程中由于較高壓力的存在，萃取物會(huì)被氣態(tài)CO2帶走從而降低了萃取得率，因此，當(dāng)分離釜溫度能夠使萃取物保持在固體狀態(tài)時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)上述情況。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)的分離溫度采用室溫，即15～20℃。2.1.4萃取時(shí)間的影響

圖3 分離溫度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.3 Effect of separation temperature on extraction yield of pitaya seed oil

考察萃取時(shí)間對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃、萃取壓力25MPa、投料量400g，分離溫度為室溫(15～20℃)和火龍果籽粉碎度為40目，結(jié)果見圖4。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of pitaya seed oil

由圖4可知，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，火龍果籽油萃取得率也逐漸增大，在2～3h時(shí)萃取得率增加速率最快，3～3.5h時(shí)趨于平緩上升狀態(tài)，3.5～4h時(shí)上升速率又加大。不同萃取時(shí)間對(duì)火龍果籽油萃取得率影響較大，應(yīng)進(jìn)一步研究此因素在超臨界CO2萃取火龍果籽油工藝中的影響參數(shù)。在工藝條件摸索時(shí)，若選擇的萃取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅耗費(fèi)過(guò)多CO2氣體，且在實(shí)際操作中也不易實(shí)現(xiàn)，因此選擇2.5、3、3.5h(其中靜態(tài)萃取時(shí)間均為1h)為響應(yīng)面試驗(yàn)的條件。

2.1.5 萃取溫度的影響

考察萃取溫度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取時(shí)間3h，其他條件同2.1.4節(jié)，結(jié)果見圖5。

圖5 萃取溫度對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on extraction yield of pitaya seed oil

由圖5可知，隨著萃取溫度的升高，火龍果籽油的萃取得率也在升高，從45℃開始，溫度升高時(shí)萃取得率逐漸下降。當(dāng)萃取溫度達(dá)到55℃時(shí)，萃取釜底部有少許物料未被萃取到。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果表明，在一定程度上由于溫度升高，超臨界流體的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，被萃取組分的溶解度也在增加，使得萃取得率增加；但是隨著溫度的繼續(xù)升高，CO2密度急劇降低使其溶解能力下降，從而出現(xiàn)了萃取得率下降的情況。結(jié)合萃取溫度與火龍果籽油萃取得率的關(guān)系曲線圖，選擇40、45、50℃為響應(yīng)面試驗(yàn)的條件。

2.1.6 萃取壓力的影響

考察萃取壓力對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響，萃取條件采用萃取溫度45℃，其他條件同2.1.5節(jié)，結(jié)果見圖6。

圖6 萃取壓力對(duì)火龍果籽油萃取得率的影響Fig.6 Effect of extraction pressure on extraction yield of pitaya seed oil

由圖6可知，隨著萃取壓力的上升，火龍果籽油萃取得率也逐漸升高，在25～30MPa之間趨于平衡，當(dāng)壓力超過(guò)30MPa時(shí)，萃取得率呈下降的趨勢(shì)。萃取壓力與CO2密度相關(guān)，壓力越大，CO2密度越大，溶解力越高；但達(dá)到一定程度后，在過(guò)高壓力下，CO2壓縮能力減小，此時(shí)在增加壓力對(duì)萃取得率的提高起不到太大意義，反而將物料壓得更實(shí)不有利于超臨界流體與物料充分接觸，致使萃取得率下降。萃取壓力是超臨界萃取的關(guān)鍵影響因素，選取較高萃取得油率的試驗(yàn)條件，即25、30、35MPa進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。2.2響應(yīng)面試驗(yàn)法模型預(yù)測(cè)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面試驗(yàn)法Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)(表1)，以萃取得率為指標(biāo)篩選最佳萃取條件。利用Design Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得三次多元回歸模型(1)：

對(duì)模型(1)進(jìn)行方差分析(表2)：模型項(xiàng)P＜0.05，表明差異顯著，F(xiàn)回歸＝59.35＞F0.0l(9,4)＝14.66，P＜0.000l表明模型(1)極顯著，不同處理間的差異極顯著；F失擬＝0.058＜F0.05(9,3)＝8.81，失擬項(xiàng)P＝0.9790>0.05，不顯著；模型的調(diào)整確定系數(shù)R2Adj＝0.9704，說(shuō)明該模型能解釋97.04%響應(yīng)值的變化，因而該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)超臨界CO2流體萃取火龍果籽油得率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知：模型(1)一次項(xiàng)X1(P＜0.000l)、X2(P＜0.000l)、X3(P＜0.000l)和二次項(xiàng)X12(P＜0.000l)、三次項(xiàng)X12X3(P＝0.0018)差異極顯著；二次項(xiàng)X22(P＝0.0454)差異顯著；交互項(xiàng)X1X3(P＝0.3137)、X2X3(P＝0.2323)和二次項(xiàng)X32(P＝0.0661)差異不顯著。

表2 回歸模型的方差分析Table 2 Variance analysis of regression model

通過(guò)對(duì)回歸模型(1)得出火龍果籽油萃取的最佳工藝條件：萃取溫度40℃、萃取時(shí)間3.5h、萃取壓力25MPa，萃取得率預(yù)測(cè)值為30.13%，在此條件下進(jìn)行3組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)際萃取得油率平均值為30.21%，表明該工藝穩(wěn)定可行。

2.3 火龍果籽油脂肪酸GC-MS定性定量分析

圖7 火龍果籽油脂肪酸GC-MS總離子流色譜圖Fig.7 GC-MS total ion current chromatogram of pitaya seed oil

由圖7可知，排除溶劑峰影響，經(jīng)數(shù)據(jù)工作站檢索及與NIST 05標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照，各色譜峰相應(yīng)質(zhì)譜圖經(jīng)圖譜庫(kù)正、反兩向檢索定性鑒別，并結(jié)合匹配度數(shù)據(jù)選擇高符合度的檢索結(jié)果，共鑒定出14個(gè)組分，并用峰面積歸一法對(duì)各組分進(jìn)行了定量分析，結(jié)果見表3。

表3 火龍果籽油脂肪酸組成和含量Table 3 Fatty acid compositions and contents of pitaya seed oil

研究結(jié)果表明，火龍果籽油的主要成分為不飽和脂肪酸，占總脂肪酸含量的74.64%，低于Lim等[6]和李升峰等[12]分別檢測(cè)得到的77.22%～82.01%和78.10，其中亞油酸及其異構(gòu)體為46.91%，油酸及其異構(gòu)體為25.36%，相似于Ariffin等[5]檢測(cè)得到的24.7%～26.6%；飽和脂肪酸以棕櫚酸為主，棕櫚酸及其異構(gòu)體占總脂肪酸含量的21.10%。

2.4 火龍果籽油理化性質(zhì)

火龍果籽油呈淡黃色，澄清透明，有特殊香味。火龍果籽油的相對(duì)密度(d420)為0.9239，折光指數(shù)(20℃)為1.742，碘值為140.8g/100g，酸價(jià)為33.3mg/g。

3 結(jié) 論

索氏提取法測(cè)得火龍果籽含油量為33.52%，屬高含油油料，其碘值140.8g/100g表明火龍果籽油為干性油。采用超臨界CO2萃取技術(shù)對(duì)火龍果籽油進(jìn)行提取，通過(guò)單因素試驗(yàn)和中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析對(duì)超臨界CO2萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出較優(yōu)工藝條件，在此條件下火龍果籽得油率為30.21%。并得到火龍果籽得油率與超臨界CO2萃取處理各因素變量的回歸方程模型，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，具有一定應(yīng)用價(jià)值。對(duì)火龍果籽油中脂肪酸成分進(jìn)行了GC-MS分析結(jié)果表明，火龍果籽油中不飽和脂肪酸占總脂肪酸的74.64%，其中以油酸(25.36%)和亞油酸(46.91%)為主。來(lái)源于火龍果果汁、果醋[13-14]、果酒[15]及果酵素行業(yè)的副產(chǎn)物——火龍果籽，完全可以作為一種食品保健油源。

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[15]馬菽浩, 劉長(zhǎng)海, 蒲琦旋. 火龍果酒發(fā)酵工藝研究[J]. 釀酒科技, 2010 (6)∶ 79-81.

Optimization of Supercritical CO2Extraction of Pitaya Seed Oil by Response Surface Methodology

WANG Qiu-ling1，MO Jian-guang2,*，XIE Yi-xing2
(1. Institute of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；2. Research Center of Analysis and Testing of Guangxi Province, Nanning 530022, China)

The extraction process for pitaya seeds oil via supercritical carbon dioxide was optimized by response surface methodology (RSM), the test data were analyzed by software Design Expert and the chemical compositions of pitaya seed oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that supercritical CO2 extraction process were impacted significantly by extraction time, pressure, and temperature; the optimum extraction parameters were extraction pressure at 25 MPa, extraction temperature at 40 ℃, and extraction time for 3.5 h the oil extraction yield was 30.21%. The main fatty acids of pitaya seed oil were unsaturated fatty acids, which accounted for 74.64% of total fatty acids, and linoleic acid and its isomer were 46.91%, oleic acid and its isomer were 25.36%; saturated fatty acids were dominated by palmitic acid, and palmitic acid and its isomer consisted of 21.10%. Pitaya seed oil can be used as healthy oil for development.

pitaya seed oil；supercritical carbon dioxide extraction；response surface method；gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)；fatty acid；physical and chemical properties

TS225.6

A

1002-6630(2012)10-0092-06

2011-04-18

廣西食品藥品及公共安全檢測(cè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(08-05-01D)

王秋玲(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：741807327@qq.com

*通信作者：莫建光(1955—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：bhl0771@163.com