基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化文冠果種仁油的提取工藝研究

陳燕勤，陳德軍，楊再磊，闕大城

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge)又稱文官果、木瓜、文光果、僧燈木道等，屬無患子科文冠果屬落葉喬木或大灌木。文冠果原產(chǎn)中國北方干旱寒冷地區(qū)，是我國特有的在“三北”地區(qū)分布很廣的木本油料樹種，有“北方油茶”之稱[1,2]。文冠果種仁含油率為55%～70%，且多為不飽和脂肪酸，營養(yǎng)極其豐富[3,4]。由于文冠果種仁油的碘值和酸值較低，適合于制備生物柴油，因此，越來越受到研究者的青睞，被認(rèn)為是最有開發(fā)前景的制備生物柴油的原料油之一。

對(duì)于文冠果種仁油的提取以及組成分析目前已有一些報(bào)道[5]，其中對(duì)文冠果種仁油提取工藝的優(yōu)化方法主要采用正交優(yōu)化法。但正交優(yōu)化法只能對(duì)孤立的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析，不能在給定的區(qū)域內(nèi)提供因素和響應(yīng)值之間的明確函數(shù)關(guān)系，從而無法確定整個(gè)區(qū)域內(nèi)因素的最佳組合和響應(yīng)值的最優(yōu)值，而且正交優(yōu)化法無法分析因素之間存在的交互作用。

響應(yīng)曲面優(yōu)化法是評(píng)價(jià)指標(biāo)和因素間非線性關(guān)系的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，是對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，得到預(yù)測模型。與此同時(shí)，響應(yīng)曲面優(yōu)化法考慮了實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差，并且將復(fù)雜的未知函數(shù)關(guān)系在小區(qū)域內(nèi)用簡單的一次或二次多項(xiàng)式模型來擬合，計(jì)算比較簡單，是降低開發(fā)成本、優(yōu)化加工條件、解決生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題的有效方法[6,7]。

作者在此采用響應(yīng)曲面法的Box-Behnken設(shè)計(jì)，對(duì)文冠果種仁油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步明確提取過程中各因素之間的交互作用，為工業(yè)化提取文冠果種仁油提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

文冠果種仁粉：文冠果種仁(無蟲害，飽滿，產(chǎn)自新疆奇臺(tái))破殼后，經(jīng)80 ℃烘干、粉碎、過篩，備用。

石油醚(沸程60～90 ℃)，分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠。

F-A2004型分析天平，上海精科天平；202-AO型臺(tái)式干燥箱，上海錦屏儀器有限公司；SHE-95型循環(huán)水式多用真空泵，河北鞏義英峪予華儀器廠；H-H系列恒溫水浴鍋，江蘇金壇中大儀器廠；KE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠。

1.2 方法

稱取30 g文冠果種仁粉，置于250 mL三頸瓶中，按一定液料比加入石油醚，在恒溫水浴中提取一定時(shí)間；將提取液抽濾分離，用石油醚洗滌2～3次，濾液經(jīng)減壓蒸餾回收溶劑后，得到文冠果種仁油；于105 ℃干燥3 h后稱量，重復(fù)3 次取其平均值。按下式計(jì)算文冠果種仁油提取率。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在保持其它條件不變的情況下，分別考察提取時(shí)間、提取溫度、液料比(石油醚與文冠果種仁的體積質(zhì)量比，mL∶g,下同)3個(gè)因素對(duì)文冠果種仁油提取率的影響。

1.3.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，選擇提取溫度(℃)、提取時(shí)間(min)、液料比(mL∶g)為影響因素，以文冠果種仁油提取率為響應(yīng)值R1，采用3因素3水平的響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用Design expert 7.1.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 提取溫度對(duì)文冠果種仁油提取率的影響

在提取時(shí)間為30 min、液料比為5∶1的條件下，分別選擇提取溫度為25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃，探討提取溫度對(duì)文冠果種仁油提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 提取溫度對(duì)提取率的影響

從圖1可以看出，文冠果種仁油提取率隨提取溫度的升高先上升而后略有下降。這是由于，在提取初期，升高溫度會(huì)增大溶劑分子和油脂分子的動(dòng)能，加速分子運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)擴(kuò)散作用，所以升高溫度會(huì)提高文冠果種仁油提取率；但當(dāng)提取溫度升高到55 ℃(接近溶劑的沸點(diǎn))時(shí)，由于溶劑的汽化，會(huì)減少固液之間的有效接觸面積，提取率反而下降。因此，確定較合適的提取溫度為55 ℃。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)文冠果種仁油提取率的影響

在提取溫度為55 ℃、液料比為5∶1的條件下，分別選擇提取時(shí)間為20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min，探討提取時(shí)間對(duì)文冠果種仁油提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

從圖2可以看出，隨著提取時(shí)間的延長，文冠果種仁油提取率先快速升高而后趨穩(wěn)定。這是由于，在提取初期，文冠果種仁粉中油脂含量高，固液間濃度差較大，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力也較大，大量的油脂分子擴(kuò)散到溶劑中，使得提取率不斷升高；但當(dāng)提取時(shí)間超過30 min后，隨著提取時(shí)間的延長，液體中的油脂量不斷增多，趨于飽和，溶液體系的滲透壓也趨于穩(wěn)定，提取過程達(dá)到平衡，提取率升高不再明顯。因此，選擇較合適的提取時(shí)間為30 min。

2.1.3 液料比對(duì)文冠果種仁油提取率的影響

在提取溫度為55 ℃、提取時(shí)間為30 min的條件下，分別選擇液料比為2∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、10∶1，探討液料比對(duì)文冠果種仁油提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 液料比對(duì)提取率的影響

從圖3 可以看出，隨著液料比的增大，提取率顯著升高，但當(dāng)液料比大于5∶1后，提取率變化不明顯。這是由于，對(duì)于一定質(zhì)量的文冠果種仁來說，增加溶劑用量，相應(yīng)地增加了文冠果種仁與溶劑接觸界面處的濃度差，從而加快了傳質(zhì)速率，提取率升高；當(dāng)溶劑用量增大到一定程度(液料比為5∶1)后，由于文冠果種仁中的油大部分已被提取出來，再增加溶劑用量，提取率變化不大；另外，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，溶劑用量也不宜過多。因此，選擇較適宜的液料比為5∶1。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 模型的建立及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)法，對(duì)文冠果種仁油提取工藝進(jìn)行3因素3水平優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[8,9]。該模型通過最小二乘法擬合二次多項(xiàng)式方程，表達(dá)式為：

(1)

式中：R1為預(yù)測響應(yīng)值；β0為常數(shù)項(xiàng)；βi為線性系數(shù)；βii為二次項(xiàng)系數(shù)；βij為交互項(xiàng)系數(shù)；xi、xj(i≠j)為自變量編碼值。

該模型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken方案設(shè)計(jì)及響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 模型的顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表2結(jié)果，采用Design expert 7.1.6軟件對(duì)方程(1)進(jìn)行模擬回歸分析。得到提取率(R1)對(duì)提取溫度(A)、提取時(shí)間(B)、液料比(C)的二次多項(xiàng)式回歸方程：

R1=59.05+0.96A+0.42B+0.90C-0.48AB+0.31AC

-0.43BC-1.87A2-0.22B2-0.84C2

對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3，模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 回歸模型的方差分析

表4 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

由表4模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，模型的一次項(xiàng)A、B、C均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)文冠果種仁油提取的線性效應(yīng)顯著；二次項(xiàng)A2、C2對(duì)文冠果種仁油的提取曲面效應(yīng)顯著；交互項(xiàng)AB、BC交互效應(yīng)顯著(P<0.05)。由此可知，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，提取溫度、提取時(shí)間、液料比這3個(gè)因素對(duì)文冠果種仁油提取的線性效應(yīng)和曲面效應(yīng)都顯著，且提取溫度和提取時(shí)間以及提取時(shí)間和料液比有一定的交互作用。

剔除不顯著項(xiàng)后的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

R1=59.05+0.96A+0.42B+0.90C-0.48AB-0.43BC

-1.87A2-0.84C2

2.2.3 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)回歸模型作出相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，考察擬合響應(yīng)曲面的形狀，分析各因素對(duì)文冠果種仁油提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 響應(yīng)曲面及等高線圖

等高線的形狀反映了交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互影響顯著，圓形則與之相反。由圖4可知，提取溫度與提取時(shí)間、提取時(shí)間與液料比之間的交互作用較小。結(jié)合表4中各系數(shù)項(xiàng)的估計(jì)值可知，本實(shí)驗(yàn)各因素對(duì)文冠果種仁油提取率的影響大小依次為：提取溫度>液料比>提取時(shí)間。提取溫度、液料比對(duì)提取率影響較大，而提取時(shí)間的影響較小。

2.2.4 文冠果種仁油提取工藝條件優(yōu)化

利用Design expert 7.1.6軟件結(jié)合回歸模型，預(yù)測文冠果種仁油提取率的最佳工藝條件為：提取溫度57.92 ℃、提取時(shí)間30.82 min、液料比6.13∶1，在此條件下，提取率最高為59.46%。

2.2.5 模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，同時(shí)考慮到實(shí)際操作的便利，將提取工藝參數(shù)調(diào)整為：提取溫度58 ℃、提取時(shí)間31 min、液料比6∶1。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平均提取率為59.58%，與預(yù)測值59.46%相比，相對(duì)偏差為0.20%。表明基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取條件準(zhǔn)確可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)回歸模型的合理性。

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過Box-Behnken設(shè)計(jì)、響應(yīng)曲面法優(yōu)化以及Design expert 7.1.6軟件分析，以文冠果種仁油提取率為目標(biāo)值，以提取溫度、提取時(shí)間、液料比為考察因素，建立了二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，確定文冠果種仁油最適提取工藝為：提取溫度58 ℃、提取時(shí)間31 min、液料比6∶1(mL∶g)，在此條件下的平均提取率為59.58%。采用Box-Behnken 統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)文冠果種仁油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，不僅科學(xué)合理，而且快速高效，有很強(qiáng)的實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)作用。

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