麻成金，吳竹青，黃 偉，馮 磊，彭忠瑾，向勇平

(1.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000；2.吉首大學(xué) 植物保護(hù)與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首 416000；3.湖南省古丈縣茶葉事業(yè)管理局，湖南 古丈 416300)

響應(yīng)面法優(yōu)化茶葉籽油超臨界二氧化碳萃取工藝

麻成金1,2，吳竹青1，黃 偉1，馮 磊1，彭忠瑾1，向勇平3

(1.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000；2.吉首大學(xué) 植物保護(hù)與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首 416000；3.湖南省古丈縣茶葉事業(yè)管理局，湖南 古丈 416300)

采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取茶葉籽油的工藝條件。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇萃取壓力、萃取溫度、分離溫度、萃取時(shí)間為影響因素，以茶葉籽油得率為響應(yīng)值，應(yīng)用中心組合Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，超臨界CO2萃取茶葉籽油的最優(yōu)工藝條件為：萃取壓力29MPa、萃取溫度43℃、分離溫度36℃、萃取時(shí)間74min，該條件下，茶葉籽油得率達(dá)26.13%。

茶葉籽油；超臨界CO2萃取；工藝條件；響應(yīng)面分析

我國(guó)現(xiàn)有茶園約2700萬(wàn)畝，每年可產(chǎn)茶葉籽80余萬(wàn)t，除極少量茶葉籽用作培育茶樹(shù)的種子利用外絕大部分被當(dāng)做廢物白白丟棄[1]。茶葉籽含油率為30%～35%，茶葉籽油中不飽和脂肪酸高達(dá)75%～85%，具有防治心血管疾病、降血脂和降膽固醇等功效，是一種高檔功能性植物油脂[2]。以茶葉籽為原料生產(chǎn)茶葉籽油，不僅為消費(fèi)者提供了一種新型的功能性植物油脂，而且能變“廢”為寶，增加茶葉樹(shù)的附加值，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。

超臨界流體萃取技術(shù)(supercritical fluid extraction， SFE)是一種新型的萃取和分離技術(shù)，用于萃取天然貴重油脂具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。響應(yīng)面分析法是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相比，具有試驗(yàn)周期短、求得回歸方程精度高、可用于確定試驗(yàn)因素及其交互作用在工藝過(guò)程中對(duì)指標(biāo)響應(yīng)值的影響等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于超臨界CO2萃取茶葉籽油國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3-6]，尚未見(jiàn)采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化超臨界CO2萃取茶葉籽油工藝條件的文獻(xiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以茶葉籽油得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)中心組合Boxbehnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析法優(yōu)化超臨界CO2萃取茶葉籽油的工藝條件，以期為茶葉籽的綜合利用及茶葉籽油的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶葉籽果實(shí) 湖南省古丈縣茶葉生產(chǎn)基地；CO2氣體(純度＞99.5%) 長(zhǎng)沙特種氣體廠；無(wú)水硫酸鈉為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GZX-9146MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；878-B型多功能粉碎機(jī) 金壇市泰納儀器廠；ZK072型電熱真空干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠；JA5103N高精度電子天平 上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；HA221-50-06型超臨界CO2萃取設(shè)備 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

茶葉籽果實(shí)→干燥→破殼、去雜→茶葉籽→干燥→粉碎→過(guò)篩→稱(chēng)量→裝料→超臨界CO2萃取→減壓分離→茶葉籽油

將剝殼、去雜處理后獲得的茶葉籽進(jìn)行干燥，控制原料水分含量在7%～8%，然后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎、40目篩網(wǎng)過(guò)篩得到茶葉籽粉末；采用超臨界CO2萃取裝置中2L萃取釜進(jìn)行萃取，稱(chēng)取一定質(zhì)量的茶葉籽粉末填裝入萃取釜、密閉，設(shè)定CO2流量25kg/h、分離壓力6MPa，調(diào)節(jié)萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間、分離溫度等試驗(yàn)條件進(jìn)行超臨界CO2萃取，減壓分離，獲得茶葉籽油，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后稱(chēng)量并計(jì)算茶葉籽油得率[3,7]。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

為探索超臨界CO2萃取茶葉籽油各影響因素的變化規(guī)律，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間和分離溫度為考察因素，茶葉籽油得率為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)[7-9]，單因素試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in one-factor-at-a-time design

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken設(shè)計(jì)，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間和分離溫度4個(gè)因素為考察變量，茶葉籽油得率為響應(yīng)值，對(duì)超臨界CO2萃取茶葉籽油工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[10-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 萃取溫度對(duì)茶葉籽油得率的影響

圖1 萃取溫度對(duì)茶葉籽油得率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on oil yield

由圖1可知，在較低溫度時(shí)，隨著萃取溫度的升高，茶葉籽油得率有較大幅度地提高，45℃時(shí)，茶葉籽油得率達(dá)到最大，繼續(xù)升高萃取溫度，茶葉籽油得率有所下降。這是因?yàn)檩腿囟葘?duì)超臨界CO2流體萃取中溶質(zhì)溶解度的雙重性影響：升溫一方面增加了物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)而利于萃取，另一方面因降低CO2流體密度，使物質(zhì)溶解度降低，卻又不利于萃取[5,9]。故選擇萃取溫度45℃為宜。

2.1.2 萃取壓力對(duì)茶葉籽油得率的影響

圖2 萃取壓力對(duì)茶葉籽油得率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on oil yield

由圖2可見(jiàn)，隨著萃取壓力的升高，茶葉籽油得率不斷提高，當(dāng)萃取壓力超過(guò)30MPa時(shí)，茶葉籽油得率增加緩慢。這是因?yàn)樵黾虞腿毫?，不但?huì)增加CO2的密度，還會(huì)減少分子間的傳質(zhì)距離，增加傳質(zhì)效率，有利于原料的萃取，但物料中待萃取物含量有限，繼續(xù)增加壓力茶葉籽油得率基本不變，再考慮到過(guò)高的萃取壓力會(huì)加大設(shè)備的損耗，增加設(shè)備的操作及維護(hù)費(fèi)用[10]。因此從生產(chǎn)角度考慮，選擇萃取壓力30MPa較為合適。

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)茶葉籽油得率的影響

圖3 萃取時(shí)間對(duì)茶葉籽油得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on oil yield

由圖3可知，80min以?xún)?nèi)，隨著萃取時(shí)間的增加，茶葉籽油得率逐漸升高，當(dāng)萃取時(shí)間超過(guò)80min以后，茶葉籽油得率曲線接近水平，茶葉籽油得率隨萃取時(shí)間延長(zhǎng)增加緩慢，如再繼續(xù)延長(zhǎng)萃取時(shí)間，會(huì)造成CO2和能源的浪費(fèi)?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，故選擇萃取時(shí)間80min為宜。

2.1.4 分離溫度對(duì)茶葉籽油得率的影響

圖4 分離溫度對(duì)茶葉籽油得率的影響Fig.4 Effect of separation temperature on oil yield

由圖4可知，茶葉籽油得率隨著分離溫度的升高而增加，分離溫度達(dá)35℃后增加不明顯，這可能是因?yàn)殡S著分離溫度的升高，二氧化碳密度變小使得溶解度變小，油脂與溶劑易分離，同時(shí)升溫有利于油脂克服基體作用力的影響，便于其脫附、擴(kuò)散；但當(dāng)分離溫度達(dá)到35℃時(shí)，隨著分離溫度的提高，溶質(zhì)的飽和蒸汽壓增大，不利于油脂析出，茶葉籽油得率變化幅度不大，同時(shí)考慮到較高分離溫度易造成茶葉籽油中含量較高的不飽和脂肪酸氧化變質(zhì)[7-8]，故選擇分離溫度35℃左右。

2.2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與響應(yīng)面法分析

2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇萃取時(shí)間(X1)、萃取壓力(X2)、分離溫度(X3)和萃取溫度(X4)為考察因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，并以-1、0、＋1分別代表因素的水平，以茶葉籽油得率(Y)為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 超臨界CO2萃取茶葉籽油工藝Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 2 Factors and levels in Box-Behnken experimental design

表3 超臨界CO2萃取茶葉籽油工藝Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Box-Behnken experimental design and corresponding results

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

利用SAS8.1軟件對(duì)表3中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，可得茶葉籽油得率與各因素變量的二次多元回歸模型：

Y＝27.62＋0.443333X1＋1.345833X2＋0.07X3＋0.4625X4-0.466667X12＋0.085X1X2-0.4175X1X3＋0.0725 X1X4-2.717917X22＋0.345X2X3＋0.3025X2X4-0.766667X32-0.1275X3X4-0.690417X42

表4 回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 4 ANOVA of the created regression model for oil yield

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可知，模型極顯著(P＜0.01)，X1、X2、X4、X12、X22、X32、X42在該模型中為顯著變量，回歸決定系數(shù)R2＝0.9645，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有96.45%來(lái)源于所選因素的變化，模型修正決定系數(shù)R2Adj＝0.9230，說(shuō)明該模型能解釋92.30%響應(yīng)值的變化，失擬項(xiàng)不顯著(P＞0.05)，可知回歸方程擬合度很好，故可用此模型對(duì)超臨界CO2萃取茶葉籽油的工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

由圖5及表4可知，所選因素對(duì)響應(yīng)值影響強(qiáng)弱次序?yàn)椋狠腿毫Γ据腿囟龋据腿r(shí)間＞分離溫度；圖5a、b、c、d的等高線圖呈明顯的橢圓狀，說(shuō)明萃取時(shí)間與萃取壓力、萃取壓力與萃取溫度、萃取壓力與分離溫度、萃取時(shí)間與分離溫度對(duì)茶葉籽油得率的交互作用顯著；圖5e、f的等高線圖呈近似圓狀，說(shuō)明萃取時(shí)間與萃取溫度、分離溫度與萃取溫度對(duì)茶葉籽油得率的交互作用不顯著。為確定最佳響應(yīng)值的因素水平組合，對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)并令其為0，整理得到方程組，方程組的解即因素對(duì)應(yīng)的代碼值。根據(jù)代碼值轉(zhuǎn)化可得最佳理論工藝條件為：萃取時(shí)間73.9127min、萃取壓力28.6502MPa、萃取溫度42.77335℃、分離溫度35.95306℃。在此最佳理論工藝條件下，茶葉籽油得率的理論預(yù)測(cè)值為26.34324%?？紤]實(shí)際操作性，將萃取工藝參數(shù)修正為：萃取時(shí)間74min、萃取壓力29MPa、萃取溫度43℃、分離溫度36℃。

圖5 各兩因素交互作用對(duì)茶葉籽油得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interative effects of four extraction conditions on oil yield

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)修正后的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，茶葉籽油得率為26.13%，與理論預(yù)測(cè)值僅相差0.21%。因此，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，有較高實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和中心組合Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析對(duì)超臨界CO2萃取茶葉籽油工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳工藝條件為：萃取壓力29MPa、萃取溫度43℃、分離溫度36℃、萃取時(shí)間74min，茶葉籽油得率可達(dá)26.13%，所得的茶葉籽油澄清透亮，具有茶葉籽特有的香氣。并得到茶葉籽油得率與影響超臨界CO2萃取效果主要因素變量的二次多元回歸模型，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，有一定應(yīng)用價(jià)值。

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Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction Process for Tea Seed Oil by Using Response Surface Methodology

MA Cheng-jin1,2，WU Zhu-qing1，HUANG Wei1，F(xiàn)ENG Lei1，PENG Zhong-jin1，XIANG Yong-ping3
(1. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China；2. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization of Hunan Province, Jishou University, Jishou 416000, China；3. Tea Project Management Bureau of Guzhang County, Guzhang 416300, China)

Response surface methodology was employed to optimize the supercritical carbon dioxide extraction conditions of tea seed oil. On the basis of one-factor-at-a-time experiments, a mathematical model describing the effects of extraction pressure, extraction temperature, separation temperature and extraction time on oil yield was created using Box-Behnken experimental design and analyzed by response surface methodology. The optimal extraction conditions were found as follows: extraction pressure 29 MPa, extraction temperature 43 ℃, separation temperature 36 ℃, and extraction time 74 min, resulting in an oil yield of 26.13%.

tea seed oil；supercritical carbon dioxide extraction；technological conditions；response surface analysis

TS225.6；TS224.4

：A

1002-6630(2011)20-0108-06

2011-06-30

2009年湖南省科技廳資助項(xiàng)目(2009NK3119)

麻成金(1963—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)槭澄镔Y源開(kāi)發(fā)與利用。E-mail：machengjin368@126.com