諸愛士 李廬川

(浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023)

響應(yīng)面法優(yōu)化菜籽毛油甾醇提取

諸愛士 李廬川

(浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023)

為優(yōu)化菜籽毛油植物甾醇的提取工藝，以10 mL菜籽毛油的植物甾醇產(chǎn)量為指標(biāo)，對液料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、萃取劑用量、萃取次數(shù)及試劑回收等因素進(jìn)行了考察;并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對影響植物甾醇提取效果的3個主要影響因素，即液料比、反應(yīng)時間和萃取劑用量進(jìn)行了優(yōu)化，建立并分析了各因子與甾醇產(chǎn)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，植物甾醇提取的最佳工藝條件為:液料比5.5:1，反應(yīng)時間47 min，反應(yīng)溫度93℃，用103 mL的乙醚提取，提取1次。采用該工藝條件，10 mL原油的植物甾醇理論產(chǎn)量可達(dá)到23.20 mg，驗(yàn)證試驗(yàn)值為22.86 mg，與理論值相對誤差為－1.47%。

菜籽毛油 植物甾醇 提取 響應(yīng)面分析法 優(yōu)化

植物甾醇具有很好的抗氧化作用，可降低血液中膽固醇濃度，具有消炎、退熱、抗?jié)兊乃幚砉π?，其?yīng)用涉及醫(yī)藥、化妝品、食品、光學(xué)產(chǎn)品、飼料、油漆、顏料、樹脂、造紙、紡織、殺蟲劑及除草劑等［1－3］。

天然植物甾醇種類繁多，主要包括β－谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇4種無甲基甾醇。植物甾醇主要存在于油脂中，特別是精煉油后的脫臭餾出物中富含植物甾醇，所以在大多數(shù)已報(bào)道的研究中，一般都以脫臭餾出物作為提取原料，用不同的方法加以提?。?－8］。直接以植物油作為提取原料的研究報(bào)道，只有高政等［9］采用單因素與正交考察了氫氧化鉀－乙醇皂化液用量、皂化時間、萃取劑用量3個因素的影響。本試驗(yàn)以菜籽毛油為原料提取植物甾醇，以氫氧化鈉－乙醇溶液作皂化液，考察了液料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、萃取劑用量、提取次數(shù)等對提取甾醇的影響，同時考察了試劑回收循環(huán)使用等工業(yè)化問題。在此基礎(chǔ)上，選取對提取影響較大的液料比、反應(yīng)時間、萃取劑用量3因素，采用響應(yīng)面法(RSM)對條件進(jìn)行優(yōu)化，并得出模型，結(jié)果可作為實(shí)際生產(chǎn)的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原料:農(nóng)村自制菜籽毛油。

氫氧化鈉(分析純)、氫氧化鉀(分析純):浙江中星化工試劑有限公司;無水乙醇(分析純):杭州長征化學(xué)試劑有限公司;無水乙醚(分析純):杭州化學(xué)試劑有限公司;硫酸(分析純):浙江衢州巨化試劑有限公司。

722E型可見分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;DK－S24電熱恒溫水浴鍋:上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司;BS124S電子天平:北京塞多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞龍生化儀器廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 甾醇的提取

設(shè)置恒溫水浴鍋溫度，量取菜籽毛油10 mL置于500 mL燒瓶中，加入50 mL 1 mol/L的氫氧化鈉－乙醇溶液，煮沸回流1 h后，減壓蒸餾回收乙醇。然后加蒸餾水稀釋至150 mL，將得到的皂化液冷卻，備用。取皂化液50 mL，每次用50 mL乙醚提取，共提取2次，合并上層乙醚提取液，依次經(jīng)50 mL蒸餾水洗2次，用15 mL 0.5 mol/L的氫氧化鈉水溶液連續(xù)洗滌，再用蒸餾水連續(xù)洗滌乙醚溶液至溶液的pH呈中性為止。最后在常溫下減壓蒸餾回收乙醚溶劑，得到菜籽毛油粗甾醇制品。由于提取過程中投料量少，且操作時溶液呈沸騰狀，故沒有攪拌，而是用間歇振蕩來促進(jìn)傳質(zhì)，并不作一個因素考察。

1.2.2 檢測方法

按GB 5530—1985測定酸價(jià);按GB 5534—1995測定皂化值;植物甾醇在650 nm時有最大吸收波長，采用改進(jìn)的Liebennann－Burchard比色法測定甾醇含量，并計(jì)算甾醇產(chǎn)量［10－11］。

2 結(jié)果與討論

2.1 菜籽毛油理化指標(biāo)與甾醇總含量

菜籽毛油理化指標(biāo)與甾醇總含量見表1。

表1 菜籽毛油理化指標(biāo)與甾醇總含量

2.2 單因素考察及其分析

2.2.1 液料比對甾醇產(chǎn)量的影響

反應(yīng)溫度95℃，反應(yīng)時間1 h，每次用50 mL乙醚提取，提取2次，液料比(1 mol/L的氫氧化鈉－乙醇溶液體積與菜籽毛油體積之比，下同)分別為3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1 mL/mL，測得 10 mL 原油的甾醇產(chǎn)量(mg，下同)見圖1。當(dāng)液料比小于6∶1時，甾醇的產(chǎn)量隨著液料比增加而增大，這是由于隨液料比增大，皂化越趨完全，同時甾醇提取過程中的傳質(zhì)推動力也隨液料比的增加而增大，使甾醇越易被提取。但在液料比大于6∶1時，甾醇產(chǎn)量反而有所下降，這是可能堿性增強(qiáng)導(dǎo)致副反應(yīng)，使甾醇產(chǎn)量降低;同時隨著液料比增加，操作過程中的甾醇損失量增大。液料比5∶1與6∶1時的甾醇產(chǎn)量相差僅為6%，但液料比大則氫氧化鈉和乙醇用量大，使得皂化反應(yīng)的消耗增大，考慮到經(jīng)濟(jì)問題，選取液料比為5∶1。

圖1 液料比對甾醇產(chǎn)量的影響

2.2.2 反應(yīng)時間對甾醇產(chǎn)量的影響

液料比5∶1，反應(yīng)溫度95℃，每次用50 mL乙醚提取，提取 2 次，反應(yīng)時間分別為 30、45、60、75、90 min，測得10 mL原油的甾醇產(chǎn)量見圖2。當(dāng)反應(yīng)時間在45 min內(nèi)時，隨著時間增加甾醇產(chǎn)量增大，大于45 min時隨著時間增加產(chǎn)量反而下降。這是因?yàn)樵撛砘^程是一個液—油非均相傳遞和反應(yīng)的過程，物質(zhì)的傳遞和反應(yīng)需要一定的時間，因此隨反應(yīng)時間的增長產(chǎn)量就提高，但是時間過長可能由于甾醇變性，使得結(jié)果有所降低。從實(shí)際生產(chǎn)考慮，時間越長，就意味著生產(chǎn)周期越長，設(shè)備的生產(chǎn)能力就降低;同時能耗、人工的投入就越大，后期提純負(fù)荷增大，所以確定提取時間為45 min。

圖2 反應(yīng)時間對甾醇產(chǎn)量的影響

2.2.3 反應(yīng)溫度對甾醇產(chǎn)量的影響

液料比5∶1，反應(yīng)時間45 min，每次用50 mL乙醚提取，提取 2次，反應(yīng)溫度分別為 87、89、91、93、95℃，測得10 mL原油的甾醇產(chǎn)量見圖3。當(dāng)溫度小于93℃時，甾醇產(chǎn)量隨反應(yīng)溫度的升高而增大，這是因?yàn)闇囟壬?，反?yīng)速率和傳質(zhì)速率均加快，相同時間內(nèi)反應(yīng)更充分，傳遞的物質(zhì)越多。但在大于93℃后，溫度升高甾醇含量反而略有下降，這是可能過高的溫度使甾醇發(fā)生了變性。另外，溫度越高能耗越大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮溫度應(yīng)選93℃。

圖3 反應(yīng)溫度對甾醇產(chǎn)量的影響

2.2.4 萃取劑用量對甾醇產(chǎn)量的影響

液料比5∶1，反應(yīng)溫度93℃，反應(yīng)時間45 min，每次用30、40、45、50、60 mL 的乙醚提取，提取 2 次，測得10 mL原油的甾醇產(chǎn)量見圖4。

隨著萃取劑用量增加，甾醇產(chǎn)量也增大。這是因?yàn)檩腿┯昧吭蕉啵瑐髻|(zhì)推動力增大，使溶解在萃取劑中的甾醇越多。但在用量大于50 mL以后，萃取劑用量增加甾醇產(chǎn)量變化不大，這是由于甾醇已基本溶于萃取劑中了，再增加萃取劑用量對甾醇的結(jié)果影響不大。由圖4可知萃取劑用量60 mL最好，但50 mL和60 mL甾醇產(chǎn)量的增幅只有3.1%。從實(shí)際生產(chǎn)考慮，為了節(jié)約成本，減少乙醚用量，選用50 mL乙醚，2次合計(jì)100 mL。

圖4 萃取劑用量對甾醇產(chǎn)量的影響

2.2.5 萃取次數(shù)對甾醇產(chǎn)量的影響

液料比5∶1，反應(yīng)時間45 min，反應(yīng)溫度93℃，萃取劑總量100 mL，分別萃取1次，2次，3次，測得10 mL原油的甾醇產(chǎn)量見表2。隨著萃取1次與2次差別不大，3次甾醇產(chǎn)量略有下降，可能是由于乙醚極易揮發(fā)，萃取時間越長乙醚揮發(fā)越多，相當(dāng)于乙醚的總用量減少得越多;而且萃取次數(shù)越多，能耗亦成倍增加，提取時間也越長。從能耗和時間上考慮，提取次數(shù)越少越好，故提取次數(shù)為1次。

表2 萃取次數(shù)對甾醇產(chǎn)量的影響

2.2.6 溶劑的回收

試驗(yàn)表明氫氧化鈉－乙醇溶液中的乙醇回收率為89%左右。乙醇損失是由于揮發(fā)到大氣中、減壓蒸餾時沒有全部冷凝而被抽到真空泵溶于水中、減壓蒸餾時未完全蒸出而留在皂化產(chǎn)物中等。

乙醚的回收率為94%左右。乙醚損失是由于在操作過程中的揮發(fā)。可以采取降低冷卻水溫度的方法來提高乙醚的回收率。預(yù)計(jì)工業(yè)化生產(chǎn)時回收率會比試驗(yàn)值要高。

2.2.7 回收的試劑與新鮮的試劑比較

考慮到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該將溶劑和萃取劑回收循環(huán)利用，做了回收試劑與新鮮試劑的對比，試驗(yàn)用回收乙醇配氫氧化鈉－乙醇溶液，用回收乙醚作萃取劑，結(jié)果見表3?；厥盏脑噭┖托迈r的試劑試驗(yàn)結(jié)果相差很小，試劑回收與重新利用是可行的。以下試驗(yàn)采用回收的乙醇、乙醚。

表3 回收試劑對比試驗(yàn)結(jié)果

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化植物甾醇提取工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box－Behnken設(shè)計(jì)，以甾醇產(chǎn)量為響應(yīng)值Y(mg/10 mL)，選取對甾醇產(chǎn)量影響較大的液料比、反應(yīng)時間和萃取劑用量3因素對應(yīng) 3個獨(dú)立變量 X1、X2和 X3，提取溫度93℃，提取1次，進(jìn)行條件優(yōu)化。試驗(yàn)因素見表4，所得結(jié)果見表5。

表4 試驗(yàn)因素水平編碼

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design－Expert7.1.6將表5的結(jié)果進(jìn)行了擬合，得到了按實(shí)際值計(jì)的擬合方程:

Y= －288.790+19.310X1+1.845X2+4.194X3+0.031X1X2+0.128X1X3+0.007X2X3－ 3.100X21－0.029X22－0.025X23

試驗(yàn)的方差分析見表6。

表6 回歸模型方差分析

從表 6 可知，方程的 F 值為 14.10，F(xiàn) ＞ f0.01(9，7)=5.61，說明因變量和全體自變量之間的線性關(guān)系顯著;模型的R2=0.947 7，說明擬合程度較高，即試驗(yàn)方法是可靠的。

由RSM預(yù)測最高產(chǎn)量23.20 mg，條件是 X1=5.48∶1，X2=46.88 min，X3=102.95 mL。因此用菜籽毛油提取甾醇的最佳工藝條件為:液料比5.48∶1，反應(yīng)時間 46.88 min，萃取劑用量 102.95 mL，反應(yīng)溫度93℃，萃取1次。

響應(yīng)曲面圖及其等高線圖見圖5～圖7?？煽闯觯?個響應(yīng)曲面均為開口向下的凸形曲面，X1、X2和X33個因素與甾醇產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系，且在考察范圍內(nèi)存在響應(yīng)值(甾醇產(chǎn)量)的極高值。

圖5 Y=f(X1，X2)的等高線圖與響應(yīng)面

為檢驗(yàn)RSM法的可靠性，采用上述最優(yōu)提取條件進(jìn)行植物甾醇的提取試驗(yàn)，考慮到實(shí)際操作的方便，將條件修正為液料比5.5∶1，反應(yīng)時間47 min，萃取劑用量103 mL，提取1次，反應(yīng)溫度93℃，平行3次試驗(yàn)。實(shí)際測得10 mL原油的甾醇產(chǎn)量平均值為22.86 mg，與理論預(yù)測值相比，相對誤差是－1.47%。因此，采用RSM法優(yōu)化得到的工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

由單因素考察得到菜籽毛油植物甾醇的初步提取工藝條件為:液料比5∶1，反應(yīng)時間45 min，反應(yīng)溫度93℃，萃取劑用量100 mL，提取1次，試劑回收循環(huán)使用可行。

響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳提取工藝條件為:液料比 5.5∶1，反應(yīng)時間47 min，萃取劑用量 103 mL，反應(yīng)溫度93℃，提取1次，10 mL原油的甾醇理論產(chǎn)量可達(dá)到 23.20 mg，驗(yàn)證試驗(yàn)值為 22.86 mg，與理論值相對誤差為－1.47%。

菜籽毛油植物甾醇提取的優(yōu)化數(shù)學(xué)回歸模型:

Y= －288.790+19.310X1+1.845X2+4.194X3+0.031X1X2+0.128X1X3+0.007X2X3－ 3.100X21－0.029X22－0.025X2

3

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Optimization for Extraction of Phytosterol from Crude Rapeseed Oil by Response Surface Methodology

Zhu Aishi Li Luchuan
(School of Biological and Chemical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023)

To optimize the extraction technology of phytosterols from crude rapeseed oil，the phytosterol yield of 10 mL crude rapeseed oil was taken as an index，and liquid － material ratio，extraction time，extractant volume，extraction temperature，extraction times and reagent recovery were investigated.Based on the single factor experiment，the effects of liquid － material ratio，extraction time and extractant volume on the phytosterol yield were optimized with Response Surface Methodology(RSM).A mathematical model was established and analyzed to describe the relationship between the studied factors and the response of the phytosterol yield.The result showed that the optimum extraction conditions were as follows:the liquid － material ratio was 5.5∶1，the time of extraction was 47 min，the reaction temperature was 93 ℃，the extractant volume was 103 mL，and the extraction times was once.Under the optimum conditions，the theoretical phytosterols yield of 10 mL crude rapeseed oil was 23.20 mg，and the corroboration experimental yield was 22.86 mg.The relative error was－1.47%compared with theoretical value.

crude rapeseed oil，phytosterols，extraction，response surface methodology，optimization

TQ645.9+8;TQ028.4

A

1003－0174(2011)07－0063－05

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2007C21063)

2010－09－04

諸愛士，男，1966年出生，副教授，農(nóng)產(chǎn)品加工