响应面法优化火麻仁油冷榨提取工艺

周鸿翔，黄小焕，王广莉，邱树毅，程艳波

响应面法优化火麻仁油冷榨提取工艺

周鸿翔，黄小焕，王广莉，邱树毅*，程艳波

(贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550003)

目的：得到高品质、纯天然火麻仁油及保留饼粕中蛋白质的天然生物活性。方法：采用冷榨法提取火麻仁油，在单因素试验基础上，采用响应面法对提取工艺参数进行优化。建立入榨水分含量、入榨温度、压榨压力、压榨时间与火麻仁油提取率之间的数学模型。采用气相色谱法测定、面积归一化法分析所提取火麻仁油脂肪酸组成及含量。结果：通过典型性分析得出最优工艺条件为入榨水分含量4.5%、入榨温度59℃、压榨压力40MPa、压榨时间36min，在此最佳工艺条件下火麻仁油提取率可达82.74%。脂肪酸测定表明火麻仁冷榨油富含亚油酸、亚麻酸、油酸、花生四烯酸等不饱和脂肪酸，其总含量高达89.80%。结论：将响应面分析法应用于冷榨提取火麻仁油工艺条件优化，获得良好效果。火麻仁冷榨油不饱和脂肪酸含量高，是一种具有高营养保健价值的功能性油脂。

火麻仁油；冷榨；响应面分析；气相色谱；脂肪酸

火麻仁是桑科植物大麻(Cannabis sativa L.)的干燥成熟种仁，是典型的药食同源作物，在中国作为药食同源已经有3000多年的历史[1]。火麻仁含脂肪油、蛋白质、纤维素、维生素、矿物质等多种营养成分[2]。火麻仁油含脂肪酸、酮、醇、烃等物质，脂肪酸占总含量的99.12%，其中不饱和脂肪酸(油酸、亚油酸、亚麻酸等)含量超过80%[3]。现代医学研究表明，不饱和脂肪酸具有抗氧化[4]、抗自由基、抗肿瘤、增强免疫的作用，可明显降低高密度脂蛋白血清胆固醇作用，进而减少高血压、心脏病及中风等疾病的发病率[5]。不同制油方法对火麻仁油得率、品质、脂肪酸组成均会造成影响，压榨法是传统的榨油方法，包括热榨法和冷榨法两种，冷榨可保存油料中的天然成分和生理活性物质、杂质少、无污染。热榨有蒸炒等工序，其脂肪酸经高温处理发生氧化分解，导致其含量下降，蛋白质经高温处理发生严重变性，维生素矿物质等也会受到不同程度的影响[6]。冷榨不仅可以得到高品质纯天然的油脂且不会对饼粕蛋白造成变性等影响，可大大提高饼粕的综合利用率。

本研究以去壳火麻仁为原料，采用液压压榨法冷榨提取火麻仁油，在单因素试验基础上，选择B o x-Behnken设计和响应面分析方法，研究入榨水分、入榨温度、压榨压力、压榨时间对火麻仁油提取率影响及它们之间的交互作用，从而确定液压压榨法提取火麻仁油的最佳工艺，以期为冷榨法提取火麻仁油工艺研究开发提供借鉴，找到一种简便、天然的提油方法。同时采用气相色谱测定所提取火麻仁冷榨油脂肪酸组成及含量，为火麻仁冷榨油的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

去壳火麻仁 山东省汶上县忠金鑫中药材加工厂。

50T小型香油液压压榨机 德州市恒翔机械制造厂；MB23水分分析仪 奥豪斯仪器(上海)有限公司；DJ-300J电子天平 莆田市亚太计量仪器有限公司；GZX-9070ME数显鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；HPX-9162数显电热培养箱 MBE上海博迅实业有限公司医疗设备厂；医用脱脂纱布 遵义联盟医用器材有限公司；GC-2014C型气相色谱仪 日本岛津公司；柱子(LD-FFAP 30m×0.53mm，0.53μm) 贵州莱德色谱有限公司。

1.2 方法

1.2.1 火麻仁油冷榨工艺

工艺流程：去壳火麻仁→水分调节→恒温处理→包扎→压榨→火麻仁冷榨油。

称取330g去壳火麻仁于50℃恒温干燥箱中干燥一定时间，调节入榨水分，然后从中称取300g分装于自封袋中，置于一定温度的恒温干燥箱中保温1h，迅速用医用脱脂纱布包扎，称量火麻仁和纱布总质量，使用小型香油液压压榨机进行压榨，压榨完成后称量纱布和饼粕的总质量，计算可得榨出油的质量，计算火麻仁油提取率。

式中：m1为压榨前火麻仁和纱布总质量/g；m2为压榨后饼粕和纱布总质量/g；m为300g火麻仁中所含的油质量/g。

1.2.2 火麻仁油冷榨工艺优化试验设计

单因素试验：在固定入榨水分含量4.8%、入榨温度50℃、压榨压力30MPa、压榨时间30min条件下，分别考察入榨水分3.2%、4.0%、4.8%、5.6%、6.4%、7.2%，入榨温度35、40、45、50、55、60℃，压榨压力10、20、30、40、50MPa，压榨时间10、20、30、40、50、60min各单因素对火麻仁油提取率的影响。

响应面法试验：在单因素试验的基础上，选择榨水分含量、入榨温度、压榨压力、压榨时间4因素为自变量，以火麻仁油提取率为响应值，设计4因素3水平试验，优化火麻仁油冷榨工艺。

1.2.3 火麻仁冷榨油肪酸测定方法

采用气相色谱法测定、面积归一化法分析火麻仁冷榨油中脂肪酸种类及相对含量。

1.2.4 气相色谱法测定条件

进样口温度：250℃；检测器温度280℃；柱温：180℃保持2min，以10℃/min升到230℃保持15min；分流比：20∶1；进样量：2μL；氢气压力：55kPa；空气压力：55kPa。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 入榨水分含量影响

图1 水分含量对火麻仁油提取率的影响Fig.1 Effect of raw material water content on oil yield

由图1可知，随着水分含量的增加，火麻仁油提取率缓慢增加，当水分含量为4.8%时，提取率达到最大值，之后随着水分含量的增加，提取率显著下降。这是因为，水分对油料的弹性、塑性、机械强度、导热性、组织结构等物理性质产生影响，随着水分含量的增加，可塑性也逐渐增加。当水分达到某一点时，压榨出油情况最佳，一旦略微超过此含量，则会产生很剧烈的“挤出”现象，即“突变”现象。另一方面，如果水分略低，也会使可塑性突然降低，使粒子结合松散，不利于油榨出[7]。所以，最终选择水分含量4.8%为入榨最佳水分。

2.1.2 入榨温度影响

图2 入榨温度对火麻仁油提取率的影响Fig.2 Effect of pressing temperature on oil yield

由图2可知，随着入榨温度的增加，火麻仁油提取率呈上升趋势，这是因为榨料加热，可塑性提高；榨料冷却，则可塑性降低。压榨时，若温度显著降低，则榨料粒子结合就不好，所得饼块松散不易成型。但是，温度也不宜过高，否则将会因高温而使某些物质分解成气体或产生焦味，同时会造成饼粕中蛋白质变性。本实验为冷榨法提取火麻仁油，温度不能高于65℃，综合考虑效能和能耗，最终选择55℃为入榨温度。

2.1.3 压榨压力影响

图3 压榨压力对火麻仁油提取率的影响Fig.3 Effect of pressing pressure on oil yield

由图3可知，随着压力的升高，压力小于30MPa时火麻仁油提取率显著增加，当压力大于30MPa后，增长趋势缓慢，综合考虑能耗和动力等因素，选用30MPa为压榨压力较为适宜。

2.1.4 压榨时间影响

图4 压榨时间对火麻仁油提取率之间的影响Fig.4 Effect of pressing time on oil yield

由图4可知，压榨时间小于30min时，提取率增加较明显，但时间大于30min增加趋势缓慢。通常，压榨时间长，提取率高。然而，压榨时间过长，榨料温度的降低同样会影响提取率，还会降低设备的生产效率。综合考虑以上因素，本实验选用30min为最终压榨时间。

2.1.5 响应面法优化冷榨工艺参数

根据单因素试验结果，采用响应面设计，应用Box-Behnken设计原理[8-9]，选取入榨水分含量(X1)、入榨温度(X2)、压榨压力(X3)、压榨时间(X4)4个因素为自变量，每个因素取3个水平，以－1、0、1编码，以火麻仁油提取率为响应值，设计4因素3水平试验，试验因素与水平设计见表1。

表1 火麻仁油冷榨提取工艺优化Box-Behnken设计试验因素水平表Table 1 Independent variables and their coded levels used in Box-Behnken experimental design

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 数据分析

表2 火麻仁油冷榨提取工艺优化Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Box-Behnken experimental design protocol and corresponding results

根据表2方案进行响应面试验，在29个试验中，试验1～24为析因试验，24个析因点为自变量取值在X1、X2、X3、X4所构成的三维定点；25～29为中心零点试验，零点试验重复5次，用于估计试验误差。采用Design-Expert 8.05软件对所得数据进行回归分析，分析结果见表3。

图5 入榨水分含量与压榨压力交互影响火麻仁油提取率曲面图和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots indicating the effects of raw material water content and pressing pressure on oil yield

表3 回归方程的回归分析Table 3 Analysis of variance for the established regression equation

由表3可知，一次项中X1、X2、X3、X4偏回归系数均极显著，说明入榨水分含量、入榨温度、压榨压力、压榨时间对火麻仁油提取率均具有显著性影响。交互项中X1X3和X1X4达极显著水平。二次项中X12、X42偏回归系数达极显著水平。失拟项P＞0.05，差异不显著，说明残差均由随机误差引起。R2＝0.9723，说明响应值的变化有97.23%来源于所选变量，即入榨水分含量、入榨温度、压榨压力、压榨时间。由回归分析可知，影响火麻仁油提取率为：压榨压力＞压榨时间＞入榨水分含量＞入榨温度。

2.2.2 RSM分析各因素的影响

响应面图形是响应值对各因素所构成的三维空间曲面图，在方差分析的基础上，利用Design Expert绘制交互显著项X1X3、X1X4的交互作用曲面图和等高线图，如图5、6所示，等高线图呈椭圆形表示两者交互显著[8,10]，这与回归分析结果一致。

图6 入榨水分含量与压榨时间交互影响火麻仁油提取率曲面图和等高线图Fig.6 Response surface and contour plot indicating the effects of raw material water content and pressing time on oil yield

2.2.3 火麻仁油提取率最佳工艺条件确定

利用Design-Exper 8.05软件对响应值与各因素进行多元回归拟合，得到与火麻仁油提取率为响应值的函数二次回归方程：

通过软件Design-Expert 8.05求解方程，得出了最优冷榨法提取火麻仁油的工艺条件为入榨水分含量4.53%、入榨温度58.99℃、压榨压力39.94MPa、压榨时间36.44min。考虑到实际操作的可行性，将冷榨提取火麻仁油的最佳工艺条件修正为入榨水分含量4.5%、入榨温度59℃、压榨压力40MPa、压榨时间36min。由回归方程预测冷榨提取火麻仁油理论提取率可达83.00%。为检验结果的可靠性，采用修正条件进行3次平行验证实验，结果得出火麻仁油的实际平均提取率为82.74%，与理论预测值83.00%基本吻合，说明该方程与实际情况拟合较好，充分验证所建模型的正确性。因此，利用响应面分析法优化得到的火麻仁油提取工艺参数真实可靠，具有实用价值。

2.3 火麻仁冷榨油肪酸测定及结果

测定图谱见图7，脂肪酸组成见表4。

图7 火麻仁油脂肪酸组成图谱Fig.7 GC chromatogram of fatty acid composition of hemp seed oil

表4 火麻仁油脂肪酸组成及含量Table 4 Fatty acids and contents in hemp seed oil

由表4可知，火麻仁冷榨油中脂肪酸主要以棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生酸、花生烯酸为主，其中亚油酸含量高达57.85%、亚麻酸18.42%、油酸13.16%。不饱和脂肪酸(亚油酸、亚麻酸、油酸、花生四烯酸、棕榈油酸等)总含量高达89.80%，高于周永红[11]所报道的使用石油醚浸提火麻仁油不饱和脂肪酸含量(86.04%)。其中亚油酸含量基本相同(58.66%)，但亚麻酸(14.01%)和油酸(10.14%)均低于冷榨提取火麻仁油含量。最近的研究表明，亚油酸与亚麻酸的比例为2∶1～3∶1对人体是最平衡的，心血管疾病的发病率最低[12-13]。由以上分析可得，冷榨提取火麻仁油中亚油酸与亚麻酸比例接近3∶1，而有机溶剂浸提所得火麻仁油的比例却超过了3∶1，所以冷榨火麻仁油对人体更健康。从分析结果看，火麻仁不仅可直接食用，还因其高含量的亚油酸、亚麻酸、油酸等不饱和脂肪酸，可作为制备营养保健油的优质原料，也可将其用于高级护肤品领域[14]，具有很好的开发应用前景。

3 结 论

将响应面分析法应用于冷榨提取火麻仁油工艺条件优化，获得良好效果。结果表明入榨水分含量、入榨温度、压榨压力、压榨时间对火麻仁油提取率均有显著性影响。由模型最优化计算获得最佳提取工艺条件为入榨水分含量4.5%、入榨温度59℃、压榨压力40MPa、压榨时间36min，在此最佳工艺条件下冷榨提取火麻仁油提取率可达82.74%。冷榨提取火麻仁油不仅操作工艺简单，且能得到高品质的油和保留饼粕蛋白质的生物活性。采用气相色谱法测定、面积归一化法分析所提取火麻仁油脂肪酸组成及含量，测定结果表明火麻仁油富含亚油酸、亚麻酸、油酸等不饱和脂肪酸，亚油酸含量高达57.85%、亚麻酸18.42%、油酸13.16%。不饱和脂肪酸总含量达89.80%，较有机溶剂提取所得火麻仁油不饱和脂肪酸含量高，且亚油酸和亚麻酸比例接近3∶1，是一种具有高保健营养价值和药疗功效的功能性油脂，不仅可直接食用，也可作为高血脂、冠状动脉粥样化、心血管病人的长期食疗保健油品、用于护肤品及医疗等领域。

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Optimization of Cold-Pressed Extraction Process for Hemp Seed Oil by Response Surface Methodology

ZHOU Hong-xiang，HUANG Xiao-huan，WANG Guang-li，QIU Shu-yi*，CHENG Yan-bo
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

Objective∶ To obtain high quality, pure, natural hemp seed oil and meanwhile maintain the natural bioactivity of protein retained in hemp seed meal. Methods∶ One-factor-at-a-time design and response surface methodology were applied for the optimization of process parameters for the extraction of hemp seed oil by cold pressed method. A mathematical mode describing oil yield as a function of raw material water content, temperature, pressure and time was set up. The fatty acid composition and purity of hemp seed oil were analyzed by GC and peak area normalization method. Results∶ The optimal process parameters were determined through canonical analysis as follows∶ hemp seeds containing 4.5% water were pressed at 40 MPa and 59 ℃ for 36 min. Under these conditions, the yield of hemp seed oil was up to 82.74%. Hemp seed oil was found to be rich in linoleic acid, linolenic acid, oleic acid, arachidonic acid and other unsaturated fatty acids and have a total unsaturated fatty acids content as high as 89.80%. Conclusion∶ Response surface analysis is effective for optimizing the cold-pressed extraction of hemp seed oil. Hemp seed oil is rich in unsaturated fatty acids and can thus be seen as a functional oil with high nutritional value.

hemp seed oil；cold pressing；response surface methodology (RSM)；gas chromatography (GC)；fatty acid

TS224.3

A

1002-6630(2012)18-0067-06

2011-07-12

周鸿翔(1975—)，男，副教授，本科，研究方向为食品工艺。E-mail：zhou-hx@163.com

*通信作者：邱树毅(1963—)，男，教授，博士，研究方向为应用生物技术。E-mail：shuyiqiu1217@sohu.com