全 文 ：2008年 1月
第 23卷第 1期
中国粮油学报
JournaloftheChineseCerealsandOilsAssociation
Vol.23, No.1
Jan.2008
超临界 CO2 萃取杏仁油的响应面优化
许　晖　孙兰萍　张　斌　赵大庆
(蚌埠学院食品与生物工程系 ,蚌埠　233030)
摘　要　在单因素试验研究的基础上 ,采用 Box-Behnken响应曲面法(responsesurfacemethodology,
RSM)对影响杏仁油超临界 CO2(supercriticalcarbondioxide, SC-CO2)萃取的关键因素 CO2流速 、压力 、温度
和夹带剂浓度(乙醇)进行了优化探讨 。结果表明 , CO2流速 、压力 、温度和乙醇浓度等因素对杏仁油萃取率的
影响较显著 ,并且 CO2流速和压力 、压力和温度以及压力和乙醇浓度对杏仁油萃取率的交互效应影响显著。
由杏仁油萃取率的二次多项式回归方程可知 ,在 CO2流速为 4g/min、压力为 45MPa、温度为 60℃和乙醇浓度
为 3%时萃取 30 min,杏仁油萃取率的最大预测值为 0.371 g/g杏仁 ,与试验值 0.408 g/g杏仁仅有 10%的误
差 ,验证试验证实了该方程的预测值与试验值之间具有较好的拟合度。超临界 CO2萃取的杏仁油与用己烷提
取的油脂在脂肪酸组成没有显著差别 。
关键词　杏仁油　超临界 CO2萃取　提取　响应面
　　超临界 CO2 (Supercriticalcarbondioxide, SC-
CO2)萃取技术是新型的分离技术 ,在油脂萃取和天
然药物有效成分提取分离等研究领域得到了广泛应
用 ,目前已有报道从油料作物和天然药物中如油菜
籽 [ 1] 、花生[ 2] 、胡桃[ 3] 、杜仲 [ 4]等提取分离油脂 。超
临界 CO2萃取与传统提取方法相比具有工艺简单 ,
操作方便等优点 ,可以在近常温的条件下提取分离 ,
几乎保留了物料中全部有效成分 ,产品纯度高 ,对于
提取分离脂溶性物质 、挥发性成分和高热敏性物质
等有效成分具有独特的优势。
响应曲面 法 (Responsesurfacemethodology,
RSM)是统计设计实验技术的合成 , 它包括实验设
计 、建模 、检验模型合适性 、因子效应的评估 、考察以
及寻求因子最佳操作条件[ 5-6] , RSM和传统的数理
统计方法相比[ 7-8] ,它以最经济的方式 ,以较少的实
验次数和较短的时间对所选的实验参数进行全面研
究 ,得出正确结论 ,其优越性已为越来越多的实验工
作者所关注并应用于各种生物处理过程 [ 9 -11] 。
杏仁(Apricotkernel)为蔷薇科落叶乔木植物杏
或山杏等果实的种仁 ,是很好的药食兼用植物蛋白
源 。杏仁的油脂含量达 40%左右 ,主要为不饱和脂
肪酸 ,含量在 94.85%左右 ,其中油酸 70%、亚油酸
25%,对降低血脂和胆固醇 ,促进新陈代谢 ,预防心
收稿日期:2006-09-27
作者简介:许晖 ,男 , 1969年出生 ,副教授 ,食品科学及农产品加工
血管疾病等有较好的作用[ 12-13] 。目前我国对杏仁的
利用主要是杏仁饮料 、杏仁功能性食品 [ 14-15]等 ,对杏
仁油的提取报道相对比较少。针对这种情况 ,本研究
采用超临界 CO2萃取技术提取杏仁油 ,在单因素试验
的基础上 ,借助试验设计软件 DesignExpert(version
7.0.2Trial),采用 Box-Behnken响应曲面法对影响杏
仁油萃取的关键因素 CO2流量 、压力 、温度和夹带剂
(乙醇)浓度进行了初步的研究 ,从而为更好地利用我
国杏仁资源 ,推进超临界 CO2萃取杏仁油技术在生产
上的应用 ,提供实验基础和参考数据 。
1　材料与方法
1.1　材料
杏仁:市售 ,水分含量为 4.8%,含油质量分数为
43.6%。萃取前将杏仁粉碎过 40目备用 。
CO2:纯度 99.5%,蚌埠市天源气体有限责任公
司。
1.2　仪器设备
HL-1L/50MPa-ⅡB型超临界 CO2萃取装置:杭州
华黎泵业公司;JFSD-100型粉碎机;ZK072型电热真空
干燥箱;SARTORIUS-BS21S电子天平;DHS20-1型多
功能红外水分仪;HP6890气相色谱仪。
1.3　试验方法
1.3.1　超临界 CO2萃取杏仁油的工艺流程
杏仁※除杂※清洗※干制※粉碎※过筛※称量
中国粮油学报 2008年第 1期
※装料※超临界 CO2萃取※减压分离※杏仁油※离
心分离 、精滤※成品油脂
杏仁油萃取率(g/g杏仁)=萃取油脂重量 /原料
重量
1.3.2　索氏提取法测定杏仁含油量
准确称取杏仁粉 5.0 g,在索氏抽提器中用己烷
回流 7 ～ 8h后得油样 ,测定原料油脂含量。
1.3.3　杏仁油脂肪酸组成的测定
采用 HP6890气相色谱仪 ,测定依据 NY/SP119。
1.4　试验设计
基于第一阶段实验结果 ,该阶段实验研究采用
Box-Behnken响应面设计法 ,对影响杏仁油萃取的
关键因素进行研究和探索 ,以获得杏仁油萃取的最
佳工艺条件参数 。试验辅助软件为 DesignExpert
(version7.0.2Trial)。
由单因素试验结果得知 ,影响杏仁油萃取的关
键因素为 CO2 流速 、萃取压力 、萃取温度和夹带剂
(乙醇)的浓度 ,因此在本阶段研究中实际考察的变
量为 CO2流速 、压力 、温度和乙醇浓度 ,分别以 A、B、
C和 D代表 ,每个自变量的低 、中 、高试验水平编码
分别为 -1、0、1,试验因素水平及编码如表 1所示 ,
且真实值与编码值符合方程(1)。
A=(CO2流速 -3)/1;B=(压力 -37.5)/7.5;
C=(温度 -50)/10;D=(乙醇浓度 -1.5)/1.5 (1)
表 1　Box-Behnken设计试验因素水平及编码
自变量 代码 编码水平-1 0 1
CO2 流速 /(g/min) A 2 3 4
压力 /MPa B 30 37.5 45
温度 /℃ C 40 50 60
乙醇浓度 /% D 0 1.5 3
　　按照 Box-Behnken试验设计的统计学要求 ,需
要进行 27组试验 ,试验设计如表 2所示。
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程
为:
Y=a0 +a1A+a2B+a3C+a4D+a11A2 +a22B2 +
a33C2 +a44D2 +a12AB+a13AC+a14AD+a23BC+a24BD
+a34CD (2)
式中 Y为预测响应值 ,即杏仁油萃取率(以 g/g
杏仁)的预测值;a0为线性系数;aij为二次项系数。
2　结果与讨论
根据相关参考文献 [ 16 -17]可知 ,杏仁油的超
临界 CO2萃取过程由三个阶段构成 ,即游离溶质的
快速萃取阶段 、表面和内部扩散的过渡阶段 、内部扩
散为主的缓慢萃取阶段。其中 ,快速萃取阶段时间
历程的长短 ,主要受到杏仁油在超临界 CO2中的溶
解度和杏仁颗粒细度的大小两个因素的制约 ,大部
分杏仁油可在此阶段被萃取出来的;缓慢萃取阶段
主要萃取杏仁的结合油脂 ,受到油脂在杏仁内部的
扩散速率影响 ,和快速萃取阶段相比 ,此阶段的萃取
率较小。在本研究条件下 ,当杏仁颗粒的粉碎度为
40目时 ,在快速萃取阶段 , 85%的杏仁油 (相当于
0.37 g/g杏仁)可被提取出来。通常在快速萃取阶
段 ,萃取率是稳定不变的 ,但萃取时间也受到其它萃
取参数的影响 ,因此在快速萃取阶段 ,假设萃取时间
为 15 min。表 2中杏仁油萃取率试验值是经过萃取
时间为 15 min得到的 ,其数值小于 0.37 g/g杏仁 ,说
明了此萃取操作是可行的。
2.1　模型方程的建立与显著性检验
试验设计及结果见表 2,利用 DesignExpert软
件 ,通过表 2中杏仁油萃取率试验数据对方程(2)进
行多元回归拟合 ,得到杏仁油萃取率对编码自变量
CO2流速 、压力 、温度和乙醇浓度的二次多项回归方
程(3):
Y=0.11+0.039 A+0.043 B+0.015 C+0.017
D+0.019 AB-0.000 25 AC+0.004 25 AD+0.016
BC+0.007 5BD+0.004 5 CD (3)
方程(3)的方差分析如表 3所示 ,由此可以看出
本实验所选用模型高度显著(P<0.000 1),拟合优
度好 ,预测值与试验值之间具有高度的相关性(相关
系数 R=0.992 4),仅有约 7%的杏仁油萃取率变异
不能由该模型解释(R2Adj=0.933 5)。
方程(3)的回归系数显著性检验表明:因素 A、
B、C和 D对杏仁油萃取率的线性效应皆显著;而
AB、BC和 BD对杏仁油萃取率的交互效应影响显
著 , AC、AD和 CD对其交互效应影响不显著 ,见表 4。
根据方差分析和回归方程系数显著性检验的结
果 ,将差异不显著的因子剔除后得到回归方程为:
Y=0.11+0.039 A+0.043 B+0.015 C+0.017
D+0.019 AB+0.016 BC+0.007 5BD (4)
2.2　杏仁油萃取率响应面分析与优化
通过方程(3)所作的响应曲面图及其等高线图
见图 1和图 2。图 1显示了在 CO2流速为 2 g/min(A
=-1)和没有乙醇(D=-1)时 ,压力与温度对杏仁
油萃取率的交互影响效应 。由图 1可以看出 , 在较
94
第 23卷第 1期 许　晖等　超临界 CO2萃取杏仁油的响应面优化
表 2　Box-Behnken试验设计以及杏仁油萃取率的试验值与预测值
组别 A B C D 流速(g/min)
压力
(MPa)
温度
(℃)
乙醇浓度
(%)
萃取率(g/g杏仁)
试验值 预测值
1 -1 -1 0 0 2 30 50 1.5 0.042 0.044
2 1 -1 0 0 4 30 50 1.5 0.086 0.084
3 -1 1 0 0 2 45 50 1.5 0.095 0.091
4 1 1 0 0 4 45 50 1.5 0.216 0.208
5 0 0 -1 -1 3 37.5 40 0 0.080 0.079
6 0 0 1 -1 3 37.5 60 0 0.104 0.100
7 0 0 -1 1 3 37.5 40 3.0 0.114 0.104
8 0 0 1 1 3 37.5 60 3.0 0.156 0.143
9 -1 0 -1 0 2 37.5 40 1.5 0.055 0.052
10 1 0 -1 0 4 37.5 40 1.5 0.142 0.131
11 -1 0 1 0 2 37.5 60 1.5 0.077 0.083
12 1 0 1 0 4 37.5 60 1.5 0.163 0.161
13 0 -1 0 -1 3 30 50 0 0.061 0.054
14 0 1 0 -1 3 45 50 0 0.132 0.125
15 0 -1 0 1 3 30 50 3.0 0.084 0.073
16 0 1 0 1 3 45 50 3.0 0.185 0.174
17 -1 0 0 -1 2 37.5 50 0 0.060 0.055
18 1 0 0 -1 4 37.5 50 0 0.118 0.125
19 -1 0 0 1 2 37.5 50 3.0 0.071 0.080
20 1 0 0 1 4 37.5 50 3.0 0.146 0.167
21 0 -1 -1 0 3 30 40 1.5 0.060 0.065
22 0 1 -1 0 3 45 40 1.5 0.108 0.118
23 0 -1 1 0 3 30 60 1.5 0.065 0.063
24 0 1 1 0 3 45 60 1.5 0.178 0.181
25 0 0 0 0 3 37.5 50 1.5 0.091 0.107
26 0 0 0 0 3 37.5 50 1.5 0.096 0.107
27 0 0 0 0 3 37.5 50 1.5 0.094 0.107
　　注:萃取时间为 15min。
表 3　杏仁油萃取率二次多项式模型方差分析表
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 0.050 10 0.004 978 37.53 <0.000 1
失拟项 0.002 11 14 0.000 150 7 23.79 0.041 0
误差项 0.000 012 67 2 0.000 006 333
总和 0.052 122 67 26
R2 =0.989 1, R2Adj=0.933 5, R=0.992 4
表 4　杏仁油萃取率回归方程系数显著性检验
变异来源 系数估计 标准误 F值 P值
常数项 0.110 0.002
A-CO2
流速(g/min) 0.039 0.006 139.36 <0.000 1
B-压力(MPa) 0.043 0.006 167.26 <0.000 1
C-温度(℃) 0.015 0.006 21.27 0.000 3
D-乙醇
浓度(%) 0.017 0.006 25.38 0.000 1
AB 0.019 0.006 11.17 0.004 1
AC 0.006 0.002 0.965 9
AD 0.004 0.006 0.54 0.471 2
BC 0.016 0.006 7.96 0.012 3
BD 0.007 0.006 1.70 0.211 2
CD 0.004 0.006 0.61 0.446 0
的萃取压力下 ,温度对杏仁油萃取率的影响较显著 ,
随着压力逐渐降低 ,温度对萃取率影响业随之降低 。
当萃取压力为 45 MPa时 ,温度从 40 ℃增加到 60℃
时 , 杏仁油萃取率则从 0.044 g/g杏仁增加到
0.098g/g杏仁;而在 33.75 MPa时 , 萃取率仅从
0.044g/g杏仁增加到 0.048 g/g杏仁 。另外也可看
出 ,在较高的萃取温度下 ,压力对杏仁油萃取率的影
响也较显著 ,当温度在 40 ℃时 ,压力从 30 MPa增加
到 45 MPa时 , 萃取率仅从 0.043 g/g杏仁增加到
0.044g/g杏仁 ,但是在 60 ℃时 ,萃取率则从 0.033
g/g杏仁增加到 0.098 g/g杏仁。
图 2显示了在压力为 30MPa(B=-1)和温度为
40℃(C=-1)时 , CO2流速与乙醇浓度对杏仁油萃取
率的交互影响效应。由图 1可以看出 ,在没有乙醇存
在时 ,当 CO2流速从 2g/min增加到 4g/min时 ,杏仁
油萃取率从 0.044g/g杏仁增加到 0.076g/g杏仁;当
CO2中有 3%乙醇存在时 ,则萃取率从 0.044 g/g杏
仁增加到 0.094g/g杏仁 ,说明夹带剂的存在有利
95
中国粮油学报 2008年第 1期
于杏仁油的萃取 。
2.3　模型方程的验证
由回归方程(4)可知 ,当萃取参数 CO2流速为 4
g/min、压力为 45 MPa、温度为 60 ℃和乙醇浓度为
3%时 ,萃取时间为 15 min时 ,杏仁油萃取率最大预
测值为 0.267 g/g杏仁;萃取时间为 30 min时 ,杏仁
油萃取率预测值为 0.371 g/g杏仁 。
为了验证杏仁油萃取率模型方程 (4)的合适性
和有效性 ,选择萃取压力为 45MPa、温度为 60 ℃、乙
醇浓度为 3%, CO2流速分别为 3 g/min和 4 g/min,
进行超临界 CO2萃取杏仁油的试验 ,杏仁油萃取率
与 CO2流速的关系如图 3所示 。由图 3可以看出 ,
在 CO2流速为 3g/min时萃取时间分别为 1 5min和
图 3　CO2流速对杏仁油萃取率的影响
30 min后 ,杏仁油萃取率试验值分别为 0.231g/g杏
仁和 0.367g/g杏仁;在 CO2流速为 4 g/min时萃取
96
第 23卷第 1期 许　晖等　超临界 CO2萃取杏仁油的响应面优化
时间为 30 min后 ,杏仁油萃取率的试验值为 0.408
g/g杏仁 ,与回归方程(4)杏仁油萃取率最大预测值
0.371 g/g杏仁仅有 10%的误差 ,说明了回归方程
(4)的预测值与试验值之间具有较好的拟合度 。
为了得到更加使用方便的回归方程 ,便于将萃
取工艺参数直接带入回归方程来计算杏仁油萃取
率 ,将方程(1)带入方程(4),得到方程(5):
Y=0.408 5-0.056 Q-0.013 524 P-0.006 5
T-0.013 67 C+0.002 533 QP+0.000 213 PT+
0.000 66PC (5)
式中 Q为 CO2流速 /(g/min)、P为压力 /MPa、T
为温度 /℃、C为乙醇浓度 /%。
2.4　超临界 CO2萃取杏仁油脂肪酸组成
取超临界 CO2萃取杏仁油 ,用气相色谱分析其
脂肪酸构成 ,并与己烷提取所得杏仁油进行比较 ,其
分析结果如表 5所示。由表 5可见 ,超临界 CO2萃
取的杏仁油在脂肪酸组成和含量上与用己烷提取的
油脂没有显著差别。
表 5　超临界 CO2 萃取和己烷提取杏仁油脂肪酸组成 /%
脂肪酸 己烷提取杏仁油
超临界 CO2萃
取杏仁油
棕榈酸 5.04 5.32
棕榈油酸 0.54 0.67
硬脂酸 1.12 1.26
油酸 67.64 66.54
亚油酸 25.57 26.14
3　结论
利用统计学方法建立了超临界 CO2萃取杏仁油
的二次多项数学模型。通过对模型方程的 3 -D图
及其等高线图进行分析 ,获得了影响杏仁油萃取率
的最佳萃取条件 ,并利用模型方程对杏仁油萃取率
进行了预测 。
由二次多项回归系数显著性检验表明:萃取因
素 CO2流速 、压力 、温度和乙醇浓度对杏仁油萃取率
的线性效应皆显著;而 CO2流速与压力 、压力和温度
以及压力和乙醇浓度对杏仁油萃取率的交互效应影
响显著 , CO2流速和温度 、CO2流速和乙醇浓度以及
温度和乙醇浓度对其交互效应影响不显著。杏仁油
超临界 CO2萃取的最佳萃取条件是:CO2流速为 2 ～
4 g/min、压力为 30 ～ 45 MPa、温度为 50 ～ 60 ℃和乙
醇浓度为 3%时 ,并且在此萃取条件范围内 ,杏仁油
萃取率随着上述萃取工艺参数的增加而增加。
由杏仁油萃取率的二次多项式回归方程可知 ,
在 CO2流速为 4g/min、压力为 45 MPa、温度为 60℃
和乙醇浓度为 3%时萃取 30min后 ,杏仁油萃取率的
最大预测值为 0.371 g/g杏仁 ,与试验值 0.408 g/g
杏仁仅有 10%的误差 ,验证试验证实了该方程的预
测值与试验值之间具有较好的拟合度 。
超临界 CO2萃取的杏仁油在脂肪酸组成和含量
上与其他方法提取的油脂没有显著差别 ,其不饱和
脂肪酸含量较高。
研究结果证明 ,采用 Box-Behnken统计学试验
设计方法对杏仁油超临界 CO2萃取条件进行优化 ,
不仅科学合理 ,而且快速有效 。
参　考　文　献
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XuHui　SunLanping　ZhangBin　ZhaoDaqing
(DepartmentofFoodandBioengineering, BengbuColege, Bengbu　233030)
Abstract　Theresponsesurfacemethodologybasedonathree-levelfour-factorBox-Behnkenexperimental
designwasusedtooptimizethealmondoilextractionwithsupercriticalcarbondioxide(SC-CO2).Thecriticalfac-
torsselectedwithprevioussingle-factortestsweresolventflowrate, presure, temperature, andcosolvent(ethanol)
concentration.Resultsindicatethataltheparameters, aswelastheinteractionbetweensolventflowrateandpres-
sure, theinteractionbetweenpressureandtemperature, andtheinteractionbetweenpressureandethanolconcentra-
tionhavesignificantefectsontheoilyield.Theoilyieldwasrepresentedbyasecond-degreepolynomialequation.
Thepredictedmaximumoilyieldbasedontheresponsesurfaceequationwasobtainedas0.371g/gkernelfor30min
extractionwith4g/minsolventflowratecontaining3wt% ethanolat45MPaand60℃, onlya10% errorcompared
withtheexperimentaloilyield(0.408g/gkernel).Theexperimentaldataundervariousconditionsvalidatethetheo-
reticalvalues.ThefatyacidcompositionofthealmondoilextractedbySC-CO2 issimilarwiththatextractedby
hexane.
Keywords　almondoil, supercriticalcarbondioxide, extraction, responsesurfacemethodology
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