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Optimization of pressurized liquid extraction for pomegranate seed oil by response surface methodology

响应面法优化加压提取石榴籽油工艺



全 文 :第 13卷第 5期
2015年 9月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 5
Sep􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 05􀆰 007
收稿日期:2014-05-22
基金项目:山东省博士基金(BS2009SW033)
作者简介:朱庆书(1970—),男,山东烟台人,实验师,研究方向:化工传质过程;赵文英(联系人),副教授;E⁃mail:wyzhao0059@ aliyun.com
响应面法优化加压提取石榴籽油工艺
朱庆书1,赵文英1,文佑英1,张  娣1,杨  敏2
(1. 青岛科技大学 化工学院,山东 青岛 266042;
2. 青岛市市北区疾病预防控制中心,山东 青岛 266012)
摘  要:以乙醇为溶剂,采用加压溶剂法提取石榴籽油,对其主要影响参数(提取温度、压力、液固比和提取时间)进
行优化研究。 通过响应面法得到的最优提取工艺条件为液固比 33 ∶ 1(mL / g),提取温度 98 ℃,在压力 0􀆰 25 MPa下
提取 30 min。 与加热回流法相比,加压溶剂提取法提取时间缩短 5倍,提取率提高了 2倍。
关键词:石榴籽油;加压溶剂提取;响应面法;优化
中图分类号:R284􀆰 2        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)05-0037-05
Optimization of pressurized liquid extraction for pomegranate
seed oil by response surface methodology
ZHU Qingshu1,ZHAO Wenying1,WEN Youying1,ZHANG Di1,YANG Min2
(1. College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China;
2. Center for Disease Control & Prevention of Shibei District,Qingdao 266012,China)
Abstract:Pressurized liquid extraction (PLE) technology was used to extract pomegranate seed oil from
pomegranate seeds with ethanol. To obtain the highest extraction efficiency,several influential parameters
of PLE procedure (extraction temperature,pressure,solid⁃liquid ratio and time) were studied by response
surface methodology. The optimized process was obtained:ethanol as extraction solvent with a liquid to
solid ratio of 33 ∶ 1,temperature of 98 ℃,pressure of 0􀆰 25 MPa for 30 minutes. Compared with solvent
reflux extraction,PLE got great extraction efficiency with 5⁃fold reduction in extraction time and 2⁃fold
high in extraction yield. The results indicate that PLE with ethanol may be a useful method for extracting
less polar compound from medicinal plants and herbs.
Keywords:pomegranate seed oil; pressurized liquid extraction; response surface methodology; optimization
    石榴籽是石榴汁产业的副产物,含有丰富的油
脂类成分;而石榴籽油的主要成分为石榴酸,质量
分数高达 70%以上[1]。 石榴酸是一种 ω 3 型高度
不饱和脂肪酸,与亚麻酸一样,是补充人体缺乏 ω
3系列不饱和脂肪酸最理想的成分。 目前研究表
明:石榴籽油对于癌症、肥胖症、糖尿病和心脏病等
疾病有预防保健作用[2-3],因此在医药与保健领域
具有很大的应用价值。
从目前石榴籽油提取研究现状来看,除采用
超临界 CO2提取外,其他提取方法如超声辅助、微
波辅助、加热回流提取等,大多采用正己烷、石油
醚等易挥发的有机溶剂进行提取[4-5] ,而这些有机
溶剂常会对环境造成污染。 近年来,加压溶剂提
取(PLE)方法用于植物有效成分的提取引起了人
们的关注[6-7] 。 加压溶剂提取是通过外部施加压
力,使提取溶剂在超过沸点情况下仍然保持液体
状态,使提取溶剂的黏度下降,渗透性增强,有助
于提高提取速率。 同时,高温能改变溶剂的极性
和介电常数,改善溶剂的溶解性能,使乙醇或水用
于替代低极性有机溶剂提取油脂类成分成为
可能。
笔者以乙醇为溶剂,采用加压溶剂方法提取石
榴籽油,并与加热回流法相比较,以期为加压溶剂
提取方法在低极性有效成分提取中的应用提供
依据。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料与仪器
石榴籽购于山东枣庄;无水乙醇,烟台三和化
学试剂有限公司。
Q6J3 W1000A 型高速粉碎机,天津泰斯特仪
器有限公司;加压提取仪,自制;RE 52A 型旋转蒸
发仪,上海亚荣生化仪器厂。
1􀆰 2  加压溶剂提取方法
称取经适当粉碎的石榴籽 10 g 至加压提取罐
中,加入一定量的无水乙醇,密闭提取罐。 连接空
气压缩机,使罐内压力达到预定值后,再打开加热
器,加热到设定温度,保温保压静态提取一段时间,
达到预定提取时间后,降温、减压,提取液过滤,用
旋转蒸发仪回收溶剂后,将油用溶剂洗至已称质量
的小瓶中,挥干溶剂,在室温下称取石榴籽油质量,
计算提取率。
1􀆰 3  加热回流提取方法
称取经适当粉碎的石榴籽 10 g 于圆底烧瓶中,
加入无水乙醇 330 mL,加热至 80 ℃,在微沸状态下
回流 3 h,过滤,经旋转蒸发回收溶剂后,将油分别用
溶剂洗至已称质量的小瓶中,进一步浓缩至无溶
剂,计算所得石榴籽油的量及提取率;所得产品
备用。
1􀆰 4  抗氧化活性测试
精密称取 1,1 二苯基 2 三硝基苯肼自由基
(DPPH·)标准品 1􀆰 5 mg,加入适量甲醇,溶解,并转
移至 100 mL棕色容量瓶中,甲醇定容,得到质量浓
度 0􀆰 015 mg / mL 的混合溶液。 精密量取该溶液 3
mL,加入质量浓度为 1􀆰 0 mg / mL 的样品甲醇溶液
1 mL,暗处放置 30 min,在紫外 可见分光光度计
517 nm处测定吸光度 Ai,以甲醇代替样品测定吸光
度 A0,按式(1)计算 DPPH·清除率(η)。
η = [(A0 - Ai) / A0] × 100% (1)
    同法测定加压提取和加热回流提取石榴籽油
的 DPPH·清除活性。
2  结果与讨论
2􀆰 1  单因素试验
采用单因素方法考察提取温度、压力、液固比
和时间等因素对提取率的影响,结果如图 1所示。
由图 1(a)可知:提取率随温度的升高而升高,
但超过 100 ℃后,提取率有所下降。 提取率升高是
由于升高温度可以使溶剂的溶解能力增强,同时高
温也能使溶剂的密度和黏度降低,使溶剂易于扩散
进入植物细胞内,溶解有效成分。 但过高的温度会
破坏有效成分,使提取率下降。
由图 1(b)可知:提取压力从 0􀆰 15 MPa 升高到
0􀆰 25 MPa,石榴籽油提取率有一定的提高,但压力
从 0􀆰 25 MPa 升高到 0􀆰 35 MPa 时,提取率明显下
降。 通常施加的压力需要足够大以保证在高温下
提取溶剂仍处于液体状态,同时适当加压也有助于
提取溶剂扩散进入细胞内提高提取效率,但压力过
高会使样品颗粒紧密压缩在一起,阻止溶剂扩散渗
透,反而使提取率降低。
由图 1(c)可知:提取溶剂用量增加,增大了细
胞内外有效成分的浓度差,使有效成分提取率提
高。 但当液固比超过 30 ∶ 1 mL / g 时,这种作用的影
响变得不是很明显,而且加入过量的溶剂会使生产
成本增加。
由图 1(d)可知:在 30 min 时提取率达到最高,
但总体上来看,提取率在提取 10 ~ 50 min 内变化
不大。
2􀆰 2  响应面优化实验
在单因素试验基础上,使用 Box⁃Behnken Design
法优化加压提取石榴籽油的主要影响因素,其中由
于提取时间对提取率影响较小,将时间固定在 30
min,而主要考察提取温度、压力和料液比 3 种因素
对提取率的影响,结果见表 1。
采用 Design Expert软件对表 1中实验结果进行
分析(表 2),得到石榴籽油的提取率(Y)与提取温
度(X1)、提取压力(X2)、液固比(X3)之间的二次多
元回归方程:
83 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
图 1  提取温度、压力、液固比和时间对加压提取石榴籽油提取率的影响
Fig􀆰 1  Effects of extraction temperature,pressure,liquid to solid ratio and time in PLE process
on yield of pomegranate seed oil
表 1  响应面设计方案及实验结果
Table 1  Experimental and predicted oil yield obtained from the central composite experimental design
编号 温度 / ℃ 压力 / MPa 液固比 / (mL·g-1) 预测提取率 / % 提取率 / %
1 88(-1) 0􀆰 19(-1) 18 ∶ 1(-1) 23􀆰 6 22􀆰 2
2 112(1) 0􀆰 19(-1) 18 ∶ 1(-1) 24􀆰 5 23􀆰 4
3 88(-1) 0􀆰 31(1) 18 ∶ 1(-1) 24􀆰 6 23􀆰 2
4 112(1) 0􀆰 31(1) 18 ∶ 1(-1) 25􀆰 5 24􀆰 3
5 88(-1) 0􀆰 19(-1) 42 ∶ 1(1) 24􀆰 9 23􀆰 8
6 112(1) 0􀆰 19(-1) 42 ∶ 1(1) 25􀆰 4 24􀆰 5
7 88(-1) 0􀆰 31(1) 42 ∶ 1(1) 25􀆰 1 24􀆰 0
8 112(1) 0􀆰 31(1) 42 ∶ 1(1) 25􀆰 5 24􀆰 7
9 80(-1􀆰 732) 0􀆰 25(0) 30 ∶ 1(0) 22􀆰 4 24􀆰 3
10 120(1􀆰 732) 0􀆰 25(0) 30 ∶ 1(0) 23􀆰 6 24􀆰 8
11 100(0) 0􀆰 15(-1􀆰 732) 30 ∶ 1(0) 24􀆰 2 25􀆰 8
12 100(0) 0􀆰 35(1􀆰 732) 30 ∶ 1(0) 25􀆰 1 26􀆰 6
13 100(0) 0􀆰 25(0) 10 ∶ 1(-1􀆰 732) 26􀆰 5 28􀆰 4
14 100(0) 0􀆰 25(0) 50 ∶ 1(1􀆰 732) 27􀆰 7 28􀆰 9
15~20 100(0) 0􀆰 25(0) 30 ∶ 1(0) 30􀆰 1 29􀆰 4
93  第 5期 朱庆书等:响应面法优化加压提取石榴籽油工艺
    Y = - 181􀆰 791 + 3􀆰 348X1 + 26􀆰 680X2 + 0􀆰 590X2 -
0􀆰 016X22-5􀆰 057X22-0􀆰 006X23
X1、X2和 X3系数为正,说明随提取参数的增加,
提取率也相应增大。 从各参数系数大小可推测出
对提取率的影响从大到小依次为提取压力、温度、
料液比,而交互作用对提取率没有影响。 模型中的
F值为 5􀆰 4,P值为 0􀆰 007 2(<0􀆰 05),表明该回归方
程线性显著;失拟值为 0􀆰 010 8( >0􀆰 01),失拟相不
是非常显著,表明该回归方程拟合程度较好,所建
立的模型可用于该提取过程的模拟。
表 2  回归方程方差分析
Table 2  Analysis of variance (ANOVA) of response
variables for oil yield
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P
模型 134􀆰 85 9 14􀆰 98 5􀆰 4 0􀆰 007 2
残差 27􀆰 64 10 2􀆰 76
失拟相 25􀆰 83 5 5􀆰 17 14􀆰 29 0􀆰 010 8
纯误差 1􀆰 81 5 0􀆰 36
总变异 162􀆰 49 19
根据方程对实验数据进行多项回归拟合,各因
素间交互作用的二次响应面分析见图 2。
由图 2 可知:回归模型存在稳定点,即最大值。
根据模型预测其最佳工艺为提取压力 0􀆰 25 MPa,提
取温度 98 ℃,液固比 33 ∶ 1 mL / g,预测最大提取率
为 25􀆰 5%。 在此条件下,3 次验证实验所得提取率
平均值为 25􀆰 8%,与预测值很接近,更进一步说明
预测模型的可信性。
2􀆰 3  提取方法的比较
以无水乙醇为溶剂,将加压提取石榴籽油的提
取率与加热回流提取相比较(表 3)。 由表 3 可知:
加压提取效率明显高于加热回流提取,提取时间缩
短 5倍,提取率高 2倍。 在常压条件下,加热回流只
能使无水乙醇保持沸腾状态,不能明显改善乙醇的
溶解能力,因而对油脂成分来说不是最佳的提取溶
剂。 石油醚是石榴籽油提取常采用的溶剂,但它是
一种可挥发易燃的液体,对人体也具有一定的危
害。 虽然以石油醚为溶剂,采用超微粉碎法提取石
榴籽油的得率为 34􀆰 9%[8],采用超声提取的提取率
为 29􀆰 0%[5],提取率要高于以乙醇为溶剂的加压溶
剂提取,但避免使用对人体和环境有危害的低极性
有机溶剂,是加压溶剂提取的优势所在。
图 2  各因素对石榴籽油提取率的影响
Fig􀆰 2  Response surfaces and contour plots of pomegranate
seed oil yield affected by extraction pressure,
extraction temperature and liquid to solid ratio
表 3  加压溶剂提取与加热回流提取石榴籽油的比较
Table 3  Comparison of oil yield extracted by
PLE and reflux methods
提取方法 温度 /℃
压力 /
MPa
液固比 /
(mL·g-1)
时间 /

提取率 /

加压溶剂提取 98 0􀆰 25 33 ∶ 1 0􀆰 5 25􀆰 8
加热回流提取 80 0 33 ∶ 1 3􀆰 0 13􀆰 0
04 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
2􀆰 4  活性测试比较
加压提取和常压回流提取所得石榴籽油对
DPPH·的清除率分别为63􀆰 7%和 50􀆰 3%,加压提取
的石榴籽油抗氧化活性略高。 说明在较高温度下
快速提取石榴籽油不影响其活性。
3  结论
通过单因素和响应面法优化实验,确定加压溶
剂提取石榴籽油的最佳工艺条件为提取压力 0􀆰 25
MPa,提取温度 98 ℃,液固比 33 ∶ 1 mL / g,在此条件
下的提取率为 25􀆰 8%;活性测试表明加压提取不影
响石榴籽油的抗氧化活性。 与加热回流传统提取
方法比较,加压提取具有提取时间短、提取效率高
的特点。
用加压溶剂法提取石榴籽油等油脂类成分,可
以用无水乙醇为溶剂代替石油醚等低极性有机溶
剂,是一种环境友好型提取方法,符合中药现代化
发展的需要。
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(责任编辑  周晓薇)
14  第 5期 朱庆书等:响应面法优化加压提取石榴籽油工艺