冯秀静，陆海勤，陈淋转，李凯

(1.崇左幼儿师范高等专科学校，广西 崇左 532200；2.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

糖厂甘蔗滤泥含有丰富的蔗脂、蔗蜡等物质[1]，其中，蔗蜡用途广泛。一方面，可以用作涂料、塑化剂、保鲜剂等的生产；另一方面，以蔗蜡为原料可以分离得到植物甾醇、二十八烷醇、三十烷醇等功能性产品。以二十八烷醇为原料制作的微乳液饮品质量优良；将二十八烷醇乳化液加入含有果葡糖浆等配料的蔗糖溶液中，能做成一种理想的抗疲劳运动型营养补充剂。此外，从甘蔗蜡中分离出高营养价值的蜡油脂肪酸，精制甘蔗蜡还可用作水果、巧克力等的保护涂层。

亚临界萃取技术是一种低能耗、绿色环保、无溶剂残留的物理提取技术[2,3]。以糖厂甘蔗滤泥为试验原料，以甘蔗蜡的提取率为指标，研究提取温度、提取时间、提取次数、料液比对甘蔗蜡提取率的影响，在单因素试验结果基础上设计响应面试验，优化出甘蔗蜡的最佳提取工艺。不仅能为甘蔗蜡的大批量、产业化、工业化生产提供理论支持，而且能为甘蔗大宗产物滤泥的综合利用提供一种可以选择的参考，具有较高的研究意义和潜在的商业价值。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

甘蔗滤泥(石灰法工艺，水分含量为73%～75%)：广西宁明糖厂提供；丁烷(纯度99.99%)：河南省亚临界生物技术有限公司提供。

1.2 试验仪器

CBE-30+5 L亚临界丁烷萃取设备 亚临界生物技术有限公司；DGG-9140B电热鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；LFP-800T粉碎机 佳盼电器专营店；AL204电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

1.3 试验方法

称取适量待用甘蔗滤泥，以亚临界丁烷为溶剂，设置相应的试验参数，萃取一定时间，在分离罐收集试验所得甘蔗蜡，称重。将原料萃取足够长的时间，近似看成原料完全提取得到甘蔗蜡的质量。计算糖厂甘蔗滤泥中甘蔗蜡提取率和提取得率。每个样品做3个平行试验，取平均值。甘蔗蜡提取率按照下式计算：

1.4 亚临界丁烷提取甘蔗蜡的单因素试验

对提取温度、提取时间、料液比、提取次数分别做单因素试验，考察这几个因素对糖厂甘蔗滤泥中蔗蜡提取率的影响，选取最佳的因素和水平，设计响应面试验[4]。

1.5 响应面优化甘蔗蜡提取条件

根据上述单因素试验结果[5,6]。选择A(提取温度)、B(提取时间)、C(提取次数)3个因素，做Box-Behnken响应面试验[7,8]，见表1。以甘蔗蜡的提取率为试验优化的指标，研究在提取过程中各因素之间的交互作用，得出最佳提取工艺。

表1 响应面试验因素及水平Table 1 The factors and levels of response surface test

2 结果分析与讨论

2.1 温度对提取率的影响

图1 提取温度对提取率的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on the extraction rate

由图1可知，在一定温度范围内，亚临界丁烷提取甘蔗滤泥中甘蔗蜡的提取率随着温度的升高逐渐增大，当温度达到70 ℃时，甘蔗蜡的提取率最大，为10.02%，但是随着温度的逐渐增大，曲线的斜率逐渐减小，即甘蔗蜡提取率增大的幅度逐渐减小。一方面，随着温度的升高，分子运动速率加快，萃取罐中分子活化能增大，分子之间的有效碰撞增大，更有益于溶质分子与溶剂分子接触，所以甘蔗蜡的提取率逐渐增大；另一方面，随着温度逐渐接近甘蔗滤泥中有机物分子的熔点，达到熔点的物质液化、溶出，甚至会继续气化，分子扩散速度加快，从而使得甘蔗蜡的提取率随着温度的升高而增大。然而，由于反应系统是密闭的，在温度升高的过程中，压强也会相应增大，溶剂气化使溶质的溶解能力逐渐降低，而且随着温度的升高，分子间的相互作用力也逐渐增大，选择性降低，甚至会引发副反应，部分有机分子结构被破坏，分解成气态小分子物质，导致最终无法收集。此外，更高的提取温度可能会造成仪器问题、增加试验成本、浪费资源等不利影响。因此，选择亚临界丁烷萃取甘蔗蜡的温度为70 ℃。

2.2 时间对提取率的影响

图2 提取时间对提取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate

由图2可知，萃取的第10～20 min，随着萃取时间的延长，甘蔗蜡萃取率显著增大，在20～30 min之间提取率增加的幅度降低，但萃取率仍然随萃取时间的延长呈增加的趋势；然而，第30 min以后，甘蔗蜡提取率随着萃取时间的增大而减小。由于是固-液萃取过程，需要一定时间浸没物料，且甘蔗蜡中化学组分较为复杂，静态萃取一定时间内，溶剂逐渐浸没物料，根据相似相溶原理，与溶剂极性接近且分子结构相似的物质充分溶出，提取率随着萃取时间的延长而增大。然而，当分子扩散效果达到一定限度，溶剂溶解能力趋于饱和状态，溶解效果显著降低，提取率降低；另一方面，随着萃取时间的延长，系统中某些难分解的物质分解成易挥发的小分子物质，或者和其他物质发生化学反应，从而降低甘蔗蜡提取率。因此，选择亚临界丁烷萃取甘蔗蜡的萃取时间为30 min[9]。

2.3 萃取次数对提取率的影响

图3 萃取次数对提取率的影响Fig.3 Effect of extraction times on the extraction rate

由图3可知，亚临界丁烷静态萃取1次时，甘蔗蜡的提取率为5.16%；连续萃取2次时，甘蔗蜡的提取率显著增加，为8.874%；连续萃取3次时，甘蔗蜡的萃取率最大，为10.02%；然而，连续萃取4次、5次时甘蔗蜡的提取率反而随着提取次数的增大而减小。主要是因为反应是在一定温度和压强下进行的，连续多次萃取时，每次重新打入溶剂都属于动态萃取的过程，使溶质和高纯度的溶剂重新接触，从而使得样品中残留的可溶性物质充分溶出。此外，萃取1次后的样品，由于第1次萃取已经溶出部分物质，分子内部结构发生了改变，若连续萃取，能快速高效地将样品中残存的能溶于溶剂的物质溶出。但是由于连续萃取会在一定程度上延长反应时间，使得萃取后流入分离罐中的甘蔗蜡继续受热分解，从而使甘蔗蜡最终的提取率降低。因此，选择亚临界丁烷萃取甘蔗蜡的萃取次数为3次。

2.4 料液比对提取率的影响

图4 提取料液比对提取率的影响Fig.4 Effect of extraction solid-liquid rate on the extraction rate

由图4可知，在一定浓度范围内，甘蔗蜡提取率随着料液比的减小而增大，呈现正相关，料液比为1∶20 (g/mL)时甘蔗蜡的提取率最大，为9.9%，但是当料液比小于1∶20 (g/mL)时，甘蔗蜡提取率随着料液比的减小而减小，呈现负相关。主要是由于在萃取过程中，溶剂渗透物料，溶质分子扩散溶出，随着溶剂加入量的增大，溶液浓度减小，溶液粘度降低，扩散传质阻力减小，所以甘蔗蜡提取率会随着溶剂加入量的增大而增大，当料液比为1∶20 (g/mL)时甘蔗蜡的提取率最大，为9.9%，但是由于甘蔗滤泥中成分复杂，当溶剂加入量继续增大时，达到固液溶解平衡，固液界面会出现反吸附作用，溶质分子集中在界面层无法到达溶剂相，从而使甘蔗蜡提取率减小。因此，选择亚临界丁烷萃取甘蔗蜡的料液比为1∶20 (g/mL)。

2.5 亚临界丁烷提取甘蔗蜡的响应面试验设计及结果

根据上述单因素试验结果，选择提取温度(A)、提取时间(B)、提取次数(C)为3个因素，参考文献[10]中的试验方法，进行BBD响应面试验设计，确定提取的最优工艺条件。

表2 甘蔗蜡产量的Box-Behnken试验设计和响应值Table 2 Box-Behnken experiment design and response value of sugarcane wax yield

以甘蔗蜡的提取率为试验优化的指标进行试验，进行三因素三水平响应面(BBD)优化试验，研究提取温度(A)、提取时间(B)和提取次数(C)与甘蔗蜡提取率之间的关系及各因素之间的交互作用，得出最佳提取工艺。

回归方程：Y=9.52-0.067AB-0.31AC-0.22BC+0.88A+0.11B+0.49C-0.33A2-0.2B2-0.15C2。

2.6 亚临界丁烷提取甘蔗蜡试验响应面结果及方差分析

对该模型进行显著性检验得到方差分析结果，见表3。

表3 二次多项式回归方程的方差分析Table 3 ANOVA results for quadratic polynomial model

续 表

由表3可知，方程的P<0.0001，表明非常显著，失拟项为0.3065>0.05，表明失拟项影响不显著，相关系数R2=0.9801，说明该模型预测值与试验真实值的相关性好，RAdj2=0.9545说明试验结果有95.45%受试验因素影响，此模型能从理论上预测亚临界丁烷提取甘蔗蜡的提取率。根据表3中F检验和P检验可知，提取温度A、提取时间B、提取次数C对甘蔗蜡提取率的影响程度由大到小依次是：提取温度>提取次数>提取时间。

2.7 响应面分析

3个因素AB、AC、BC 之间的交互作用通过Design Expert软件进行了分析，提取次数和提取温度是曲面变化最为陡峭、等高线分布最为密集的椭圆形，表明提取次数和提取温度的交互作用对甘蔗蜡提取率的影响最显著(P=0.0071<0.05)。提取温度和提取次数对甘蔗蜡提取率的响应面图和等高线图见图5。

图5 提取温度和提取次数对甘蔗蜡提取率交互作用的等高线图(C)和响应面图(D)Fig.5 Contour diagram (C) and response surface diagram (D) of the interaction between extraction temperature and extraction times on the extraction rate of sugarcane wax

3 结论

以糖厂甘蔗滤泥为原料，研究了亚临界丁烷提取甘蔗蜡的过程中提取温度、提取时间、提取次数、提取压力4个因素对甘蔗蜡提取率的影响，选择对甘蔗蜡提取率影响最显著的提取温度、提取时间、提取次数3个因素为主要因素，设计三因素三水平响应面优化试验。采用响应面法研究各因素之间的交互作用对甘蔗蜡提取率的影响，各因素按照影响显著性程度大小排序依次是：提取温度>提取次数>提取时间。通过回归方程方差分析，得到最佳提取工艺：甘蔗蜡为200 g，提取时间为20 min，料液比为1∶20 (g/mL)，提取温度为70 ℃，提取次数为3次，系统压强为0.7 MPa。此工艺条件下得到甘蔗蜡的提取率为9.835%，此时提取得率为98.5%。通过响应面法得到亚临界丁烷提取甘蔗蜡的最佳提取条件，为甘蔗蜡的生产提供了理论参考，同时也为甘蔗蜡中功能性成分的精制提供了原料。