水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝條件優化＊

楊慶利,秦松

1(山東省花生研究所,山東 青 島,266100)2(中國科學院海洋研究所,山東青島,266071)

水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝條件優化＊

楊慶利1,2,秦松2

1(山東省花生研究所,山東 青 島,266100)2(中國科學院海洋研究所,山東青島,266071)

以海濱錦葵籽仁為原料,利用水酶法提取海濱錦葵籽仁油。通過單因素實驗及中心組合實驗研究了固液比、提取溫度、酶用量、提取時間等因素對油脂出油率的影響,確定了水酶法提取海濱錦葵籽仁油的工藝條件。結果表明,在實驗范圍內各影響因素對海濱錦葵籽仁油提取率作用的大小依次為:酶用量 >提取溫度 >固液比>提取時間。水酶法提取海濱錦葵籽仁油的優化工藝參數為:酶用量 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1∶6,提取時間 230 min,在該工藝條件下海濱錦葵籽仁油提取率達到 24.281%。

海濱錦葵籽仁油,提取,水酶法,響應面分析

海濱錦葵 (Kosteletzkya virginica)是錦葵科海濱錦葵屬多年生宿根、耐鹽木本油料植物,自然分布于美國含鹽沼澤地帶[1]。海濱錦葵種子黑色、腎形,含油率在 17%以上,粗蛋白含量在 27.4%～29.6%,而去殼種子含 32%左右的蛋白質和 25%左右的脂肪,和大豆相比,油脂含量不相上下[2]。與其它的能源油料植物相比,由于其較高的耐鹽性[3],可以利用鹽堿灘涂地,不與糧食作物爭地等優點,因此可以作為生物柴油原料,具有很大的發展潛力。

水酶法是近年來研究和應用的一種新型提取油脂工藝,它以機械和酶解為手段降解植物細胞壁,使油脂釋放。與傳統的壓榨法和溶劑浸出法相比,它可以同時提取油脂和蛋白,條件溫和,蛋白變性少,操作安全[4-5]。國內外研究者已經針對此技術應用于大豆、菜籽、玉米胚芽、花生仁等油料作物油脂和蛋白的提取展開了研究[6]。王素梅等研究得到的水酶法提取玉米胚芽油工藝路線簡單可行,且油脂提取率達88%-92%[7];謝祥茂等研究水酶法處理萃取大豆油工藝,提取率為 70%[8]。本節就水酶法提取海濱錦葵籽仁油脂進行了研究,在單因素實驗的基礎上,通過響應面分析法確定了水酶法提取海濱錦葵籽仁油脂的工藝條件,為海濱錦葵籽仁油的深入研究及海濱錦葵籽仁油制備生物柴油的產業化開發提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料、儀器

1.1.1 實驗材料

海濱錦葵籽購于江蘇沿海地區農業科學研究所,去掉外層黑色種殼后粉碎至 40目備用。Alcalase 2.4 L水解蛋白酶 (pH值 6.5～8.5,55～70℃,酶活力2.4 AU/g),丹麥 Novo公司生產。

1.1.2 主要儀器設備

天津市達康電器公司 KDF-2311型康達多功能食品破碎機;江蘇省金壇市衡豐儀器廠 85-2型恒溫磁力攪拌器;美國 Sigma公司 3K15型高速冷凍離心機。

1.2 實驗方法

1.2.1 水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝流程

將海濱錦葵籽仁粉加適量蒸餾水配成一定固液比的懸液,用 1 mol/L的 NaOH或 HCl溶液調節到適宜的 pH,按種仁質量加入液態酶,攪拌,酶解結束后,浸提液在 4 000 r/min轉速下離心 20 min,得到海濱錦葵籽油。將海濱錦葵籽油在 105℃下干燥至恒重之后稱重計算出油率,每組實驗重復 3次,取平均值。

海濱錦葵籽仁油出油率/%=(提取海濱錦葵籽仁油質量 /海濱錦葵籽仁質量)×100

1.2.2 單因素實驗

以固液比、提取溫度、酶用量、提取時間和 pH值等因素作為考察因子,以海濱錦葵籽仁油出油率作為實驗指標進行設計,實驗因素和水平見表 1。

表1 單因素實驗因素和水平

1.2.3 中心組合實驗設計

在單因素實驗的基礎上,采用 4因素 3水平的中心組合實驗設計,以固液比、提取溫度、酶用量、提取時間 4個因素作為研究對象,考察它們對海濱錦葵籽仁出油率的影響。實驗因素和水平見表 2,實驗安排見表 4。

表2 中心組合實驗設計因素水平表

2 結果與分析

2.1 水酶法提取海濱錦葵籽仁油單因素實驗結果與分析

2.1.1 固液比對出油率的影響

提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取時間240 min,pH8,固液比對出油率影響見表 3。從表 3可以看出,固液比為 1∶6時,出油率達到最高。

表3 固液比與出油率的關系

2.1.2 溫度對出油率的影響

固液比 1∶6,酶用量 0.02 mL/g,提取時間 240 min,pH8,提取溫度對出油率的影響見圖 1。從圖 1可以看出,溫度在 60℃時,出油率達到最大值,低于60℃,酶促反應速度慢,當高于 60℃,酶容易失活。

圖 1 溫度與出油率的關系

2.1.3 酶用量對出油率的影響

固液比 1∶6,提取溫度 60℃,提取時間 240 min,pH值 8,不同酶用量對出油率的影響見圖 2。從圖 2可以看出,隨著酶用量的增加,出油率逐漸增加,當酶用量超過 0.02 mL/g時,出油率增加速度放慢。綜合考慮經濟因素,本實驗選擇酶用量為 0.02 mL/g。

圖 2 酶用量與出油率的關系

2.1.4 提取時間對出油率的影響

適宜的酶解時間應從油料細胞的降解程度及提取油效果兩方面確定。固液比 1∶6,提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,pH值 8,不同提取時間對出油率影響見圖 3。從圖 3可以看出,在 240 min內,酶解時間越長,蛋白降解越徹底,油脂釋放越充分,240 min時出油率達到最高,為 22.88%,240 min后,出油率變化不明顯。

2.1.5 pH值對出油率的影響

圖 3 提取時間與出油率的關系

固液比 1∶6,提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取時間 240 min,pH值對出油率的影響見圖 4。從圖 4可以看出,pH<8,隨著 pH值增大,出油率呈上升趨勢,pH<8以后,出油率隨 pH值的繼續增大而呈下降趨勢。

圖 4 pH值與出油率的關系

2.2 水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝條件優化

2.2.1 二次回歸模型擬合

2.2.2 方差分析

通過 D esign-Expert軟件進行方差分析來驗證回歸模型及各參數的顯著性,結果見表 5。由表 5 可以看出,模型 Prob>F值小于 0 .01,表明該模型是高度顯著的。因此模型中的,X2,X3,X4,X1X2,X1X3,1,,,都是顯著的。模型失擬項的 Prob>F值為 0 .161 5>0.05,模型失擬項不顯著,模型選擇合適。同時,軟件分析的模型相關系數 R2為92.73%,大于 9 0%,說明模型相關度很好。變異系數反映模型的置信度,變異系數越低模型的置信度越好。本實驗的變異系數 4.09%,說明模型方程能很好的反應真實的實驗值。所以,我們可以用該模型方程來分析響應值的變化。

表4 實驗設計與結果

2.2.3 各因素影響程度分析

各因素的 F值可以反映出各個因素對實驗指標的重要性,F值越大,表明對實驗指標的影響越大,即重要性越大。從方差分析表可知:F(X1)=25.92,F(X2)=27.25,F(X3)=40.36,F(X4)=13.53。因此各因素對水酶法提取海濱錦葵籽仁油影響程度大小順序為:酶用量 >提取溫度 >固液比 >提取時間。

2.3.4 工藝參數優化

X1與 X2,X1與 X3交互作用顯著 (圖 5和圖 6),其它各因素交互作用不顯著 (沒有列出響應曲面圖)。從圖 5可以看出,在酶用量 0.02 mL/g,提取時間 240 min時,出油率隨固液比和提取溫度的變化會產生較大變化。當固液比為 14∶75,提取溫度為62.8℃時,出油率達到最大值 23.977%。從圖 6可以看出,在提取溫度 60℃,提取時間 240 min時,出油率隨固液比和酶用量的變化會產生較大變化,當固液比 69∶400和酶用量 0.024 mL/g,出油率達到最大值 24.352%。

表5 實驗結果方差分析表

圖 5 X1、X2對出油率的響應面圖和等高線圖

圖 6 X1、X3對出油率的響應面圖和等高線圖

進一步通過軟件分析計算,得到最大響應值 (Y)時 X1、X2、X3和 X4對應的編碼值分別為 X1=-0.06、X2=0.31、X3=0.82、X4=-0.16。與其相對應的水酶法提取海濱錦葵籽仁油的最佳條件為酶用量 0.0241 mL/g,提取溫度 63.1℃,固液比 97∶600,提取時間為 230.4 min?？紤]到實際操作的方便,將各提取條件修正為酶用量 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1/6,提取時間為 230 min。在修正條件下對實驗結果進行實驗驗證,出油率為 24.281%,與理論預測值 24.532%相差 0.251%,相對誤差為 1.023%,這進一步驗證了數學回歸模型的合適性。

3 結論

(1)水酶法提取海濱錦葵籽仁油數學回歸模型為:

(2)各因素影響水酶法提取海濱錦葵籽仁油程度大小順序為:酶用量 >提取溫度 >固液比 >提取時間。

(3)水酶法提取海濱錦葵籽仁油的最佳條件為酶用 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1∶6,提取時間為 230 min,在此條件下出油率為 24.281%。

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[2] 阮成江,欽佩,陳景文,等 .海濱錦葵種子營養成分分析[J].作物學報,2004,30(9):901-905.

[3] Blits K C,Gallaghet J L.Effect ofNaCl on lipid content of plas ma membranes isolated from roots and cell suspension cultures of the dicot halophyteKosteletzkya virginica[J].Plant Cell Reports,1990,9:156-159.

[4] Olsen H S,Alder N T.Industrial production and application of soluble enzymes by drolgzate of soy protein[J].ProcessBiochem,198l,16(7):6-11.

[5] Rosenthal A,Pyle D L,Niranjan K,et al.Combined effect of operational variables and enzyme activity in aqueous enzymatic extraction of oil and protein from soybean[J].EnzymeMicrob Technol,2001,28:499-509.

[6] 王文俠,任健 .植物油水酶法浸提工藝研究進展 [J].現代食品科技,2005,21(2):181-185.

[7] 王素梅,王璋 .水酶法提油工藝對玉米胚芽油質量的影響[J].中國油脂,2003,28(4):18-0.

[8] 謝祥茂,錢俊青 .水相酶法處理萃取大豆油工藝研究[J].浙江工業大學學報,2001,29(2):194-199.

Optim ization of Aqueous Enzymatic Extraction Technology of O il fromKosteletzkya virginicaSeeds

Yang Qing-li1,2,Qin Song1
1(Shandong Peanut Research Institute,Qingdao 266100,China)2(Institute ofOceanology,The Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

Kosteletzkya virginicaseedswere taken as raw materials and the aqueous enzymatic extraction technology was used to extract seed oil.The single factor experi ment and the response surface methodology were adopted to study the effects of solid to water ratio,extraction temperature,the ratio of enzyme to seeds,extraction time and pH on oil extraction rate.The order of these factors in ter ms of the influence on the oil extraction rate within the experimental rangewas as follows:the ratio of enzyme to seeds>extraction temperature>the ratio of solid to water>extraction time.The optimal technologicalparametersofoil extraction fromKosteletzkya virginicaseeds should be as follows:the ratio of enzyme to seeds 0.024 mL/g,extraction temperature 63℃,the ratio of solid to water 1/6 and extraction ti me 230 min.Under such conditions,total oil extraction rate is 24.281%.

Kosteletzkya virginicaseeds oil,extraction,aqueous enzymatic extraction technology,reponse surface methodology

博士 (秦松教授為通訊作者,E-mail:peanut126@sohu.com)。

＊國家高技術研究發展計劃項目(2007AA10Z189,2006AA10A114);公益性行業農業科研專項經費(nyhyzx07-014)

2010-10-19,改回日期:2010-11-27