分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸技術研究

呂從錦，侯偉偉，陳小華，段 磊，魯 蒙，楊海燕

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052）

分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸技術研究

呂從錦，侯偉偉，陳小華，段 磊，魯 蒙，楊海燕*

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052）

研究影響分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸的因素并確定最佳工藝參數。甜杏仁油經乙酯化后，通過單因素實驗分析影響分子蒸餾效果的主要因素為蒸餾溫度、刮板轉速、進料速度和真空度，結合設備情況并應用響應面法中的Box-Behnken設計優化分子蒸餾參數，在60滴/min的進料速度下，經過優化得出最佳工藝參數為：蒸餾溫度109℃，刮膜器轉速350r/min，操作壓力3Pa，在此條件下多不飽和脂肪酸的含量為93.883%。結果表明，分子蒸餾技術富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸是可行的。

甜杏仁油，分子蒸餾，多不飽和脂肪酸，富集

隨著新疆特色林果業的發展，新疆甜杏仁油加工已出現規模化產業化發展的趨勢。經檢測，甜杏仁油脂肪酸主要成分為油酸和亞油酸，分別為69.96%和22.48%，除此以外還有少量的亞麻酸，這些不飽和脂肪酸不僅不會在人體內產生脂肪積累，而且可以降低LDL（低密度脂蛋白）和血清膽固醇水平，有利于血管的軟化，具有防治高血壓、高血脂及心血管疾病的療效，對癌癥、關節炎和糖尿病的防治也有一定的療效；此外還含有少量的維生素E，其中包括α-生育酚和γ-生育酚等成分。因此甜杏仁油具有十分優良的營養作用，是一種天然高級食用油[1-5]。亞油酸和亞麻酸是人體必需脂肪酸，具有抗輻射、降低膽固醇、防止動脈硬化、促進生長發育、增強機體免疫力及美容美發等多種生理功能，高含量的亞油酸在醫藥、食品等行業有著廣泛應用[6]。為提高其產品附加值，需要提高亞油酸和亞麻酸等多不飽和脂肪酸（PUFAs）的含量。常用多不飽和脂肪酸的富集方法如低溫結晶、吸附分離、尿素包合等都需要使用大量的有機溶劑，溶劑殘留問題使得其在食品或保健品的應用方面有所限制。分子蒸餾是一種液-液分離技術，在高真空度下，利用不同分子運動的平均自由程來達到分離的目的，可以有效避免生物活性物質和熱敏性物質的損失，并且是純物理技術，不會有溶劑殘留的問題[7-14]，在有效成分分離富集的應用上有廣闊的前景。由于天然油脂為脂肪酸甘油三酯，因此，首先對甜杏仁油進行乙酯化反應，將甜杏仁油中的甘油三酯轉化為甜杏仁油脂肪酸乙酯的混合物；其后對甜杏仁油脂肪酸乙酯的混合物進行分子蒸餾分離研究，利用對蒸餾溫度、進料速度、操作壓力和刮膜器轉速等實驗條件的控制調節，經過一級分子蒸餾，將甜杏仁油脂肪酸乙酯混合物分成富含多不飽和脂肪酸乙酯的重組分和以油酸乙酯為主的輕組分，通過氣相色譜法測定輕重組分的脂肪酸組成和含量。本實驗利用分子蒸餾裝置富集甜杏仁油中的多不飽和脂肪酸，研究影響因素并優化工藝參數，為甜杏仁油深加工的研究提供一定的實驗科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙醇鈉、無水乙醇、無水碳酸鈉、無水硫酸鈉、重鉻酸鉀、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、異辛烷、一氯化碘 均為分析純；正己烷 色譜純，天津永晟精細化工有限公司；棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、亞油酸乙酯、亞麻酸乙酯等標準物質 色譜純，美國Sigma公司；氮氣（≥99%） 烏魯木齊三宮新亞氧氣廠。

VKL-70型分子蒸餾設備 德國VTA公司；76-1A數顯玻璃恒溫水浴攪拌裝置 江蘇金壇醫療器械廠；85-2A磁力攪拌器 江蘇常州國立實驗設備研究所；PL-2002電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；RE-85C旋轉蒸發器、旋轉蒸發器水浴槽 上海青浦滬西儀器廠；SHB-Ⅲ冷卻水循環泵 鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 杏仁油理化測試方法 酸價測定方法：GB/T 5530-2005/ISO 660-1996；過氧化值測定方法：GB/T 5538-2005/ISO 3960：2001；試劑配制方法：GB/T 601-2002。

1.2.2 乙酯化條件 稱取200g甜杏仁油置于500mL三頸瓶中，置于恒溫水浴鍋上，開動攪拌器，打開氮氣閥通入氮氣；按醇油比8.4∶1量取無水乙醇，1.0%比例稱取氫氧化鈉，并將氫氧化鈉置于無水乙醇中攪拌溶解，至溫度升到75℃后，將氫氧化鈉的無水乙醇溶液從冷凝管頂部一次加入到三頸瓶中進行反應。130min反應結束后將樣品置于旋轉蒸發器中除去多余的乙醇，再將樣品置于分液漏斗中靜置分層，去除底部甘油；用蒸餾水洗滌至洗出液為中性，分離出有機相，經無水硫酸鈉脫水處理，即得甜杏仁油脂肪酸乙酯粗產品。

1.2.3 分子蒸餾條件 甜杏仁油脂肪酸乙酯一級分子蒸餾每批進樣量500mL，預脫氣溫度70℃，預脫氣壓力100Pa；分子蒸餾溫度分別為95、100、105、110、115℃，精確度為±0.2℃，壓力分別為1、4、7、10、13Pa，精確度為±0.5Pa，刮膜器轉速分別為200、250、300、350、400r/min，精確度為±5r/min，進料速度分別為40、50、60、70、80滴/min，冷凝水溫度為15℃。每個樣品蒸餾處理時間為30min，收集沿內壁流下的物料為重組分，收集沿冷凝管壁流下的物料為輕組分，并且分別稱重記錄數據，收集樣品處理經氣相色譜分析后，通過對PUFAs含量和收率的影響來確定適宜的參數范圍。

1.2.4 氣相色譜條件 樣品經正己烷（色譜純）稀釋后，直接進樣。Agilent 6890N氣相色譜分析，使用FID檢測器，10μL的微量進樣器進樣，氣相色譜柱為Supelcowax-10 60m×0.25mm×0.25μm。分析條件：進樣口溫度250℃，壓力25psi；進樣1.0μL，分流比50∶1；載氣為氮氣（99.999%），柱壓為25psi；采用程序升溫，起始溫度為100℃，保持此溫度2min；以4.0℃/min升至200℃；再以6℃/min升至240℃，保持43min；FID檢測器，260℃，燃氣為氫氣、空氣，流速分別為30.0、300mL/min；載燃氣為氮氣（99.999%），流速為30.0mL/min。保留時間定性，面積歸一化法定量。面積歸一化法計算公式為：

式中：Ai—樣品中目標物的峰面積；A總—樣品總的峰面積；F—脂肪酸與其乙酯的相對分子質量比值。

PUFAs的收率（%）=（重組分質量×重組分中PUFAs含量）/（原料質量×原料中PUFAs含量）×100%

1.2.5 響應面法優化分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸工藝條件 依據單因素實驗結果和設備條件分析，影響多不飽和脂肪酸分子蒸餾效果的主要因素為操作壓力、蒸餾溫度和刮膜器轉速。優化實驗采用Box-Behnken響應面設計，優化甜杏仁油分子蒸餾的工藝條件。以PUFAs的含量作為評價指標，通過統計分析得到最適宜的分子蒸餾工藝參數。實驗因素水平見表1。

表1 響應面設計因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface design

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 蒸餾溫度對蒸餾效果的影響 在進料速度為60滴/min，刮膜器轉速為300r/min，操作壓力為4Pa的條件下，分別測定95、100、105、110、115℃時PUFAs的含量和收率，蒸餾溫度對蒸餾效果的影響見圖1。

圖1 蒸餾溫度對蒸餾效果的影響Fig.1 The effect of temperature on the distillation result

由圖1可知，PUFAs的含量隨溫度的升高逐漸增加，料液中的輕組分不斷逸出，PUFAs的含量逐漸升高，當溫度升至105℃時PUFAs的含量達到最大值；隨著溫度繼續升高，PUFAs的含量開始呈下降趨勢。這是因為溫度過高以后重組分中的PUFAs隨著輕組分一同逸出的比例增加，致使重組分中PUFAs的含量降低。

PUFAs的收率隨溫度逐漸升高而逐漸降低，這是因為隨蒸餾溫度的升高，重組分中的PUFAs隨著輕組分一起逸出的量增加，導致重組分中PUFAs的絕對質量減少，從而使得收率降低。因此，綜合含量和收率考慮，選擇適宜的蒸餾溫度為105℃。

2.1.2 操作壓力對蒸餾效果的影響 在進料速度為60滴/min，刮膜器轉速為300r/min，蒸餾溫度為100℃的條件下，分別測定1、4、7、10、13Pa時PUFAs的含量和收率，操作壓力對蒸餾效果的影響見圖2。

圖2 操作壓力對蒸餾效果的影響Fig.2 The effect of operating pressure on the distillation result

由圖2可知，PUFAs的含量隨操作壓力的降低逐漸升高，因為隨著操作壓力的降低，物料的沸點逐漸降低，輕組分隨著壓力的降低越來越多地被蒸餾出去，因此，PUFAs的含量逐漸提高；但當操作壓力達到0.1Pa時，重組分中的PUFAs的沸點也迅速降低，被蒸餾出去的速度迅速加大，所以，當壓力小于1Pa時，PUFAs的含量反而有所降低。

隨著操作壓力的降低，重組分中PUFAs的絕對含量隨之減少，則PUFAs的收率也迅速降低。因此，綜合考慮選擇4Pa為蒸餾的適宜操作壓力。

2.1.3 刮膜器轉速對蒸餾效果的影響 在進料速度為60滴/min，操作壓力為4Pa，蒸餾溫度為100℃的條件下，分別測定刮膜器轉速為200、250、300、350、400、450r/min時PUFAs的含量和收率，刮膜器轉速對蒸餾效果的影響見圖3。

圖3 刮膜器轉速對蒸餾效果的影響Fig.3 The effect of scraper speed on the distillation result

由圖3可知，在一級蒸餾條件下，PUFAs的含量隨著刮膜器轉速的提高逐漸增加，在350r/min時達到最大值，但是當轉速超過350r/min時PUFAs的含量開始下降，可能是因為刮膜器轉速在較低速度時成膜不夠均勻，受熱不均使得輕組分逸出率較低，隨著轉速提高，料液在內壁上逐漸形成穩定均勻液膜，加強傳熱，使得輕組分逸出率提高，從而提高了PUFAs的含量；而當轉速超過350r/min以后導致部分料液未經蒸餾完全便被甩到冷凝管壁上流入輕組分，使得PUFAs含量降低。

PUFAs的收率隨刮膜器轉速提高緩慢降低，當轉速超過350r/min后收率明顯下降，主要因為隨轉速的提高，液膜越來越均勻，使得重組分中的PUFAs隨輕組分逸出的量增加，重組分中的PUFAs的絕對含量下降，因此收率下降；轉速過快以后，導致部分料液未經蒸餾完全便被甩到冷凝管壁上流入輕組分，使得重組分中PUFAs絕對含量急速下降，收率亦隨之迅速下降。因此，選擇300r/min為最適宜蒸餾轉速。

2.1.4 進料速度對蒸餾效果的影響 在刮膜器轉速為300r/min，蒸餾溫度為100℃，操作壓力為4Pa的條件下，分別測定進料速度為40、50、60、70、80滴/min時PUFAs的含量和收率，刮膜器轉速對蒸餾效果的影響見圖4。

圖4 進料速度對蒸餾效果的影響Fig.4 The effect of feed rate on the distillation result

由圖4可知，當進料速度小于60滴/min時，重組分中PUFAs的含量隨進料速度的增加緩慢上升，當進料速度大于60滴/min后急劇下降。因為原料的進料速度決定了料液在內壁的停留時間，也即決定了蒸餾效果。進料速度過慢則導致料液在內壁停留時間較長，受熱時間相對增加，從而使重組分中的PUFAs隨輕組分逸出增加；進料速度越快，停留的時間越短，料液受熱時間越短，蒸餾效果差，輕組分逸出率低，則重組分中PUFAs的含量就下降；當進料速度為60滴/min時，PUFAs含量最高，受熱時間充分，蒸餾效果最好。

隨進料速度加快，PUFAs的收率逐漸增大。進料速率過慢時，料液受熱時間長，PUFAs隨輕組分一同逸出的量增多，導致重組分中PUFAs的絕對質量降低，所以收率不高；隨著進料速度逐漸加快，料液受熱時間逐漸減少，PUFAs隨輕組分餾出的量逐漸減少，收率逐漸升高。由于實驗所用的VKL-70型分子蒸餾設備不是用計量泵進料，是通過磨口旋塞控制進料，進料速度控制相對不精準，需不斷調節，而60滴/min較為容易控制，所以綜合考慮PUFAs的含量和收率，選擇60滴/min為適宜的進料速度，并且響應面設計中此因素不作為變量分析。

2.2 分子蒸餾響應面分析結果

2.2.1 數學模型的建立 根據表2所得的實驗數據，運用Design Expert 7.1.6統計軟件進行處理，采用響應曲面統計方法對實驗數據進行擬合，建立PUFAs含量與蒸餾溫度、操作壓力、刮膜器轉速三因子的二次多項數學回歸方程為：

Y=92.18+3.83X1－1.89X2+0.97X3+0.39X1X2－0.16X1X3+0.10X2X3－2.06X12－2.10X22－2.45X32

表2 響應面設計實驗及結果Table 2 Experiment and result of response surface design

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for regression equation

進一步對該回歸模型進行顯著性檢驗，響應曲面數據的方差分析結果見表3，分析結果顯示該模型的F=43.19＞F0.01（9，9）=5.35，P＜0.0001，表明回歸模型極顯著。除交互項以外，一次項和二次項對PUFAs含量的影響在0.01水平上均極顯著，因此各具體實驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系。失擬項F=6.33＜F0.05（9，3）=8.81，P=0.0533＞0.05，不顯著，并且該模型的復相關系數平方R2=0.9823，修正相關系數平方RAdj2=0.9596，說明該模型與實際擬合較好，可以用于分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸實驗中關于PUFAs含量的理論預測。

2.2.2 優化與模型驗證 對所得回歸方程進行求偏導，得三元一次方程組，解方程組可得X1=0.889，X2=－0.364，X3=0.162，將這三個值代入變換式，實驗得到分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸的最佳組合為：蒸餾溫度為109.445℃，操作壓力為2.908Pa，刮膜器轉速為358.100r/min。此時，模型預測PUFAs含量的最大值為94.302%。依據實際實驗條件，對上述優化條件進行適當的調整，調整后的反應條件為：蒸餾溫度為109℃，操作壓力為3Pa，刮膜器轉速為350r/min。在此條件下進行3次驗證性實驗，結果如表4所示，其平均值為93.883%，實際值與預測值誤差率為0.419%＜1%，說明回歸模型擬合性較好，收率為58.463%。所得回歸方程的最大預測值與驗證值非常接近，說明回歸方程能真實地反映各篩選因素的影響，建立的模型與實際情況比較吻合。因此，響應面法優化分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸的工藝條件是可取的。

表4 模型驗證實驗結果Table 4 Result of model validation

3 結論

在單因素實驗的基礎上，結合儀器條件，確定蒸餾溫度、操作壓力和刮膜器轉速為主要因素，采用Design Expert 7.1.6軟件進行Box－Behnken設計和分析，確定分子蒸餾富集甜杏仁油中多不飽和脂肪酸的最佳工藝參數為：蒸餾溫度為109℃，操作壓力3Pa，刮膜器轉速為350r/min。在此條件下PUFAs的含量為93.883%，收率為58.463%。

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Study on enrichment of polyunsaturated fatty acids in sweet almond oil by molecular distillation

LV Cong-jin，HOU Wei-wei，CHEN Xiao-hua，DUAN Lei，LU Meng，YANG Hai-yan*
（Institute of Food Science and Pharmacy，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，China）

The enrichment conditions of polyunsaturated acids from sweet almond oil by molecular distillation was researched.After ethyl esterified，the main factors，including distillation temperature，scraper speed，feed rate and operating pressure，influenced the result of molecular distillation were analyzed by single factor tests. Based on the result of single factor tests，Box-Behnken response surface was designed to optimize the distillation parameters combined with the equipment，the optimum parameters were：distillation temperature 109℃，the scraper speed 350r/min，operating pressure 3Pa，in this condition，the content of polyunsaturated fatty acids was 93.883%.The result indicated that the enrichment of polyunsaturated fatty acids in sweet almond oil by molecular distillation was feasible.

sweet almond oil；molecular distillation；polyunsaturated fatty acids；enrichment

TS225.1

A

1002-0306（2012）05-0145-05

2011－05－23 *通訊聯系人

呂從錦（1985-），男，在讀碩士研究生，研究方向：食品資源開發與利用。

新疆維吾爾自治區科技支疆項目（200891105）。