超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油工藝優化及脂肪酸組成分析

賈俊強，吳瓊英，杜金娟，何榮海，桂仲爭，顏 輝

超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油工藝優化及脂肪酸組成分析

賈俊強1,2，吳瓊英1,2，杜金娟1，何榮海3，桂仲爭1,2，顏 輝1,2

（1.江蘇科技大學生物技術學院，江蘇 鎮江 212018；2.中國農業科學院蠶業研究所，江蘇 鎮江 212018；3.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013）

為開發蠶蛹油提取新工藝，以蠶蛹為原料，采用超聲波輔助中性蛋白酶水解法提取蠶蛹油。在單因素試驗的基礎上，以蠶蛹油提取率為響應值，用響應面分析法研究超聲功率、底物質量濃度和加酶量對蠶蛹油提取率的影響，并通過氣相色譜對蠶蛹油的脂肪酸組成進行分析。結果表明：各因素對蠶蛹油提取率影響從大到小依次為：底物質量濃度、加酶量、超聲功率。超聲波輔助水解法提取蠶蛹油的最優工藝條件為：底物質量濃度68.2 g/L、超聲功率121.6 W、加酶量2 849.4 U/g。在此條件下，蠶蛹油提取率為（90.2±0.66）%。氣相色譜分析表明，超聲波輔助水酶法與傳統溶劑（正己烷）提取的蠶蛹油中脂肪酸組成與含量基本一致，均主要由棕櫚油酸、軟脂酸、亞麻酸、亞油酸、油酸和硬脂酸組成。

超聲波；水酶法；蠶蛹油；脂肪酸組成

蠶蛹是繅絲工業的主要副產物，其產量約占蠶繭干質量的60%[1]。在我國，每年大約有50多萬噸干蠶蛹產生[2]。據報道，蠶蛹中含量豐富的油脂，蠶蛹油在干蠶蛹中的含量約為300 mg/g，且不飽和脂肪酸含量高，高達66.8%，主要由α-亞麻酸、亞油酸類物質組成。這些不飽和脂肪酸對動脈粥樣硬化、糖尿病、高血壓等疾病具有良好的輔助治療作用[1,3]。因此，開展蠶蛹油脂深加工是我國蠶桑資源開發研究的熱點領域之一。

油脂提取常用的主要方法有壓榨法、有機溶劑浸提法、超臨界CO2萃取法和亞臨界萃取法等[4-7]。在這些油脂提取方法中，壓榨法具有出油率低、勞動強度大、生產效率低、餅粕蛋白易變性等缺點，有機溶劑浸提法易引起毛油色澤深、有機溶機殘留等問題，超臨界CO2萃取和亞臨界萃取法則具有設備昂貴、不易操作和批處理量小等不足之處[8]。水酶法是近年來開發出的油脂提取新技術，具有操作方便、無有機物殘留、油料蛋白不易變性、易規模化生產等優點，已被廣泛用于油料作物中油脂的提取，如：葫蘆籽油[9]、南瓜籽油[10]、油茶籽油[11]、巴旦木油[12]、玉米胚芽油[13]、茶葉籽油[14]和牡丹籽油[15]等。迄今為止，利用水酶法提取蠶蛹油鮮見報道。本實驗利用超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油，利用響應面法優化超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油的工藝，并通過氣相色譜，比較分析水酶法和傳統有機溶劑提取法所得油脂中脂肪酸的組成，為蠶蛹油的開發利用提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠶蛹由中國農業科學院蠶業研究所提供，在50 ℃烘干后用研缽研磨成粉末，過60 目篩后備用；中性蛋白酶（最適溫度50 ℃、最適pH 7.0、酶活力50 U/mg） 江蘇維賽科技生物公司；脂肪酸甲酯化標品 美國Sigma公司；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

KQ5200DB型超聲波提取器 昆山市超聲儀器有限公司；DHG-9143BS型電熱鼓風干燥器 上海新苗醫療器械制造有限公司；H205DR-1型高速冷凍離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司；SSY-H型恒溫水浴鍋 上海三申醫療器械有限公司；7820A型氣相色譜儀 德國Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 蠶蛹油提取工藝流程

本實驗以中性蛋白酶作為水解用酶，研究超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油的工藝，具體工藝流程如下：

蠶蛹→粉碎→用蒸餾水配成懸浮液→置于超聲波清洗槽中→水浴溫度升至50 ℃→加入中性蛋白酶→開啟超聲波→提取結束后→離心→吸取油層→脫水→蠶蛹油。

1.3.2 蠶蛹油提取率計算

蠶蛹總脂肪質量測定參照GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》中的索氏抽提法。

提取率/%=提取 的蠶蛹油質量/蠶蛹總脂肪質量×100

1.3.3 蠶蛹油脂肪酸組成分析

1.3.3.1 蠶蛹油甲酯化處理

蠶蛹油甲酯化根據樓喬明等[16]報道的BF3-甲醇衍生法，略有修改。精確吸取20 mg蠶蛹油，加入0.5 mol/L KOH-甲醇溶液2 mL，充分振蕩后于70 ℃水浴皂化90 min，冷卻后加入5 mL 14% BF3-甲醇溶液于70 ℃水浴甲酯化90 min，冷卻后，加入2 mL正己烷和2 mL飽和NaCl溶液，取上清液，用正己烷定容至5 mL，供氣相色譜分析。

1.3.3.2 氣相色譜分析

采用HP-5石英毛細管柱（30 m×0.32 mm，0.25 μm）；載氣為氮氣；氫火焰離子化檢測器；柱流量1 mL/min；進樣量1 μL；不分流模式；進樣口溫度270 ℃；升溫程序：起始溫度130 ℃保持1 min，以10 ℃/min升溫到185 ℃，保持20 min，再以5 ℃/min 升溫到220 ℃，然后以30 ℃/min升溫到270 ℃，保持5 min。

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油工藝優化

在超聲波作用下，采用中性蛋白酶降解蠶蛹中的蛋白質，使蠶蛹油釋放出來，最后分離出蠶蛹油。研究單因素（超聲功率、加酶量、酶解時間和底物質量濃度）對蠶蛹油提取率的影響，并通過響應面法確定最佳提取工藝條件。

2.1.1 單因素試驗

2.1.1.1 超聲功率對蠶蛹油提取率的影響

圖1 超聲功率對蠶蛹油提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on the extraction yield of silkworm pupae oil

由圖1可以看出，在中性蛋白酶酶解過程中施加超聲波處理后，蠶蛹油的提取率明顯高于未施加超聲波組（功率0 W），且隨著超聲功率的增加，蠶蛹油提取率快速上升，在超聲功率120 W時達到最高。這與超聲波處理能夠增加酶解底物與蛋白酶的碰撞頻率有關[17]，酶解底物與蛋白酶碰撞頻率的增加，導致了蠶蛹蛋白酶解反應加快，使油脂從蠶蛹組織中充分釋放出來。當超聲功率大于120 W時，蠶蛹油的提取率反而有所下降，原因可能是高功率超聲波引起了中性蛋白酶活性部分喪失[18]，使酶解反應減慢，最終導致蠶蛹油提取率下降。

2.1.1.2 加酶量對蠶蛹油提取率的影響

在超聲頻率40 kHz、功率80 W、酶解溫度50 ℃、酶解pH 7.0、酶解時間30 min和底物質量濃度50 g/L的條件下，研究不同加酶量對蠶蛹油提取率的影響，結果如圖2所示。

圖2 加酶量對蠶蛹油提取率的影響Fig.2 Effect of enzyme/substrate ratio on the extraction yield of silkworm pupae oil

由圖2可知，蠶蛹油提取率與加酶量呈現正相關性，隨著加酶量的增加，蠶蛹油提取率快速增加，這是由于加酶量增大引起蠶蛹蛋白水解程度增加，促進了蠶蛹油釋放。當加酶量在2 500 U/g以上時，蠶蛹油提取率增幅變緩，這表明加酶量在2 500 U/g時，蠶蛹蛋白幾乎已達到最大水解，提高加酶量對蠶蛹蛋白的水解程度影響不大，故油脂提取率變增幅不大，這一現象與加酶量對葫蘆籽油提取率的作用結果基本一致，隨著加酶量的增加，葫蘆籽油提取率先迅速增加后趨于恒定[9]。

2.1.1.3 酶解時間對蠶蛹油提取率的影響

在超聲頻率40 kHz、功率80 W、酶解溫度50 ℃、酶解pH 7.0、加酶量500 U/g和底物質量濃度50 g/L條件下，研究不同酶解時間對蠶蛹油提取率的影響，結果如圖3所示。

注意公式（12）是基于振幅的方法，不同于基于標準到時的方法。采用這一方法的主要原因是發現，無震動信息是區分在時空上發生相近的多個地震事件的關鍵。這將在后面的討論一節中進一步闡述。

圖3 酶解時間對蠶蛹油提取率的影響Fig.3 Effect of hydrolysis time on the extraction yield of silkworm pupae oil

由圖3可知，酶解時間對蠶蛹油提取率的影響較小，隨著酶解的進行，蠶蛹油提取率緩慢增加，在酶解130 min時，蠶蛹油提取率為82.5%，僅比酶解30 min的蠶蛹油提取率（79.1%）提高了4.3%。原因可能是酶解30 min前，蠶蛹蛋白酶解反應速度快，加速了蠶蛹油釋放，當酶解30 min以上時，酶解反應因底物減少以及產物抑制等因素使酶解反應達到平衡，蠶蛹油提取率增幅變緩[9]。

2.1.1.4 底物質量濃度對蠶蛹油提取率的影響

在超聲頻率40 kHz、功率80 W、酶解溫度50 ℃、酶解pH 7.0、加酶量500 U/g和酶解時間30 min的條件下，研究不同底物質量濃度對蠶蛹油提取率的影響，結果如圖4所示。

圖4 底物質量濃度對蠶蛹油提取率的影響Fig.4 Effect of substrate concentration on the extraction yield of silkworm pupae oil

由圖4可知，隨著底物質量濃度的增加，蠶蛹油的提取率先增后減，這與水酶法提取葫蘆籽油[9]、橡膠籽油[19]和紅花籽油[20]中底物質量濃度對油脂提取率的影響趨勢基本一致。這主要因為隨著底物質量濃度的增加，底物與蛋白酶接觸頻率增加，酶解反應速度加快，促使蛋白快速降解和油脂溶出；然而，當底物質量濃度過高時，則由于反應體系黏度增大，蛋白酶與底物接觸反而受阻，酶解反應速度下降，蛋白降解和油脂的溶出受阻。

2.1.2 響應面法優化

在單因素試驗基礎上，固定酶解時間30 min，采用Box-Behnken設計原理，以蠶蛹油提取率為響應值，選取底物質量濃度、超聲功率和加酶量進行三因素三水平的旋轉正交試驗設計。響應面試驗的因素水平設計見表1。Box-Behnken設計方案共有15 次試驗，試驗結果見表2。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface experiments

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.1.2.1 模型建立及顯著性檢驗

表3 響應表面回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for the response surface model

采用Design Expert 7.1.3統計軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合，建立油脂提取率（Y）與底物質量濃度（X1）、超聲功率（X2）和加酶量（X3）之間的響應面回歸模型為：Y=89.87-2.20X1＋0.70X2＋2.10X3＋0.43X1X2＋0.33X1X3＋0.08X2X3-5.37X12-2.12X22- 1.47X32（X1、X2、X3為各因素水平的編碼數）。從表3可以看出，X1、X3、X12對蠶蛹油提取率的影響極顯著（P＜0.01），對蠶蛹油提取率的影響較顯著（P＜0.05），X2、X1X2、X1X3、X2X3和對蠶蛹油提取率的影響不顯著（P＞0.05），表明提取率（Y）與底物質量濃度（X1）、超聲功率（X2）和加酶量（X3）之間為非線性關系。另外，從表3也可以看出，各因素對蠶蛹油提取率影響大小順序為：底物質量濃度（X1）＞加酶量（X3）＞超聲功率（X2）。該模型回歸極顯著（P＜0.01），失擬項P=0.243 3，差異不顯著（P＞0.05），并且該模型決定系數R2為95.15%，調整后決定系數R2Adj為86.42%，變異系數為1.68%，說明該模型擬合精確、可信，可用于分析和預測水酶法提取蠶蛹油的情況[21]。

2.1.2.2 最優工藝條件確定及驗證

采用Design Expert 7.1.3統計軟件作出底物質量濃度（X1）、超聲功率（X2）和加酶量（X3）兩兩之間的響應面圖見圖5。

圖5 各因素對蠶蛹油提取率影響的響應面Fig.5 Response surface for interactive effects of independent variables on the extraction yield of silkworm pupae oil

從底物質量濃度（X1）與超聲功率（X2）對蠶蛹油提取率的響應面（圖5a）可以看出，底物質量濃度與超聲功率之間存在交互作用。隨著底物質量濃度和超聲功率的增加，蠶蛹油提取率逐漸升高，但當底物質量濃度和超聲功率增加到一定值后，蠶蛹油提取率卻隨著底物質量濃度和超聲功率的增加而下降。因此，在加酶量不變的情況下，底物質量濃度與超聲功率對蠶蛹油提取率的響應面存在極值，在底物質量濃度65～70 g/L和超聲功率120～125 W范圍內，蠶蛹油提取率較大。

從加酶量（X3）與底物質量濃度（X1）對蠶蛹油提取率的響應面（圖5b）可知，加酶量與底物質量濃度之間存在交互作用。隨著底物質量濃度和加酶量的持續增加，蠶蛹油提取率先逐漸升高到一定值后，又呈下降的趨勢。因此，在超聲功率不變的情況下，加酶量與底物質量濃度對蠶蛹油提取率的響應面存在極值，在底物質量濃度65～70 g/L和加酶量2 500～3 000 U/g范圍內，蠶蛹油提取率較大。

從超聲功率（X2）與加酶量（X3）對蠶蛹油提取率的響應面可知（圖5c），超聲功率與加酶量之間存在交互作用。隨著超聲功率與加酶量的增加，蠶蛹油提取率先增后減。在底物質量濃度不變的情況下，超聲功率與加酶量對蠶蛹油提取率的響應面也 存在極值，在超聲功率115～125 W和加酶量2 500～3 000 U/g范圍內，蠶蛹油提取率較大。

綜上所述，由于底物質量濃度（X1）、超聲功率（X2）和加酶量（X3）兩兩之間的響應面均存在極值。因此，可以通過對二次回歸的數學模型取一階偏導獲得最優試驗條件[22-23]，確定X1=-0.176 95，X2=0.160 33，X3=0.698 79；最終得到最優蠶蛹油提取條件為：底物質量濃度68.2 g/L，超聲功率121.6 W，加酶量2 849.4 U/g。在此條件下，蠶蛹油提取率預測值為90.9%，對以上最優提取條件進行驗證實驗，經3 次平行實驗，蠶蛹油提取率分別為90.8%、89.5%、90.3%，平均值為（90.2±0.66）%。驗證結果與理論預測值接近。表明預測值和真實值之間有很好的擬合性，進一步驗證了模型的可靠性。

2.2 超聲波輔助水酶法提取的蠶蛹油脂肪酸組成分析

為了研究水酶法提取對蠶蛹油脂肪酸組成的影響，以傳統有機溶劑提取的蠶蛹油為對照，利用氣相色譜分析蠶蛹油中的脂肪酸組成（圖6），利用面積歸一法獲得蠶蛹油中各脂肪酸的相對含量如表4所示。由表4可知，水酶法與正己烷提取的蠶蛹油的脂肪酸組成基本一致，無明顯不同，均主要含有棕櫚油酸、軟脂酸、亞麻酸、亞油酸、油酸和硬脂酸。亞油酸和亞麻酸為人體必需脂肪酸，不僅具有極高的營養價值而且具有良好的藥理功能[24-25]。與正己烷提取相比，通過超聲波輔助水酶法提取的蠶蛹油不僅不飽和脂肪酸含量略高，且色澤亮黃，氣味純正。另外，超聲波輔助水酶法提取蠶蛹油的操作方便，易于工業化生產，因而具有潛在的應用前景。

圖6 不同方法所得蠶蛹油甲酯化的氣相色譜圖Fig.6 GC chromatograms of methyl esters of silkworm pupae oils obtained by different extraction methods

表4 不同方法所得蠶蛹油脂肪酸的相對含量Table 4 Relative contents of fatty acids of silkworm pupae oils obtained by different extraction methods

3 結 論

3.1 采用響應面分析法優化了超聲波輔助中性蛋白酶酶解法提取蠶蛹油的工藝，各因素對蠶蛹油提取率影響的大小依次為底物質量濃度＞加酶量＞超聲功率；確定最優工藝條件為底物質量濃度68.2 g/L、超聲功率121.6 W、加酶量2 849.4 U/g，在此條件下，蠶蛹油提取率為（90.2±0.66）%。

3.2 超聲波輔助水酶法與正己烷提取的蠶蛹油中脂肪酸組成與含量基本一致，均主要含有棕櫚油酸、軟脂酸、亞麻酸、亞油酸、油酸和硬脂酸；因此，超聲波輔助水酶法是一種綠色、高效和安全的提取油脂方法，具有潛在的應用前景。

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Optimization of Ultrasonic-Assisted Aqueous Enzymatic Extraction and Fatty Acid Composition of Silkworm Pupae Oil

JIA Jun-qiang1,2, WU Qiong-ying1,2, DU Jin-juan1, HE Rong-hai3, GUI Zhong-zheng1,2, YAN Hui1,2
(1. School of Biotechnology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212018, China; 2. Sericultural Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Zhenjiang 212018, China; 3. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

As a new extraction technique, ultrasonic-assisted neutral protease hydrolysis (UANPH) was used to extract oil from silkworm pupae. On the basis of single factor experiments, effects of ultrasonic power, substrate concentration and enzyme dosage on the extraction yield of silkworm pupae oil were studied with response surface methodology. In addition, the fatty acid composition of silkworm pupae oil was analyzed by gas chromatography (GC). The results showed that the the extraction yield of silkworm pupae oil was affected in decreasing order by substrate concentration, enzyme dosage and ultrasonic power. The optimized operating parameters were as follows: substrate concentration 68.2 g/L, ultrasonic power 121.6 W and enzyme dosage 2 849.4 U/g. Experiments carried out under the optimal conditions led to an extraction yield of (90.2 ± 0.66)%. GC analysis showed that composition and contents of fatty acids in silkworm pupae oils by UANPH extraction and traditional solvent (n-hexane) extraction were in substantial agreement. The silkworm pupae oils were mainly composed of palmitoleic acid, palmitic acid, linolenic acid, linoleic acid, oleic acid and stearic acid.

ultrasound; aqueous enzymatic extraction; silkworm pupae oil; fatty acid composition

TS224.4

A

1002-6630（2014）16-0052-06

10.7506/spkx1002-6630-201416010

2013-10-31

江蘇省自然科學基金項目（BK2012693；BK2012708）；公益性行業（農業）科研專項（201403064）

賈俊強（1973—），男，副研究員，博士，研究方向為生物資源開發與利用。E-mail：junqiangjia2008@163.com