超聲波輔助提取鴨肝卵磷脂的工藝研究

,,, ,, ,,,

(江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014)

超聲波輔助提取鴨肝卵磷脂的工藝研究

王道營,張牧晗,程秋菊,卞歡,耿志明,劉芳,諸永志,吳海虹,徐為民*

(江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014)

本文以鴨肝為實驗原料,以超聲波輔助提取鴨肝中的卵磷脂。通過控制超聲溫度、超聲時間、乙醇濃度、乙醇用量和超聲功率來進行單因素實驗,并以卵磷脂提取率為依據,對鴨肝卵磷脂的提取工藝進行響應面優化。實驗結果顯示,響應面優化得到鴨肝卵磷脂提取的最佳參數為:超聲溫度35℃,超聲時間43min,乙醇濃度95%,乙醇用量17mL。驗證實驗鴨肝卵磷脂提取率為76.34%。在該工藝條件下鴨肝卵磷脂的提取率達到較高,可以作為工業化生產的加工條件。

鴨肝,卵磷脂,超聲波,響應面

卵磷脂(PC)對機體的正常代謝有重要的調節功能,同時它是重要的乳化劑和抗氧化劑,廣泛用于食品、醫藥、化妝品等行業[1]。目前,卵磷脂的來源主要有2大類:一是從蛋黃中提取,其產率低；二是從大豆中提取,其工藝復雜,純度低[2]。鴨肝中不僅富含多種維生素、微量元素,而且卵磷脂也非常豐富,但目前從鴨肝中提取卵磷脂的工藝尚未見報道。

本研究以鴨肝為主要原料,進行超聲輔助粗提卵磷脂。超聲提取利用超聲的機械振動、空化效應、熱效應等多重作用[3],破壞細胞壁,使溶劑易于滲透到細胞中去,縮短卵磷脂提取的時間,加速卵磷脂的溶出,提高卵磷脂的提取率。超聲波萃取設備簡單、應用范圍廣、效率高,可減少有效成分的破壞、流失[3]。采用超聲的方法從鴨肝中提取卵磷脂,克服了傳統溶劑提取法(溶劑殘留比較多,且具有一定的毒性)和超臨界CO2萃取法(生產成本相對偏高)的不足之處,對超聲輔助提取的最優工藝進行了探索。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

鴨肝 購自徐州福潤禽業食品有限公司；乙酸乙酯、95%/無水乙醇 南京寧試化學試劑有限公司；30%過氧化氫、抗壞血酸 西隴化工股份有限公司；硫酸 成都市克隆化工試劑廠；鉬酸銨 上海蘇懿化學試劑有限公司；磷酸二氫鉀 杭州達瑞爾儀器有限公司；酒石酸銻鉀 上海炎晨化工實驗有限公司。

M124A電子天平 意大利BEL公司；HH-8數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；T-25數顯勻漿機 德國IKA公司；K3 Series冷凍離心機 英國Centurion Scientific公司；UV-6100紫外可見光分光光度計 上海元析儀器有限公司；RE-52A旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；KQ-300GVDV型三頻恒溫數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 鴨肝中總卵磷脂的提取 取5g鴨肝,置于80mL離心管中,加入30mL氯仿-甲醇(v/v=2∶1)勻漿。勻漿后倒入100mL三角瓶,再加入50mL氯仿-甲醇(v/v=2∶1)混勻,靜置1h后過濾。加入0.2倍體積的生理鹽水,混勻后3000r/min離心15min。取下層液體,44℃水浴真空旋轉蒸發,蒸干后剩余物質即為卵磷脂粗品,經消化后,采用鉬藍比色法測定總磷(本方法參考GB 11893-89,水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法)[4],得到鴨肝含的卵磷脂(記作C0,%),C=P×1250,P指由標準曲線計算出的試樣消化液中磷濃度(mg/mL)。

1.2.2 卵磷脂提取率的測定 用超聲波方法提取的卵磷脂粗品經消化后,采用鉬藍比色法測定總磷[4],得到卵磷脂含量(記作C,%),C=(P×6250)/m,P指由標準曲線計算出的試樣消化液中磷濃度(mg/mL),m為鴨肝質量(g),與鴨肝含的卵磷脂相對比,計算出卵磷脂提取率(%)=(C/C0)×100。

1.2.3 超聲輔助提取鴨肝中卵磷脂的工藝

1.2.3.1 提取方法 取一定量鴨肝,剪碎勻漿后準確稱量5g,置于50mL離心管中,加20mL乙酸乙酯,攪拌,靜置15 min,4000r/min離心,棄上清液。再加入一定量一定濃度的乙醇溶液,攪拌均勻后,置入210W的超聲波清洗器中,在一定溫度下超聲處理混合液,超聲結束后4000r/min離心15min,將上清液用3層濾紙過濾,濾液濾入稱量好質量的圓底燒瓶。濾液在旋轉蒸發器中濃縮近干燥,將所得卵磷脂置于60℃真空干燥箱中干燥12h,即得淡黃色的卵磷脂粗品。稱取0.05g左右卵磷脂,消化后,采用鉬藍比色法在700nm下測定吸光度,計算卵磷脂提取率。

1.2.3.2 單因素實驗 以鴨肝卵磷脂的提取率為指標,分別以超聲時間(按照20、30、40、50、60min,超聲功率210W,超聲頻率28Hz,超聲溫度35℃,乙醇濃度95%,乙醇用量20mL)、超聲溫度(按照15、25、35、45、55℃,超聲功率210W,超聲頻率28Hz,超聲時間30min,乙醇濃度95%,乙醇用量20mL)、超聲功率(按照210、240、270、300W,超聲頻率28Hz,超聲溫度35℃,超聲時間40min,乙醇濃度95%,乙醇用量15mL)、乙醇濃度(按照85%、90%、95%、100%,超聲功率210W,超聲頻率28Hz,超聲溫度35℃,超聲時間40min,乙醇用量20mL)、乙醇用量(按照5、10、15、20、25mL,超聲功率210W,超聲頻率28Hz,超聲溫度35℃,超聲時間40min,乙醇濃度95%)的不同水平進行單因素實驗,考察這5個因素對鴨肝卵磷脂提取率的影響,選擇各因素最佳水平。

1.2.3.3 響應曲面設計 在單因素實驗的基礎上,采用響應曲面對提取鴨肝卵磷脂工藝進行優化[5-6]。實驗因素與水平編碼見表1。

1.3數據處理

所有數據以平均值±標準誤表示,所得數據使用SPSS 18.0進行單因素方差分析；不同處理組間差異分析采用One-way ANOVA,用Duncan’s 多重比較,α=0.05。

表1 響應面因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of response surface design

2 結果與分析

2.1單因素實驗結果

2.1.1 超聲溫度對鴨肝卵磷脂提取率的影響 不同溫度對卵磷脂提取率的影響如圖1所示。鴨肝卵磷脂的提取率隨著超聲溫度的升高而增加,當溫度為35℃時提取率達到最高,超過35℃時隨著溫度的升高提取率又逐漸下降。

圖1 超聲溫度對鴨肝卵磷脂提取率的影響Fig.1 Effect of the ultrasonic temperature on duck liver lecithin extraction注:標有不同字母的處理有顯著性差異 (p<0.05),圖2～圖5同。

由此可見,溫度對卵磷脂的提取有顯著的影響。國外研究發現溫度越高,磷脂分子中非極性基團越易伸展開來,導致磷脂的極性頭之間及游離脂肪酸間的作用加強,促使磷脂結塊[7]。溫度對PC提取率的影響取決于其對傳質和結塊的平衡。從實驗結果看,低于35℃,溫度對傳質作用的影響大,隨著溫度增加,磷脂在溶劑中的溶解度增加,磷脂分子擴散加快,磷脂提取率增加。而高于35℃后,溫度對結塊作用影響較大,結塊后的磷脂,乙醇溶液很難擴散到磷脂內部,影響了傳質作用,故提取率不斷下降；另外,PC在高溫下容易被氧化,且PC在乙醇中的溶解是放熱過程,溶解度會隨溫度的上升而減少[8],最佳超聲溫度取為35℃。

2.1.2 超聲時間對鴨肝卵磷脂提取率的影響 超聲時間對卵磷脂提取率的影響如圖2所示。隨著超聲時間的延長,鴨肝卵磷脂的提取率不斷增加,但萃取時間超過40min后,提取率增加趨勢不再顯著。因此,選擇最佳提取時間為40min。

圖2 超聲時間對鴨肝卵磷脂提取率的影響Fig.2 Effect of the ultrasonic time on duck liver lecithin extraction

2.1.3 乙醇濃度對鴨肝卵磷脂提取率的影響 乙醇濃度對鴨肝卵磷脂提取率的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著乙醇濃度的增加,卵磷脂的提取率不斷提高,在乙醇濃度為95%時,提取率達到最高。用85%、90%的乙醇萃取時,溶劑含水量較高,磷脂在溶劑中易吸水結成團塊,黏結成膠體,使磷脂無法與乙醇充分接觸,在乙醇中的分散效果不好,阻礙萃取傳質過程,從而使得提取率較低。而用無水乙醇萃取時,卵磷脂的提取率反而下降,這是因為無水乙醇沒有含水乙醇極性大,而卵磷脂又是偏極性物質,當磷脂中存在微量水時,磷脂可以與水形成親油基向外親水基向內的反膠團,磷脂的無機性增強,使磷脂的I/O值與乙醇的I/O值更接近,增加了卵磷脂在乙醇中的溶解度。因此,選擇95%乙醇為最佳提取的乙醇濃度。

圖3 乙醇濃度對鴨肝卵磷脂提取率的影響Fig.3 Effect of the ethanol consistency on duck liver lecithin extraction

2.1.4 乙醇用量對鴨肝卵磷脂提取率的影響 乙醇用量對鴨肝卵磷脂提取率的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著溶劑用量的增加,卵磷脂提取率升高,乙醇用量達到15mL后增加趨勢趨于平緩。由實驗結果可見,提取用乙醇溶劑用量越大,被提取的卵磷脂的分散性越好,有利于卵磷脂在乙醇中的溶解,故提取率提高。從選擇高的提取率和降低溶劑成本的角度看,選擇最佳的乙醇用量為15mL。

圖4 乙醇用量對鴨肝卵磷脂提取率的影響Fig.4 Effect of the ethanol volume on duck liver lecithin extraction

2.1.5 超聲功率對鴨肝卵磷脂提取率的影響 超聲功率對鴨肝卵磷脂提取率的影響如圖5所示。由圖5可知,超聲功率在200～300W之間時,PC提取率變化不明顯,故以后實驗均采用210W作為超聲提取鴨肝卵磷脂的功率。

圖5 超聲功率對鴨肝卵磷脂提取率的影響Fig.5 Effect of the ultrasonic power on duck liver lecithin extraction

2.2響應曲面實驗結果與分析

利用Design-Expert 8 Trial 120軟件對表2.3數據進行多元回歸擬合,得到多元二次回歸模型方程(1):Y=76.35+0.32A+0.21B+0.076C+0.41D-0.79AB+0.075AC-0.16AD-0.12BC+0.16BD-0.26CD-0.86A2-0.46B2-0.77C2-0.51D2。方程(1)中Y為鴨肝卵磷脂的提取率,A、B、C、D分別代表超聲溫度、超聲時間、乙醇濃度、乙醇用量。由回歸方程可知,方程(1)中D的系數最大,其次是A、B的系數,最小的是C的系數,表明D(乙醇用量)對卵磷脂提取率的影響作用最大。

2.2.1 超聲溫度與時間的影響及其交互作用分析 超聲溫度和超聲時間對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖如圖6所示。對模型進行回歸方程系數顯著性檢驗結果顯示,超聲溫度和時間的交互作用極顯著(p<0.0001),卵磷脂提取率主要受溫度和時間的共同影響。由圖6可知,隨著溫度的升高提取率快速增大,當溫度為36.34℃時,提取率達到最大值。當超聲溫度為36.34℃時,很短的超聲提取時間就可以達到較高的提取率；在超聲提取溫度為25℃時,需要44min才能得到較高的提取率。可以看出,適當升高超聲溫度有利于卵磷脂的提取。由圖6可以看出,超聲溫度為36.34℃,超聲時間為41.13min時,提取率可達到最大值為76.38%。

表2 超聲波輔助提取鴨肝卵磷脂 工藝響應曲面設計方案與結果Table 2 Results of the response surface design of ultrasonic-assisted extraction of duck liver lecithin

圖6 超聲溫度和超聲時間 對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖Fig.6 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic temperature and time on duck liver lecithin extraction

2.2.2 超聲溫度與乙醇用量的影響及其交互作用分析 超聲溫度和乙醇用量的交互作用顯著(p<0.05),如圖7所示。卵磷脂提取率受溫度和乙醇用量的共同影響,當超聲溫度為40℃,乙醇用量為12.5mL時提取率可達到較高水平。當超聲溫度為35℃時,適當增加乙醇用量,提取率可以顯著上升,而當溫度為30℃時,不論怎樣增大乙醇用量,提取率也未能達到較高水平。由此可得出,當超聲溫度較低時,鴨肝卵磷脂不能被完全提出。由圖可得,超聲溫度為36.59℃,乙醇用量為16.88mL時,提取率可達到最大值76.45%。

圖7 超聲溫度和乙醇用量 對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖Fig.7 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic temperature and ethanol volume on duck liver lecithin extraction

2.2.3 超聲時間與乙醇用量的影響及其交互作用分析 超聲時間和乙醇用量對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖如圖8所示。超聲時間和乙醇用量交互作用顯著(p<0.05),提取率受超聲時間和乙醇用量的共同影響,當超聲時間為30min時,適當增加乙醇用量,提取率可以迅速提高。由圖8可得,超聲時間為43.12min,乙醇用量17.27mL時,提取率可達到最大值為76.47%。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of regression and variance

圖8 超聲時間和乙醇用量 對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖Fig.8 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic time and ethanol volume on duck liver lecithin extraction

注:***差異極顯著(p<0.001),*差異顯著(p<0.05)水平。2.2.4 乙醇濃度與乙醇用量的影響及其交互作用分析 乙醇濃度和乙醇用量對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖如圖9所示。

圖9 乙醇濃度和乙醇用量 對鴨肝卵磷脂提取率影響的響應面圖Fig.9 Response surface plot of the combined effects of the ethanol concentration and ethanol level on duck liver lecithin extraction

乙醇濃度與乙醇用量交互作用顯著(p<0.05),提取率受乙醇濃度和乙醇用量的共同影響,提取率隨著乙醇用量的增大,而迅速增大,當乙醇用量為10mL時,乙醇濃度增大而提取率沒有明顯提升,當乙醇用量為12.5mL時,增大乙醇濃度提取率迅速增大,當乙醇用量為15mL時,94%濃度的乙醇就能達到比較高的提取率。可以得知,適當增大乙醇用量有利于提取率的增大。由圖9可得,乙醇濃度為95.01%,乙醇用量為17.11mL時,提取率可達到最大值76.43%。乙醇濃度與超聲溫度(p>0.05)及乙醇濃度與超聲時間(p>0.05)的交互作用均不顯著,乙醇濃度對提取率的影響不大,由圖7～圖10的響應面圖可看出,影響超聲波輔助提取鴨肝卵磷脂提取率的最顯著因素是超聲溫度和乙醇用量,超聲時間、乙醇濃度次之。

為了方便實驗操作,最佳提取條件為:超聲溫度35℃,超聲時間43min,乙醇濃度95%,乙醇用量17mL。在該條件下進行驗證實驗,得到鴨肝卵磷脂提取率為76.34%,相對誤差0.17%,說明采用響應曲面優化得到的鴨肝卵磷脂提取工藝條件參數準確可靠,利用本實驗建立的模型在實踐中進行預測是可行的。

3 結論

超聲輔助提取鴨肝卵磷脂的最優工藝條件:超聲溫度34.91℃,超聲時間43.25min,乙醇濃度94.72%,乙醇用量17.34mL。鴨肝中卵磷脂提取率可達到76.47%。驗證實驗顯示,在該優化條件下,鴨肝卵磷脂的提取率達到較好值,可以作為工業化生產的基本加工條件,為鴨肝卵磷脂的快速、充分提取提供了理論保障。

[1]肖峰,劉學武,李志義. 卵磷脂的提取與應用[J]. 食品研究與開發,2003,24(5):40-42.

[2]劉榮建,李敏,劉躍民,等. 鵝肥肝中卵磷脂提取工藝研究[J]. 河北工業科技,2004,21:10-12.

[3]項昭保,霍丹群,任紹光. 超聲波在中草藥化學成分提取中的應用[J]. 自然雜志,2001,23(5):289-291.

[4]崔福生. 醫學生化檢驗手冊[M]. 天津科學技術出版社,1982.

[5]易軍鵬,朱文學,馬海樂,等. 牡丹籽油超聲波輔助提取工藝的響應面法優化[J]. 農業機械學報,2009,40(6):103-110.

[6]馬志虎,侯喜林,湯興利,等. 響應面法優化超臨界 CO2萃取韭菜籽油[J]. 中國油脂,2009,34(7):13-17.

[7]Montanar L,King JW,List JR,etal. Selective extraction of phospholipid mixtures by supercritical carbon dioxide and cosolvents[J]. Journal of Food Science,1996,61(6):1230-1234.

[8]謝憲章,林建華. 蛋黃中卵磷脂提取方法的研究[J]. 食品工業科技,1997(6):35-37.

Study on ultrasonic-assisted extraction of lecithin from duck liver

WANGDao-ying,ZHANGMu-han,CHENGQiu-ju,BIANHuan,GENGZhi-ming,LIUFang,ZHUYong-zhi,WUHai-hong,XUWei-min*

(Institute of Agricultural Products Processing,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China)

Duck liver was selected as raw material,and lecithin was extracted with ultrasound-assisted method. The ultrasonic temperature,ultrasonic time,ethanol concentration,ethanol level and ultrasonic power were controlled by single factor experiment,and subsequently response surface methodology was conducted to optimize ultrasonic assisted extraction based on lecithin extraction ratio. The experiment results showed that the optimum condition of ultrasonic-assisted extraction of lecithin from duck liver was achieved at the ultrasonic temperature of 35℃,ultrasonic time of 43 min,ethanol concentration of 95% and ethanol volume of 17mL. The validation experiment showed that the duck lecithin extraction ratio was 76.34%,which indicated a high extraction ratio of lecithin could be obtained,and these extraction conditions could be used for industrial application.

duck liver;lecithin;ultrasonic;response surface method

2014-01-13 *通訊聯系人

王道營(1979-)，男，博士研究生，副研究員，研究方向：肉品加工與質量控制。

國家自然科學基金資助項目(31271891)；國家農業科技成果轉化資金(2012GB2C100165)。

TS251.6+8

B

1002-0306(2014)17-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2014.17.001