超聲波輔助提取花椒冷榨油餅粕中油脂的工藝優化

姜歡笑，蒲 彪，周 婷，胡愛華

(四川農業大學食品學院，四川雅安625014)

冷榨制油技術是一種直接將未經過蒸炒或軋胚的油料在室溫至65℃之間，經低溫榨油機壓榨而獲得營養價值、分子結構未發生變化的油脂和餅粕的制油技術［1］。相較于經傳統方法制油獲得的花椒餅粕，經冷榨工藝制油后獲得的花椒冷榨油餅粕可以有效的避免傳統制油精煉過程中，與溶劑、堿液、酸液、磷酸、脫色漂土等化學物質直接接觸而造成的重金屬、酸、堿等有害物質的殘留問題;另外，冷榨后的花椒餅粕中油脂、膳食纖維等營養物質變性程度低，且有效保存了其活性組分，確保了花椒餅粕的開發和利用價值。

對于植物油的萃取，一般采用正己烷、石油醚等作為溶劑。但由于這些溶劑都存在著不同程度的毒害作用，因此本實驗采用易制備、無毒害、易回收的乙醇作為花椒油脂的萃取溶劑。近年來，超聲波技術在食品工業中的分析檢測和改性領域得到越來越廣泛的應用［2-5］，常被用于油料預處理、動植物油脂制取、油脂精煉、油脂分析檢測、提高油脂得率、縮短油脂提取時間等方面［6-7］。本實驗以乙醇為提取溶劑，超聲波輔助提取花椒冷榨油餅粕中油脂，并優化提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

花椒冷榨油餅粕(藤椒鮮果經螺旋壓榨兩次，榨取藤椒油后的餅粕) 四川省洪雅縣幺麻子集團提供;無水乙醇 成都市科龍化工試劑廠;無水Na2SO4成都市科龍化工試劑廠;乙醚 東莞市雙德化工有限公司;氫氧化鉀 濟南金昊化工有限公司;碘化鉀 鄭州市鴻翔化工有限公司;三氯甲烷 濟南金昊化工有限公司;冰乙酸 鄭州通化實業有限公司;硫代硫酸鈉 成都市科龍化工試劑廠;石油醚(沸程30～60℃)成都市科龍化工試劑廠;甲醇 成都市科龍化工試劑廠;花椒酰胺類物質標準品 實驗室自制。以上試劑均為分析純。

KQ5200DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;RE-52-99旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠;SHZ-Ⅲ型循環水真空泵 上海亞榮生化儀器廠;DHG-9070A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;紫外分光光度計 天津拓普儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 花椒冷榨油餅粕烘干→粉碎→過篩→浸泡→超聲波輔助提取→抽濾→蒸發濃縮→干燥→稱量

1.2.2 油脂得率的計算

1.2.3 單因素實驗 將已洗凈除雜的花椒冷榨油餅粕放置于恒溫干燥箱中烘干，經高速粉碎機粉碎，過80目篩，每次實驗準確稱取10.0g。本實驗選擇料液比、乙醇濃度、超聲功率、超聲溫度、超聲時間為考察因素。料液比單因素實驗:在提取溶劑為90%的乙醇溶液，超聲功率240W，超聲溫度40℃，超聲時間20min 條件下，考察料液比(m∶V)1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30對花椒冷榨油餅粕殘留油脂提取的影響。抽濾后，收集所得濾液加入無水Na2SO4后置于真空旋轉蒸發儀中蒸發，并在水浴中將溶劑揮發后得油脂，再置于干燥器中至恒重，稱取提取油脂的重量，計算油脂得率。乙醇濃度單因素實驗:在料液比1∶20(m∶V)，超聲功率240W，超聲溫度 40℃，超聲時間20min條件下，考察乙醇濃度60%、70%、80%、90%、100%對花椒冷榨油餅粕殘留油提取的影響，其他程序如上。超聲功率單因素實驗:在提取溶劑為90%的乙醇溶液，料液比1∶20(m∶V)，超聲溫度40℃，超聲時間20min的條件下，考察超聲功率120、180、240、300、360W 對花椒冷榨油餅粕殘留油脂提取的影響，其他程序如上。超聲溫度單因素實驗:在提取溶劑為90%的乙醇溶液，料液比1∶20(m∶V)，超聲功率240W，超聲時間20min的條件下，考察超聲溫度 40、50、60、70、80℃對冷榨花椒餅粕殘留油脂提取的影響，其他程序如上。超聲時間單因素實驗:在提取溶劑為90%的乙醇溶液，料液比1∶20(m∶V)，超聲功率240W，超聲溫度40℃的條件下，考察超聲時間20、30、40、50、60min 對冷榨花椒餅粕殘留油脂提取的影響，其他程序如上。每組實驗重復3次，計算得率，取平均值。

1.3 正交實驗

根據單因素實驗所顯示的結果，選擇4個影響超聲波輔助乙醇提取冷榨花椒油餅粕中油脂的主要因素進行正交實驗，以油脂得率為指標，設計實驗因素水平表，進行正交實驗，以確定最佳提取工藝，因素水平編碼表如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Orthogonal experiment of three factors and three levels

1.4 提取油脂的品質測定

1.4.1 透明度、色澤、氣味、滋味鑒定 參照 GB/T 5525-2008植物油脂 透明度、色澤、氣味、滋味鑒定法。

1.4.2 水分及揮發物含量測定 參照GB/T 5528-2008動植物油脂水分及揮發物含量測定。

1.4.3 酸值測定 參照GB/T 5530-2005動植物油脂酸值和酸度測定。

1.4.4 過氧化值測定 參照GB/T 5538-2005動植物油脂過氧化值測定。

1.4.5 不溶性雜質含量的測定 參照GB/T 15688-2008動植物油脂不溶性雜質含量的測定。

1.4.6 砷含量的測定 參照GB/T 5009.11食品中砷及無機砷的測定。

1.4.7 油脂中酰胺類物質的測定 參照DB51/T 493-2005花椒油附錄A花椒油中酰胺類物質含量的測定。

2 結果與討論

2.1 油脂提取單因素實驗

2.1.1 料液比的篩選 由圖1可知，油脂得率隨溶劑使用量的增大而增大，但料液比超過1∶20時，油脂得率顯著減小(p＜0.01)。這可能是由于當溶劑使用量較少時，物料的粘度較大，擴散較慢，使得油脂不能充分浸出。但當溶劑使用量過大時，油脂浸出幾乎飽和，使得率下降。綜上，最佳料液比選擇1∶20(m∶V)。

圖1 不同料液比對提油率的影響Fig.1 The impact of different soild-liquid ratio for oil extraction rate

2.1.2 乙醇濃度的篩選 由圖2可知，隨著乙醇濃度的增加，初始階段油脂得率增大較快，當乙醇濃度超過90%后，油脂得率增量不顯著(p＞0.01)。這種現象是因為乙醇濃度的增大，促使了油脂的潤濕滲透和分子的擴散。并考慮到能源的節約問題，選擇乙醇濃度為90%。

圖2 不同乙醇濃度對提油率的影響Fig.2 The impact of different ethanol concentration for oil extraction rate

2.1.3 超聲功率的篩選 由圖3可知，隨著超聲功率的增大，油脂得率也逐漸增大，在超聲功率180W時，得率達最大值，隨后隨著超聲功率的繼續增大，油脂得率緩慢降低。這是由于超聲功率的增大，使得液體空化加劇，細胞壁破裂能力增強，從而增大了分子熱運動速率，加快了油脂的溶出速度［9-10］。但當功率超過180W時，可能是由于功率的繼續增大，空化趨于飽和，并破壞了大部分油脂，且加快了油脂的氧化導致的。綜上，最適合功率為180W。

圖3 不同超聲功率對提油率的影響Fig.3 The impact of different ultrasonic power for oil extraction rate

2.1.4 超聲溫度的篩選 由圖4可知，隨著溫度的升高，由于分子運動加劇，傳質速率加快，導致油脂得率增加較為明顯。但當溫度超過70℃后，油脂得率有下降趨勢，但下降趨勢不顯著(p＞0.01)，這可能是因為溫度過高，導致溶劑揮發速度加快，影響了油脂的提取。因此最適溫度選擇70℃。

2.1.5 超聲時間的篩選 由圖5可知，隨著超聲時間的增長，油脂的提油率也隨著增加，但50min后呈下降趨勢。這可能是因為超聲時間的增長，縮小了提取液與花椒冷榨油餅粕中的油脂濃度差，減小了料液的滲透壓，使得料液間達到動態平衡，因此繼續延長超聲時間，油脂得率也不會繼續提高。再比較提取時間為40min與50min油脂的得率，表示得率增加不顯著(p＞0.01)，因此從減少能耗的角度考慮選擇最適超聲時間40min。

2.2 正交實驗優化

在根據單因素實驗的基礎上，對提取效果影響較大的因素進行正交實驗設計。故選用L9(34)正交表，選擇超聲溫度、超聲功率、料液比、乙醇濃度進行正交優化實驗，結果見表2，方差分析見表3。

圖4 不同超聲溫度對提油率的影響Fig.4 The impact of different ultrasonic temperature for oil extraction rate

圖5 不同超聲時間對提油率的影響Fig.5 The impact of different ultrasonic time for oil extraction rate

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment

根據極差分析結果表明，在實驗設計范圍內，超聲波輔助乙醇提取花椒冷榨油餅粕中殘留油脂的各因素對得率影響的主次順序為:A＞D＞B＞C，即產生影響的最重要因素是超聲功率，其次是乙醇濃度，超聲溫度，料液比的影響較小。通過正交實驗可以確定提取條件的優化組合為A2B2C2D3，即超聲波輔助提取油脂的最佳工藝條件為超聲功率180W、超聲溫度70℃、料液比1∶20、乙醇濃度100%，此條件未在實驗設計中出現，因此按照最佳提取工藝進行三次驗證實驗，得率分別為5.47%、5.55%、5.42%，均值為5.48%。結果表明此工藝條件較穩定，說明利用正交實驗優化超聲波輔助乙醇提取冷榨花椒油餅粕中殘留油脂的選取工藝是成功的。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

因正交實驗的直觀分析結果對實驗的誤差和各因素作用是否顯著不能進行準確的估計，所以需要對正交實驗的結果進行方差分析。表3顯示，各因素對油脂得率的影響與直觀分析的結果一致，且對油脂得率的影響都達到顯著水平。

2.3 花椒冷榨油餅粕提取油脂的品質測定

由表4可知，超聲波輔助乙醇提取花椒冷榨油餅粕中油脂品質符合食用植物原油的國家標準。

表4 超聲波法提取的油脂品質Table 4 Qualities of oil by ultrasonic-assisted extraction

3 結論

本實驗研究了超聲輔助乙醇提取花椒冷榨油餅粕中油脂的方法，并對所提取油脂進行了品質測定。以單因素實驗為基礎，通過正交實驗分析得出，最佳提取工藝為料液比1∶20，乙醇濃度100%，超聲功率180W，超聲溫度70℃，超聲時間40min，在此條件下花椒油得率為5.48%，與預測值基本接近。表明了本研究方法與實際情況的吻合度較高，驗證了其可利用性。

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