微波法輔助提取堿蓬籽油的工藝研究

金麗珠,許　偉,邵　榮,朱躍釗,廖傳華，*

(1.南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京 211816;2.鹽城工學院海洋與生物工程學院,江蘇鹽城 224051;3.江蘇省海洋灘涂生物化學與生物技術重點建設實驗室,江蘇鹽城 224051)

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微波法輔助提取堿蓬籽油的工藝研究

金麗珠1,2,3,許偉2,3,邵榮2,3,朱躍釗1,廖傳華1，*

(1.南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京 211816;2.鹽城工學院海洋與生物工程學院,江蘇鹽城 224051;3.江蘇省海洋灘涂生物化學與生物技術重點建設實驗室,江蘇鹽城 224051)

以堿蓬籽粉末為原料,石油醚(60～90 ℃)為提取劑,采用微波法輔助提取堿蓬籽油。在單因素實驗的基礎上,采用響應面法優化了堿蓬籽油的提取工藝。應用氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)分析了堿蓬籽油脂肪酸組成及相對含量,測定了其酸值、碘值、皂化值及過氧化值。研究結果表明,提取堿蓬籽油的最佳工藝參數為:微波功率268 W、提取時間12 min、液料比33∶1(mL/g)。在最優工藝條件下,堿蓬籽的出油率為19.79%±0.29%。堿蓬籽油中不飽和脂肪酸含量豐富,其中亞油酸含量達71.04%,油酸含量達13.86%,表明堿蓬籽油具有較高的營養價值。各理化指標的檢測結果為:酸值1.90 mg KOH/g,碘值149.9 g I/100 g,皂化值192.1 mg KOH/g,過氧化值2.55 mmol/kg,均符合食用植物油標準,表明堿蓬籽油可用于開發高級保健食用油。研究結果為堿蓬的深度開發利用奠定了基礎。

微波輔助提取,堿蓬籽油,脂肪酸,響應面法,理化性質

堿蓬屬于藜科草本植物,是典型的鹽堿地指示植物之一。堿蓬籽油脂含量豐富,工業出油率約為18%～25%[1]。現代醫學研究發現堿蓬屬植物具有降血糖、降血壓、防治心臟病、擴張血管以及增強人體免疫力等作用[2-3]。堿蓬籽油中所含營養成分高于一般植物油[4],不飽和脂肪酸含量占總脂肪酸的90%以上,亞油酸含量達70%以上,油酸含量達10%以上,可用于開發高級保健食用油[5]。堿蓬籽中亞油酸可用于制備共軛亞油酸,其具有抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化、抗氧化和降低體內脂肪等藥用價值[1]。目前,國內外對堿蓬的研究涉及到植物生理作用、耐鹽性、種植[6-7]以及堿蓬葉蛋白[8]、堿蓬紅色素[9]、黃酮類物質[10]、水溶性多糖[11]、甜菜紅素[12]、堿蓬籽中總酚[13]等。已報道的關于堿蓬籽油的提取研究主要集中在溶劑法[14-16]與超臨界CO2流體萃取法[17-18],有關微波法輔助提取的工藝尚未見相關文獻報道。

微波法輔助提取油脂的主要原理是應用微波的熱特性。當微波進入細胞時,將明顯引發細胞結構內部溫度的升高與壓力的增大,最終使細胞壁破裂,從而細胞內的成分將迅速釋放至周圍溶劑中,達到快速提取效果[19]。微波法輔助提取技術具有加熱速度快、受熱均勻、提取時間短、溶劑用量少、能耗小、營養破壞少、效率高等優點,是一種新型的提取技術[20,21]。本文采用微波法輔助提取堿蓬籽油,采用GC-MS分析其脂肪酸組成及相對含量,并檢測其主要理化指標。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

堿蓬籽鹽城綠苑鹽土農業科技有限公司提供;石油醚(沸程60～90 ℃)、正己烷、NaOH、無水甲醇、無水硫酸鈉均為分析純;所用其他試劑均為分析純。

XO-SM50超聲微波組合反應系統南京先歐生物科技有限公司;粉碎機北歐歐慕電動咖啡研磨機;AUY220電子天平日本島津公司;TGLL-18K高速冷凍離心機太倉市華美生化儀器廠;EYELA N-1100旋轉蒸發儀埃朗科技國際貿易(上海)有限公司;DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱上海精宏實驗設備有限公司;GC-2014氣相色譜儀日本島津公司;Trace GC Ultra-Trace DSQ氣/質聯用儀美國菲尼根質譜公司。

1.2實驗方法

1.2.1微波提取工藝流程堿蓬籽→預處理(精選、粉碎、過篩)→溶劑(石油醚(60～90 ℃))與堿蓬籽粉末混合→微波提取→冷卻→離心→抽濾→旋蒸→干燥→堿蓬籽油

1.2.2堿蓬籽出油率的計算采用種子水分含量測定的標準方法——烘干減重法中的低恒溫烘干法對堿蓬籽的水分含量進行測定,結果表明堿蓬籽的水分含量為9.24%。其出油率的計算公式為:

1.2.3微波提取的單因素實驗精確稱取2.5 g堿蓬籽粉末于500 mL燒杯中,石油醚(60～90 ℃)為提取劑,分別研究不同微波功率、提取時間、液料比和原料粒度對堿蓬籽出油率的影響。提取的初始條件為:微波功率300 W,提取時間9 min,液料比30∶1 mL/g,原料粒度為80目。各單因素水平:微波功率為100、200、300、400、500 W;提取時間為5、9、13、17、21 min;液料比為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1(mL/g);原料粒度為粗原料(原料含較多種皮)、精選未粉碎(去除大部分種皮但未粉碎)、60目以上、60 ～ 80目、80目。反應過程采用間歇加熱方式[22],反應1 min,冷浴1 min,反復進行,以防止提取液暴沸。微波反應結束后將提取液離心、抽濾、旋蒸、干燥,待溶劑蒸干后稱量堿蓬籽油的質量,并計算出油率。三次平行實驗取平均值。

1.2.4響應面優化實驗根據單因素實驗結果,最佳原料粒度為80目,在響應面優化實驗設計中,僅以液料比、微波功率及提取時間為響應變量,原料選擇80目的堿蓬籽粉末,以出油率為響應值,應用Design-Expert 8.0軟件分析處理數據,并采用Box-Behnken原理進行實驗設計[23],對微波輔助提取堿蓬籽油進行三因素三水平的研究,實驗因素的水平見表1,以得到微波輔助提取堿蓬籽油的最佳提取工藝條件。

表1　響應面實驗因素設計水平表Table 1　Factors and levels of response surface analysis

1.2.5油脂脂肪酸的組成及相對含量分析油脂的甲酯化:采用氫氧化鈉-甲醇法對堿蓬籽油進行酯交換處理,以超聲法輔助甲酯化反應[18]。稱取0.1 g油樣于10 mL具塞試管中,加入2 mL正己烷至油樣完全溶解,再加入0.02 g/mL的氫氧化鈉-甲醇溶液,在水浴溫度30 ℃、超聲功率120 W條件下,超聲反應15 min。反應結束后靜置分層,取上清液于2 mL的PE管中,并加入無水硫酸鈉除水后備用,用于氣相色譜-質譜聯用分析。

氣相色譜條件根據文獻[18]的方法,略作修改。色譜柱:Thermo TR-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣:He,流量15 mL/min;分流比:10∶1;進樣器溫度:250 ℃;進樣量:1 μL;采用程序升溫方式,升溫程序為:起始溫度180 ℃,保持5 min;以10 ℃/min的升溫速率升至210 ℃,保持2 min;以5 ℃/min的升溫速率升至260 ℃,保持10 min。質譜條件為離子源:EI;離子源溫度:250 ℃;傳輸線溫度:250 ℃;質量掃描范圍:1～1050 amu;質量掃描方式:全掃描。通過GC-MS分析可得到樣品的總離子流色譜圖和各峰的質譜圖,采用峰面積歸一化法進行定量分析,通過譜庫搜索和分析得出樣品的各組分和相對含量。

1.2.6堿蓬籽油的理化性質分析根據GB/T 5530-2005《動植物油脂 酸值和酸度測定》[24]、GB/T 5532-2008《植物油脂 碘值的測定》[25]、GB/T 5534-2008《動植物油脂 皂化值的測定》[26]及GB/T 5538-2005《動物油脂 過氧化值測定》中的方法檢測堿蓬籽油的酸值、碘值、皂化值與過氧化值[27]。

2　結果與分析

2.1單因素實驗結果與分析

微波功率、提取時間及液料比對油脂出油率的影響如圖1a～圖1c所示,原料粒度對油脂出油率的影響如表2所示。

表2　原料粒度對油脂出油率的影響Table 2　Effect of particle size on the yield of Suaeda salsa oil

圖1　各單因素對油脂出油率的影響Fig.1　Effect of each single factor on the yield of Suaeda salsa oil

由圖1a可知,微波功率在100～300 W之間時,堿蓬籽的出油率隨微波功率的增加而升高,這主要是因為微波的熱特性發揮作用,細胞壁的破壞程度增大,分子運動加劇,物料中的油脂迅速擴散至溶劑中,出油率升高[19]。當功率達到300 W時,萃取系統達到平衡狀態,出油率最高。但當微波功率繼續增加時,基體內部溫度持續升高,溶劑的揮發程度加劇,油脂的氧化與分解作用也將迅速增強[28],出油率呈下降趨勢。根據實驗結果,選擇微波功率300 W為較佳條件。

由圖1b可知,提取時間在5 ～13 min之間時,堿蓬籽的出油率隨提取時間的增加而升高,這主要是因為隨著提取時間的增加,細胞壁的破壞程度增大,溶出物增多,出油率升高[21]。當提取時間達到13 min時,萃取系統達到平衡狀態,出油率最高,這與張雯雯等人[28]采用微波法輔助萃取余甘子核仁油的工藝研究中,最佳提取時間為12 min相近。但當提取時間持續增加時,細胞破壞程度緩慢,溶出物釋放速度緩慢。且當提取時間增長時,體系溫度升高,溶劑的揮發程度加劇,油脂的氧化與分解作用也將迅速增強[28],從而出油率呈下降趨勢。綜合成本及能量消耗等方面考慮,選擇提取時間13 min為較佳條件。

由圖1c可知,液料比在10∶1～30∶1(mL/g)時,堿蓬籽的出油率隨液料比的升高而提高,這符合質量傳遞原理,固體與液體之間的濃度梯度是傳質過程中的主要驅動力。當液料比升高時,驅動力也將隨之增大,出油率升高[29-30]。液料比達到30∶1(mL/g)時出油率達到最大值,這與彭丹等人[31]微波輔助提取西瓜子油的工藝研究中,最佳液料比30∶1(mL/g)相同,隨后出油率隨液料比的升高而降低。這主要是由于固體內部存在傳質極限,因此當溶劑量增大時,驅動力不再增大[32],且溶劑對微波有吸收損耗,使得進入基體內部的微波量減少,細胞破壞程度及能力減弱,從而出油率降低。出于經濟性考慮,選擇液料比為30∶1(mL/g)為較佳條件。

由表2可知,當原料未粉碎時(粗原料與精選未粉碎),出油率極低,這主要是由于未粉碎的原料細胞壁完整,微波不能快速破壞細胞結構,溶出物的量很少,因此出油率極低。當原料粉碎后(60目以上、60～80目、80目),出油率隨粉碎程度的增大而增大,這主要是因為較小粒徑意味著更短的質量傳送距離和更大的表面積[33],粉碎程度越大,微波能更好地進入基體內,使內部溫度迅速升高,加強傳質過程,從而使油脂更好地進入周圍溶劑中,提高出油率。根據實驗結果,選擇80目的堿蓬籽粉末為實驗原料。

2.2響應面優化實驗

2.2.1響應面實驗設計及實驗結果響應面實驗設計及實驗結果匯總如表3所示。

以微波功率(A)、提取時間(B)、液料比(C)為響應變量,以出油率(Y)為響應值,進行非線性回歸,二次多項式擬合所得方程為:

Y=19.46-1.09A-0.43B+1.52C+0.098AB+0.21AC-0.0075BC-1.61A2-1.41B2-2.13C2

表4　回歸模型的方差分析Table 4　Variance analysis of regression model

注:**代表差異極顯著(p<0.01),*代表差異顯著(0.01

由表4可知,該模型極其顯著(p<0.01),表明該模型在堿蓬籽出油率的實驗值和擬合值之間具有很好的擬合度。該模型的失擬項p為0.3459>0.05,說明該模型擬合度良好,實驗誤差較小,表明二次模型是合理的,該模型可用來確定堿蓬籽油最佳提取工藝條件。

表3　Box-Behnken實驗設計及實驗結果Table 3　Box-Behnken experimental design and results

對模型系數顯著性分析可知,A、B、C、A2、B2、C2對堿蓬籽出油率的影響是極其顯著的。因素的F值越大,表明該因素對堿蓬籽出油率的影響越顯著。一次項中各因素對堿蓬籽出油率的影響顯著性大小順序是液料比(C)>微波功率(A)>提取時間(B)。

2.2.2響應曲面分析與優化響應面優化堿蓬籽油提取實驗中雙因素間交互作用影響見圖2a～圖2c所示。

圖2　雙因素交互作用對堿蓬籽出油率的響應曲面圖Fig.2　Response surface plot of interaction effects of extraction variables on the yield of Suaeda salsa oil

從圖2a～2c可以看出,堿蓬籽出油率隨微波功率的增加呈先升高后快速下降的趨勢,主要是由于微波功率持續升高導致細胞內部溫升加快,溶劑揮發程度加劇且油脂的氧化與分解速率加快。堿蓬籽出油率隨提取時間的增長先升高后呈現下降趨勢,這主要是因為提取時間的增長促使微波的熱特性效果顯著,溶劑揮發快,細胞中的溶出物減少。由于固體內部存在傳質極限,且溶劑可吸收部分微波輻射,當溶劑量增加時,傳質驅動力不再增加且細胞破壞程度降低,油脂溶出減少,因此堿蓬籽出油率隨著液料比的增加先升高后降低。圖中等高線為圓形,表明雙因素的交互作用均不顯著。從方差分析表中亦可知雙因素交互作用的F值均較小,其交互作用不顯著。

2.3最佳工藝驗證實驗

經Box-Behnken設計得到微波輔助提取堿蓬籽油的最優工藝條件為:微波功率268 W、提取時間12 min、液料比33∶1(mL/g)。在此工藝條件下堿蓬籽的出油率為19.93%。在確定的最佳工藝條件下進行驗證實驗,得到堿蓬籽的出油率為19.79%±0.29%,實驗值與理論值的相對誤差為0.70%,證明此最佳條件可行,該模型是適合有效的。

2.4油脂脂肪酸組成及相對含量分析

堿蓬籽油甲酯化后的揮發物總離子流色譜圖如圖3所示,經GC-MS分析鑒定后的堿蓬籽油中含有的主要脂肪酸及相對含量檢測結果如表5所示。

圖3　堿蓬籽油中脂肪酸甲酯的總離子流色譜圖Fig.3　TIC of fatty acid methyl esters in the oil from suaeda salsa seeds

實驗號保留時間(min)脂肪酸名稱分子式分子量相對含量(%)18.56棕櫚酸C16H32O2256.426.53211.72亞油酸C18H32O2280.4471.04311.82油酸C18H34O2282.4613.86

由圖3及表5可知,堿蓬籽油中富含不飽和脂肪酸,其中亞油酸含量高達71.04%,油酸含量為13.86%,其營養價值可與紅花籽油相媲美[15],且飽和脂肪酸中主要為棕櫚酸,相對含量為6.53%。作為人體必需的脂肪酸,堿蓬籽油中豐富的亞油酸和油酸具有較好的生理功能,可用于開發高級保健食用油。

2.5堿蓬籽油的理化性質測定結果

據國標方法,測定堿蓬籽油中的酸值、碘值、皂化值和過氧化值,其結果如表6所示。

表6　堿蓬籽油的理化指標Table 6　The physico-chemical properties ofS. salsa seed oil

酸價是用于評價油脂中游離脂肪酸含量的重要指標,《GB 2716-2005 食用植物油衛生標準》中規定,食用植物油的酸價應不高于3 mg KOH/g,檢測所得堿蓬籽油的酸價為1.90 mg KOH/g,符合食用植物油標準。碘值是用于評價油脂不飽和程度的指標,堿蓬籽油的碘值為149.9 g I/100 g,大于130 g I/100 g,屬于干性油。皂化值是用于鑒定油脂質量和品質的重要指標,堿蓬籽油的皂化值為192.1 mg KOH/g。過氧化值是用于評價油脂氧化程度的常用指標,食用植物油標準中規定油脂的過氧化值應不高于10 mmol/kg,檢測得到堿蓬籽油的過氧化值為2.55 mmol/kg,符合食用油標準。根據結果可知,堿蓬籽油的各理化性質均符合食用植物油的標準,可用于開發高級保健食用油。

3　結論

采用單因素實驗方法研究各因素對堿蓬籽出油率的影響,并以此為基礎采用響應面法優化提取工藝,提取堿蓬籽油的最佳工藝參數為:微波功率268 W、提取時間12 min、液料比33∶1(mL/g)。在最優提取條件下,堿蓬籽的出油率為19.79%±0.29%。與理論出油率19.93%相比,實驗值與理論值的相對誤差為0.70%,證明此最佳條件可行,響應面法所采用的模型是適合有效的,可用于優化提取工藝。所得實驗數據可為堿蓬籽油的提取工藝提供基本參考依據。

對提取的堿蓬籽油進行酯交換處理,通過GC-MS檢測發現,堿蓬籽油中不飽和脂肪酸含量豐富,其中亞油酸含量達71.04%,油酸含量達13.86%,表明堿蓬籽油具有較高的營養價值。應用國標方法測定堿蓬籽油的主要理化指標,各結果均符合食用植物油標準,表明堿蓬籽油可用于開發高級保健食用油。研究結果為堿蓬在食品、藥品等方面的應用提供參考,有利于拓展堿蓬的開發利用領域。

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Study on the process of microwave-assisted extraction ofSuaedasalsaseed oil

JIN Li-zhu1,2,3,XU Wei2,3,SHAO Rong2,3,ZHU Yue-zhao1,LIAO Chuan-hua1，*

(1.School of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China;2.School of Marine and Biology Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China;3.Jiangsu Key Laboratory of Biochemistry and Biotechnology of Marine Wetland,Yancheng 224051,China)

TheSuaedasalsaseed oil was extracted fromSuaedasalsapowder by microwave-assisted extraction using petroleum ether(60～90 ℃)as the extraction solvent. The extraction process ofSuaedasalsaseed oil was optimized with the response surface method based on the single factor experiments. The composition and relative content of fatty acid were analyzed by the gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS). Then,the acid value,iodine value,saponification value and peroxide value were measured by the national standards. The optimal extraction conditions were as follows:268 W of microwave power,12 min of extraction duration and 33∶1(mL/g)of solvent/solid ratio. Under the optimized conditions,the yield ofSuaedasalsaseed oil was 19.79%±0.29%. The major fatty acids were unsaturated fatty acids,such as linoleic acid(71.04%)and oleic acid(13.86%),which showed high nutritional value of theSuaedasalsaseed oil. The results of the physico-chemical properties were as follows:1.90 mg KOH/g of acid value,149.9 g I/100 g of iodine value,192.1 mg KOH/g of saponification value and 2.55 mmol/kg of peroxide value,all these were in line with the standard of edible vegetable oil. It proved that theSuaedasalsaseed oil could be used to develop the health edible oil. The results would lay the foundation for the development and utilization ofSuaedasalsa.

microwave-assisted extraction;Suaedasalsaseed oil;fatty acids;response surface method;physico-chemical properties

2015-07-13

金麗珠(1991-)，女，碩士研究生，主要從事油脂提取與應用領域的研究工作，E-mail：jlz910408@163.com。

廖傳華(1972-)，男，博士，教授，主要從事天然產物有效成分的高效提取及應用領域的研究與開發，E-mail：Lch@njtech.edu.cn。

國家海洋局公益性行業科研專項(201505023)；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2015057-29)；鹽城市農業科技創新專項引導資金項目(YK2014001)；鹽城市農業指導性項目(YKN2014004)；江蘇省大學生創新項目(201510305031Y)。

TS255.1

B

1002-0306(2016)05-0232-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.05.037