白蘇籽油的超聲輔助提取工藝優化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春,任興晨,盧文靜

(浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江杭州 310058)

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白蘇籽油的超聲輔助提取工藝優化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春*,任興晨,盧文靜

(浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江杭州 310058)

以出油率為響應值,在單因素實驗基礎上,利用Box-Behnken設計優化超聲輔助提取白蘇籽油提取工藝。結果表明,料液比、超聲時間、超聲溫度對白蘇籽油出油率均有顯著影響,其影響次序為:超聲時間>料液比>溫度。以石油醚為溶劑,白蘇籽油超聲輔助提取較佳條件為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時間80 min。在此條件下,白蘇籽油的出油率高達43.57%。白蘇籽油主要含有11種脂肪酸,不飽和脂肪酸占總脂肪酸的90.54%。α-亞麻酸含量最高(201.56 mg/g 種子干重),占總脂肪酸的61.17%。白蘇籽油碘值為185.00 g/100 g,酸值為2.00 mg/g,皂化值為181.81 mg/g,過氧化值為1.93 mmol/kg。理化結果表明,白蘇籽油為干性油脂、不易氧化和酸敗,具有良好的食用品質。

白蘇,籽油,響應面,脂肪酸,超聲

白蘇(PerillafrutescensL. Britt.),又名赤蘇、蘇子、紫蘇[1-3],古名荏,是唇形目、唇形科、紫蘇屬一年生草本植物[4-5],在中國、日本、韓國、印度等亞洲國家有著上千年的種植歷史[6-7]。其莖、葉、種子皆可入藥、食用[7-9],是中國衛生部首批公布的60種藥食兼用物品之一[10]。

中國西部,白蘇籽被廣泛用于制油。因產地不同,白蘇籽含油率在30%～50%[11-12]。白蘇籽油具有降血脂、抗癌、預防及抑制腫瘤形成等功效[13-16],油中富含的不飽和脂肪酸有利于提高記憶力、預防心血管疾病、減少炎癥[13,17-19]。傳統提取方法主要為壓榨法[20],雖然設備簡單,但是出油率較低且勞動強度較大。新型的超臨界流體萃取技術[21]雖然能夠提高出油率,但是設備昂貴、成本較高。而超聲波輔助提取方法不僅能夠提高出油率,而且成本較低、工藝較為簡單。目前,國內已有超聲波輔助提取松子油、苦杏仁油的報道[22]。本實驗針對白蘇籽油的超聲輔助提取工藝,研究料液比、超聲時間、超聲溫度對白蘇籽油出油率的影響,利用Box-Behnken設計優化超聲波輔助提取白蘇籽油的技術參數。同時,通過檢測白蘇籽油的碘值、過氧化值、酸值、皂化值、脂肪酸成分和含量,對白蘇籽油的品質進行評價,為白蘇籽油的工業化生產以及綜合利用奠定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白蘇籽,品種為野蘇,采自貴州省貴陽市,5月下旬種植,經150 d種植后收集種子;石油醚60～90 ℃(分析純)、正己烷(分析純)、氫氧化鉀(分析純) 均購于國藥集團化學試劑有限公司;甲醇(色譜純) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;37種脂肪酸甲酯混標品 美國Sigma-Aldrich公司。

RE-52A型旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;HC-1000Y2型中藥粉碎機 永康市天祺盛世工貿有限公司;KQ 5200E型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DHG-9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海林頻儀器股份有限公司;Hettich UNIVERSAL 320R離心機 德國Hettich公司;Agilent Technologies 7890A 氣相色譜儀 美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 白蘇籽油出油率測定 本實驗的白蘇籽油提取工藝流程為:白蘇籽→烘干→粉碎→超聲波輔助提取→離心→旋轉蒸發至恒重→白蘇籽油。

稱取粉碎的白蘇籽樣品2 g,加入適量的石油醚,超聲波輔助提取(超聲功率為200 W,工作頻率為40 kHz),提取液在25 ℃、5000×g下離心10 min,取上層清液,旋轉蒸發至恒重,計算出油率。

出油率(%)=(白蘇籽油的質量/白蘇籽的質量)×100

1.2.2 料液比單因素實驗 設置超聲溫度55 ℃,超聲時間55 min,比較1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(w∶v)料液比對白蘇籽油出油率的影響。

1.2.3 超聲溫度單因素實驗 設置超聲時間55 min,料液比1∶20,探究25、35、45、55、65 ℃不同超聲溫度對白蘇籽油出油率的影響。

1.2.4 超聲時間單因素實驗 設置超聲溫度55 ℃,料液比1∶20,探究10、25、40、55、70 min不同超聲時間對白蘇籽油出油率的影響。

1.2.5 響應面實驗設計 在單因素實驗基礎上,利用Box-Behnken設計優化超聲波輔助提取白蘇籽油的工藝,以出油率為響應值,設計了三因素三水平實驗,見表1。

表1 Box-Behnken實驗設計因素水平及編碼表

Table 1 Factors levels and coding table of Box-Behnken design experiment

水平因素A料液比B超聲溫度(℃)C超聲時間(min)-11∶15454001∶20555511∶256570

1.2.6 脂肪酸檢測 稱取提取的白蘇籽油0.5 g,加25 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液,60 ℃水浴加熱1 h進行酯化反應,加入15 mL正己烷和15 mL水充分震蕩后靜置取上層清液,定容至15 mL,取1 mL用于氣相色譜檢測方法。并與標準品進行對照,采用外標法進行定量。

色譜柱:安捷倫HP-5(30 m×320 μm×0.25 μm),毛細管色譜柱。載氣:氮氣,流速1 mL/min。進樣量:0.5 μL,分流比為 1∶50。采用程序升溫,起始柱溫120 ℃,保持5 min;以 5 ℃/min的升溫速度升溫至190 ℃,保持12 min;然后以2.5 ℃/min的升溫速度升溫至210 ℃,保持 10 min。進樣口溫度為270 ℃,離子源溫度為200 ℃,檢測器:FID,280 ℃[1]。

1.2.7 理化性質檢測 參考GB/T 5532-2008測定碘值,參考GB/T 5538-2005測定過氧化值,參考GB/T 5530-2005中冷溶劑法測定酸值,參考GB/T 55342008測定皂化值。

2 結果與討論

2.1 料液比對白蘇籽油出油率的影響

由圖1A可知,隨著料液比的增加,白蘇籽油出油率不斷增大。溶劑的增多增加了固相與液相的濃度差,加大了有機溶劑與白蘇籽的接觸,有利于油從固相向液相擴散,因此出油率不斷增加;當料液比為1∶20時出油率最大,當料液比大于1∶20時,可能是由于料液比過大,使傳質與傳熱過程受到阻滯,從而導致提取效率降低[23],并且從后續的濃縮效率以及節約成本方面來考慮,料液比不宜過大,1∶20較為合適。

2.2 超聲溫度對白蘇籽油出油率的影響

由圖1B可知,隨著超聲溫度的提高,白蘇籽油出油率逐漸增加,當溫度達到55 ℃時,出油率達到最大,當溫度高于55 ℃時,出油率反而有所下降。分析原因:溫度升高,增加了溶劑分子與油脂分子的動能,有利于它們的碰撞,使得出油率增加;但是,當溫度過高時,接近石油醚沸程(60～90 ℃),溶劑揮發過快,減少了與白蘇籽的接觸,使得出油率下降。另外,溫度過高還會引起某些成分的氧化、分解和變性。因此,綜合考慮,提取溫度選擇55 ℃較佳。

2.3 超聲時間對白蘇籽油出油率的影響

由圖1C可知,隨著提取時間的增長,白蘇籽油出油率不斷增加,當超聲時間為55 min時,出油率達到最大,當提取時間超過55 min后,出油率反而下降。分析原因:提取時間增加使得固液兩相接觸時間更長,提取出更多的油,但是由于白蘇籽油中含有大量不飽和脂肪酸,提取時間過長會導致其氧化分解,影響油的品質與出油率。因此,綜合考慮,較佳超聲時間為55 min。

圖1 料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時間(C)對白蘇籽油出油率的影響Fig.1 The effects of sample-to-solvent ratio(A),ultrasonic temperature(B)and ultrasonic time(C) on the yield of seed oil extracted from Perilla frutescens

2.4 影響白蘇籽油出油率的因素分析

在單因素實驗的基礎上,根據Box-Behnken中心組合設計原理,以出油率(Y)為響應值,設計料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時間(C)三因素三水平響應面分析實驗,實驗設計及結果見表2。利用Design-Expert 8.0.5.0數據分析軟件對實驗結果進行分析,方差分析結果見表3。根據實驗結果,得到白蘇籽油出油率Y(%)與料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時間(C)的回歸方程:Y(%)=41.57+2.34A+1.67B+2.78C-2.09AB-3.54AC+0.22BC-6.57A2-4.27B2-1.18C2

表3 實驗因素方差分析

Table 3 Variance analysis of experimental factors

來源平方和自由度均方F值p值顯著性模型48093953446687<00001??A437114371547000001??B224412244280900011??C6172161727724<00001??AB174311743218100023?AC5006150066264<00001??BC019101902406414A21819511819522771<00001??B27673176739602<00001??C2590159073800299?殘差559708失擬256308511304385純誤差3034076總和4865216

注:**:p<0.01,極顯著;*:p<0.05,顯著;p>0.05,不顯著。

表2 響應面實驗設計及結果

Table 2 Response surface design and results

實驗號ABCY(%)10004072200042043-10138364000422951-1034226-1-102434710-1363480-1-131719000405310110329411-10-12562120-11367213-11031411400042271501-13508161013493170114096

對回歸模型進行方差分析(表3),該模型顯著有效(p<0.05),失擬項p=0.4385,說明該模型與實際情況擬合較好,可以較好預測超聲波輔助提取白蘇籽油的最佳條件。料液比、超聲時間、超聲溫度對出油率均有顯著影響,其影響大小為:C>A>B,即超聲時間>料液比>溫度。

2.5 影響因素的響應面分析

通過Design Expert軟件對料液比、超聲溫度和超聲時間等三個影響因素之間的交互作用進行響應面分析,繪制相應的響應面曲線和等高線圖(圖2～圖4)。

圖2 料液比和超聲溫度對出油率影響的響應面與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of sample-to-solvent ratio and ultrasonic temperature on the oil yield

圖3 超聲時間和料液比對出油率影響的響應面與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and sample-to-solvent ratio on the oil yield

圖4 超聲時間和超聲溫度對出油率影響的響應面與等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and temperature on the oil yield

從各因素與響應量的響應面與等高線圖可知:料液比和超聲溫度、料液比和超聲時間的交互作用對白蘇籽油出油率影響顯著,響應面曲線較陡,等高線呈傾斜橢圓形。超聲溫度和超聲時間曲線較為平滑,其交互作用不顯著。

為確定最佳提取工藝,對回歸方程進行最優解分析,得到最佳理論工藝參數是:料液比1∶18.34,超聲溫度:58.22 ℃,超聲時間80.58 min。在此條件下的白蘇籽油出油率為43.83%。考慮到實際可操作性,將提取工藝修改為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時間80 min。在此條件下,進行三次平行實驗,得到白蘇籽油的出油率為43.57%。預測值與實際值很接近,有良好的擬合性,說明得到的白蘇籽油提取工藝參數具有良好的應用價值。

2.6 白蘇籽油脂肪酸組成及含量

由表4可知,提取的白蘇籽油中檢測出11種脂肪酸,包含6種不飽和脂肪酸,占總脂肪酸的90.54%,總含量高達308.17 mg/g DW。所含脂肪酸主要為α-亞麻酸、亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸。其中α-亞麻酸占61.17%,含量為201.56 mg/g DW,是腦和神經活動所必需的脂肪酸。現代醫學證實,白蘇籽油能夠提高記憶力,改善視力,預防及抑制腫瘤形成,預防老年癡呆癥,減少炎癥發生以及延緩衰老,可廣泛應用于醫藥和食品保健領域[14]。

表4 白蘇籽油脂肪酸組成及含量

Table 4 Fatty acid components and contents in seed oil extracted fromPerillafrutescens

序號化合物名稱相對含量(%)含量(mg/gDW)1癸酸0160192月桂酸(十二酸)0140013順-10-十五烯酸0110194棕櫚酸67617975棕櫚油酸0090076硬脂酸2035007油酸145839598亞油酸144543259α-亞麻酸61172015610花生酸01300511二十碳烯酸015029

2.7 白蘇籽油的理化性質

白蘇籽油碘值為185.00 g/100 g,相比于常用花生油(100～120 g/100 g)[24],白蘇籽油不飽和程度較高,富含不飽和脂肪酸,屬于干性油脂。白蘇籽油的酸值為2.00 mg/g,與常用花生油酸值(1.4 mg/g)較為相近,游離脂肪酸含量較低,不易發生酸敗現象。白蘇籽油的皂化值為181.81 mg/g,與花生油(皂化值為188～191 mg/g)比較接近,所含脂肪酸以十八碳為主。白蘇籽油的過氧化值為1.93 mmol/kg,氧化程度較低,遠低于花生油的過氧化值(8 mmol/kg)。

常規壓榨法得到的白蘇籽油的碘值188.16 g/100 g、酸值0.97 mg/g、皂化值191.20 mg/g、過氧化值1.65 mmol/kg、出油率12.79%[20],其理化性質與本實驗得到的白蘇籽油較為接近,但出油率明顯偏低。因此,超聲輔助提取方法比傳統壓榨法具有更好的應用價值。

3 結論

料液比、超聲時間、超聲溫度對出油率均有顯著影響,其影響大小為:超聲時間>料液比>溫度。白蘇籽油超聲輔助提取較佳條件為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時間80 min,出油率高達43.57%。

白蘇籽油富含不飽和脂肪酸,游離脂肪酸含量較低,脂肪酸成分與常見植物油相似,所含脂肪酸以十八碳為主,主要成分為α-亞麻酸、亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸,不飽和脂肪酸占總脂肪酸的90.54%。其中,α-亞麻酸含量最高,占總脂肪酸的61.17%。

理化結果表明,白蘇籽油為干性油脂,不易氧化和酸敗,脂肪酸成分構成與花生油相似,以十八碳為主,氧化程度較低。超聲輔助提取的白蘇籽油與傳統壓榨得到的白蘇籽油相比,理化性質較為相近,但是,超聲輔助提取方法的出油率明顯提高。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction conditions and fatty acids components analysis of seed oil inPerillafrutescens

YUAN Jia-jia,MAO Lin-chun*,REN Xing-chen,LU Wen-jing

(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Theultrasonic-assistedextractionprocessofseedoilfromPerilla frutescenswasoptimizedbythedesignofBox-Behnkenonthebasisofsinglefactorexperimentwiththereferenceofoilyield.Resultsshowedthatsample-to-solventratio,ultrasonictemperatureandultrasonictimehadsignificanteffectsonextractionrateandtheorderwasultrasonictime>sample-to-solventratio>ultrasonictemperature.Theoptimumconditionsweresample-to-solventratioof1∶18,ultrasonictemperatureof58 ℃andultrasonictimeof80min.Theextractionratewasupto43.57%underthiscondition.Therewereelevenfattyacidsintheoilandtheunsaturatedfattyacidswereupto90.54%.Thecontentof9,12,15-octadecatrienoicacidwas201.56mg/gdryweightseed,whichwas61.17%ofthetotalfattyacids.Theiodinenumber,acidvalue,saponificationvalue,peroxidevalueoftheseedoilwere185.00g/100g,2.00mg/g,181.81mg/gand1.93mmol/kg,respectively,whichindicatedthattheextractedseedoilfromPerilla frutescenshadperfectlyediblequalitybecauseitwasnoteasytobeoxidizedandrancidified.

Perilla frutescens;seedoil;responsesurface;fattyacids;ultrasonic

2016-04-27

苑佳佳(1991-)，女，碩士，主要從事藥用植物資源營養成分的研究，E-mail:jiajiayuan1992@163.com。

*通訊作者:茅林春(1962-)，男，博士，教授，主要從事果蔬、水產品保鮮方面以及藥用資源的研究，E-mail:linchun@zju.edu.cn。

TS201.2

B

1002-0306(2016)19-0227-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.036