超聲波輔助制備梨籽油工藝研究

蔣新龍 蔣益花 沈 瑾 陳思晴 張洋彪 周佳文

(浙江樹人大學生物與環境工程學院，杭州 310015)

梨是我國栽培面積較廣、產量較高的水果，梨可供生食，還可被加工成飲料、釀酒、制梨膏、梨脯以及藥用[1]。梨在果品加工過程中會產生大量梨籽，目前基本都將其廢棄，這不僅浪費資源，而且污染環境。梨籽中富含油脂，是開發植物油脂的極好天然資源。孫秀青[2]研究表明，超臨界CO2萃取的雪梨籽油中檢測到7種主要脂肪酸，以亞油酸、亞麻酸、油酸為主，不飽和脂肪酸含量在80%以上，尤其是亞油酸含量可達44.86%。因此，梨籽油既可作為食用油以滿足人體脂肪酸的攝入需求，也可用于生產藥品、保健食品，還可作為化妝品的油性原料，開發利用前景廣闊。

本項目利用梨籽這一加工廢棄物進行資源化綜合利用研究，采用超聲波輔助技術，以梨籽為原料，對梨籽中籽油進行提取、精煉工藝條件研究及對其理化性質進行分析檢測，為梨籽資源的綜合開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料試劑

梨籽：市售，選取顆粒飽滿，無霉爛變質的為試材；其他試劑皆為分析純；所用水為蒸餾水。

UV-9100紫外可見光譜儀；AL204電子分析天平；KQ5200DE型超聲波清洗器；MYP11-2A恒溫磁力攪拌器；RE-52A型旋轉蒸發器。

1.2 方法

1.2.1 梨籽油的超聲提取

梨籽→除雜→烘干→粉碎→過篩→稱重→加入石油醚→超聲波輔助萃取→抽濾→濃縮→梨籽油。準確稱取3.000 0 g粉碎成40目的梨籽粉，裝入燒瓶中用石油醚于設置的條件下超聲回流提取，超聲結束后抽濾分離，濾液用旋轉蒸發器減壓蒸餾，濃縮物置恒溫鼓風干燥箱干燥，直到恒重，得梨籽油毛油，計算出油率。每組實驗重復3次，取平均值。

1.2.2 一步法精煉

油脂精煉是對油脂伴隨物選擇性地發生物理或化學作用，使其與甘油三酯的結合減弱并從油中分離出來。傳統的油脂精制工藝包括脫膠、脫酸、脫色、脫臭等操作工序，但存在精煉工藝復雜、耗時長、能耗高、污染大、油脂中微量活性物質去除多、反式脂肪酸等食品安全危害因子增加多等問題[3-5]。本項目用食品添加劑碳酸鈉替代氫氧化鈉，用食品加工助劑活性炭替代白土，用超聲波處理整個精煉過程。先用超聲低溫40 ℃處理至梨籽毛油、碳酸鈉、活性炭混合均勻，后用超聲中高溫60 ℃處理一步完成脫酸、脫色、脫臭，過濾除去固形物，真空脫水，即得精制成品油。以脫酸率為衡量指標，平行三次，取平均值。

1.2.3 籽油理化性質測定

密度測定參考GB/T 5526—1985；酸價測定參考GB/T 5530—2005；碘值測定參考GB/T 5532—2008；折光率測定參考GB/T 5527—2008；過氧化值測定參考GB/T 5538—2005；皂化值參考GB/T 5534—2008。平行3次，取平均值。

1.2.4 籽油表觀活化能測定

采用Schaal烘箱法測定籽油在不同溫度、不同時間下的過氧化值(POV)。具體方法：將梨籽毛油和梨籽精煉油置于碘量瓶中密封，分別置于45、55、65 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中，每隔1 d振蕩1次，每次持續約10 s，并交換油樣在恒溫箱中的位置。每隔2 次(共10 d)取樣，測定籽油過氧化值POV隨儲藏溫度、時間的變化。根據一級反應動力學方程ln(POV/POV。)=-kt，對不同時間t的過氧化值POV進行擬合，得到回歸方程和相關系數，求得反應速率常數k[6-8]。根據chaal烘箱法實驗結果和Arrhenius得出的反應速率k與溫度T的關系經驗公式(lnk=lnk0-Ea/RT)，用lnk對絕對溫度的倒數1/T作圖，可得到一條斜率為-Ea/R的直線，由斜率可得表觀活化能Ea。

2 結果與討論

2.1 超聲提取條件優化

2.1.1 提取溶劑的選擇

表1為不同有機溶劑對梨籽油提取的影響，結果表明極性最小的正己烷提取率最高，符合相似相容規律。從提取的油脂品質考慮，正己烷和石油醚提取的油脂雜質少、色澤淺、澄清度高，但正己烷的毒性相對較高[9]。綜合各方面考慮選用石油醚(60～90 ℃)作為提取溶劑。

表1 不同有機溶劑對提取的比較

2.1.2 單因子實驗

固定初始條件其他量不變，采用控制變量法，在不同液料比(4:1、6:1、8:1、10:1、12:1 mL·g-1)、超聲時間(5、10、15、20、25、30 min)、超聲溫度(15、20、25、30、35 ℃)、超聲功率(120、140、160、180、200 W)下進行單因子實驗。

提取溫度的影響：由圖1可知，隨超聲溫度的升高梨籽油出油率先升高后降低，在20 ℃時出油率達到最大值。這是因為溫度不僅影響溶劑和油脂的分子運動，而且還會引起油脂分子結構的改變。在較低的溫度時，溫度的提高使分子運動加劇，同時溶劑和油脂的黏度降低，使出油率增大；但隨溫度的升高，也會使油的某些性質發生改變，甚至使油發生分解[10]，從而使出油率下降。因此20 ℃為較理想的提取溫度。

提取時間的影響：由圖1可知，超聲時間25 min較為適宜。有效濃度差是超聲波輔助溶劑法提取油脂的主要推動力。隨著油脂的不斷溶出，溶劑中的油脂與梨籽粉末中的油脂濃度差不斷減小，達到平衡后提取率不再提高；其次，提取溶劑的揮發損耗和油脂夾帶作用也會造成油脂的損失；另外，超聲波具有較強的機械剪切作用，長時間的作用會使大分子的脂肪斷裂[11]。

超聲波功率的影響：由圖1可知，超聲波功率160 W較為適宜。隨超聲波功率的增加，其產生的空化作用和機械作用越劇烈，界面擴散層上的分子擴散就越快，油脂滲透出來的速度就越快[12]。但超聲波功率過高，超聲波機械剪切作用加強，大分子的脂肪斷裂現象也會加劇。

液料比的影響：由圖1可知，液料比6 mL·g-1較為適宜。提取溶劑用量的增加相當于降低了油的濃度，增加了溶劑與梨籽粉中油脂的濃度差，增加了傳質推動力，從而提高了油脂在提取劑中的擴散速度。當溶劑用量增大到一定程度后，出油率趨向穩定，增加不明顯，而且溶劑用量過大，會造成溶劑回收困難和生產成本增加。

圖1 梨籽油超聲提取單因子實驗結果

2.1.3 響應面優化實驗

實驗結果見表2。采用Designexpert程序對所得數據進行回歸分析，從回歸分析結果表3中可以看出，超聲時間(B)的P值小于0.05，說明液料比對梨油的提取影響顯著；其他3個因素對梨油的提取影響都不顯著，方差分析說明各個實驗因子對梨油的提取影響由大到小的順序依次為：超聲時間(B)、超聲溫度(A)、超聲功率(C)、液料比(D)。方差分析也說明各個具體實驗因子與響應值都不是簡單的線性關系。

對響應面測試數據進行回歸擬合，確立如下回歸方程：

Y=+27.16+0.30A+0.47B+0.26C+0.13D+0.32AB-0.13AC+0.17AD+0.38BC+5.000E-003BD-0.075CD+0.72A2+0.59B2+0.60C2+0.11D2。由表3可看出，模型的P<0.05(顯著)，失擬項檢驗的P=0.240 8(不顯著)，表明模型充分擬合實驗數據，該方程是梨籽出油率與提取工藝參數的合適數學模型。

在4個影響因素中任取兩個作為X和Y，以出油率作為Z，作出相應的三維曲面圖。相比而言，超聲時間(B)與超聲功率(C)的交互作用較大，如圖2所示，表現為曲線比較陡，這與回歸分析的結果吻合。利用軟件繪出回歸模型的等值線，并確定模型的極大值點，預測所得最大油含量為30.55%。利用軟件得出油提取的最優條件。根據預測最優條件超聲溫度(25.00 ℃)、超聲時間(35.00 min)、超聲功率(200 W)和液固比(4.00 mL·g-1)進行最優工藝進行驗證實驗，在最佳提取條件下重復實驗三次，油含量分別為30.50%、30.53%、30.51%，得平均總油含量為30.51%，與理論預測值30.55%高度相符，誤差值僅為0.13%，證實了該模型的有效性。

表2 4因子3水平響應面分析結果

表3 方差分析

圖2 三維曲面和回歸模型等值線

2.2 一步法精煉條件優化

2.2.1 單因子實驗

固定初始條件其他量不變，采用控制變量法進行實驗。準確稱取500 g梨籽毛油轉入容器并置于超聲40 ℃的超聲波清洗機中，在容器中加入根據酸價計算的碳酸鈉用量和活性炭(添加量為毛油質量的百分率，0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%)超聲(5、10、15、20、25)min，再在超聲溫度為60 ℃時超聲(30、40、50、60、70)min下進行單因子實驗。圖3表明，在超聲40 ℃時超聲時間20 min、活性炭用量0.6%、60 ℃超聲時間60 min脫酸率最高。

圖3 一步法精煉梨籽油單因子實驗結果

2.2.2 正交優化實驗

根據單因子實驗，即可確定3因子3水平正交實驗的因子與水平表，實驗結果見表4。由表4極差R分析，可判定影響脫酸率的因素主次依次排列為：60 ℃超聲時間(B)>活性炭用量(C)>40 ℃超聲時間(A)，由表5方差分析可知，60 ℃超聲時間對脫酸率的影響顯著，其他對脫酸率的影響則都不顯著。直觀分析，實驗的最優水平組合為A2B2C3；根據每個因素K1、K2、K3，實驗的最優水平組合為A2B2C3。所以確定最佳工藝條件為A2B2C3，即超聲溫度為40 ℃超聲時間20 min，超聲溫度為60 ℃超聲時間60 min，活性炭用量0.7%。根據預測最優條件進行驗證實驗，所得脫酸率的平均值為84.10%，實驗結果與預測值無顯著差異。所得精煉油為無異味的淡黃色澄清油狀液體。

2.3 精煉前后梨籽油主要理化指標測定

精煉前后梨籽油的主要理化指標見表6。由表6可知：酸值、過氧化值、顏色在精煉前后有明顯變化，碘值、皂化值、密度、折光度變化不大。這可能是精煉過程中不僅用純堿降低了酸值，用活性炭除去了有色物質，同時也除去了微量促氧化成份，減慢了油脂的氧化。經過一步法精煉后，梨籽油的主要理化指標符合QB/T 4079—2010《中國人民共和國輕工行業標準：按摩基礎油、按摩油》，說明一步法精煉條件適用于梨籽毛油的精煉生產。

表4 正交實驗結果

表5 方差分析表

注：D為空白對照；F0.05(2、2)=19.00，“*”表示因素影響顯著。

表6 精煉前后梨籽油主要理化指標的變化

注：QB/T 4079—2010標準要求：酸值/(mgKOH/g)≤5；過氧化值/(mmol/kg)≤10；皂化值/(mgKOH/g)≥80。

2.4 精煉前后梨籽油表觀活化能測定

根據1.2.4方法測定表觀活化能。圖4為梨籽油抗氧化穩定性在不同溫度、時間下的變化。根據一級反應動力學方程ln(POV/POV0)=-kt，對不同時間的過氧化值進行擬合，得到精煉前后梨籽油過氧化值的回歸方程，結果見表7。由表7可知，在同等的溫度下，一級反應速率方程的回歸系數R>0.96，擬合度高，說明梨籽油的氧化反應屬于一級反應。隨著溫度升高和加熱時間的延長，氧化速度加快。精煉油表觀活化能比毛油大，說明精煉油氧化穩定性比毛油好。

圖4 梨籽油抗氧化穩定性在不同溫度、時間下的變化

種類t/℃回歸方程相關系數Rk/d-1復相關系數R活化能/kJ·mol-1梨籽毛油45y=3.017 5x+0.136 30.970 30.136 355y=3.396 6x+0.195 00.973 50.195 00.984 723.9865y=3.656 1x+0.232 80.976 60.232 8梨籽精煉油45y=0.006 7x+0.024 90.978 00.183 355y=0.009 7x+0.034 60.961 10.281 90.970 926.4465y=0.002 5x-0.005 50.961 20.330 5

注：y為ln(POV/POV)；x為t。

3 結論

3.1 采用超聲波輔助技術，以梨籽為原料，研究提取梨籽油的影響因素。響應面提取實驗得到最佳條件為：液固比4.00 mL·g-1、超聲溫度25.00 ℃、超聲時間35.00 min、超聲功率200 W，在此工藝條件下出油率為30.51%，與理論預測值30.55%高度相符，誤差值僅為0.13%，表明該模型能較好地預測實際出油率，在實際應用中具有一定的參考價值。

3.2 采用超聲波輔助技術，以梨籽毛油為原料，研究精煉梨籽毛油的影響因素。正交一步法精煉實驗得到最佳工藝為：超聲溫度為40 ℃處理20 min至梨毛油、碳酸鈉、活性炭(添加量為毛油重量的0.7%)混合均勻，再繼續在超聲溫度為60 ℃時超聲60 min，經固液分離除去固形物，真空脫水，即得精制成品油。所得脫酸率為84.10%。

3.3 精煉前后酸值、過氧化值、表觀活化能、顏色有明顯變化，碘值、皂化值、密度、折光度變化不大。精煉后梨籽油油品有明顯提高，所得梨籽油的主要理化指標符合QB/T 4079—2010。