超臨界CO2萃取藜麥油脂的工藝優化及其脂肪酸成分分析

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(1.河北工程大學生命科學與食品工程學院,河北邯鄲 056000;2.河南科技大學食品與生物工程學院,河南洛陽 471000)

藜麥(Chenopodiumquinoa)為藜屬(Chenopodium)藜科(Chenopodiaceae)的一年生草本植物,原產于南美洲的安第斯山脈,是當地人們的主要傳統食品,已有5000多年的栽種和食用歷史[1]。藜麥是一種全營養類谷物,被聯合國糧農組織認為是唯一一種可滿足人體基本營養需求的單體植物[2]。藜麥中含有豐富的營養物質,如蛋白質、類胡蘿卜素和維生素C,其中蛋白質含量非常高,是普通谷物的兩倍[3]。藜麥籽粒中膳食纖維含量高達7.1%,膽固醇為0,不含麩質,低脂、低熱量、低糖,尤其可以滿足減肥人士的需求[4-6]。藜麥油脂中富含不飽和脂肪酸,而不飽和脂肪酸對高血壓、高血糖以及高血脂等疾病均具有保健作用。

關于藜麥營養物質的分析研究已有相關報道,如魏愛春[2]等對藜麥營養功能成分和生物活性進行研究,王黎明[7]等人對藜麥的營養價值及其應用前景做了相關研究。關于植物油脂萃取方法的研究,傳統的有壓榨法、浸出法等,壓榨法操作過程簡單,但提取效果不理想,提取效率低,且勞動強度大[8];浸出法是一種提取相對完全的方法,但提取時間長,且浪費有機溶劑,污染環境[9]。超臨界CO2萃取技術具有萃取效率高,工藝技術簡單方便、萃取溶劑CO2無毒無害等優點,已經廣泛用于天然產物的提取和純化[10-11]。

目前國內外暫時還沒有關于藜麥油脂萃取及其脂肪酸成分分析的公開報道,因此,對藜麥油脂的萃取及其脂肪酸的成分分析,將有效地提高藜麥油脂的利用率,推動藜麥種植業的發展,具有重要的理論和實際意義。本文采用超臨界CO2萃取技術萃取藜麥油脂,通過單因素實驗和正交試驗來優化萃取條件,并用氣相色譜(GC)對萃取得到的藜麥油脂進行脂肪酸成分分析,以期獲得超臨界CO2萃取藜麥油脂的最佳工藝條件,為藜麥油脂的提取利用提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

稼祺藜麥 山西稼祺藜麥開發有限公司;37種脂肪酸甲酯混合標準品 ANPEL科學儀器(上海)有限公司;CO2(純度>99.99%) 洛陽斯科商貿有限公司;石油醚(沸程30～60 ℃)、氫氧化鈉、甲醇、三氯化硼、正己烷、氯化鈉 天津德恩化學試劑有限公司;所用其他試劑均為分析純。

HA220-50-06型超臨界二氧化碳萃取設備 江蘇南通市華安超臨界萃取有限公司;FW177型萬能粉碎機 北京市永光明醫療儀器廠;101-0型電熱恒溫鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;FA1004B型電子分析天平 上海菁海儀器有限公司;RE-52A型旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;HH-S6型恒溫水浴鍋 常州普天儀器制造有限公司;7890A型氣相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司;H1850型高速離心機 湘儀集團。

1.2 實驗方法

1.2.1 原材料的預處理 將藜麥手工除雜,得到干凈的藜麥,用粉碎機將其粉碎,并將粉碎過后的藜麥用20～40目篩網過篩,目的是防止較細的粉末流出萃取缸而使超臨界萃取管道堵塞,以及避免顆粒較粗導致反應不充分[12]。將過篩后的藜麥放入溫度設定為65 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中,料層厚度2～3 cm的條件下干燥24 h。

1.2.2 藜麥油萃取條件的優化

1.2.2.1 單因素實驗 稱取225 g干燥后的藜麥粉置于萃取釜中,打開CO2氣瓶,CO2流量為25 L/h。固定萃取溫度50 ℃,萃取壓力30 MPa,萃取時間120 min的其中兩個因素,分別考察萃取溫度(35、40、45、50、55 ℃)、萃取壓力(15、20、25、30、35 MPa)、萃取時間(60、90、120、150、180 min)對萃取率的影響。

1.2.2.2 正交試驗 在單因素實驗的基礎上,以藜麥油脂的萃取率為考察指標,選取萃取溫度、萃取壓強、萃取時間作為試驗因素[13],每個因素設計三個水平,進行正交試驗。利用Design-Expert 8.06 Trial軟件對試驗因素進行編碼組合,如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table

1.2.3 藜麥油萃取率的計算

式[14]中:W為藜麥種子的出油率,%;m1為錐形瓶質量,g;m2為錐形瓶與油的質量和,g;M為藜麥粉的質量,g。

1.2.4 藜麥油的脂肪酸成分分析

1.2.4.1 待測樣品的前處理 配制飽和NaCl溶液120 mL和NaOH-甲醇溶液30 mL,其中NaOH-甲醇溶液用棕色瓶定容。用電子分析天平稱取藜麥油0.5 g于圓底燒瓶中,加入0.5 mol/L的NaOH-甲醇溶液10 mL,在70 ℃的恒溫水浴鍋中進行水浴加熱,并冷凝回流30 min,觀察油珠是否完全溶解,若油珠已經完全溶解,則從冷凝管上方加入三氯化硼7 mL后,再加熱回流10 min,然后向燒瓶中加入4 mL正己烷,繼續加熱回流5 min,取出冷卻至室溫,加入飽和氯化鈉50 mL,靜置一段時間,吸取上清液,加入少量無水硫酸鈉以除去微量的水分,經0.22 μm有機相針式濾器過濾后保存于氣相進樣瓶中,以備氣相色譜分析用[15]。

1.2.4.2 氣相色譜檢測條件 采用安捷倫7890A型氣相色譜儀。儀器條件:安捷倫CP-Si188熔融石英毛細管柱(100 m×1.25 mm,0.2 μm);程序升溫140 ℃保持10 min,以5 ℃/min速率升溫至215 ℃,保持15 min;載氣He,流速1 mL/min;進樣口溫度為250 ℃,進樣方式為20∶1,進樣量為1 μL[16-18]。

定性采用標準品對照法,定量采用面積歸一化法。

1.3 數據統計分析

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 萃取溫度對藜麥油脂萃取率的影響 由圖1可知,隨著萃取溫度升高,藜麥油脂的萃取率逐漸增大,當溫度達到50 ℃時,萃取率達到最大值,為3.92%,當溫度高于50 ℃時,萃取率開始逐漸下降。這是因為,萃取溫度對萃取率的影響主要體現在兩個方面,一方面,隨著萃取溫度逐漸升高,萃取缸中的蒸汽壓增大,那么物料在CO2流體中的溶解度也會相應的增大,萃取率提高;另一方面,溫度升高會造成CO2的密度降低,這對油脂的萃取是不利的,綜合作用后,隨著萃取溫度的升高,藜麥油脂的萃取率呈現先上升后下降的變化趨勢。因此,確定萃取溫度為50 ℃。

圖1 不同萃取溫度對藜麥油脂萃取率的影響Fig.1 Effect of different extraction temperature on extraction rate of quinoa oil

2.1.2 萃取壓力對藜麥油脂萃取率的影響 萃取壓力是超臨界CO2萃取過程中另一個重要的操作參數,萃取過程中各項指標的壓力情況對萃取率都有重要的影響,萃取壓力對目標萃取物,即藜麥在超臨界流體中的溶解度也有非常重要的影響。理論上,隨著萃取壓力的增大,藜麥在超臨界流體中的溶解度就越大,則相應的藜麥油脂的萃取率也應該增大[14]。但由圖2可知,萃取壓力與藜麥油脂的萃取率并不是呈線性關系,隨著萃取壓力的增大,萃取率會逐漸提高,當萃取壓力達到30 MPa時,萃取率達到最大值,為3.90%,壓力繼續增大,萃取率反而開始減小。當萃取壓力過高時,萃取出來的藜麥油顏色會加深,這會對油脂的質量產生一定的影響。因此,確定萃取壓力為30 MPa。

圖2 不同萃取壓力對藜麥油脂萃取率的影響Fig.2 Effect of different extraction pressure on extraction rate of quinoa oil

2.1.3 萃取時間對藜麥油脂萃取率的影響 由圖3可知,隨著萃取時間的延長,藜麥油脂的萃取率逐漸增加,尤其在60～120 min時,曲線呈明顯的上升趨勢。但是當萃取時間超過120 min時,萃取率增加緩慢。分析可能原因是,在萃取60～120 min之間時,溶劑CO2由物料表面進入物料內,并將物料內溶質溶解,然后由內而外擴散至物料表面,進而擴散到溶劑中,逐漸完成藜麥油脂的萃取。當萃取時間高于120 min時,藜麥油脂基本萃取完全,萃取率幾乎不變。因此,從控制生產成本的角度考慮,確定萃取時間為120 min。

圖3 不同萃取時間對藜麥油脂萃取率的影響Fig.3 Effect of different extraction time on extraction rate of quinoa oil

2.2 正交試驗結果

由表2分析可知,根據K1、K2、K3可以確定出萃取藜麥油的最優組合為A2B3C3,即萃取溫度為50 ℃,萃取時間為120 min,萃取壓力為30 MPa。這三個因素對藜麥油萃取率的影響大小依次為:A>C>B,即萃取溫度對油脂萃取率的影響最大,其次為萃取壓力,萃取時間對藜麥油萃取率的影響最小。按最優的工藝進行驗證試驗,當各項參數達設定值時開始萃取,平行操作3次,藜麥油的平均萃取率為4.134%,SD為3.86×10-5,此時藜麥油的萃取率達到最高,與正交試驗結果相符,表明該工藝穩定可行。

表2 正交試驗設計及結果Table 2 The design and results of orthogonal experiment

2.3 藜麥油脂的脂肪酸組成分析

由表3可知,通過氣相色譜檢測到藜麥油脂中有26種脂肪酸,其中飽和脂肪酸的相對含量為15.63%,不飽和脂肪酸的相對含量為84.37%,單不飽和脂肪酸相對含量為16.21%,多不飽和脂肪酸的相對含量為68.16%。藜麥油脂中,脂肪酸含量最多的是亞麻酸,屬于ω-3系列,其相對含量為30.96%,是公認的一種人體必需的營養素。亞麻酸是當今世界上最優良的降脂、降壓產品,在減輕心腦血管發病率和降低血脂方面的療效比一般的防治藥物高出5倍[19-20]。亞油酸相對含量為21.94%,位居第二,屬于ω-6系列,也是公認的一種人體必需的營養素。亞油酸能夠有效地降低人體內的膽固醇含量,從而防止動脈粥樣硬化的發生,而且也對高血壓、高血脂等疾病有顯著的治療效果[21],是一種較為健康且有效的方法。

表3 藜麥油的GC成分分析表Table 3 GC analysis of components of quinoa oil

3 結論

通過單因素實驗和正交試驗,得到超臨界CO2萃取藜麥油脂的最佳工藝條件,即萃取壓力為30 MPa,萃取溫度為50 ℃,萃取時間為120 min,在此條件下,藜麥油脂的萃取率達到最大值,為4.134%,SD為3.86×10-5。通過氣相色譜分析得出,從藜麥油中共分離鑒定出26種化合物,不飽和脂肪酸含量約占總脂肪酸的84.37%,其中ω-3系列的亞麻酸相對含量為30.96%,ω-6系列的亞油酸相對含量為21.94%,位居不飽和脂肪酸的前兩位,兩者都是公認的人體必需的營養素,對降壓降脂以及防止動脈粥樣硬化都有良好的效果,因此極具開發價值。