文冠果油綠色提取技術(shù)研究

閆婧怡，鄭靜美，孫博研，王 蓓，王軍華

（河北瑞龍生物科技有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bunge)又名文官果，產(chǎn)于我國(guó)河北、陜西、山西、內(nèi)蒙古、河南、寧夏、新疆、甘肅及東北各省,是無患子科文冠果屬落葉小喬木或灌木。

文冠果適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱，生長(zhǎng)快、結(jié)實(shí)早、產(chǎn)量高,是重要的木本油料樹種。文冠果種仁的含油量為50%～70%，可食用或榨油，油中脂肪酸多為不飽和脂肪酸，其含量可達(dá)90%以上，不飽和脂肪酸具有較強(qiáng)的抗氧化和清除自由基的功能，文冠果油中還具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育的功能，而且對(duì)治療高血壓和高血脂有重要作用的神經(jīng)酸，神經(jīng)酸為順-15- 二十四碳烯酸，因此文冠果油是一種高級(jí)食用油。

我國(guó)食用油市場(chǎng)的需求巨大，油脂油料的進(jìn)口數(shù)量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。植物油脂的制備方法隨著科技進(jìn)步有了很大的發(fā)展。

植物油萃取方法也較為多樣，包括壓榨法、有機(jī)溶劑提取法、水酶法、超聲波處理法、超臨界二氧化碳提取法等。

其中，鄧紅等以文冠果籽為原料，通過機(jī)械壓榨法獲取文冠果冷榨油，但壓榨法出油率較低，雜質(zhì)含量高，且在擠壓過程中形成高溫，破壞了油中不飽和脂肪酸及甾醇等活性物質(zhì)。1843 年法國(guó)人提取橄欖油的過程中使用了二硫化碳作浸出溶劑，并在之后獲得了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

有機(jī)溶劑提取法采用高溫脫溶，破壞了油中不飽和脂肪酸，使油的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值大大降低。超聲波處理法提取油脂能夠加快油脂滲出速度、提高出油率，但會(huì)造成不飽和脂肪酸氧化，導(dǎo)致油脂質(zhì)量降低。

超臨界萃取法是近年來開發(fā)的油脂高效萃取方法，具有工藝簡(jiǎn)單、能耗少、萃取溫度低、生物活性物質(zhì)損失少的優(yōu)點(diǎn)。

亞臨界萃取是利用亞臨界流體作為萃取劑，在密閉、無氧、低壓的壓力容器內(nèi)，依據(jù)有機(jī)物相似相溶的原理，通過萃取物料與萃取劑在浸泡過程中的分子擴(kuò)散過程，達(dá)到固體物料中脂溶性成分轉(zhuǎn)移到液態(tài)萃取劑中，再通過減壓蒸發(fā)的過程將萃取劑與目的產(chǎn)物分離。

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了常溫萃取、低溫脫溶，很好地保留了油脂中的活性成份、提高了油脂的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于高檔油脂、天然色素、蛋白、植物精油等領(lǐng)域。因此，建立文冠果油的亞臨界提取技術(shù)對(duì)文冠果油產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

文冠果購(gòu)于河北邱縣。

1.2 試 劑

1,1,1,2－四氟乙烷(R134a)，食品級(jí)；氫氧化鈉，分析純；甲醇，分析純；三氟化硼，分析純；石油醚，沸程60 ～90 ℃。

1.3 儀器與設(shè)備

亞臨界萃取裝置，50L×2 型；萬能粉碎機(jī)，F(xiàn)L－30B 型；氣相色譜儀，GC－2014C；電子天平，YP4002；靜壓式榨油機(jī)；超臨界萃取裝置，HA121-50-01；標(biāo)準(zhǔn)篩，浙江上虞市五四儀器篩具廠。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 文冠果預(yù)處理

剔除有蟲害、干癟的文冠果果籽，清洗并去除表面雜質(zhì)，去殼烘干至含水量＜10%，破碎后過5 mm 篩。

1.4.2 文冠果油的制備及提取率測(cè)定

1.4.2.1 冷榨提取文冠果油

將文冠果種仁粉置于靜壓式榨油機(jī)中進(jìn)行冷榨，在20 ℃、55 MPa 下，壓榨時(shí)間6 h，得到文冠果冷榨油。

1.4.2.2 索氏提取法

稱取文冠果種仁粉置于抽提筒內(nèi)，加入石油醚加熱抽提。控制加熱溫度，抽提10 h。抽提完成后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除掉其中殘余的石油醚，完成后將抽提瓶烘至恒重，回收文冠果油。

1.4.2.3 超臨界CO2萃取法

將CO2冷卻至-5 ℃，超臨界CO2流量為18 L/h。稱取過文冠果仁粉裝入裝料筒，將裝料筒放入反應(yīng)釜，在設(shè)定的萃取壓力28 MPa 和40 ℃下萃取文冠果油，萃取180 min 后在分離釜中回收文冠果油。

1.4.2.4 亞臨界CO2萃取法

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至1×104Pa 以下；加入四氟乙烷溶液，控制萃取溫度為30 ℃，萃取壓力為1.0 MPa，重復(fù)萃取2 次，每次30 min；45 ℃條件下負(fù)壓逐漸降壓到5×10-2Pa，每次分離時(shí)間為20 min，重復(fù)分離3 次，得到文冠果油。

文冠果油提取率（%） =文冠果油質(zhì)量/（文冠果仁粉質(zhì)量×油脂含量） ×100%

1.4.3 文冠果油基本性質(zhì)檢測(cè)

酸值測(cè)定參照GB/T 5009.229-2016；

過氧化值測(cè)定參照GB/T 5009.227-2016；

皂化值測(cè)定參照GB/T 5534-2008；

碘值測(cè)定參照GB/T 5532-2008。

1.4.4 文冠果油脂肪酸組成分析

1.4.4.1 油樣甲酯化

取待測(cè)油樣1 μL 入4 mL 貯樣瓶，加200 μL正己烷，振蕩溶解樣品，加500 μL 的1 mol/L 氫氧化鉀甲醇溶液，充分振蕩；密封后，60 ℃水浴30 min，期間振蕩2 ～3 次，冷卻；加入1 mL 三氟化硼甲醇溶液，密封后，再于60 ℃水浴30 min，期間振蕩2 ～3 次，冷卻；加入1 mL 飽和氯化鈉溶液和2 mL 正己烷，劇烈振蕩1 min，靜置，分層后，收集上層入新離心管；取適量無水硫酸鈉入離心管振蕩干燥，靜置；抽取上層液過0.2 μm 有機(jī)膜，入樣品瓶-20 ℃冷藏備用。

1.4.4.2 GC-MS /MS 分析條件

采用DB-23 色譜柱，進(jìn)樣口溫度230 ℃；柱箱升溫程序：50 ℃以15 ℃/min 升溫至200 ℃，保持15 min；以3 ℃/min 升溫至215 ℃，保持10 min；以3 ℃/min 升溫至230 ℃，保持5 min；載氣流速1 mL/min；進(jìn)樣體積1 μL；分流比40∶1。離子源(EI)溫度230 ℃，傳輸線溫度245 ℃，檢測(cè)電壓1 700 V，溶劑延遲5 min，質(zhì)量掃描范圍(m/z)45 ～400 u。

1.4.5 亞臨界萃取法提取文冠果油單因素試驗(yàn)

1.4.5.1 萃取溫度對(duì)文冠果油提取率的影響

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至-0.6 MPa；加入四氟乙烷溶液至淹沒文冠果種仁粉，控制萃取溫度分別為25、30、35、40、45 ℃，萃取壓力為1 MPa，重復(fù)萃取2 次，每次30 min；45 ℃條件下負(fù)壓逐漸降壓到5×10-2Pa，每次分離時(shí)間為20 min，重復(fù)分離3 次，得到文冠果油，計(jì)算文冠果油提取率，篩選出最適宜的萃取溫度。

1.4.5.2 萃取壓力對(duì)文冠果油提取率的影響

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至-0.65 MPa；加入四氟乙烷溶液至淹沒文冠果種仁粉，控制萃取溫度分別為30 ℃，萃取壓力分別為0.8、0.9、1、1.1、1.2 MPa，重復(fù)萃取2 次，每次30 min；在45 ℃條件下負(fù)壓逐漸降壓到5×10-2Pa，每次分離時(shí)間為20 min，重復(fù)分離3 次，得到文冠果油，計(jì)算文冠果油提取率，篩選出適宜的萃取壓力。

1.4.5.3 萃取時(shí)間對(duì)文冠果油提取率的影響

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至-0.65 MPa；加入四氟乙烷溶液至淹沒文冠果種仁粉，控制萃取溫度分別為30 ℃，萃取壓力為1 MPa，重復(fù)萃取2 次，每次分別20、30、40、50、60 min；在45 ℃條件下負(fù)壓逐漸降壓到5×10-2Pa，每次分離時(shí)間為20 min，重復(fù)分離3 次，得到文冠果油，計(jì)算文冠果油提取率，篩選出適宜的萃取時(shí)間。

1.4.5.4 萃取次數(shù)對(duì)文冠果油提取率的影響

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至-0.65 MPa；加入四氟乙烷溶液至淹沒文冠果種仁粉，控制萃取溫度分別為30 ℃，萃取壓力為1 MPa，分別重復(fù)萃取1、2、3、4 次，每次30 min；45 ℃條件下負(fù)壓逐漸降壓到5×10-2Pa，每次分離時(shí)間為20 min，重復(fù)分離3 次，得到文冠果油，計(jì)算文冠果油提取率，篩選出適宜的萃取次數(shù)。

1.4.6 亞臨界萃取法提取文冠果油正交試驗(yàn)

將文冠果種仁粉，投入萃取釜中，抽真空降至-0.65 MPa；加入四氟乙烷溶液至淹沒文冠果種仁粉，按照表1 中所列條件進(jìn)行提取，試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值。利用正交試驗(yàn)對(duì)萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間及萃取次數(shù)這4 個(gè)因素進(jìn)行考察。

表1 影響文冠果油提取率的因素水平表Table 1 The factors influencing the extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

影響文冠果油提取率的因素水平率見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取方式文冠果油提取率

不同方法提取文冠果油的提取率如圖1 所示。

圖1 不同方法提取文冠果油的提取率Fig.1 Extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil by different methods

由圖1 可見，選取的4 種提取方法對(duì)文冠果種仁油都具有較高的提取率，但不同方法其提取率不同。試驗(yàn)結(jié)果顯示，4 種提取方法文冠果油的提取率從高到低依次為亞臨界CO2萃取法、超臨界CO2萃取法、索氏提取法和冷榨法，其中亞臨界CO2萃取法、超臨界CO2萃取法和索氏提取法提取文冠果油的提取率都相對(duì)較高，均達(dá)到70%以上，亞臨界CO2萃取法達(dá)80%以上；冷榨法的提取率相對(duì)較低，僅為69.4%。

由此看來，在所選的4 種提取方法中，亞臨界CO2萃取法是較為理想的提油方法。

2.2 文冠果油基本性質(zhì)檢測(cè)

不同方法提取文冠果油的基本性質(zhì)見表2。

表2 不同方法提取文冠果油的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of Xanthoceras sorbifolia oil extracted by different methods

由表2 可見，4 種方法提取的文冠果油的皂化值均在140 ～170，說明組成文冠果油的脂肪酸平均分子質(zhì)量相對(duì)較小。提取的文冠果油的碘價(jià)均在100～120。同時(shí)，文冠果油的碘價(jià)相對(duì)較高，說明文冠果油的不飽和程度相對(duì)較高，這與文冠果油中不飽和脂肪酸含量高達(dá)90%以上的事實(shí)相符，所以文冠果油作為高級(jí)食用油更容易被人體吸收分解。提取的文冠果油中酸值最低的為亞臨界CO2萃取法提取的文冠果油，過氧化值最低的是索氏提取法提取的種仁油，但4 種方法提取的文冠果油的酸值和過氧化值均較低，說明4 種方法提取的文冠果油的品質(zhì)都較好。綜上所述，亞臨界CO2萃取法制備得到的文冠果油理化性質(zhì)最佳。

2.3 脂肪酸組成及含量

不同方法提取文冠果油的脂肪酸含量及組成如表3。

表3 不同方法提取文冠果油的脂肪酸含量及組成Table 3 the content and composition of fatty acids in Xanthoceras sorbifolia oil extracted by different methods

從文冠果油中檢測(cè)出10 種脂肪酸，分別為棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生一烯酸、花生二烯酸、花生五烯酸、芥酸以及神經(jīng)酸。不同提取方法獲得的文冠果油中均是亞油酸的含量最高，均在40%以上。其中，亞臨界萃取法提取的亞油酸含量最高，為45.69%；索氏提取法提取的含量為45.63%；超臨界萃取法提取的亞油酸含量為45.14%；冷榨法提取的亞油酸的含量最少為42.93%。4 種方法提取的文冠果油中油酸的含量均處于第2 位，芥酸是一種對(duì)人體有害的脂肪酸，油中含量越少越好，冷榨法提取的文冠果油中芥酸含量最高為8.03%；其次為索氏提取法含量為6.75%；再次為超臨界萃取法含量為5.49%；芥酸含量最少的為亞臨界萃取法制備得到的文冠果油，其含量為5.29%。4 種方法均可提取到一定含量的神經(jīng)酸，其中，亞臨界萃取法提取的神經(jīng)酸最高為3.29%；其次為索氏提取法含量為2.81%；再次為冷榨法含量為2.76%；含量最低的為超臨界萃取法含量為2.75%。綜上所述，亞臨界CO2萃取法制備得到的文冠果油脂肪酸含量最佳。

綜合文冠果油的提取率、理化性質(zhì)及脂肪酸含量，選取亞臨界萃取法做為后續(xù)文冠果油提取優(yōu)化的試驗(yàn)方法。

2.4 亞臨界萃取法提取文冠果油單因素試驗(yàn)

2.4.1 萃取溫度對(duì)文冠果油提取率的影響

萃取溫度對(duì)文冠果油提取率的影響如圖2 所示，隨著萃取溫度的升高，萃取率也一定程度提高，當(dāng)萃取溫度為25 ℃時(shí)，提取率為85.4%；萃取溫度由25 ℃升高至30 ℃時(shí)，提油率升至88.7%；萃取溫度由30 ℃升高至35 ℃時(shí)，提油率升至91.4%；萃取溫度由35 ℃升高至40 ℃時(shí)，提油率升至95.2%，達(dá)到峰值；萃取溫度由40 ℃升高至45 ℃時(shí)，提油率變?yōu)?2.3%，呈下降趨勢(shì)。這說明過高的萃取溫度一方面會(huì)導(dǎo)致溶劑加速汽化，密度降低，使系統(tǒng)壓力增大；另一方面物料中的熱敏性物質(zhì)會(huì)受高溫的破壞，均會(huì)造成提油率的降低。綜合分析，選擇40 ℃作為萃取的最適溫度。

圖2 萃取溫度對(duì)文冠果油提取率的影響結(jié)果Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

2.4.2 萃取壓力對(duì)文冠果油提取率的影響

萃取壓力對(duì)文冠果油提取率的影響如圖3 所示，隨著萃取壓力的升高，萃取率也一定程度提高，當(dāng)萃取壓力為0.8 MPa 時(shí)，提取率為80.1%；萃取壓力由0.8 MPa 升高至0.9 MPa 時(shí)，提取率升至83.4%；萃取壓力由0.9 MPa 升高至1.0 MPa 時(shí)，提取率升至88.7%；萃取壓力由1.0 MPa 升高至1.1 MPa 時(shí)，提取率升至94.5%；萃取壓力由1.1 MPa 升高至1.2 MPa 時(shí)，提取率升至95.2%，此時(shí)，隨著壓力的增加，提升效果不明顯。這說明萃取壓力的升高會(huì)在一定程度上提升提取率，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定數(shù)值后變化不明顯；綜合分析，選擇1.1 MPa 作為萃取的最適溫度。

圖3 萃取壓力對(duì)文冠果油提取率的影響結(jié)果表Fig.3 Table of effect of extraction pressure on extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

2.4.3 萃取時(shí)間對(duì)文冠果油提取率的影響

萃取時(shí)間對(duì)文冠果油提取率的影響如圖4 所示，萃取時(shí)間從20 min 延長(zhǎng)到30 min，提取率從82.5%提升至88.7%，萃取時(shí)間從30 min 延長(zhǎng)到40 min，提取率升至93.1%，此階段隨萃取時(shí)間的延長(zhǎng)提取率增加明顯，這是因?yàn)樘崛傞_始時(shí)，溶劑與物料未得到良好接觸，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，傳質(zhì)達(dá)到良好的狀態(tài)，提取率增大;萃取時(shí)間從40 min 延長(zhǎng)到50 min，提取率升至93.4%，萃取時(shí)間從50 min 延長(zhǎng)到60 min，提取率升至94.0%，再此階段，提取率仍隨萃取時(shí)間延長(zhǎng)而呈現(xiàn)緩慢升高趨勢(shì)，這是因?yàn)橛椭谳腿「獌?nèi)溶解度趨于飽和，萃取體系的滲透壓也趨于平衡，油脂被繼續(xù)萃取出的量很少，造成提取率上升緩慢。因此，延長(zhǎng)萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響不大。綜合考慮能耗因素，萃取時(shí)間以40 min 為宜。

圖4 萃取時(shí)間對(duì)文冠果油提取率的影響結(jié)果Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

2.4.4 萃取次數(shù)對(duì)文冠果油提取率的影響

萃取時(shí)間對(duì)文冠果油提取率的影響如圖5 所示，萃取次數(shù)從1 次增加到2 次，提取率從80.1%提升至88.7%，萃取萃取次數(shù)從2 次增加到3 次，提取率升至94.7%，此階段隨萃取時(shí)間的延長(zhǎng)提取率增加明顯；萃取萃取次數(shù)從3 次增加到4 次，提取率升至95.1%；在此階段，提取率仍隨萃取次數(shù)增多而呈現(xiàn)緩慢升高趨勢(shì)，但油脂被繼續(xù)萃取出的量很少，造成提取率上升緩慢。綜合考慮能耗因素，萃取次數(shù)3 次為最佳。

圖5 萃取次數(shù)對(duì)文冠果油提取率的影響結(jié)果表Fig.5 Table of effect of extraction times on extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

2.5 亞臨界萃取法提取文冠果油正交試驗(yàn)

極差R 是A＞B＞C＞D，萃取溫度（A） 對(duì)文冠果油提取率的影響最為顯著，其次是萃取壓力(B)，然后是萃取時(shí)間（C） 最后是萃取次數(shù)(D)。從表4可以得出，萃取溫度的K3＞K1＞K2，選擇A3 為最優(yōu)水平；萃取壓力的K2＞K3＞K1，選擇B2 為最優(yōu)水平；萃取時(shí)間的K1＞K2＞K3，選擇C1 為最優(yōu)水平；萃取次數(shù)的K2＞K1＞K3，D2 為最優(yōu)水平。

表4 文冠果油提取率正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 4 The result of orthogonal test of extraction rate of Xanthoceras sorbifolia oil

因此綜合各方面考量，確定4 種因素的最優(yōu)提取組合為A3B2C1D2，即萃取溫度為45 ℃，萃取壓力為1.1 MPa，萃取時(shí)間為40 min，萃取次數(shù)為2 次。

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)得到的工藝條件的優(yōu)劣，按照A3B2C1D2 方案，開展試驗(yàn)，所得到的文冠果油提取率為96.7%。結(jié)果表明，此方案的文冠果油提取率高于正交實(shí)驗(yàn)表中的9 個(gè)實(shí)驗(yàn)。從而表明利用A3B2C1D2 工藝條件從文冠果中提取文冠果油具有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

本研究以河北省邱縣文冠果為原料進(jìn)行研究，采用不同的方法對(duì)文冠果油進(jìn)行提取，實(shí)驗(yàn)表明，采用冷榨法制備文冠果油的提取率為69.4%、索氏提取法制備文冠果油的提取率為74.5%、超臨界萃取法制備文冠果油的提取率為78.6%、亞臨界萃取法提取得到的文冠果油的提取率為88.7。同時(shí)，通過對(duì)文冠果油理化性質(zhì)的檢測(cè)、和脂肪酸含量的檢測(cè)，綜合選取亞臨界萃取法作為提取文冠果油實(shí)驗(yàn)方法。

進(jìn)一步以油脂的提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)考察了萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和萃取次數(shù)對(duì)文冠果油提取率的影響。對(duì)文冠果油提取率影響最大的是萃取溫度，其次為萃取壓力，再次為萃取時(shí)間，影響最小的為萃取次數(shù)，同時(shí)確定了其最優(yōu)水平為A3、B2、C1、D2，即萃取溫度為45℃，萃取壓力為1∶1，萃取時(shí)間為40 min,萃取次數(shù)為2 次。并利用最優(yōu)工藝進(jìn)行3 組重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，文冠果油的提取率達(dá)96.7%，均高于正交實(shí)驗(yàn)表中的實(shí)驗(yàn)，純化率高，工藝穩(wěn)定。