精制米糠蜡的工艺条件

陈小军,李桂华,周佳佳

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

精制米糠蜡的工艺条件

陈小军,李桂华＊,周佳佳

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

以含油较高的毛糠蜡为原料,采用异丙醇溶剂脱除米糠蜡中的甘油酯及脂肪酸;通过单因素试验考察了萃取时间、温度、料液比 3因素对脱除甘油酯效果的影响.在单因素基础上进行了基于 Box-Behnken设计的响应面法优化分析,以纯度为指标,方差分析结果表明:回归模型较好地反映了米糠蜡纯度与时间、温度、料液比的关系.通过二次回归模型分析得出影响因素主次顺序为料液比 ＞温度 ＞时间.最佳工艺条件为:49 min、58℃、料液比 1︰6,在此条件下进行 3次平行验证试验,得到精制米糠蜡中丙酮不溶物由 49.57%提高至 90.09%,得率为86.71%,试验值与预测值吻合良好.得到的米糠蜡在此基础上进行了二次萃取,所得产品纯度达到 98.7%,得率为 84.35%.

米糠蜡;异丙醇;响应面法

0 引言

米糠蜡是水稻生长过程中生化合成的天然脂质,是由高级脂肪酸和高级一元醇所组成的酯类混合物,和油脂等一起共存于稻谷皮层中,在米糠榨油或溶剂浸出制油过程中,随同油脂分离出来,是精炼食用米糠油时得到的副产品,也是油脂化工的一项重要原料.精制米糠蜡是白色或者淡黄色的固体,与合成蜡相比,具有无毒的优点,形成了与巴西棕榈蜡并用的现状[1].米糠蜡相对分子质量在 700～800之间,纯蜡中含脂肪醇 55%～60%,含脂肪酸 40%～45%.糠蜡有一定的硬度,没有黏性、熔点较高 (78～83℃),光泽度很好,且具有电气绝缘性能.米糠蜡皂化值通常为 72～80 mg/g,碘价较低,酸价为 1～4 mg/g,不皂化物量为 54%～60%,乙酰值为 3～5 mg/g[2].

国外对糠蜡的提取始于上世纪 50年代,基本上都采用溶剂萃取法,根据蜡与油在有机溶剂中的溶解度的差异进行分离,目前常用的溶剂主要有:正己烷、苯 -醇、丁酮、甲醇、乙酸乙酯等.采用溶剂萃取法所制的糠蜡质量好,得率高,脱蜡油回收也比较充分.随着科学技术的不断进步,国外已开始研究用超临界 CO2浸出法从米糠中提取糠蜡,但该方法仍处于试验阶段,尚未工业化生产[3].

为优化以异丙醇为溶剂进行米糠蜡的精制工艺,试验研究了以含油脂较高的毛糠蜡为原料,采用异丙醇精制脱除毛糠蜡中甘油酯的工艺技术方法.重点探讨了时间、温度、料液比等因素对米糠蜡纯度的影响.

1 材料与方法

1.1 原料

毛糠蜡:山东安康制药有限公司生产,理化指标见表1.

表1 毛糠蜡的理化指标测定结果

1.2 试剂与仪器装置

试剂:丙酮、异丙醇、氯仿、甲醇、乙醚、碘化钾、氢氧化钾、硫代硫酸钠、韦氏试剂以及常用指示剂,以上试剂除特别说明外均为分析纯试剂.

仪器装置:DZF—6050真空干燥箱:上海申贤恒温设备厂;RE—52A旋转薄膜蒸发器:上海亚荣生化仪器厂;TDL—5台式离心机:湖南星科科学仪器有限公司;TU—1800pc紫外可见分光光度计:北京普析通用仪器有限公司;IR—Prestige21型傅立叶变换红外光谱仪:岛津分析仪器厂.

1.3 试验方法

1.3.1 原料理化性质的测定

1)游离脂肪酸的测定 (GB/T 5530-2008);

2)碘值的测定 (GB/T 5532—2008);

3)熔程的测定 (GB/T 12766-2008);

4)皂化值的测定 (GB/T 5534-2008);

5)重金属含量测定 (GB/T 5009.74-2003);

6)铅含量测定 (GB/T 5009.12-2003);

7)丙酮不溶物的测定 (SN/T0802.2-1999).

1.3.2 精制米糠蜡的制备方法

称取一定量毛糠蜡置于三口烧瓶中,按比例加入异丙醇溶剂,在一定温度下用搅拌器搅拌混合萃取.将萃取后的混合溶液倒入离心管中,入离心机离心分离 20 min,离心分离后得到的含溶剂湿蜡倒入表面皿,于真空干燥箱干燥得到精制糠蜡,混合溶剂经蒸发冷凝回收溶剂和毛油.

1.3.3 精制米糠蜡的纯度计算公式

米糠蜡纯度 =丙酮不溶物 -乙醚不溶物 -磷脂.

2 结果与讨论

2.1 异丙醇精制米糠蜡的单因素试验分析

2.1.1 时间对米糠蜡纯度及得率的影响

设定温度为 40℃,按料液比 1︰4(质量比)加入异丙醇 ,时间分别为 20 min、40 min、60 min、80 min、90 min,进行试验,试验结果见图 1.

由图 1可知,随着时间的延长,米糠蜡纯度逐渐升高,得率逐渐降低,但是 40 min后,随着时间的继续延长,纯度和得率都基本保持不变.在溶剂用量和温度一定的条件下,米糠蜡中的油脂与异丙醇在 40 min时达到了溶解平衡.从生产周期考虑,选择最佳萃取时间为 40 min.

图1 时间对米糠蜡纯度和得率的影响

2.1.2 温度对米糠蜡纯度及得率的影响

按料液比 1︰4(质量比)加入异丙醇,设定萃取时间为 40 min,温度分别为 40℃、50℃、60℃,70℃,80℃,进行试验,试验结果见图 2.

图2 温度对米糠蜡纯度和得率的影响

由图 2可知,随着温度的逐渐升高,米糠蜡纯度呈上升趋势,60℃时达到较大值,超过 60℃后,基本保持不变.随着温度的升高,油脂在异丙醇中的溶解度也逐渐增加,但是到一定温度后,受到物料比和时间的影响,异丙醇中溶解油脂达到饱和.米糠蜡的得率随着温度的升高而呈现逐渐降低的趋势.60℃时,虽然米糠蜡的纯度较高,但是得率相对较低,综合纯度和得率两方面因素的影响,选择最佳萃取温度为 50℃.

2.1.3 料液比对米糠蜡纯度及得率的影响

设定萃取时间为 40 min,温度为 50℃,分别按料液比 1︰3、1︰4、1︰5、1︰6、1︰7进行试验.试验结果见图 3.

图3 料液比对米糠蜡纯度和得率的影响

由图 3可知,随着料液比的不断增加,米糠蜡中丙酮不溶物的含量逐渐增加,得率则随着料液比的增加而呈降低趋势.实际生产中较大的溶剂用量伴随的是较高的溶剂损耗,同时溶剂用量的增加造成了米糠蜡的大量损失.综合纯度和得率两个方面的因素,选取最佳料液比为 1︰5.

2.2 异丙醇精制米糠蜡的响应面优化分析

综合考虑各因素对精制米糠蜡纯度和得率的影响,采用响应面分析法设计了萃取时间、萃取温度以及料液比为影响因素,以精制米糠蜡的纯度为响应值的响应面试验,试验结果见表2.得到如下二次回归方程,方程回归系数如表3所示.

Y=A0+A1X1+A2X2+A3X3+A11X11+A22X22+A33X33+A12X1X2+A13X1X3+A23X2X3.

以纯度为响应值,由响应面分析得出表4的回归方程方差分析,由表4可以看出,模型的 F值为 182.69,(Prob＞F)值 ＜0.000 1,表明该模型是显著的,即用回归方程表示各因子与响应值之间的关系时,其应变量与全体自变量之间的线性关系是显著的,说明方程与试验情况拟合良好.

表2 响应面试验设计与结果

表3 方程回归系数

表4 方差分析

由表2可以看出 ,因素 A、B、C、AC、BC、A2、B2即时间、温度、料液比、时间和料液比之间的交互作用、温度和料液比之间的交互作用对精制米糠蜡纯度的影响都是显著的.交互作用三维立体图如图 4、图 5所示.

通过响应面进行试验条件优化,进行 3次验证试验,结果如表5所示,所得实际值与预测吻合良好证明此模型是拟合良好.由于本次试验主要以米糠蜡纯度为指标,得率仅作为参考.

由于一次萃取所得米糠蜡只能应用于工业生产及化工应用,为了更好地在食品、药品工业上进行应用,采用异丙醇为溶剂,在响应面优化后的条件下进行二次萃取,即萃取时间 49 min、温度58℃、料液比 1︰6,得到的米糠蜡纯度为 98.7%.

表5 验证试验

以异丙醇为溶剂对米糠蜡进行二次萃取后,米糠蜡的各项质量指标 (表6)都能达到国际食品法典中的标准.同时通过红外光谱分析 (图 6)可以看出,在饱和碳氢 (—CnHm)的伸缩振动区域(2 900 cm-1)附近,出现两个吸收强度很大的峰组成的峰群.2 910.0 cm-1和 2 844.4 cm-1处出现的两个峰为—CH2的特征吸收峰.在双键伸缩振动区,1 735.6 cm-1处的强吸收峰是羰基 (=C=O)的伸缩振动,另外在 1 176 cm-1的强峰是C—O键伸缩振动,表明米糠蜡中含有带酯基 (—CO2R)的化合物.1 463.7 cm-1处出现的吸收峰=CH2的变形振动,从 1 375～1 176.4 cm-1之间是一系列锯齿状吸收峰,为饱和碳链—C—C—C—骨架振动,说明米糠蜡含有一系列长碳链.综上所述,米糠蜡的化学成分是由饱和的长碳链脂肪酸和长碳链脂肪醇构成的酯类物质.

表6 异丙醇精制后米糠蜡的质量指标

图6 异丙醇精制后米糠蜡的红外光谱图

3 结论

由响应面优化分析得出影响因素主次顺序为料液比 ＞温度 ＞时间,最佳精制工艺条件为:时间为 49 min、温度为 58℃、料液比为 1︰6.在此条件下进行 3次平行验证试验,得到精制米糠蜡纯度由 49.57%提高至 90.09%,得率为 86.71%,试验值与预测值吻合良好.

为了更好地在食品、药品工业上进行应用,以异丙醇为溶剂,在响应面优化条件下进行二次萃取,即萃取时间 49 min、温度 58℃、料液比 1︰6,所得米糠蜡纯度为 98.7%得率为 84.35%.产品各项指标达到了国际食品法典标准要求.

[1] 李桂华,钱向明.精制米糠蜡的制取工艺研究[J].中国粮油学报,2003,18(5):58-61.

[2] Garcia A,LucasA de,Rincon J,et al.Supercrtical carbon dioxide extraction of fatty andwaxymaterial from rice bran[J].JAOCS,1996,73:1127-1131.

[3] 曾益坤,黄秀娟,赵美凤.以异丙醇为溶剂制备糠蜡生产工艺的探讨[J].武汉工业学院学报,2000(4):21-23.

STUDY ON THE TECHNOLOGICAL COND ITIONS OF REFINED R ICE BRAN WAX

CHEN Xiao-jun,L I Gui-hua,ZHOU Jia-jia
(School of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The article extracted glyceride and fatty acids from crude rice bran waxwith higher oil content by using isopropyl alcohol,and studied the influences of the extraction ti me,the temperature and the solid-to-liquid ratio on the glyceride removal effect by single factor experi ments.Based on the single factor experiments,we conducted Box-Behnken response surface design,taking purity as the index.The variance analysis results showed that the regression module well reflected the relationship between the purity of the rice bran wax and the time,the temperature and the solid-to-liquid ratio.Through quadratic regression model,we found the important order of the influence factors as follows:solid-to-liquid ratio,temperature and ti me;and the opti mal conditions were as follows:time 49 min,temperature 58℃,and solid-to-liquid ratio 1︰ 6.We conducted three parallel tests under the optimal conditions,and found that the acetone insoluble matters in the refined rice branwaxwas improved from 49.57%to 90.09%,and the yieldwas up to 86.71%;the test valuewas in good accordance with the predicted value.We also extracted the obtained rice bran wax for the second time to obtain the refined productwith the purity of 98.7%and yield of 84.35%.

rice bran wax;isopropyl alcohol;response surface method

TS201.2

B

1673-2383(2010)06-0050-04

2010-08-30

陈小军 (1986-),男,内蒙古通辽人,硕士研究生,研究方向为粮食油脂与植物蛋白.

＊通信作者