水酶法提取海滨锦葵籽仁油工艺条件优化＊

杨庆利,秦松

1(山东省花生研究所,山东 青 岛,266100)2(中国科学院海洋研究所,山东青岛,266071)

水酶法提取海滨锦葵籽仁油工艺条件优化＊

杨庆利1,2,秦松2

1(山东省花生研究所,山东 青 岛,266100)2(中国科学院海洋研究所,山东青岛,266071)

以海滨锦葵籽仁为原料,利用水酶法提取海滨锦葵籽仁油。通过单因素实验及中心组合实验研究了固液比、提取温度、酶用量、提取时间等因素对油脂出油率的影响,确定了水酶法提取海滨锦葵籽仁油的工艺条件。结果表明,在实验范围内各影响因素对海滨锦葵籽仁油提取率作用的大小依次为:酶用量 >提取温度 >固液比>提取时间。水酶法提取海滨锦葵籽仁油的优化工艺参数为:酶用量 0.024 mL/g,提取温度 63℃,固液比 1∶6,提取时间 230 min,在该工艺条件下海滨锦葵籽仁油提取率达到 24.281%。

海滨锦葵籽仁油,提取,水酶法,响应面分析

海滨锦葵 (Kosteletzkya virginica)是锦葵科海滨锦葵属多年生宿根、耐盐木本油料植物,自然分布于美国含盐沼泽地带[1]。海滨锦葵种子黑色、肾形,含油率在 17%以上,粗蛋白含量在 27.4%～29.6%,而去壳种子含 32%左右的蛋白质和 25%左右的脂肪,和大豆相比,油脂含量不相上下[2]。与其它的能源油料植物相比,由于其较高的耐盐性[3],可以利用盐碱滩涂地,不与粮食作物争地等优点,因此可以作为生物柴油原料,具有很大的发展潜力。

水酶法是近年来研究和应用的一种新型提取油脂工艺,它以机械和酶解为手段降解植物细胞壁,使油脂释放。与传统的压榨法和溶剂浸出法相比,它可以同时提取油脂和蛋白,条件温和,蛋白变性少,操作安全[4-5]。国内外研究者已经针对此技术应用于大豆、菜籽、玉米胚芽、花生仁等油料作物油脂和蛋白的提取展开了研究[6]。王素梅等研究得到的水酶法提取玉米胚芽油工艺路线简单可行,且油脂提取率达88%-92%[7];谢祥茂等研究水酶法处理萃取大豆油工艺,提取率为 70%[8]。本节就水酶法提取海滨锦葵籽仁油脂进行了研究,在单因素实验的基础上,通过响应面分析法确定了水酶法提取海滨锦葵籽仁油脂的工艺条件,为海滨锦葵籽仁油的深入研究及海滨锦葵籽仁油制备生物柴油的产业化开发提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料、仪器

1.1.1 实验材料

海滨锦葵籽购于江苏沿海地区农业科学研究所,去掉外层黑色种壳后粉碎至 40目备用。Alcalase 2.4 L水解蛋白酶 (pH值 6.5～8.5,55～70℃,酶活力2.4 AU/g),丹麦 Novo公司生产。

1.1.2 主要仪器设备

天津市达康电器公司 KDF-2311型康达多功能食品破碎机;江苏省金坛市衡丰仪器厂 85-2型恒温磁力搅拌器;美国 Sigma公司 3K15型高速冷冻离心机。

1.2 实验方法

1.2.1 水酶法提取海滨锦葵籽仁油工艺流程

将海滨锦葵籽仁粉加适量蒸馏水配成一定固液比的悬液,用 1 mol/L的 NaOH或 HCl溶液调节到适宜的 pH,按种仁质量加入液态酶,搅拌,酶解结束后,浸提液在 4 000 r/min转速下离心 20 min,得到海滨锦葵籽油。将海滨锦葵籽油在 105℃下干燥至恒重之后称重计算出油率,每组实验重复 3次,取平均值。

海滨锦葵籽仁油出油率/%=(提取海滨锦葵籽仁油质量 /海滨锦葵籽仁质量)×100

1.2.2 单因素实验

以固液比、提取温度、酶用量、提取时间和 pH值等因素作为考察因子,以海滨锦葵籽仁油出油率作为实验指标进行设计,实验因素和水平见表 1。

表1 单因素实验因素和水平

1.2.3 中心组合实验设计

在单因素实验的基础上,采用 4因素 3水平的中心组合实验设计,以固液比、提取温度、酶用量、提取时间 4个因素作为研究对象,考察它们对海滨锦葵籽仁出油率的影响。实验因素和水平见表 2,实验安排见表 4。

表2 中心组合实验设计因素水平表

2 结果与分析

2.1 水酶法提取海滨锦葵籽仁油单因素实验结果与分析

2.1.1 固液比对出油率的影响

提取温度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取时间240 min,pH8,固液比对出油率影响见表 3。从表 3可以看出,固液比为 1∶6时,出油率达到最高。

表3 固液比与出油率的关系

2.1.2 温度对出油率的影响

固液比 1∶6,酶用量 0.02 mL/g,提取时间 240 min,pH8,提取温度对出油率的影响见图 1。从图 1可以看出,温度在 60℃时,出油率达到最大值,低于60℃,酶促反应速度慢,当高于 60℃,酶容易失活。

图 1 温度与出油率的关系

2.1.3 酶用量对出油率的影响

固液比 1∶6,提取温度 60℃,提取时间 240 min,pH值 8,不同酶用量对出油率的影响见图 2。从图 2可以看出,随着酶用量的增加,出油率逐渐增加,当酶用量超过 0.02 mL/g时,出油率增加速度放慢。综合考虑经济因素,本实验选择酶用量为 0.02 mL/g。

图 2 酶用量与出油率的关系

2.1.4 提取时间对出油率的影响

适宜的酶解时间应从油料细胞的降解程度及提取油效果两方面确定。固液比 1∶6,提取温度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,pH值 8,不同提取时间对出油率影响见图 3。从图 3可以看出,在 240 min内,酶解时间越长,蛋白降解越彻底,油脂释放越充分,240 min时出油率达到最高,为 22.88%,240 min后,出油率变化不明显。

2.1.5 pH值对出油率的影响

图 3 提取时间与出油率的关系

固液比 1∶6,提取温度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取时间 240 min,pH值对出油率的影响见图 4。从图 4可以看出,pH<8,随着 pH值增大,出油率呈上升趋势,pH<8以后,出油率随 pH值的继续增大而呈下降趋势。

图 4 pH值与出油率的关系

2.2 水酶法提取海滨锦葵籽仁油工艺条件优化

2.2.1 二次回归模型拟合

2.2.2 方差分析

通过 D esign-Expert软件进行方差分析来验证回归模型及各参数的显著性,结果见表 5。由表 5 可以看出,模型 Prob>F值小于 0 .01,表明该模型是高度显著的。因此模型中的,X2,X3,X4,X1X2,X1X3,1,,,都是显著的。模型失拟项的 Prob>F值为 0 .161 5>0.05,模型失拟项不显著,模型选择合适。同时,软件分析的模型相关系数 R2为92.73%,大于 9 0%,说明模型相关度很好。变异系数反映模型的置信度,变异系数越低模型的置信度越好。本实验的变异系数 4.09%,说明模型方程能很好的反应真实的实验值。所以,我们可以用该模型方程来分析响应值的变化。

表4 实验设计与结果

2.2.3 各因素影响程度分析

各因素的 F值可以反映出各个因素对实验指标的重要性,F值越大,表明对实验指标的影响越大,即重要性越大。从方差分析表可知:F(X1)=25.92,F(X2)=27.25,F(X3)=40.36,F(X4)=13.53。因此各因素对水酶法提取海滨锦葵籽仁油影响程度大小顺序为:酶用量 >提取温度 >固液比 >提取时间。

2.3.4 工艺参数优化

X1与 X2,X1与 X3交互作用显著 (图 5和图 6),其它各因素交互作用不显著 (没有列出响应曲面图)。从图 5可以看出,在酶用量 0.02 mL/g,提取时间 240 min时,出油率随固液比和提取温度的变化会产生较大变化。当固液比为 14∶75,提取温度为62.8℃时,出油率达到最大值 23.977%。从图 6可以看出,在提取温度 60℃,提取时间 240 min时,出油率随固液比和酶用量的变化会产生较大变化,当固液比 69∶400和酶用量 0.024 mL/g,出油率达到最大值 24.352%。

表5 实验结果方差分析表

图 5 X1、X2对出油率的响应面图和等高线图

图 6 X1、X3对出油率的响应面图和等高线图

进一步通过软件分析计算,得到最大响应值 (Y)时 X1、X2、X3和 X4对应的编码值分别为 X1=-0.06、X2=0.31、X3=0.82、X4=-0.16。与其相对应的水酶法提取海滨锦葵籽仁油的最佳条件为酶用量 0.0241 mL/g,提取温度 63.1℃,固液比 97∶600,提取时间为 230.4 min。考虑到实际操作的方便,将各提取条件修正为酶用量 0.024 mL/g,提取温度 63℃,固液比 1/6,提取时间为 230 min。在修正条件下对实验结果进行实验验证,出油率为 24.281%,与理论预测值 24.532%相差 0.251%,相对误差为 1.023%,这进一步验证了数学回归模型的合适性。

3 结论

(1)水酶法提取海滨锦葵籽仁油数学回归模型为:

(2)各因素影响水酶法提取海滨锦葵籽仁油程度大小顺序为:酶用量 >提取温度 >固液比 >提取时间。

(3)水酶法提取海滨锦葵籽仁油的最佳条件为酶用 0.024 mL/g,提取温度 63℃,固液比 1∶6,提取时间为 230 min,在此条件下出油率为 24.281%。

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[2] 阮成江,钦佩,陈景文,等 .海滨锦葵种子营养成分分析[J].作物学报,2004,30(9):901-905.

[3] Blits K C,Gallaghet J L.Effect ofNaCl on lipid content of plas ma membranes isolated from roots and cell suspension cultures of the dicot halophyteKosteletzkya virginica[J].Plant Cell Reports,1990,9:156-159.

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[5] Rosenthal A,Pyle D L,Niranjan K,et al.Combined effect of operational variables and enzyme activity in aqueous enzymatic extraction of oil and protein from soybean[J].EnzymeMicrob Technol,2001,28:499-509.

[6] 王文侠,任健 .植物油水酶法浸提工艺研究进展 [J].现代食品科技,2005,21(2):181-185.

[7] 王素梅,王璋 .水酶法提油工艺对玉米胚芽油质量的影响[J].中国油脂,2003,28(4):18-0.

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Optim ization of Aqueous Enzymatic Extraction Technology of O il fromKosteletzkya virginicaSeeds

Yang Qing-li1,2,Qin Song1
1(Shandong Peanut Research Institute,Qingdao 266100,China)2(Institute ofOceanology,The Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

Kosteletzkya virginicaseedswere taken as raw materials and the aqueous enzymatic extraction technology was used to extract seed oil.The single factor experi ment and the response surface methodology were adopted to study the effects of solid to water ratio,extraction temperature,the ratio of enzyme to seeds,extraction time and pH on oil extraction rate.The order of these factors in ter ms of the influence on the oil extraction rate within the experimental rangewas as follows:the ratio of enzyme to seeds>extraction temperature>the ratio of solid to water>extraction time.The optimal technologicalparametersofoil extraction fromKosteletzkya virginicaseeds should be as follows:the ratio of enzyme to seeds 0.024 mL/g,extraction temperature 63℃,the ratio of solid to water 1/6 and extraction ti me 230 min.Under such conditions,total oil extraction rate is 24.281%.

Kosteletzkya virginicaseeds oil,extraction,aqueous enzymatic extraction technology,reponse surface methodology

博士 (秦松教授为通讯作者,E-mail:peanut126@sohu.com)。

＊国家高技术研究发展计划项目(2007AA10Z189,2006AA10A114);公益性行业农业科研专项经费(nyhyzx07-014)

2010-10-19,改回日期:2010-11-27