分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸技术研究

吕从锦，侯伟伟，陈小华，段 磊，鲁 蒙，杨海燕

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸技术研究

吕从锦，侯伟伟，陈小华，段 磊，鲁 蒙，杨海燕*

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

研究影响分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸的因素并确定最佳工艺参数。甜杏仁油经乙酯化后，通过单因素实验分析影响分子蒸馏效果的主要因素为蒸馏温度、刮板转速、进料速度和真空度，结合设备情况并应用响应面法中的Box-Behnken设计优化分子蒸馏参数，在60滴/min的进料速度下，经过优化得出最佳工艺参数为：蒸馏温度109℃，刮膜器转速350r/min，操作压力3Pa，在此条件下多不饱和脂肪酸的含量为93.883%。结果表明，分子蒸馏技术富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸是可行的。

甜杏仁油，分子蒸馏，多不饱和脂肪酸，富集

随着新疆特色林果业的发展，新疆甜杏仁油加工已出现规模化产业化发展的趋势。经检测，甜杏仁油脂肪酸主要成分为油酸和亚油酸，分别为69.96%和22.48%，除此以外还有少量的亚麻酸，这些不饱和脂肪酸不仅不会在人体内产生脂肪积累，而且可以降低LDL（低密度脂蛋白）和血清胆固醇水平，有利于血管的软化，具有防治高血压、高血脂及心血管疾病的疗效，对癌症、关节炎和糖尿病的防治也有一定的疗效；此外还含有少量的维生素E，其中包括α-生育酚和γ-生育酚等成分。因此甜杏仁油具有十分优良的营养作用，是一种天然高级食用油[1-5]。亚油酸和亚麻酸是人体必需脂肪酸，具有抗辐射、降低胆固醇、防止动脉硬化、促进生长发育、增强机体免疫力及美容美发等多种生理功能，高含量的亚油酸在医药、食品等行业有着广泛应用[6]。为提高其产品附加值，需要提高亚油酸和亚麻酸等多不饱和脂肪酸（PUFAs）的含量。常用多不饱和脂肪酸的富集方法如低温结晶、吸附分离、尿素包合等都需要使用大量的有机溶剂，溶剂残留问题使得其在食品或保健品的应用方面有所限制。分子蒸馏是一种液-液分离技术，在高真空度下，利用不同分子运动的平均自由程来达到分离的目的，可以有效避免生物活性物质和热敏性物质的损失，并且是纯物理技术，不会有溶剂残留的问题[7-14]，在有效成分分离富集的应用上有广阔的前景。由于天然油脂为脂肪酸甘油三酯，因此，首先对甜杏仁油进行乙酯化反应，将甜杏仁油中的甘油三酯转化为甜杏仁油脂肪酸乙酯的混合物；其后对甜杏仁油脂肪酸乙酯的混合物进行分子蒸馏分离研究，利用对蒸馏温度、进料速度、操作压力和刮膜器转速等实验条件的控制调节，经过一级分子蒸馏，将甜杏仁油脂肪酸乙酯混合物分成富含多不饱和脂肪酸乙酯的重组分和以油酸乙酯为主的轻组分，通过气相色谱法测定轻重组分的脂肪酸组成和含量。本实验利用分子蒸馏装置富集甜杏仁油中的多不饱和脂肪酸，研究影响因素并优化工艺参数，为甜杏仁油深加工的研究提供一定的实验科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠、无水乙醇、无水碳酸钠、无水硫酸钠、重铬酸钾、冰乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠、异辛烷、一氯化碘 均为分析纯；正己烷 色谱纯，天津永晟精细化工有限公司；棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯、亚麻酸乙酯等标准物质 色谱纯，美国Sigma公司；氮气（≥99%） 乌鲁木齐三宫新亚氧气厂。

VKL-70型分子蒸馏设备 德国VTA公司；76-1A数显玻璃恒温水浴搅拌装置 江苏金坛医疗器械厂；85-2A磁力搅拌器 江苏常州国立实验设备研究所；PL-2002电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司；RE-85C旋转蒸发器、旋转蒸发器水浴槽 上海青浦沪西仪器厂；SHB-Ⅲ冷却水循环泵 郑州长城科工贸有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 杏仁油理化测试方法 酸价测定方法：GB/T 5530-2005/ISO 660-1996；过氧化值测定方法：GB/T 5538-2005/ISO 3960：2001；试剂配制方法：GB/T 601-2002。

1.2.2 乙酯化条件 称取200g甜杏仁油置于500mL三颈瓶中，置于恒温水浴锅上，开动搅拌器，打开氮气阀通入氮气；按醇油比8.4∶1量取无水乙醇，1.0%比例称取氢氧化钠，并将氢氧化钠置于无水乙醇中搅拌溶解，至温度升到75℃后，将氢氧化钠的无水乙醇溶液从冷凝管顶部一次加入到三颈瓶中进行反应。130min反应结束后将样品置于旋转蒸发器中除去多余的乙醇，再将样品置于分液漏斗中静置分层，去除底部甘油；用蒸馏水洗涤至洗出液为中性，分离出有机相，经无水硫酸钠脱水处理，即得甜杏仁油脂肪酸乙酯粗产品。

1.2.3 分子蒸馏条件 甜杏仁油脂肪酸乙酯一级分子蒸馏每批进样量500mL，预脱气温度70℃，预脱气压力100Pa；分子蒸馏温度分别为95、100、105、110、115℃，精确度为±0.2℃，压力分别为1、4、7、10、13Pa，精确度为±0.5Pa，刮膜器转速分别为200、250、300、350、400r/min，精确度为±5r/min，进料速度分别为40、50、60、70、80滴/min，冷凝水温度为15℃。每个样品蒸馏处理时间为30min，收集沿内壁流下的物料为重组分，收集沿冷凝管壁流下的物料为轻组分，并且分别称重记录数据，收集样品处理经气相色谱分析后，通过对PUFAs含量和收率的影响来确定适宜的参数范围。

1.2.4 气相色谱条件 样品经正己烷（色谱纯）稀释后，直接进样。Agilent 6890N气相色谱分析，使用FID检测器，10μL的微量进样器进样，气相色谱柱为Supelcowax-10 60m×0.25mm×0.25μm。分析条件：进样口温度250℃，压力25psi；进样1.0μL，分流比50∶1；载气为氮气（99.999%），柱压为25psi；采用程序升温，起始温度为100℃，保持此温度2min；以4.0℃/min升至200℃；再以6℃/min升至240℃，保持43min；FID检测器，260℃，燃气为氢气、空气，流速分别为30.0、300mL/min；载燃气为氮气（99.999%），流速为30.0mL/min。保留时间定性，面积归一化法定量。面积归一化法计算公式为：

式中：Ai—样品中目标物的峰面积；A总—样品总的峰面积；F—脂肪酸与其乙酯的相对分子质量比值。

PUFAs的收率（%）=（重组分质量×重组分中PUFAs含量）/（原料质量×原料中PUFAs含量）×100%

1.2.5 响应面法优化分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸工艺条件 依据单因素实验结果和设备条件分析，影响多不饱和脂肪酸分子蒸馏效果的主要因素为操作压力、蒸馏温度和刮膜器转速。优化实验采用Box-Behnken响应面设计，优化甜杏仁油分子蒸馏的工艺条件。以PUFAs的含量作为评价指标，通过统计分析得到最适宜的分子蒸馏工艺参数。实验因素水平见表1。

表1 响应面设计因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface design

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 蒸馏温度对蒸馏效果的影响 在进料速度为60滴/min，刮膜器转速为300r/min，操作压力为4Pa的条件下，分别测定95、100、105、110、115℃时PUFAs的含量和收率，蒸馏温度对蒸馏效果的影响见图1。

图1 蒸馏温度对蒸馏效果的影响Fig.1 The effect of temperature on the distillation result

由图1可知，PUFAs的含量随温度的升高逐渐增加，料液中的轻组分不断逸出，PUFAs的含量逐渐升高，当温度升至105℃时PUFAs的含量达到最大值；随着温度继续升高，PUFAs的含量开始呈下降趋势。这是因为温度过高以后重组分中的PUFAs随着轻组分一同逸出的比例增加，致使重组分中PUFAs的含量降低。

PUFAs的收率随温度逐渐升高而逐渐降低，这是因为随蒸馏温度的升高，重组分中的PUFAs随着轻组分一起逸出的量增加，导致重组分中PUFAs的绝对质量减少，从而使得收率降低。因此，综合含量和收率考虑，选择适宜的蒸馏温度为105℃。

2.1.2 操作压力对蒸馏效果的影响 在进料速度为60滴/min，刮膜器转速为300r/min，蒸馏温度为100℃的条件下，分别测定1、4、7、10、13Pa时PUFAs的含量和收率，操作压力对蒸馏效果的影响见图2。

图2 操作压力对蒸馏效果的影响Fig.2 The effect of operating pressure on the distillation result

由图2可知，PUFAs的含量随操作压力的降低逐渐升高，因为随着操作压力的降低，物料的沸点逐渐降低，轻组分随着压力的降低越来越多地被蒸馏出去，因此，PUFAs的含量逐渐提高；但当操作压力达到0.1Pa时，重组分中的PUFAs的沸点也迅速降低，被蒸馏出去的速度迅速加大，所以，当压力小于1Pa时，PUFAs的含量反而有所降低。

随着操作压力的降低，重组分中PUFAs的绝对含量随之减少，则PUFAs的收率也迅速降低。因此，综合考虑选择4Pa为蒸馏的适宜操作压力。

2.1.3 刮膜器转速对蒸馏效果的影响 在进料速度为60滴/min，操作压力为4Pa，蒸馏温度为100℃的条件下，分别测定刮膜器转速为200、250、300、350、400、450r/min时PUFAs的含量和收率，刮膜器转速对蒸馏效果的影响见图3。

图3 刮膜器转速对蒸馏效果的影响Fig.3 The effect of scraper speed on the distillation result

由图3可知，在一级蒸馏条件下，PUFAs的含量随着刮膜器转速的提高逐渐增加，在350r/min时达到最大值，但是当转速超过350r/min时PUFAs的含量开始下降，可能是因为刮膜器转速在较低速度时成膜不够均匀，受热不均使得轻组分逸出率较低，随着转速提高，料液在内壁上逐渐形成稳定均匀液膜，加强传热，使得轻组分逸出率提高，从而提高了PUFAs的含量；而当转速超过350r/min以后导致部分料液未经蒸馏完全便被甩到冷凝管壁上流入轻组分，使得PUFAs含量降低。

PUFAs的收率随刮膜器转速提高缓慢降低，当转速超过350r/min后收率明显下降，主要因为随转速的提高，液膜越来越均匀，使得重组分中的PUFAs随轻组分逸出的量增加，重组分中的PUFAs的绝对含量下降，因此收率下降；转速过快以后，导致部分料液未经蒸馏完全便被甩到冷凝管壁上流入轻组分，使得重组分中PUFAs绝对含量急速下降，收率亦随之迅速下降。因此，选择300r/min为最适宜蒸馏转速。

2.1.4 进料速度对蒸馏效果的影响 在刮膜器转速为300r/min，蒸馏温度为100℃，操作压力为4Pa的条件下，分别测定进料速度为40、50、60、70、80滴/min时PUFAs的含量和收率，刮膜器转速对蒸馏效果的影响见图4。

图4 进料速度对蒸馏效果的影响Fig.4 The effect of feed rate on the distillation result

由图4可知，当进料速度小于60滴/min时，重组分中PUFAs的含量随进料速度的增加缓慢上升，当进料速度大于60滴/min后急剧下降。因为原料的进料速度决定了料液在内壁的停留时间，也即决定了蒸馏效果。进料速度过慢则导致料液在内壁停留时间较长，受热时间相对增加，从而使重组分中的PUFAs随轻组分逸出增加；进料速度越快，停留的时间越短，料液受热时间越短，蒸馏效果差，轻组分逸出率低，则重组分中PUFAs的含量就下降；当进料速度为60滴/min时，PUFAs含量最高，受热时间充分，蒸馏效果最好。

随进料速度加快，PUFAs的收率逐渐增大。进料速率过慢时，料液受热时间长，PUFAs随轻组分一同逸出的量增多，导致重组分中PUFAs的绝对质量降低，所以收率不高；随着进料速度逐渐加快，料液受热时间逐渐减少，PUFAs随轻组分馏出的量逐渐减少，收率逐渐升高。由于实验所用的VKL-70型分子蒸馏设备不是用计量泵进料，是通过磨口旋塞控制进料，进料速度控制相对不精准，需不断调节，而60滴/min较为容易控制，所以综合考虑PUFAs的含量和收率，选择60滴/min为适宜的进料速度，并且响应面设计中此因素不作为变量分析。

2.2 分子蒸馏响应面分析结果

2.2.1 数学模型的建立 根据表2所得的实验数据，运用Design Expert 7.1.6统计软件进行处理，采用响应曲面统计方法对实验数据进行拟合，建立PUFAs含量与蒸馏温度、操作压力、刮膜器转速三因子的二次多项数学回归方程为：

Y=92.18+3.83X1－1.89X2+0.97X3+0.39X1X2－0.16X1X3+0.10X2X3－2.06X12－2.10X22－2.45X32

表2 响应面设计实验及结果Table 2 Experiment and result of response surface design

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for regression equation

进一步对该回归模型进行显著性检验，响应曲面数据的方差分析结果见表3，分析结果显示该模型的F=43.19＞F0.01（9，9）=5.35，P＜0.0001，表明回归模型极显著。除交互项以外，一次项和二次项对PUFAs含量的影响在0.01水平上均极显著，因此各具体实验因子对响应值的影响不是简单的线性关系。失拟项F=6.33＜F0.05（9，3）=8.81，P=0.0533＞0.05，不显著，并且该模型的复相关系数平方R2=0.9823，修正相关系数平方RAdj2=0.9596，说明该模型与实际拟合较好，可以用于分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸实验中关于PUFAs含量的理论预测。

2.2.2 优化与模型验证 对所得回归方程进行求偏导，得三元一次方程组，解方程组可得X1=0.889，X2=－0.364，X3=0.162，将这三个值代入变换式，实验得到分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸的最佳组合为：蒸馏温度为109.445℃，操作压力为2.908Pa，刮膜器转速为358.100r/min。此时，模型预测PUFAs含量的最大值为94.302%。依据实际实验条件，对上述优化条件进行适当的调整，调整后的反应条件为：蒸馏温度为109℃，操作压力为3Pa，刮膜器转速为350r/min。在此条件下进行3次验证性实验，结果如表4所示，其平均值为93.883%，实际值与预测值误差率为0.419%＜1%，说明回归模型拟合性较好，收率为58.463%。所得回归方程的最大预测值与验证值非常接近，说明回归方程能真实地反映各筛选因素的影响，建立的模型与实际情况比较吻合。因此，响应面法优化分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸的工艺条件是可取的。

表4 模型验证实验结果Table 4 Result of model validation

3 结论

在单因素实验的基础上，结合仪器条件，确定蒸馏温度、操作压力和刮膜器转速为主要因素，采用Design Expert 7.1.6软件进行Box－Behnken设计和分析，确定分子蒸馏富集甜杏仁油中多不饱和脂肪酸的最佳工艺参数为：蒸馏温度为109℃，操作压力3Pa，刮膜器转速为350r/min。在此条件下PUFAs的含量为93.883%，收率为58.463%。

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Study on enrichment of polyunsaturated fatty acids in sweet almond oil by molecular distillation

LV Cong-jin，HOU Wei-wei，CHEN Xiao-hua，DUAN Lei，LU Meng，YANG Hai-yan*
（Institute of Food Science and Pharmacy，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，China）

The enrichment conditions of polyunsaturated acids from sweet almond oil by molecular distillation was researched.After ethyl esterified，the main factors，including distillation temperature，scraper speed，feed rate and operating pressure，influenced the result of molecular distillation were analyzed by single factor tests. Based on the result of single factor tests，Box-Behnken response surface was designed to optimize the distillation parameters combined with the equipment，the optimum parameters were：distillation temperature 109℃，the scraper speed 350r/min，operating pressure 3Pa，in this condition，the content of polyunsaturated fatty acids was 93.883%.The result indicated that the enrichment of polyunsaturated fatty acids in sweet almond oil by molecular distillation was feasible.

sweet almond oil；molecular distillation；polyunsaturated fatty acids；enrichment

TS225.1

A

1002-0306（2012）05-0145-05

2011－05－23 *通讯联系人

吕从锦（1985-），男，在读硕士研究生，研究方向：食品资源开发与利用。

新疆维吾尔自治区科技支疆项目（200891105）。