超声波提取亚麻籽油工艺及其对亚麻籽微观结构的影响

兴 丽 赵凤敏 曹有福 张兰芳 张小燕 王 梅 蔡智勇

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

亚麻(Linum ustitatissimum L.)是我国主要油料作物之一，我国亚麻籽种植面积和总产量仅次于加拿大，居世界第2位［1］。亚麻籽含有丰富的油脂，其中脂肪含量占亚麻籽仁的66%左右，不饱和脂肪酸占80%以上，作为富含ω－3和ω－6不饱和脂肪酸的功能性油脂来源，亚麻具有重要的经济价值及保健作用［2～3］，具有很好的开发、利用前景。

目前植物油脂提取方法主要为压榨及溶剂浸出法，其中压榨法得到的饼粕残油较多，且蛋白容易变性，溶剂提取法往往存在提取时间长、能耗大、提取率偏低等缺点［4－5］。超声波辅助提取法主要利用超声波对媒介所产生的机械振动及空化作用产生的强大剪切力使介质细胞壁破裂，使细胞内含物容易释放出来，从而提高油脂分子溶入到有机溶剂中的机率，最终达到提高油脂提取率的目的［6－7］。有研究表明超声波辅助提取可有效提高亚麻籽油提取效率［8－9］，Lin 等［10］研究发现超声波辅助提取大麻子油脂时可有效减少有机溶剂的利用率、缩短提取时间。易军鹏等［11］以牡丹籽油得率、不饱和脂肪酸含量及油脂品质为考察指标，比较研究了压榨法、溶剂浸提法、超声波辅助提取3种工艺，综合考察结果为超声波提取法提取得到的牡丹油优于溶剂及机械压榨法。

为此，在溶剂提取工艺的基础上，利用超声波技术提取亚麻籽油，系统探讨不同因素对超声波提取亚麻籽油得率影响，结合响应面法最终优化出最佳工艺路线。通过比较不同提取方式对亚麻籽微观结构影响，研究不同提取方法效果的差别，同时比较不同提取方法对亚麻籽油脂肪酸组成的影响，进而为亚麻籽的深入开发、利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

亚麻籽:内蒙古集宁市，颗粒饱满，除杂后在105℃下干燥至恒重备用，其主要成分见表1。

表1 亚麻籽主要成分含量

石油醚(沸点30～60℃)、石油醚(沸点60～90℃)、无水乙醚、乙酸乙酯、丙酮、正己烷等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

KQ－5200DE型数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司;DK－S24恒温水浴锅:上海森信试验仪器有限公司;101型热电鼓风干燥箱:北京市永光明医疗仪器厂;BS223S电子天平:赛多利斯科学仪器北京有限公司;GC－2014C气相色谱:日本岛津公司;S－3400－2扫描电镜:日本日立公司。

1.3 试验方法

1.3.1 溶剂选择

为选择更适合的提取溶剂，试验选取油脂提取中常用的6种溶剂进行比较研究，石油醚(沸点30～60℃)、石油醚(沸点60～90℃)、无水乙醚、乙酸乙酯、丙酮、正己烷。采用索氏提取法，提取时间为6 h、提取温度分别为6种有机溶剂的沸点、液料比为10 mL/g、提取1次，分别测定6种溶剂提取亚麻籽油得率，最终以亚麻籽油得率及浸提溶剂价格作为评价指标确定理想溶剂。

1.3.2 超声波提取方法及工艺流程

称取约5.00 g粉碎好的亚麻籽粉末于锥形瓶中，以石油醚(沸点60～90℃)为提取溶剂，采用超声波辅助手段进行油脂提取。提取完毕后，将滤液用旋转蒸发仪进行溶剂回收，然后于真空干燥箱中进行干燥，待恒重后计算油脂得率。

亚麻籽→干燥→粉碎、过40目筛→称取→超声波提取→提取液真空抽滤、料液分离→旋转蒸发浓缩→亚麻油→皂化、甲酯化→GC分析。

1.3.3 油脂得率

油脂得率=亚麻籽油质量/提取用亚麻籽质量×100%。

1.3.4 亚麻籽与油脂理化成分测定方法［12－18］

亚麻籽脂肪:GB/T 14488.1—2008《植物油料含油量测定》;水分:GB/T 4489.1—2008《油料水分及挥发物含量测定》;蛋白:GB/T 14489.2—2008〈粮油检验植物油料粗蛋白质的测定》;铜:GB/T 5009.13—2003《食品中铜的测定》;铁、锰:GB/T 5009.90—2003《食品中铁、镁、锰的测定》;锌:GB/T 5009.14—2003《食品中锌的测定》。

亚麻籽油理化特性按照GB/T 8235—2008《亚麻籽油》进行测定。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验

以提取温度(30、40、50、60、70 ℃)、提取时间(20、30、40、50、60 min)、超声波功率(120、140、160、180、200 W)和液料比(5、10、15、20、25 mL/g)为考察因素，以亚麻籽油得率为考察指标，进行单因素试验。

1.4.2 响应面试验

在单因素试验基础上，采用Box－Behnken试验设计方案优化亚麻籽油提取工艺参数，以亚麻籽油得率Y为响应值，－1、0、1分别代表变量水平，试验设计如表2所示。

表2 Box－Behnken试验因素水平

1.4.3 亚麻籽油皂化、甲酯化

皂化:取0.1 mL脂肪，用正己烷定溶于5 mL容量瓶中，吸取此溶液2.0 mL于一具塞试管中，加入2 mol/L NaOH－CH3OH溶液1 mL进行皂化，漩涡振荡10 min后50℃水浴5 min，冷却至室温待甲酯化。

甲酯化:在经皂化处理后的样品中加入2 mol/L HCl－CH3OH溶液2 mL，充分振荡10 min，于50℃水浴5 min，进行甲酯化。然后弃去下层液体，再加约2 mL蒸馏水洗净并去除水层，用滴管吸出正己烷层，加入无水硫酸钠脱水，进行气相色谱分析。

1.4.4 GC 仪器工作条件

GC工作条件:进样量1μL，进样口温度225℃;进样方式为分流进样，分流比为50∶1;升温程序为初始温度100℃，以4℃/min速率升至220℃，保持40 min;检测器为氢火焰离子化检测器(FID)，检测温度250℃，载气为氮气。

1.4.5 亚麻籽微观结构分析

为有效分析超声波辅助有机溶剂提取与传统有机溶剂提取方法作用机理差异，本试验利用扫描电镜对不同提取方式下亚麻籽微观结构进行研究，将提取油脂完毕后的亚麻粉末用导电胶粘在样品台上，然后于真空离子喷溅设备中喷镀一层不超过100 nm的Pt膜，用扫描电镜观察样品表面特征进行比较。

1.5 数据分析方法

本试验以所得亚麻油脂得率为目标函数，以提取温度、提取时间、超声波功率、液料比为自变量进行试验，采用Design Expert 8.0软件对试验结果进行分析。

2 结果与讨论

2.1 提取溶剂的选择

不同溶剂对亚麻籽出油率的影响如表3所示。由表3可以看出，用正己烷提取的亚麻籽油得率最高为38.82%，比石油醚(60～90℃)高2.12%，石油醚(30～60℃)、丙酮、无水乙醚得率相差不大。但综合考虑提取溶剂的价格因素后，选择石油醚(60～90℃)作为最终的提取溶剂。

表3 不同提取溶剂下亚麻籽油的得率/%

2.2 单因素试验

2.2.1 提取温度对亚麻籽油提取效果的影响

在功率为160 W、提取时间30 min、液料比10 mL/g的条件下，提取温度对亚麻籽油提取效果的影响如图1所示。从图1中可以看出，提取温度为30～60℃时，亚麻籽油得率随着温度的升高也随之上升，从30.60%上升到34.88%。提取温度在60～70℃范围内时，亚麻籽油得率反而下降，由34.88%下降为34.50%，分析其中原因可能为石油醚沸程为60～90℃，当温度高于60℃时，会造成石油醚挥发的增加，降低了扩散率进而影响油脂得率的下降［19］。因此，综合考虑，选择60℃为最佳超声波处理温度。

图1 提取温度对亚麻籽油得率的影响

2.2.2 提取时间对亚麻籽油提取效果的影响

在功率为160 W、液料比10 mL/g、提取温度为60℃的条件下，提取时间对亚麻籽油提取效果的影响如图2所示。从图2中可以看出，随着浸提时间的延长，出油率不断增加，但30 min后油脂得率变化不大，这主要是因为达到一定时间后，提取过程变为动态平衡。对数据分析也可知浸提30 min与浸提60 min油脂得率没有明显差异，故以30 min为最佳因素。

图2 提取时间对亚麻籽油得率的影响

2.2.3 提取功率对亚麻籽油提取效果的影响

在液料比10 mL/g、提取温度60℃、提取时间30 min的条件下，提取功率对亚麻籽油提取效果的影响如图3所示。从图3可看出，出油率随功率变大逐渐增加，这主要是因为随着超声波功率增大，空化作用和机械作用逐渐增强，分子扩散速度加快，有机溶剂对细胞组织内部的渗透和细胞内部物质向溶剂的释放也随之增加［20］，与 180 W 相比，功率为200 W时，油脂得率增加不明显。综合考虑，选择180 W为最佳超声功率。

图3 提取功率对亚麻籽油得率的影响

2.2.4 液料比对亚麻籽油提取效果的影响

在提取温度60℃、提取时间30 min、提取功率180 W的条件下，液料比对亚麻籽油提取效果的影响如图4所示。从图4中可以看出，随着液料比增加，亚麻油脂得率也逐渐增加，但可明显看出从10 mL/g到25 mL/g得率的增加并不明显，分析其中原因可知，原料与溶剂中亚麻籽油浓度差异较大，当液料比较低时，液料比的增加可以极大地改变原料和溶剂间亚麻籽油浓度的差异，有利于亚麻籽油从原料中浸提出［21］。但当液料比增加到某个特定值后，进一步增加液料比对于改变原料与溶剂间亚麻籽油的浓度差异没有明显效果，故选择10 mL/g为最佳液料比。

图4 液料比对亚麻籽油得率的影响

2.3 超声波辅助提取亚麻籽油工艺条件优化

2.3.1 模型构建及显著性检验

响应面试验结果如表4所示，所得结果用Design Expert 8.0软件进行分析，得到亚麻籽油得率与各因素之间的二次回归模型 Y=35.02+0.46X1+0.063X2+0.031X3+0.40X4－ 0.030X1X2+0.045X1X3+0.090X1X4+0.14X2X3+0.085X2X4－ 7.500 × 10－3X3X4－0.42X21－0.25X22－0.22X23－0.37X24。剔除不显著项后，回归模型简化为 Y=35.02+0.46X1+0.40X4+0.14X2X3－ 0.42X21－ 0.25X22－ 0.22X23－0.37X24。为对模型的有效性进行检验，对表4中的试验结果进行统计分析，结果如表5所示。

表4 Box Behnken试验设计及结果

由表5可知，模型P＜0.000 1，说明模型显著。失拟项反映的试验数据与模型不相符情况，P=0.131 8，说明失拟不显著，因此认为该模型与实际拟合较好，且未知因素对试验结果干扰较小，该模型可较好的预测亚麻籽油得率与各参数之间的变化规律。模型中一次项、二次项及交互项均存在显著项，其中一次项中X1和X4极显著，说明提取温度和液料比对亚麻籽油得率影响极为明显;交互项中X2X3交互效应显著，说明提取时间和超声波功率的交互项对亚麻籽油得率影响显著;二次项提取温度、提取时间、超声波功率、液料比极显著。

表5 亚麻籽油得率回归模型方差分析表

2.3.2 响应面分析

图5为提取时间、提取温度、超声波功率、液料比相互作用对亚麻籽油得率影响的响应面图。从图5a、图5c中可明显看出，温度对得率的影响明显高于提取时间、超声波功率及液料比。在时间、功率、液料比不变的前提下，随着温度增加，亚麻籽油得率呈先上升后下降的趋势。分析其中原因，主要是因为温度的升高可使分子解附和扩散速度加快，从而使得亚麻籽油浸出速率和得率提高，但当温度达到一定程度后，油脂得率反而下降，参照单因素试验，当温度升高时，石油醚蒸发，溶剂量减少，使得扩散速率降低，进而使得油脂得率下降［22］。图5d表明，时间与功率的交互作用对得率的影响最为显著，油脂得率随功率和时间的改变先升高后下降，当时间为50 min，功率为180 W时达到最大。图5e和图5f表明，液料比对油脂得率的影响高于时间和功率，液料比的增加使得溶剂中油脂含量减少，根据动力学理论，2项中浓度要达到平衡，溶剂中的浓度需增加，因此物料中的油脂会逐渐扩散到溶剂中，进而提高了油脂得率。

图5 浸提温度、浸提时间、超声波功率及液料比对亚麻籽油得率交互影响

2.3.3 提取工艺条件优化

根据响应面分析结果得到亚麻籽油提取最佳工艺参数为:温度 66.26 ℃、时间 32.55 min、功率184.00 W、液料比13.24 mL/g，在该工艺条件下亚麻籽油得率估测值为35.04%。为对优化的工艺参数进行验证，为便于试验操作，选择工艺参数:温度66℃、时间33 min、功率180 W、液料比13 mL/g进行试验，结果表明该优化工艺条件下亚麻籽油得率为35.52%，与预测结果35.04%基本一致，相对误差为1.37%，说明响应面法适用于超声波提取亚麻籽油工艺参数的优化。

2.4 超声波提取对亚麻籽表面结构影响

图6为粉碎未脱脂、传统溶剂提取与超声波辅助溶剂提取后的亚麻籽粉扫描电镜图。从图6a中可以清晰的看出，未脱脂的亚麻籽表面存在着大量褶皱结构，该褶皱结构为油脂成分，这充分说明亚麻籽中存在着丰富的油脂。与图6a相比，图6b与图6c中开始出现孔洞结构，且随着时间的增加孔洞现象越来越明显，这表明亚麻籽中的油脂成分逐渐被提取出来。图6d较前3幅图，其脱脂效果更为明显，有大量的碎片组织出现。超声波提取50 min的效果对亚麻籽油的提取效果更为明显，其中的油脂基本被全部提取出来。由此可见，超声波辅助提取效果优于溶剂提取效果。

图6 溶剂与超声波提取对亚麻籽表面结构的影响

2.5 亚麻籽油的GC分析结果

2种提取方法得到的亚麻籽油脂中脂肪酸组成如图7所示，经计算分析得到的2种提取方式亚麻籽油组成及含量如表6所示。从表6中可以看出，2种提取方式并对脂肪酸的组成结构及含量影响并不大，但在得到品质相近的油脂条件下超声波辅助提取法的效率明显高于普通溶剂法。同时，在表6中也可看出2种提取方式下油脂的酸值和过氧化值均较小，说明油脂的品质较好。

图7 溶剂与超声波提取亚麻籽油脂肪酸组成

表6 亚麻籽油中主要脂肪酸组成

3 结论

3.1 在单因素试验基础上，通过响应面试验确定的影响超声波辅助提取亚麻籽油最佳工艺条件为:提取温度66℃、料液比13 mL/g、提取时间33 min、提取功率180 W，此条件下出油率为35.52%。

3.2 超声波提取法可有效破坏亚麻籽细胞结构，促进油脂溢出，进而缩短提取时间、提高提取效率。

3.3 利用气相色谱技术对超声波辅助提取法和溶剂浸提法提取的油脂进行脂肪酸组成分析，结果表明，与溶剂法相比，在得到相同品质油脂的条件下超声波辅助提取法可有效提高提取效率。

［1］杨金娥，黄庆德，黄凤洪，等.打磨法提取亚麻籽胶粉的工艺［J］.农业工程学报，2013，29(13):270－276

［2］Harper C R，Edwards M J，Defilippis A P，et al.Flaxseed oil increases the plasma concentrations of cardioprotective(n －3)fatty acids in humans［J］.Journal of Nutrition，2006，36(1):83－87

［3］Singh K K，Mridula D，Rehal J，et al.Flaxseed:A potential source of food，feed and fiber［J］.Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2011，51(3):210－222

［4］孙培灵，申德超，解铁民.挤压加工对脱壳菜籽油脂品质的影响［J］.农业机械学报，2006，37(4):64 －67

［5］Phan L，Brown H，White J，et al.Soybean oil extraction and separation using switchable or expanded solvents［J］.Green Chemistry，2009，11(12):53－59

［6］Esclapez M D，García － pérez J V，Mulet A，et al.Ultrasound － assisted extraction of natural products［J］.Food Engineering Reviews，2011，3(2):108－120

［7］Shirsath SR，Sonawane SH，Gogate P R.Intensification of extraction of natural products using ultrasonic irradiations—A review of current status［J］.Chemical Engineering and Processing:Process Intensification，2012，53(3):10－23

［8］Zhang Z S，Wang L J，Li Dong，et al.Ultrasound － assisted extraction of oil from flaxseed［J］.Separation and Purification Technology，2008，62(1):192－198

［9］杜双奎，于修烛，王青林，等.超声波辅助提取亚麻籽油的研究［J］.中国粮油学报，2009，24(4):70－73

［10］Lin J Y，Zeng Q X，An Q，et al.Ultrasonic extraction of hempseed oil［J］.Journal of Food Process Engineering，2012，35(1):76－90

［11］易军鹏，朱文学，马海乐，等.牡丹籽油超声波辅助提取工艺的响应面优化［J］.农业机械学报，2009，40(6):103－110

［12］GB/T 14488.1—2008植物油料含油量测定［S］

［13］GB/T 4489.1—2008油料 水分及挥发物含量测定［S］

［14］GB/T 14489.2—2008粮油检验植物油料粗蛋白质的测定［S］

［15］GB/T 5009.13—2003食品中铜的测定［S］

［16］GB/T 5009.90—2003 食品中铁、镁、锰的测定［S］

［17］GB/T 5009.14—2003食品中锌的测定［S］

［18］GB/T 8235—2008亚麻籽油［S］

［19］高振鹏，岳田利，袁亚宏，等.超声波强化有机溶剂提取石榴籽油的工艺优化［J］.农业机械学报，2008，39(5):77－80

［20］Zhang Z，Wang L，Li D，et al.Characteristics of flaxseed oil from two different flax plants［J］.International Journal of Food Properties，2011，14(6):1286－1296

［21］许晖，孙兰萍，李善菊，等.超声波辅助提取亚麻籽油的工艺条件优化［J］.中国粮油学报，2009，24(7)):64－68

［22］肖卫华，韩鲁佳，杨增玲，等.响应面法优化黄芪黄酮提取工艺的研究［J］.中国农业大学学报，2007，12(5):52－56.