白苏籽油的超声辅助提取工艺优化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春,任兴晨,卢文静

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058)



白苏籽油的超声辅助提取工艺优化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春*,任兴晨,卢文静

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058)

以出油率为响应值,在单因素实验基础上,利用Box-Behnken设计优化超声辅助提取白苏籽油提取工艺。结果表明,料液比、超声时间、超声温度对白苏籽油出油率均有显著影响,其影响次序为:超声时间>料液比>温度。以石油醚为溶剂,白苏籽油超声辅助提取较佳条件为:料液比1∶18,超声温度58 ℃,超声时间80 min。在此条件下,白苏籽油的出油率高达43.57%。白苏籽油主要含有11种脂肪酸,不饱和脂肪酸占总脂肪酸的90.54%。α-亚麻酸含量最高(201.56 mg/g 种子干重),占总脂肪酸的61.17%。白苏籽油碘值为185.00 g/100 g,酸值为2.00 mg/g,皂化值为181.81 mg/g,过氧化值为1.93 mmol/kg。理化结果表明,白苏籽油为干性油脂、不易氧化和酸败,具有良好的食用品质。

白苏,籽油,响应面,脂肪酸,超声

白苏(PerillafrutescensL. Britt.),又名赤苏、苏子、紫苏[1-3],古名荏,是唇形目、唇形科、紫苏属一年生草本植物[4-5],在中国、日本、韩国、印度等亚洲国家有着上千年的种植历史[6-7]。其茎、叶、种子皆可入药、食用[7-9],是中国卫生部首批公布的60种药食兼用物品之一[10]。

中国西部,白苏籽被广泛用于制油。因产地不同,白苏籽含油率在30%～50%[11-12]。白苏籽油具有降血脂、抗癌、预防及抑制肿瘤形成等功效[13-16],油中富含的不饱和脂肪酸有利于提高记忆力、预防心血管疾病、减少炎症[13,17-19]。传统提取方法主要为压榨法[20],虽然设备简单,但是出油率较低且劳动强度较大。新型的超临界流体萃取技术[21]虽然能够提高出油率,但是设备昂贵、成本较高。而超声波辅助提取方法不仅能够提高出油率,而且成本较低、工艺较为简单。目前,国内已有超声波辅助提取松子油、苦杏仁油的报道[22]。本实验针对白苏籽油的超声辅助提取工艺,研究料液比、超声时间、超声温度对白苏籽油出油率的影响,利用Box-Behnken设计优化超声波辅助提取白苏籽油的技术参数。同时,通过检测白苏籽油的碘值、过氧化值、酸值、皂化值、脂肪酸成分和含量,对白苏籽油的品质进行评价,为白苏籽油的工业化生产以及综合利用奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白苏籽,品种为野苏,采自贵州省贵阳市,5月下旬种植,经150 d种植后收集种子;石油醚60～90 ℃(分析纯)、正己烷(分析纯)、氢氧化钾(分析纯) 均购于国药集团化学试剂有限公司;甲醇(色谱纯) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;37种脂肪酸甲酯混标品 美国Sigma-Aldrich公司。

RE-52A型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;HC-1000Y2型中药粉碎机 永康市天祺盛世工贸有限公司;KQ 5200E型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;DHG-9075A型电热恒温鼓风干燥箱 上海林频仪器股份有限公司;Hettich UNIVERSAL 320R离心机 德国Hettich公司;Agilent Technologies 7890A 气相色谱仪 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 白苏籽油出油率测定 本实验的白苏籽油提取工艺流程为:白苏籽→烘干→粉碎→超声波辅助提取→离心→旋转蒸发至恒重→白苏籽油。

称取粉碎的白苏籽样品2 g,加入适量的石油醚,超声波辅助提取(超声功率为200 W,工作频率为40 kHz),提取液在25 ℃、5000×g下离心10 min,取上层清液,旋转蒸发至恒重,计算出油率。

出油率(%)=(白苏籽油的质量/白苏籽的质量)×100

1.2.2 料液比单因素实验 设置超声温度55 ℃,超声时间55 min,比较1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(w∶v)料液比对白苏籽油出油率的影响。

1.2.3 超声温度单因素实验 设置超声时间55 min,料液比1∶20,探究25、35、45、55、65 ℃不同超声温度对白苏籽油出油率的影响。

1.2.4 超声时间单因素实验 设置超声温度55 ℃,料液比1∶20,探究10、25、40、55、70 min不同超声时间对白苏籽油出油率的影响。

1.2.5 响应面实验设计 在单因素实验基础上,利用Box-Behnken设计优化超声波辅助提取白苏籽油的工艺,以出油率为响应值,设计了三因素三水平实验,见表1。

表1 Box-Behnken实验设计因素水平及编码表

Table 1 Factors levels and coding table of Box-Behnken design experiment

水平因素A料液比B超声温度(℃)C超声时间(min)-11∶15454001∶20555511∶256570

1.2.6 脂肪酸检测 称取提取的白苏籽油0.5 g,加25 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液,60 ℃水浴加热1 h进行酯化反应,加入15 mL正己烷和15 mL水充分震荡后静置取上层清液,定容至15 mL,取1 mL用于气相色谱检测方法。并与标准品进行对照,采用外标法进行定量。

色谱柱:安捷伦HP-5(30 m×320 μm×0.25 μm),毛细管色谱柱。载气:氮气,流速1 mL/min。进样量:0.5 μL,分流比为 1∶50。采用程序升温,起始柱温120 ℃,保持5 min;以 5 ℃/min的升温速度升温至190 ℃,保持12 min;然后以2.5 ℃/min的升温速度升温至210 ℃,保持 10 min。进样口温度为270 ℃,离子源温度为200 ℃,检测器:FID,280 ℃[1]。

1.2.7 理化性质检测 参考GB/T 5532-2008测定碘值,参考GB/T 5538-2005测定过氧化值,参考GB/T 5530-2005中冷溶剂法测定酸值,参考GB/T 55342008测定皂化值。

2 结果与讨论

2.1 料液比对白苏籽油出油率的影响

由图1A可知,随着料液比的增加,白苏籽油出油率不断增大。溶剂的增多增加了固相与液相的浓度差,加大了有机溶剂与白苏籽的接触,有利于油从固相向液相扩散,因此出油率不断增加;当料液比为1∶20时出油率最大,当料液比大于1∶20时,可能是由于料液比过大,使传质与传热过程受到阻滞,从而导致提取效率降低[23],并且从后续的浓缩效率以及节约成本方面来考虑,料液比不宜过大,1∶20较为合适。

2.2 超声温度对白苏籽油出油率的影响

由图1B可知,随着超声温度的提高,白苏籽油出油率逐渐增加,当温度达到55 ℃时,出油率达到最大,当温度高于55 ℃时,出油率反而有所下降。分析原因:温度升高,增加了溶剂分子与油脂分子的动能,有利于它们的碰撞,使得出油率增加;但是,当温度过高时,接近石油醚沸程(60～90 ℃),溶剂挥发过快,减少了与白苏籽的接触,使得出油率下降。另外,温度过高还会引起某些成分的氧化、分解和变性。因此,综合考虑,提取温度选择55 ℃较佳。

2.3 超声时间对白苏籽油出油率的影响

由图1C可知,随着提取时间的增长,白苏籽油出油率不断增加,当超声时间为55 min时,出油率达到最大,当提取时间超过55 min后,出油率反而下降。分析原因:提取时间增加使得固液两相接触时间更长,提取出更多的油,但是由于白苏籽油中含有大量不饱和脂肪酸,提取时间过长会导致其氧化分解,影响油的品质与出油率。因此,综合考虑,较佳超声时间为55 min。

图1 料液比(A)、超声温度(B)、超声时间(C)对白苏籽油出油率的影响Fig.1 The effects of sample-to-solvent ratio(A),ultrasonic temperature(B)and ultrasonic time(C) on the yield of seed oil extracted from Perilla frutescens

2.4 影响白苏籽油出油率的因素分析

在单因素实验的基础上,根据Box-Behnken中心组合设计原理,以出油率(Y)为响应值,设计料液比(A)、超声温度(B)、超声时间(C)三因素三水平响应面分析实验,实验设计及结果见表2。利用Design-Expert 8.0.5.0数据分析软件对实验结果进行分析,方差分析结果见表3。根据实验结果,得到白苏籽油出油率Y(%)与料液比(A)、超声温度(B)、超声时间(C)的回归方程:Y(%)=41.57+2.34A+1.67B+2.78C-2.09AB-3.54AC+0.22BC-6.57A2-4.27B2-1.18C2

表3 实验因素方差分析

Table 3 Variance analysis of experimental factors

来源平方和自由度均方F值p值显著性模型48093953446687<00001∗∗A437114371547000001∗∗B224412244280900011∗∗C6172161727724<00001∗∗AB174311743218100023∗AC5006150066264<00001∗∗BC019101902406414A21819511819522771<00001∗∗B27673176739602<00001∗∗C2590159073800299∗残差559708失拟256308511304385纯误差3034076总和4865216

注:**:p<0.01,极显著;*:p<0.05,显著;p>0.05,不显著。

表2 响应面实验设计及结果

Table 2 Response surface design and results

实验号ABCY(%)10004072200042043-10138364000422951-1034226-1-102434710-1363480-1-131719000405310110329411-10-12562120-11367213-11031411400042271501-13508161013493170114096

对回归模型进行方差分析(表3),该模型显著有效(p<0.05),失拟项p=0.4385,说明该模型与实际情况拟合较好,可以较好预测超声波辅助提取白苏籽油的最佳条件。料液比、超声时间、超声温度对出油率均有显著影响,其影响大小为:C>A>B,即超声时间>料液比>温度。

2.5 影响因素的响应面分析

通过Design Expert软件对料液比、超声温度和超声时间等三个影响因素之间的交互作用进行响应面分析,绘制相应的响应面曲线和等高线图(图2～图4)。

图2 料液比和超声温度对出油率影响的响应面与等高线图Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of sample-to-solvent ratio and ultrasonic temperature on the oil yield

图3 超声时间和料液比对出油率影响的响应面与等高线图Fig.3 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and sample-to-solvent ratio on the oil yield

图4 超声时间和超声温度对出油率影响的响应面与等高线图Fig.4 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and temperature on the oil yield

从各因素与响应量的响应面与等高线图可知:料液比和超声温度、料液比和超声时间的交互作用对白苏籽油出油率影响显著,响应面曲线较陡,等高线呈倾斜椭圆形。超声温度和超声时间曲线较为平滑,其交互作用不显著。

为确定最佳提取工艺,对回归方程进行最优解分析,得到最佳理论工艺参数是:料液比1∶18.34,超声温度:58.22 ℃,超声时间80.58 min。在此条件下的白苏籽油出油率为43.83%。考虑到实际可操作性,将提取工艺修改为:料液比1∶18,超声温度58 ℃,超声时间80 min。在此条件下,进行三次平行实验,得到白苏籽油的出油率为43.57%。预测值与实际值很接近,有良好的拟合性,说明得到的白苏籽油提取工艺参数具有良好的应用价值。

2.6 白苏籽油脂肪酸组成及含量

由表4可知,提取的白苏籽油中检测出11种脂肪酸,包含6种不饱和脂肪酸,占总脂肪酸的90.54%,总含量高达308.17 mg/g DW。所含脂肪酸主要为α-亚麻酸、亚油酸、油酸、棕榈酸、硬脂酸。其中α-亚麻酸占61.17%,含量为201.56 mg/g DW,是脑和神经活动所必需的脂肪酸。现代医学证实,白苏籽油能够提高记忆力,改善视力,预防及抑制肿瘤形成,预防老年痴呆症,减少炎症发生以及延缓衰老,可广泛应用于医药和食品保健领域[14]。

表4 白苏籽油脂肪酸组成及含量

Table 4 Fatty acid components and contents in seed oil extracted fromPerillafrutescens

序号化合物名称相对含量(%)含量(mg/gDW)1癸酸0160192月桂酸(十二酸)0140013顺-10-十五烯酸0110194棕榈酸67617975棕榈油酸0090076硬脂酸2035007油酸145839598亚油酸144543259α-亚麻酸61172015610花生酸01300511二十碳烯酸015029

2.7 白苏籽油的理化性质

白苏籽油碘值为185.00 g/100 g,相比于常用花生油(100～120 g/100 g)[24],白苏籽油不饱和程度较高,富含不饱和脂肪酸,属于干性油脂。白苏籽油的酸值为2.00 mg/g,与常用花生油酸值(1.4 mg/g)较为相近,游离脂肪酸含量较低,不易发生酸败现象。白苏籽油的皂化值为181.81 mg/g,与花生油(皂化值为188～191 mg/g)比较接近,所含脂肪酸以十八碳为主。白苏籽油的过氧化值为1.93 mmol/kg,氧化程度较低,远低于花生油的过氧化值(8 mmol/kg)。

常规压榨法得到的白苏籽油的碘值188.16 g/100 g、酸值0.97 mg/g、皂化值191.20 mg/g、过氧化值1.65 mmol/kg、出油率12.79%[20],其理化性质与本实验得到的白苏籽油较为接近,但出油率明显偏低。因此,超声辅助提取方法比传统压榨法具有更好的应用价值。

3 结论

料液比、超声时间、超声温度对出油率均有显著影响,其影响大小为:超声时间>料液比>温度。白苏籽油超声辅助提取较佳条件为:料液比1∶18,超声温度58 ℃,超声时间80 min,出油率高达43.57%。

白苏籽油富含不饱和脂肪酸,游离脂肪酸含量较低,脂肪酸成分与常见植物油相似,所含脂肪酸以十八碳为主,主要成分为α-亚麻酸、亚油酸、油酸、棕榈酸、硬脂酸,不饱和脂肪酸占总脂肪酸的90.54%。其中,α-亚麻酸含量最高,占总脂肪酸的61.17%。

理化结果表明,白苏籽油为干性油脂,不易氧化和酸败,脂肪酸成分构成与花生油相似,以十八碳为主,氧化程度较低。超声辅助提取的白苏籽油与传统压榨得到的白苏籽油相比,理化性质较为相近,但是,超声辅助提取方法的出油率明显提高。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction conditions and fatty acids components analysis of seed oil inPerillafrutescens

YUAN Jia-jia,MAO Lin-chun*,REN Xing-chen,LU Wen-jing

(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Theultrasonic-assistedextractionprocessofseedoilfromPerilla frutescenswasoptimizedbythedesignofBox-Behnkenonthebasisofsinglefactorexperimentwiththereferenceofoilyield.Resultsshowedthatsample-to-solventratio,ultrasonictemperatureandultrasonictimehadsignificanteffectsonextractionrateandtheorderwasultrasonictime>sample-to-solventratio>ultrasonictemperature.Theoptimumconditionsweresample-to-solventratioof1∶18,ultrasonictemperatureof58 ℃andultrasonictimeof80min.Theextractionratewasupto43.57%underthiscondition.Therewereelevenfattyacidsintheoilandtheunsaturatedfattyacidswereupto90.54%.Thecontentof9,12,15-octadecatrienoicacidwas201.56mg/gdryweightseed,whichwas61.17%ofthetotalfattyacids.Theiodinenumber,acidvalue,saponificationvalue,peroxidevalueoftheseedoilwere185.00g/100g,2.00mg/g,181.81mg/gand1.93mmol/kg,respectively,whichindicatedthattheextractedseedoilfromPerilla frutescenshadperfectlyediblequalitybecauseitwasnoteasytobeoxidizedandrancidified.

Perilla frutescens;seedoil;responsesurface;fattyacids;ultrasonic

2016-04-27

苑佳佳(1991-)，女，硕士，主要从事药用植物资源营养成分的研究，E-mail:jiajiayuan1992@163.com。

*通讯作者:茅林春(1962-)，男，博士，教授，主要从事果蔬、水产品保鲜方面以及药用资源的研究，E-mail:linchun@zju.edu.cn。

TS201.2

B

1002-0306(2016)19-0227-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.036