R134a亚临界流体萃取沙棘籽油的工艺优化及品质评价

冯丽丹,盛文军,毕 阳,*,柴守环,Yury Zubarev,李霁昕,成东阳,Alexander Kanarskiy

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070;2.甘肃梓园生物工程有限责任公司,甘肃兰州 730070;3.“利沙文科”西伯利亚园艺研究所,巴尔瑙尔 656045)

R134a亚临界流体萃取沙棘籽油的工艺优化及品质评价

冯丽丹1,盛文军1,毕 阳1,*,柴守环2,Yury Zubarev3,李霁昕1,成东阳1,Alexander Kanarskiy3

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070;2.甘肃梓园生物工程有限责任公司,甘肃兰州 730070;3.“利沙文科”西伯利亚园艺研究所,巴尔瑙尔 656045)

研究采用R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)亚临界流体萃取沙棘籽油。在原料粒度、萃取时间和萃取温度三个单因素筛选的基础上,以籽油提取率为响应值,对这三个因素进行响应面优化,得到最佳工艺参数:原料粒度32目,萃取时间60 min,萃取温度55 ℃,在此条件下籽油提取率可达80.7%,所得籽油的碘值、过氧化值、酸价和VE含量分别为(178.83±0.54) g/100 g、(0.151±0.001) g/100 g、(3.412±0.112) mg KOH/g、(198±1.73) mg/100 g,以上指标均满足行业标准(SL 493-2010)的要求,其中碘值和VE含量分别高出行业标准下限27.74%和65%,过氧化值和酸价分别低于标准上限39.6%和77.25%。综上所述,采用亚临界R134a法萃取沙棘籽油具有籽油提取率高、加工成本低及理化品质优良等特点。

R134a,亚临界,响应面优化,沙棘籽油

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)为胡颓子科酸刺属的灌木或小乔木,别名黑刺、酸刺[1],我国沙棘面积约占全世界沙棘总面积的95%[2]。种植沙棘可改良土壤、防止水土流失[3-4],沙棘浆果营养及功能成分丰富,可生产果汁和果酒等产品[5-6],其籽油富含多种不饱和脂肪酸和功能成分,具有抗氧化[7]、护肝[8]、抗炎[9-10]等多种生物活性。

油脂常用提取方法有压榨法、溶剂法和CO2超临界萃取法等。压榨法出油率低,压榨前需要高温处理,对油脂中活性成分破坏严重[11]。溶剂法主要采用石油醚[12]、正己烷[13-14]、丙酮[1]、乙酸乙酯[15-16]等溶剂提取,但该法操作过程繁琐,周期较长,产品中的溶剂残留存在安全隐患。CO2超临界萃取法是一种新型萃取技术,其萃取条件温和,产品中活性物质损伤较小,无溶剂残留[17],但该法对设备要求严格,生产成本相对较高,难以规模化[18]。

亚临界流体具有高密度、低黏度、扩散能力强等特点[19]。萃取溶剂R134a,化学名称为1,1,1,2-四氟乙烷,沸点为-26.1 ℃,常温常压下为气态,残留率极低,与其他亚临界萃取溶剂如异丁烷、氟利昂等相比,具有低毒、惰性、不易燃、临界条件(临界温度Tc=101.1 ℃,临界压力Pc=4.06 MPa)温和、不破坏臭氧层等优点[20],目前已作为亚临界流体的首选。亚临界较超临界萃取,具有操作条件温和、对设备压力要求不高及成本较低的优点[21];与溶剂萃取相比,亚临界萃取效率高,操作简便,能同时萃取和分离,有效缩短了操作时间,溶剂的循环利用还可降低对环境的污染[22]。采用R134a亚临界萃取的报道仅涉及棕榈油[23]、磷虾油[24]、文冠果籽油[25]和花椒籽油[26]等不多的油脂,鲜见在沙棘籽油方面的研究报道。

本实验以沙棘果籽为原料,在原料粒度、萃取时间和萃取温度单因素筛选的基础上,以籽油提取率为响应值,采用响应面法优化亚临界流体R134a提取沙棘籽油的最佳工艺参数,并对所提油脂的感官和理化指标进行评价,以期为沙棘籽油的有效提取提供方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

沙棘果籽 甘肃高原圣果沙棘开发有限公司;R134a 山东淄博华安化工有限公司;碘化钾、氢氧化钾、邻苯二甲酸氢钾、三氯甲烷、无水乙醇、环己烷、冰乙酸等试剂 均由天津市福晨化学试剂厂生产,均为分析纯。

YLJ-16-3亚临界萃取装置 甘肃梓园生物工程有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 先去除沙棘果籽中的果梗和沙石等杂质,清水洗涤后沥干,然后放入40 ℃烘箱内烘干,取出备用。

1.2.2 沙棘籽油的亚临界萃取 参照李冰等[25]的方法略作修改。将沙棘籽粉碎至一定颗粒度后过筛,称取500 g,装入萃取袋后置于容量为3 L的萃取釜中,并关闭进料阀。打开排空阀,通过真空泵对萃取釜进行排气,保证釜内空气排除干净,使釜内压力降至-0.5 MPa。关闭排空阀,打开进液阀门,溶剂罐内的R134a溶剂经高压柱塞泵输送,再经过板式换热器加热到一定温度,使R134a达到亚临界状态后经柱塞泵注入萃取釜内,通过视镜观察液位至溶剂淹没原料状态,调节萃取压力为0.7 MPa,一定时间内萃取物料3次;萃取结束后提取液进入分离釜经减压升温,使溶剂汽化分离,汽化后的溶剂经加压、冷凝液化后重新进入溶剂罐。合并3次萃取分离的产物,得到沙棘籽毛油。毛油于4 ℃、16000 r/min的条件下离心除杂,得到成品籽油。

1.2.2.1 单因素萃取条件的筛选 亚临界初始萃取条件为:萃取温度55 ℃,萃取压力0.7 MPa,萃取时间(1.2.2中三次萃取时间的总和)为60 min,原料粒度为20目,上样量约500 g。以籽油提取率为评价指标,对原料粒度(20、40、60和80目)、时间(40、60、80、100和120 min)以及温度(25、35、45、55和65 ℃)3个单因素指标进行筛选,每个处理重复3次。

1.2.2.2 萃取条件的响应面优化 根据单因素实验结果,以原料粒度、萃取时间和温度为考察因素,利用Box-Behnken实验设计进行参数优化,因素水平设计见表1,以籽油提取率为响应值。

1.2.3 籽油提取率的测定 参照GB/T5512-2008[27]并略作修改。称取粉样1.0 g置于滤纸筒内,用脱脂棉塞入上部,压住试样,转入索氏抽提器内,注入乙醚回流,提取温度为60 ℃,提取时间6 h,收集提取液除去溶剂后105 ℃烘干至恒重,计算总油脂含量,总油脂含量(%)=烘干后油脂的重量/沙棘籽粉重量×100,经测定沙棘籽中总油脂含量为9.07%。本实验中沙棘籽油提取率计算公式如下:

籽油提取率(%)=M1/(M2×W)×100

式中:M1表示萃取所得油脂质量,g;M2代表沙棘籽粉重量,g;W表示沙棘籽粉中总油脂的含量,%。

1.2.4 感官及理化指标的测定 感观指标、酸价和过氧化值的测定均参照GB/T 5009.37-2003[28]规定的方法;碘值的测定参照GB/T 5532-2008[29]规定的方法;VE含量的测定参照GB/T 5009.82-2003[30]规定的方法;折光系数参照GB/T 5527-2010[31]规定的方法。

1.2.5 数据处理 实验数据采用Design-Expert 8.05b和SPSS 19.0统计软件进行分析。运用Design-Expert 8.05b软件进行Box-Behnken设计及回归性等分析,用p检验验证回归系数的显著性和模型方程的显著性,方程的拟合性由R2确定。

2 结果与讨论

2.1 单因素萃取条件的筛选

2.1.1 原料粒度对沙棘籽油提取率的影响 随着原料粒度的升高,籽油提取率呈先上升后下降的趋势。当粒度为40目时,籽油提取率最高,达65.4%,较粒度20、60和80目的籽油提取率分别高出42.4%、56.1%和91.3%(p<0.05)(图1)。原料粒度大,细胞壁破碎不充分,不利于籽油的萃取。随着粒度降低,增大了物料和流体的接触面积,籽油提取率上升[25]。当粒度太小时,油脂从物料中扩散出来的阻力增大,使籽油提取率下降。此外,粒度过小,物料易透出萃取袋,飘浮在流体中进入分离罐,影响油脂的洁净度。故用于亚临界萃取沙棘籽油的原料粒度以40目为宜。

图1 原料粒度对沙棘籽油提取率的影响Fig.1 Effects of raw material particle size on theextraction rate of sea-buckthorn seed oil注:不同字母代表显著性差异(p<0.05),图2、图3同。

2.1.2 萃取时间对沙棘籽油提取率的影响 由图2可知,萃取时间40～60 min内,籽油提取率呈上升趋势,60 min时,籽油提取率最高,达69.1%,随着时间的继续延长,提取率下降,萃取时间超过80 min后,提取率仍有一定下降趋势,但差异不显著,保持相对平稳状态。萃取时间为60 min时的籽油提取率较40、80、100和120 min分别高出了39.2%、19.7%、22.9%和26.2%(p<0.05)。亚临界萃取过程是溶剂与溶质的传质平衡过程,这种平衡需要一定时间来实现,亚临界萃取初期,R134a亚临界流体与沙棘籽粉末没有充分接触,籽油提取率较低;随着萃取时间的延长,溶剂与溶质之间的溶解与传质过程良好,籽油提取率不断提高,直到溶剂与溶质的化学式相等,达到了动态平衡,此时提取时间为60 min。当提取时间超过60 min后,沙棘籽粉末中的油脂含量不断减少,亚临界流体的传质动态平衡过程遭到破坏,溶剂中的化学势高于沙棘籽粉末,正向反应趋势减弱而逆向反应趋势增强,导致籽油提取率呈下降趋势[25-26,32]。

图2 萃取时间对沙棘籽油提取率的影响Fig.2 Effects of extraction time on the extraction rate of sea-buckthorn seed oil

2.1.3 萃取温度对沙棘籽油提取率的影响 当温度在25～35 ℃范围内,萃出籽油的颜色呈金黄色,但提取率较低,随着温度的升高,其颜色开始向棕红色转变,萃取温度为45 ℃,提取率最高为56.6%,显著高于其他各组(p<0.05)。随着萃取温度继续上升,籽油颜色加深,当温度超过55 ℃时,籽油提取率仍有下降趋势,但差异不显著,保持相对平稳的状态。45 ℃时的籽油提取率最高,较25、35、55和65 ℃处理分别高出了41.5%、37.1%、15.9%和23.5%(图3)。温度升高可以加快分子热运动的速度,提高溶剂的溶解能力,使籽油提取率增加,当温度超过45 ℃时,籽油提取率反而下降,这是由于高温时R134a亚临界流体的密度降低,削弱了其携带油脂的能力,从而导致籽油提取率的降低[26,32]。萃取温度过高会影响籽油中热敏性成分的活性。因此,45 ℃可作为沙棘籽油的亚临界萃取最佳温度。

图3 萃取温度对沙棘籽油提取率的影响Fig.3 Effects of extraction temperature on the extraction rate of sea-buckthorn seed oil

2.2 沙棘籽油提取的响应面优化

2.2.1 模型建立及其方差分析 对表2中实验数据进行多元回归拟合,得到相关回归系数,其二次多项式方程为:

表2 二次响应面实验设计及结果Table 2 Experimental design and test results in response surface analysis

表3 二次响应面实验回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression model in response surface analysis

注:“*”代表差异显著(p<0.05);“**”代表差异极显著性(p<0.01)。

Y=74.18-11.28A+1.26B+8.69C-2.12AB-5.98AC-1.2BC-18.72A2-8.89B2-12.59C2。

2.2.2 响应面交互作用分析 分别将模型中的原料粒度、萃取时间和温度的一个因素固定在0水平,绘制其他2个因素交互作用对沙棘籽油提取率的三维曲面图,其结果见图4。

图4 两因素交互作用对沙棘籽油提取率的影响Fig.4 The effect of two factors on the extractionrate of sea-buckthorn seed oil

随原料粒度的变小和萃取时间的增加,籽油提取率均呈先上升后下降趋势,粒度在-0.75至0.25水平(即25至45目),萃取时间在-0.75水平至0.9水平(即45至78 min)范围内,籽油提取率有极大值(图4A)。原料粒度在-0.9至0.25水平(即22至45目),萃取温度在-0.25至0.8水平(即40至61 ℃)范围内,籽油提取率有极大值;随着萃取温度的升高,籽油提取率主要表现为上升趋势,而随着粒度的逐渐变小,籽油提取率呈先升后降趋势(图4B)。萃取时间在-0.25至0.25水平(即55至65 min),萃取温度在-0.25至1水平(即40至65 ℃)范围内,籽油提取率有极大值,随着萃取温度的升高,籽油提取率主要呈上升变化趋势,随着萃取时间的增加,籽油提取率呈先上升后下降趋势(图4C)。由以上分析可知,因素的交互作用分析与表3中的实验结果一致。

表4 亚临界萃取沙棘籽油的主要指标与行业标准(SL 493-2010)对比Table 4 Comparison of the main index of sub critical extraction and industry standard(493-2010 SL)

2.2.3 亚临界萃取条件的确定 为了进一步确证最佳点的值,对实验模型进行响应面典型分析,根据二次回归的数学模型分析结果,最优条件:粒度为32.6目,萃取时间为61.8 min,萃取温度为54 ℃,预测籽油提取率为78.2%。考虑到实际操作的便利,提取工艺参数修正为：粒度32目,萃取时间60 min,萃取温度55 ℃,以上条件进行验证实验,实验重复3次,籽油提取率分别为80.2%、82.7%、79.1%,平均提取率为80.7%。对验证结果与预测值之间的离差进行单样本t检验,t统计量等于2.316,p值(双尾)等于0.147,在0.05水平下差异不显著,说明该响应面模型能准确优化工艺条件,实测结果与响应面拟合所得方程的预测值符合良好,通过响应面优化得到的回归方程具有一定的指导意义。

2.3 感官及理化指标评价

R134a亚临界流体萃取优化条件下得到的沙棘成品籽油,其状态为橙红色清澈液体,具有沙棘籽油特殊的香味,无异味。其碘值、过氧化值、酸价、VE和折光系数均满足中华人民共和国水利行业标准SL 493-2010[33]的要求,其中碘值和VE含量分别高出下限标准27.74%、65%,过氧化值和酸价分别低于上限标准的39.6%、77.25%(表4)。

油脂受氧气、温度、水分、光照等条件的作用,会产生水解或氧化作用,影响油脂的感官和理化品质[34],碘值、过氧化值、酸价、VE和折光系数是对油脂新鲜度和稳定性的重要评价指标。表4结果显示:采用R134a亚临界流体萃取得到的沙棘籽油具有较低的过氧化值、酸价,较高的碘值,富含VE,表明R134a是一种适合沙棘籽油萃取的亚临界溶剂,同时也说明优化的萃取参数,条件温和,对活性成分损伤或损失较小,油脂新鲜度高,可以为沙棘籽油的有效提取提供参考。

3 结论

采用Box-Behnken实验设计结合响应面分析优化R134a亚临界流体萃取沙棘籽油,最佳优化条件为:原料粒度32目、萃取时间60 min,萃取温度55 ℃,在此条件下,籽油提取率为80.7%,与预测值差异不显著,进一步验证了模型的可靠性。通过品质指标的测定与分析,表明亚临界优化后的萃取条件温和,油脂新鲜度较高,可为沙棘籽油的萃取提供一定技术支撑。

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Processing optimization and quality evaluation of R134a subcritical fluid extraction of sea-buckthorn seeds oil

FENG Li-dan1,SHENG Wen-jun1,BI Yang1,*,CHAI Shou-huan2,Yury Zubarev3,LI Ji-xin1,CHENG Dong-yang1,Alexander Kanarskiy3

(1.College of Food Science and Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Gansu Ziyuan Biological Engineering Co.,Ltd.,Lanzhou 730070,China;3.Lisavenko Research Institute of Horticulture for Siberia,Barnaul 656045,Russia)

The sub-critical R134a(1,1,1,2-tetrafluoroethane)was employed to extract sea-buckthorn seed oil in the study. Based on the single factor screening involved the granularity of seed,the extracting time and the temperature,the response surface method(RSM)was exerted with three influential factors ranged in each individual optimal level,with the seed oil exacting rate as indicator. The optimized parameters of extraction were as follows:the granularity of seeds was 32 meshes,the extracting time for 60 min,the extracting temperature at 55 ℃. Under the conditions above mentioned,the extracting rate of sea-buckthorn seed oil reached to 80.7%. The iodine value,peroxide value,acid value and VEcontent as(178.83±0.54) g/100 g,(0.151±0.001) g/100 g,(3.412±0.112) mg KOH/g,(198±1.73) mg/100 g respectively. The quality of the extracted seed oil met the criteria of the industry standard(SL493-2010). The iodine value and vitamin E content exceeded the lower limit with 27.74% and 65% higher. The peroxide value and acid value were 39.6% and 77.25% lower than the high limit. It was suggested that the extracting of sea-buckthorn seed oil with sub-critical R134a performs as higher yield,lower processing cost and good quality.

R134a;sub-critical;optimization of response surface;sea-buckthorn seeds oil

2016-08-09

冯丽丹(1981-)，女，硕士，讲师，研究方向:食品科学，E-mail:yanzedan1982@163.com。

*通讯作者:毕阳(1962-)，男，博士，教授，主要从事食品科学及采后生物学与技术方面的研究，E-mail：beyang62@163.com。

国家国际科技合作专项项目(2014DFR31230)。

TS224.4

B

1002-0306(2017)02-0240-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.038