蒸汽爆破处理对亚麻籽油脂肪酸组成的影响

易军鹏 李 冰 张 棋 王 赛 朱文学(河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳 471023)

蒸汽爆破处理对亚麻籽油脂肪酸组成的影响

易军鹏 李 冰 张 棋 王 赛 朱文学
(河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳 471023)

选取爆破压力1.0、2.0 MPa，维持压力时间30、60 s(1.0 MPa 30 s、1.0 MPa 60 s、2.0 MPa 30 s)，对亚麻籽进行处理。利用超声波辅助提取亚麻籽油，并对亚麻籽油提取动力学进行研究，气相色谱-质谱联用技术分析亚麻籽油脂肪酸的组成。结果表明：蒸汽爆破预处理后，亚麻籽油得率得到显著提高。在较优提取工艺条件下,亚麻籽油得率为43.88%，是未经处理亚麻籽油得率的1.17倍。扫描电子显微镜分析结果表明，处理后的亚麻籽表面比较粗糙，结构破坏严重，且随着爆破压力增大、维持压力时间的延长，亚麻籽油提取速率增加。气相色谱-质谱结果显示亚麻籽油中富含不饱和脂肪酸，处理后油脂中亚麻酸质量分数为81.28%，高于未经预处理的77.41%。

亚麻籽 蒸汽爆破 扫描电镜 动力学 脂肪酸 气相色谱-质谱联用

亚麻籽(flaxseed)又称胡麻籽，是亚麻科植物亚麻(LinumUsitatissimumL.)的种子，亚麻籽现已成为我国主要的油料作物之一[1-2]。亚麻籽的世界平均年产量240 t，亚麻籽油脂高达40%以上[3]，属高含油类经济作物。亚麻籽中含有丰富的ω-3类必需脂肪酸，是人体细胞结构中最重要的成份之一。此外，亚麻籽不但是构成细胞膜和生物酶的基础物质，而且在维持脂蛋白平衡、降血脂血糖、降血压等方面具有重要作用，是一种备受青睐的保健品[4]。亚麻籽作为药食两用资源，具有良好的开发前景。

蒸汽爆破技术是一种物理化学预处理手段，将样品在高温、高压、高蒸汽条件下进行预处理，通过瞬间释压过程、将热能转化为机械能并实现原料的组分分离和结构变化，使植物组织的细胞破裂、结构破坏，为后续的加工、处理提供了参考[5-6]。蒸汽爆破技术最早应用于制浆过程，近几年蒸汽爆破技术逐渐被应用于中草药提取、油脂提取、农副产品加工等领域。Kurosumi A等[7]利用蒸汽爆破技术辅助提取干巴菌菌丝中抗肿瘤成分β-1，3-葡聚糖，提取率增加了1.6倍，同时提取时间减至原来的1/4。陈洪章等[8-9]利用蒸汽爆破技术对盐肤木果实进行预处理，试验结果表明盐肤木果实表面产生裂缝和微孔，更有利于油脂和黄酮的提取，并且形成了盐肤木果油、黄酮等一系列产品，为自然界中非单一经济型野生植物资源的开发提供了新的模式。张棋等[10]利用蒸汽爆破技术对粉葛总黄酮及抗氧化性的影响进行了研究，总黄酮的提取量是未经处理粉葛提取量的2.32倍，且抗氧化能力也得到显著提高。蒸汽爆破技术因成本低、能耗少、无污染等优点，被应用于越来越多的领域中。

目前鲜有关于蒸汽爆破预处理亚麻籽的相关研究。因此，选择不同压力和维压时间对亚麻籽进行蒸汽爆破预处理，通过对亚麻籽油得率、微观结构、提取动力学及对脂肪酸组成成分的分析，以及蒸汽爆破提取油脂的可行性进行探讨，对研究蒸汽爆破技术在促进药食两用资源的高值化利用具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

亚麻籽：河北省张家口市；石油醚(30～60 ℃)、正己烷、三氟化硼：均为分析纯，洛阳奥科化玻公司。

1.2 主要仪器与设备

QBS-80蒸汽爆破机：河南省鹤壁正道生物能源有限公司；FA1004电子分析天平：上海上平仪器有限公司；Ymnl-2008DE智能温控双频超声波萃取仪：南京以马内利仪器设备有限公司；7890A-5975气相色谱质谱联用仪：美国安捷伦科技有限公司；JSM-5610LV扫描电子显微镜：日本电子株式会社。

1.3 方法

1.3.1 亚麻籽蒸汽爆破预处理

将干燥的亚麻籽用蒸馏水预浸泡8 h，一部分放入蒸汽爆破机物料仓中，通入饱和的水蒸汽，压力选取1.0、2.0 MPa，维压时间选取30、60 s，在极短时间内(0.087 5 s)[11]完成释压，实现蒸汽爆破；另一部分为空白对照。将预处理后的样品收集，在恒温干燥箱于60 ℃干燥至恒重，粉碎过40目筛，在粉碎过程中应注意防止粉碎机温度过高造成亚麻籽油脂氧化，置于避光通风处，待分析。

1.3.2 亚麻籽微观结构观察

为直观的分析蒸汽爆破对亚麻籽结构的影响，利用扫描电镜对其结构进行研究，将干燥的亚麻籽样品用导电胶带固定到样品台上，使用离子溅射技术对亚麻籽表面喷镀，用扫描电子显微镜观察蒸汽爆破预处理对亚麻籽样品微观结构的影响。

1.3.3 超声波辅助提取亚麻籽油

准确称粉碎后的亚麻籽粉末2.00 g，置入三角瓶中，按照料液比1:10(m/V)加入相应量的石油醚(30～60 ℃)，混匀，放入超声波处理器中，不断晃动三角瓶，使亚麻籽与浸提液充分接触，抽滤，得到提取液。

每组试验提取3次，合并3次提取液，2 500 r/min离心5 min，取上清液，减压浓缩，得到亚麻籽油，计算亚麻籽油得率。每组试验重复3次，取平均值。

亚麻籽油得率计算式为：

式中：m1为旋转瓶和亚麻籽油的总质量/g；m2为旋转瓶的质量/g；m为干燥后亚麻籽粉质量/g。

1.3.4 亚麻籽提取油动力学

本研究中亚麻籽油提取过程包括2个阶段[12-13]：溶解过程是从破裂的细胞中提取亚麻籽油；扩散过程是从完整的细胞中提取亚麻籽油。大部分油脂在破裂的细胞表面被快速提取，而提取完整细胞内油脂的过程需要花费很长时间。因此，在大多数情况下，油脂提取过程主要是扩散阶段。

假设亚麻籽颗粒是球形的，溶剂与溶质混合均匀，通过So等[13]提出的模型对油脂的扩散过程进行拟合。模型主要遵循以下几点：

1)蒸汽爆破亚麻籽颗粒中油脂最初均匀分布在样品中。

2)溶剂与样品混合均匀，在液相中的转移电阻可以忽略，而溶剂中的油脂的浓度仅取决于时间。

3)油脂和其他活性成分的扩散是并行进行的，且没有相互作用。

4)为了简化模型，多孔固体被认为是一种均匀介质[14]。

Ct=Ca(1-e-bt)

式中：Ct为亚麻籽油在时刻t的得率/wt%；Ca为在平衡状态下的亚麻籽油得率/wt%；b为油脂提取过程中的传质系数/min-1。

1.3.5 亚麻籽油的理化指标的测定

提取亚麻籽油的酸值和过氧化值按照GB/T 8235—2008《亚麻籽油》方法测定[15]。

1.3.6 亚麻籽油的甲酯化

取0.4 g油脂于50 mL圆底烧瓶中，加入0.5 mol/L的NaOH甲醇溶液10 mL，60 ℃水浴中加热，慢慢升温至70 ℃，至油珠完全溶解(约10～30 min)。冷却后加入15% BF3甲醇溶液7 mL，70 ℃水浴酯化20 min，慢慢加入4 mL正己烷，振摇，冷却室温后，加入少量的饱和NaCl溶液摇匀，继续加入饱和NaCl溶液至烧瓶的颈部，静置，待分层后，取上层(正己烷层)溶液，加入少许无水硫酸钠去除残余的水分，进行气相色谱分析。

1.3.7 GC-MS分析条件

GC条件：PEG-20N弹性石英毛细管柱，30 m×0.25 m×0.25 μm；载气为高纯氦气，恒定流量为0.8 mL/min；升温程序：从180 ℃开始(保持2 min)，以3 ℃/min升温到230 ℃，保持10 min；进样口温度250 ℃，出样口温度200 ℃；检测电压350 V。

MS条件：EI离子源、发射电流200 μA、电子能量70 eV、扫描范围20～550 amu。试验数据为标准偏差的平均值。通过质谱数据库搜索(NIST05库)结合手动光谱分析。

1.4 数据统计分析

所有试验重复3次，用Origin 8.0 SR4软件对数据进行处理，绘制图形，并对动力学曲线进行拟合。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破预处理对亚麻籽油得率的影响

蒸汽爆破预处理对亚麻籽油得率的影响如图1所示。从图1可以看出蒸汽爆破的亚麻籽油得率比未爆破的亚麻籽油的得率高。最佳提取工艺条件：提取溶剂为石油醚(30～60 ℃)，料液比1∶10，温度40 ℃，时间15 min，超声功率315 W。在此条件下，未处理亚麻籽，1.0 MPa 30 s亚麻籽，1.0 MPa 60 s亚麻籽和2.0 MPa 30 s亚麻籽得油率分别为37.63%，40.43%，42.35%和43.88%。这是由于蒸汽爆破预处理之后，亚麻籽内部结构发生变化，组织断裂且变得疏松，比表面积增大，抗提取屏障被打破，更有利于油脂的溶出和提取。随着爆破压力的增大，维压时间的延长，亚麻籽结构破坏的越完全，组织间隙越大，细胞内部的油脂释放的越多，表面附着的油料也越多，因此亚麻籽油的得率也越大。随着压力和维压的时间越长，当压力超过2.0 MPa 30 s时，蒸汽爆破腔体内会出现焦糊的味道，爆破出来的样品色泽气味不佳，而且对其进行提取油脂，得率也无太大的变化，因此再依靠增大压力和时间来提高得率，会造成能源的浪费。这一结果与Chen等[8]对蒸汽爆破提取漆树果油脂的研究的结论是一致的。

图1 蒸汽爆破预处理对亚麻籽油得率的影响

2.2 蒸汽爆破预处理对亚麻籽微观结构的影响

亚麻籽扫描电子显微镜图如图2所示。对未经爆破和爆破的亚麻籽进行喷镀处理时，由于亚麻籽富含油脂，不稳定，容易掉落，导致亚麻籽导电不均，但整体不影响微观结构的观察。图2a是未处理的亚麻籽的结构图，结构排列致密表面比较光滑，细胞排列比较整齐，组织空隙狭小，这种紧密的结构不利于油脂的溶出。蒸汽爆破后图片(图2b～图2d)可以看出，处理后的物料粒径分布不均匀，且物料表面结构比较粗糙，细胞表皮出现解离断裂，维管束等腔道组织膨胀，孔洞增多增大。亚麻籽组织表面遭到严重的破坏，并且破坏程度随蒸汽爆破压力与维压时间升高而加强，表面有油料附着物，这说明亚麻籽含有大量的油脂。这一现象可能是由于蒸汽爆破在释压过程，巨大的压力使渗透到细胞内及组织中的蒸汽膨胀，瞬间释放的过程受到化学分解和机械剪切力的双重作用发生断裂，组织间隙增加从而导致细胞壁的结构破坏和细胞表皮的断裂。

图2 亚麻籽扫描电子显微镜图注：a未经爆破亚麻籽；b 1.0 MPa 30 s处理亚麻籽；c 1.0 MPa 60 s处理亚麻籽；d 2.0 MPa 30 s处理亚麻籽。

在压力为1.0 MPa 30 s下，表面出现明显的裂痕，有少数的亚麻籽皮脱落，纤维表面不完整，与2.0 MPa 30 s下亚麻籽扫描电子显微镜图相比，其细胞壁表层破坏严重程度加重，油脂的溶出程度也大大的增大，随着压力的增大，可以明显的看到表面附着的油滴也越来越多。结构的变化引起比表面积的增加，进一步影响亚麻籽油的得率。这与王玉等[16]在研究汽爆预处理对水稻秸秆纤维结构的影响时，发现蒸汽爆破处理前后水稻秸秆表面结构发生改变，出现细丝、碎片断裂的结论是一致的。

2.3 亚麻籽油提取动力学

蒸汽爆破提取亚麻籽油和未处理亚麻籽油动力学如图3所示。亚麻籽油提取动力学模型参数见表1。由图3及表1可知：在0～2 min内，亚麻籽油得率迅速增加，超过2 min后得率增加缓慢，最终达到平衡。随着蒸汽爆破压力的增加，亚麻籽油得率提高，在处理条件为2.0 MPa 30 s时，得率最高为43.11%，明显高于未处理的亚麻籽油得率34.81%。通过预处理试验发现，提高蒸汽的压力或延长时间后也不会大大提高油产量，因此2.0 MPa 30 s被选为蒸汽爆破预处理亚麻籽油的最佳条件。图3显示了蒸汽爆破处理条件对亚麻籽油得率的影响，对各参数进行拟合，在不同处理条件下，试验数据与So模型较吻合，相关性较好(R2≥0.998)，表明该动力学模型可以用来描述蒸汽爆破亚麻籽的提取过程。由表1知，随着蒸汽爆破压力的增大，亚麻籽油得率增加，未处理样品、不同处理条件下各样品在平衡状态下的亚麻籽油提取量(Ca)分别为34.81、39.59、41.59、43.11。传质系数(b)增大，提取速率增加，主要是由于蒸汽爆破之后，样品表面出现裂缝，细胞破裂，比表面积增大，有助于提取溶剂与样品的接触，加快亚麻籽油的提取过程。

图3 蒸汽爆破提取亚麻籽油和未处理亚麻籽油动力学

表1 亚麻籽油提取动力学模型参数

2.4 亚麻籽油理化指标测定

不同爆破程度的亚麻籽油理化指标见表2。

对比蒸汽爆破后的亚麻籽油与未经过处理的亚麻籽油，从外观上可以直接看出，处理后的亚麻籽油颜色较深，颜色加深的主要原因是亚麻籽油的内部发生了美拉德反应。随着蒸汽爆破压力增大，温度升高美拉德反应的产物会发生一系列的重排反应、降解反应、聚合反应，形成类黑精高分子色素，使得亚麻籽油色泽加深[17]。蒸汽爆破的压力在1.0～2.0 MPa下温度高达220 ℃，这会影响提取油脂的物理化学特征，得到油脂的理化指标如表2所示，酸值增加，一是由于亚油酸、亚麻酸含量越高，油脂越不稳定，越易氧化变质，易发生酸败[18]；二是由于购买的亚麻籽不是新鲜的亚麻籽；三是由于蒸汽爆破处理条件温度较高，引起亚麻籽油发生部分氧化，都会导致酸价的升高。

表2 不同爆破程度的亚麻籽油理化指标

注：aGB/T 8235—2008《亚麻籽油》。

亚麻籽油过氧化值增加其原因可能在于油脂中的不饱和脂肪酸与空气中的氧发生自动氧化反应，温度越高，自动氧化的速度也越快，所得油脂的过氧化值也就越大，而蒸汽爆破可以加速这种氧化的程度。油脂的品质不仅与不饱和脂肪酸的含量相关，贮藏时间的长短也是影响其品质的关键因素，朱诚等对超干花生种子耐藏性与脂质过氧化作用进行研究时，发现贮藏期长的花生酸价、过氧化值都升高[19]。本试验中亚麻籽油酸价和过氧化值升高与贮存时间的长短有一定关联。所得亚麻籽油可以通过碱炼或活性土吸附来降低油脂的酸价和过氧化值。

2.5 脂肪酸成分分析

对亚麻籽油脂肪酸甲酯进行了GC-MS分析，得到了总离子流图，按照峰面积归一化法计算各峰面积的相对百分含量。未处理亚麻籽油的气相色谱总离子流图如图4所示。亚麻籽油甲酯化GC-MS分析组成成分表见表3。

图4 未处理亚麻籽油的气相色谱总离子流图

表3 亚麻籽油甲酯化GC-MS分析组成成分表

注：—表示未检出。

GC-MS分析结果表明，亚麻籽油富含不饱和脂肪酸。未爆破的亚麻籽油已鉴定出的组分占总油量的92.04%，亚麻籽油中富含不饱和脂肪酸(约79.33%)，如亚麻酸、二十碳烯酸等，其中亚麻酸的含量达到77.41%。试验结果与李高阳等[20]研究亚麻籽油中脂肪酸成分的GC-MS分析时亚麻酸的含量(49.05%)[20]差异很大，这可能与原料产地、品种等差异有关。

未处理与蒸汽爆破预处理的亚麻籽油中脂肪酸的成分没有太大的变化，最主要是亚麻酸含量有略微的改变，从77.41%到81.28%，其他成分没有太大的变化。分析其原因，从亚麻籽油得率方面考虑，未处理与处理亚麻籽油得率分别为37.63%，40.43%，42.35%和43.88%，得率明显增加，因此亚麻籽油里所含成分也会相应增加。另外，从表3可以看出，棕榈酸等的含量也有所变化，这也可能是油脂里的有效成分在高温高压高蒸汽的条件下发生了转化。

3 结论

蒸汽爆破预处理可提高亚麻籽油的得率，在最佳提取工艺条件1.0 MPa 30 s、1.0 MPa 60 s、2.0 MPa 30 s下得率分别为40.43%、42.35%、43.88%，明显高于未处理的亚麻籽油得率37.63%。经过蒸汽爆破预处理之后，亚麻籽的细胞结构遭到破坏，可促进油的扩散，进而可以缩短提取时间、提高提取效率，得到的亚麻籽油酸价、过氧化值均增加。GC-MS结果显示，未爆破的亚麻籽油脂肪酸和蒸汽爆破条件下的脂肪酸不饱和脂肪酸的含量有所改变，主要是亚麻酸的质量分数从77.41%增加到81.28%。

蒸汽爆破可以提高亚麻籽油的得率，并且可以缩短提取时间、提高提取效率；同时可以增加不饱和脂肪酸亚麻酸的含量，这表明蒸汽爆破是一项有效的预处理方式。

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Effect of Steam Explosion Treatment on Fatty Acid Composition of Flax Seed Oil

Yi Junpeng Li Bing Zhang Qi Wang Sai Zhu Wenxue
(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023)

Steam explosion pretreatment was employed on flax seed at a steam pressure of 1.0 and 2.0 MPa for 30 s,60 s respectively.Using ultrasonic assisted extraction of flax seed oil,the extraction kinetics of flaxseed oil was studied,and the composition of fatty acid was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry.The results indicated that the yield of flaxseed oil was significantly increased after steam explosion.Under the optimum extraction conditions,the yield of flaxseed oil was 43.88%,which was 1.17 times of that of untreated flaxseed oil.The results of scanning electron microscopy analysis showed that after treatment,the surface of the flax seed was relatively rough,and the structure was damagedseriously,the extraction rate of flax seed oil increased with the increase of pressure and the prolongation of maintaining pressure.The results of gas chromatography-mass spectrometry showed that flax seed oil was rich in unsaturated fatty acids,and the content of linolenic acid in the oil was 81.28%,which was higher than that of untreated 77.41%.

flax seed,steam explosion,scanning electron microscopy,kinetics,fatty acid,GC-MS

TS224

A

1003-0174(2017)09-0088-06

国家自然科学基金面上项目(31271972)，河南科技大学博士科研基金(400813480035)

2016-06-24

李冰，女，1989年出生，硕士，食物资源高值化利用

易军鹏，男，1976年出生，副教授，药食两用生物资源高值化利用