超声波辅助提取牡丹籽毛油的工艺优化及脂肪酸组成分析

2018-04-12洪晴悦张玉

食品与发酵工业 2018年3期

洪晴悦，张玉*

1(西南大学食品科学学院，重庆，400715) 2(西南大学食品科学与工程国家级教学示范中心，重庆，400715)3(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

2016年我国进口食用植物油总量650万t，而我国出口食用植物油仅为13.39万t。我国食用油进口量远远超过了出口量，这充分说明我国食用植物油不能自给自足，很大程度上依靠进口食用植物油(油料)。为维护粮油安全、增加优质食用油供给，国务院办公厅在2015年1月13日印发了《关于加快木本油料产业发展的意见》，部署木本油料产业发展[1]。

牡丹(PaeoniasuffruticasaAndr.)，芍药科(Paeoniaeeae)芍药属(Paeonia)牡丹组(Sect.MoutanDC.)植物，是多年生落叶小灌木，在我国已有2000多年的栽培历史，主要具有观赏和药用价值[2-3]。油用牡丹作为草本油料作物，可种植于非耕性土壤，有利于水土保持和退耕还林，更重要的是有利于解决我国目前食用油紧缺的现状[4]。牡丹籽油含有丰富的不饱和脂肪酸，具有抗氧化、保护肝脏、降低血脂血糖、预防糖尿病等作用，且含有人体必需脂肪酸亚麻酸和亚油酸，亚麻酸具有抗氧化、防癌抗癌、保护肝脏、调节脂肪酸代谢等作用，亚油酸还具有抑制人体内胆固醇合成、促进脂肪酸代谢等功效，研究表明人体每天需摄取6 g亚油酸，以维持正常的生理代谢[5-11]。但关于牡丹籽油的研究才刚刚起步，牡丹籽油的加工尚未实现工业化生产。因此，牡丹籽油的加工方式和制油过程中脂肪酸的组成特征的研究将对牡丹籽油的产业化发展提供理论基础。

传统提油多采用压榨法，产油率低，精制工艺繁琐，油脂感官色泽不理想且不能有效利用蛋白质；有机溶剂浸提法提取时间较长，容易造成试剂的浪费和环境的污染[12]。超声波辅助提取油脂是利用超声波产生的振动、空化和搅拌作用，提高分子的运动频率和速度，促进组织细胞的破裂，加速细胞与溶剂的渗透溶解，从而提高油脂的提取率，缩短提取时间，节约溶剂，简化操作步骤，应用前景广阔[13-17]。目前关于超声波辅助提取在牡丹籽油的研究甚少，因此本实验通过超声波辅助提取的方法，研究牡丹籽毛油的最佳提取工艺。并利用气相色谱仪分析超声波辅助提取的牡丹籽毛油的脂肪酸组成，为牡丹籽油的进一步研究提供参考，也为牡丹籽油的深度加工提供基础。

1　材料与方法

1.1　材料与试剂

油用牡丹籽，产自菏泽油用牡丹产业基地。石油醚(沸点60～90 ℃)、正己烷、甲醇、乙醇均为分析纯，购自成都市科龙化工试剂厂。脂肪酸甲酯混合标准品(sAOCS-007N),购于中华试剂网。

1.2　仪器与设备

SB-3200DTDN型超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司；RE-52AA型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；SHB-III型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；5810R型离心机，Eppendorf公司；FW-100型粉碎机，北京永光明医疗仪器有限公司；YLD-6000型烘箱，天津市通利信达仪器厂；SL602N型天平，上海越平科学仪器公司；GC-2010气相色谱仪，日本岛津公司。

1.3　试验方法

1.3.1提取工艺流程

牡丹籽→粉碎→过筛→称重→与溶剂混合→浸泡30 min→超声波处理→离心→取上清液→旋转蒸发→牡丹籽毛油

1.3.2牡丹籽毛油提取率的计算

(1)

式中：M1-接收瓶和牡丹籽毛油的总质量，g；M2-接收瓶的质量，g；M-牡丹籽的质量，g。

1.3.3提取试剂的筛选

准确称量牡丹籽10 g，置于100 mL烧杯中，分别加入提取试剂:正己烷、石油醚(沸点60～90 ℃)、甲醇、乙醇50 mL,浸泡30 min，再进行超声波辅助处理，超声条件为超声功率180 W、超声温度40 ℃、超声时间30 min。超声处理后，在4 000 r/min条件下离心10 min，取上清液，采用旋转蒸发仪进行浓缩，将浓缩物置鼓风干燥箱中烘干至恒重，得牡丹籽毛油，称油质量，重复3次。

1.3.4超声温度对牡丹籽毛油提取率的影响

牡丹籽粉10 g，以最佳试剂为提取试剂，在料液比1∶5(g∶mL)，超声功率180 W，超声时间30 min条件下，超声处理不同温度(20、30、40、50、60 ℃)，研究超声温度对牡丹籽毛油提取率的影响。

1.3.5超声时间对牡丹籽毛油提取率的影响

牡丹籽粉10 g，以最佳试剂为提取试剂，在料液比1∶5(g∶mL)，最佳超声温度，超声功率180 W条件下，超声处理不同时间(20、30、40、50、60 min)，研究超声时间对牡丹籽毛油提取率的影响。

1.3.6超声功率对牡丹籽毛油提取率的影响

牡丹籽粉10 g，以最佳试剂为提取试剂，在料液比1∶5(g∶mL)，最佳超声时间，最佳超声温度条件下，不同超声功率(100、120、140、160、180 W)，研究超声功率对牡丹籽毛油提取率的影响。

1.3.7料液比对牡丹籽毛油提取率的影响

牡丹籽粉10 g，以最佳试剂为提取试剂，最佳超声功率、超声时间、超声温度条件下，不同料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25(g∶mL)，研究料液比对牡丹籽毛油提取率的影响。

1.3.8超声波辅助提取工艺优化——正交试验

在单因素试验基础上，以料液比、超声时间、超声功率和超声温度为考察因素，以牡丹籽毛油提取率为考察指标，选用L9(34)正交试验表对牡丹籽毛油的提取工艺进行研究。正交试验因素水平见表1。

表1　牡丹籽毛油提取工艺正交试验因素水平表Table 1　The orthogonal experiment factor level table ofpeony seed oil extraction technology

1.3.9牡丹籽毛油脂肪酸成分的分析

甲脂化方法：参考国家标准GB/5009.168——2016《食品安全国家标准食品中脂肪酸的测定》测试各个脂肪酸组分的含量[18]。用100 μL移液枪取0.1 mL，装入5 mL试管，加石油醚-乙醚(1∶1)溶液2 mL，稍适振摇，放置40 min。再加氢氧化钾-甲醇(0.4 mol/L)溶液1 mL混匀，静置30 min。沿瓶壁加入1 mL蒸馏水，静置，待分层后，吸取1 mL上清液到新的EP管中。再将其稀释为原来的10倍，利用气相色谱仪进行测定。

GC条件：色谱柱：DB-WAX(30m×0.246mm×0.25 mm)；升温程序：185 ℃保持3 min；气化室250 ℃；进样温度250 ℃；载气：高纯氦气(60 mL/min)，氢气(40 mL/min)，空气(400 mL/min)；进样(1 mL)。

1.4　数据分析

应用Excel 2010 统计分析所有数据，计算标准误差并绘制图表；应用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析和差异显著性分析(p<0.05表示差异显著，p<0.01表示差异极显著)；所有试验重复3次。

2　结果与分析

2.1　试剂的筛选

由图1可以看出，石油醚(60～90 ℃)提取的牡丹籽毛油提取率最高，为(21.77±0.22)%。甲醇和乙醇提取的毛油提取率较低，正己烷提取的牡丹籽毛油提取率为(20.00±0.22)%，与石油醚提取的提取率差异不显著(p>0.05)，但正己烷的安全性高于石油醚，故综合考虑选用正己烷作为牡丹籽油的提取试剂。

图1　提取试剂对牡丹籽毛油提取率的影响Fig.1　Influence of extraction reagent on yield ofpeony seed oil注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。图2、图3、图4、图5同。

2.2　单因素实验结果

2.2.1超声温度对牡丹籽毛油提取率的影响

在料液比1∶5(g∶mL)，超声功率180 W，超声时间40 min的条件下，不同提取温度对提取率的影响见图2，提取温度在20～60 ℃范围内，牡丹籽毛油的提取率随着温度的升高而升高，但50 ℃时提取率为(20.05±0.01)%，60 ℃提取率为(20.10±0.08)%，两者差异不显著(p>0.05)。原因有三点，一是随着温度的升高，油脂的溶解度随之增大，但正己烷溶剂具有挥发性，减小了溶剂与物料的接触面积，影响了扩散速率，二是高温使牡丹籽毛油成分受到破坏，三是高温下蒸气压有利于形成气泡，气泡的破裂产生缓冲效应，削弱了空化效应[19-21]。因此，结合能耗和牡丹籽毛油提取率的综合考虑，选用50 ℃作为牡丹籽油提取的最佳温度。

图2　温度对牡丹籽毛油提取率的影响Fig.2　Influence ofextraction temperature on yield ofpeony seed oil

2.2.2超声时间对牡丹籽毛油提取率的影响

在料液比1∶5(g∶mL)，超声功率180 W，超声温度50 ℃的条件下，不同提取时间对提取率的影响如图3，牡丹籽毛油的提取率在20～50 min范围内，随着时间的增加而增加，超声处理50 min时牡丹籽毛油的提取率为(23.21±0.07)%，60 min时牡丹籽毛油的提取率为(22.72±0.17)%，两者差异不显著(p>0.05)。可能是由于提取过程中开始时，固液浓度差大，扩散驱动力大，随着处理时间的延长，油脂在提取液和物料中的浓度达到了动态平衡，其出油率基本稳定[21-23]。因此，综合考虑，本实验中牡丹籽毛油的最佳提取时间为50 min。

图3　时间对牡丹籽毛油提取率的影响Fig.3　Influence of extraction time on yield of peony seed oil

2.2.3超声功率对牡丹籽毛油提取率的影响

在料液比1∶5(g∶mL)，超声时间50 min，超声温度50 ℃的条件下，不同提取功率对提取率的影响如图4。牡丹籽毛油的提取率在100～160 W时随着超声波功率的增大而增大，原因可能是超声波的功率越大，其强烈振动、空化作用及搅拌作用越强烈，油脂的扩散速率也越大，但随着超声波功率达到一定值时，渗透压达到平衡，超过该平衡，自由基导致油的降解，导致提取率下降[21-23]。但由于140 W时牡丹籽毛油的提取率为(21.51±0.06)%，160W时牡丹籽毛油的提取率为(21.69±0.07)%，两者无显著性差异(p>0.05)，因此本实验中提取牡丹籽毛油的最佳超声功率为140 W。

图4　功率对牡丹籽毛油提取率的影响Fig.4　Influence of ultrasonic power on yield ofpeony seed oil

2.2.4料液比对牡丹籽毛油提取率的影响

在超声时间50 min，超声温度50 ℃，超声功率140 W的条件下，不同料液比对提取率的影响如图5。由于溶剂量的增大使溶剂与物料的接触面积增大，提高了扩散速率，因此随着料液比的增大，牡丹籽毛油的提取率逐渐增大，但料液比为1∶15(g∶mL)时牡丹籽毛油的提取率为(23.70±0.39)%，1∶20(g∶mL)时为(24.39±0.19)%，两者差异不显著(p>0.05)，为了后续油脂精炼过程易操作性，故选用1∶15(g∶mL)的料液比作为最佳料液比。

图5　料液比对牡丹籽毛油提取率的影响Fig.5　Influence of liquid-solid ratioon yield ofpeony seed oil

2.3　正交试验结果与分析

以牡丹籽毛油提取率为考察指标，根据表1设计进行正交实验，结果见表2，方差分析见表3。

表2　超声波辅助法提取牡丹籽毛油正交试验设计及结果Table 2　The orthogonal experiment design and results ofultrasonic assisted extraction peony seed oil

表3　方差分析表Table 3　Analysis of variance table

由正交试验极差(R)分析可知，超声波辅助提取牡丹籽毛油的4个影响因素主次顺序为：D>C>B>A，即功率>时间>温度>料液比；最佳浸出方案为A2B1C3D3，即以正己烷为溶剂，按料液比1∶15(g∶mL)、超声时间45 min、超声温度55 ℃、超声功率150 W提取牡丹籽毛油。由方差分析得出料液比、超声时间、超声温度和超声功率对牡丹籽毛油提取率影响显著。

2.4　验证性实验

在最优条件作为一组处理进行验证性试验，重复3次，得到的牡丹籽毛油平均提取率为(26.11±0.01)%。

2.5　牡丹籽油的脂肪酸成分分析

采用超声波辅助提取法获得的牡丹籽毛油，经过甲酯化处理后进行GC分析，得到的总离子流色谱图如图6所示。根据各成分的保留时间确定牡丹籽毛油的组成成分，并用面积归一法确定各组分的相对含量。

由表4可知，超声波辅助提取法提取的牡丹籽毛油中主要脂肪酸包括棕榈酸(5.11±0.06)%、硬脂酸(1.48±0.01)%、油酸(22.42±0.19)%、亚油酸(28.80±0.24)%和亚麻酸(41.13±0.09)%，已鉴定组分占(98.93±0.56)%，其中不饱和脂肪酸含量高达(92.35±0.51)%，多不饱和脂肪酸以亚油酸和亚麻酸为主，二者皆为人体必需脂肪酸。天然食用植物油脂中，橄榄油不饱和脂肪酸含量在85%左右，油茶籽油、核桃油、牡丹籽油等油脂的不饱和脂肪酸含量均超过90%，其中核桃油的亚油酸含量超过60%，牡丹籽油的亚麻酸含量超过40%，而常用食用油的亚麻酸含量均不高，如大豆油为6%、菜籽油为0.3%～1.3%[24～29]。可见，牡丹籽油有望成为高营养高质量的“双高”新型植物油，非常值得推广和利用。

1-棕榈酸甲酯；2-硬脂酸甲酯；3-油酸甲酯；4-亚油酸甲酯；5-亚麻酸甲酯图6　牡丹籽毛油脂肪酸甲酯总离子流图Fig.6　Total ion chromatogram of peeny seed oil FAME

脂肪酸组成分子式相对含量/%棕榈酸C16:05.11±0.06硬脂酸C18:01.48±0.01油酸C18:122.42±0.19亚油酸C18:228.80±0.24亚麻酸C18:341.13±0.09总饱和脂肪酸6.58±0.05总不饱和脂肪酸92.35±0.51单不饱和脂肪酸22.42±0.19多不饱和脂肪酸69.93±0.32

3　结论

本实验采用超声波辅助提取牡丹籽毛油，采用正已烷为提取试剂，通过单因素实验和正交试验对超声波提取工艺进行优化，得出的最佳工艺条件为：超声温度50 ℃，超声时间50 min，超声功率140 W，料液比1∶15(g∶mL)，在此条件下牡丹籽毛油的提取率可达到(26.11±0.01)%，而机械压榨法提取的牡丹籽油提取率仅为18.56%，且工艺复杂，提取时间较长，品质不佳[30]。本实验方法缩短了牡丹籽毛油的提取时间，提高了牡丹籽毛油的提取效率。

牡丹籽毛油的脂肪酸主要由棕榈酸(5.11±0.06)%、硬脂酸(1.48±0.01)%、油酸(22.42±0.19)%、亚油酸(28.80±0.24)%和亚麻酸(41.13±0.09)%组成，其中饱和脂肪酸含量为(6.58±0.05)%，不饱和脂肪酸含量为(92.35±0.51)%，且含有丰富的亚油酸和亚麻酸，是一种营养价值和保健价值较高的油脂。

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