马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸微波萃取工艺参数优化及应用

吴文福，陈俊轶，成荣敏，毕宏达

（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022；2. 吉林大学化学学院，长春 130012；3. 吉林大学食品科学与工程学院，长春 130062）

0　引　言

2015年农业部正式提出马铃薯主粮化战略，到2020年中国马铃薯的种植面积预计将达到660万hm2以上。生鲜马铃薯容易腐烂变质，将其干燥加工处理后更有利于储运[1]。常规的加工方法是将其制成雪花全粉和颗粒全粉，这样的做法一是能耗高，二是由于生产过程中剧烈的热处理，会使其糊化度大幅提高，后续的加工性能变差，不利于其在传统中式主食中的应用。将马铃薯不经过蒸煮，直接热风干燥处理对其淀粉糊化度影响低，后续加工性能好，并且在实际生产中容易实施。但干燥加工过程会导致马铃薯品质变化[2-3]，焦中高等[4]发现热风干燥温度的升高可使杏仁及其油脂中饱和脂肪酸含量增加而不饱和脂肪酸含量减少；张玉荣等[5]的研究表明，玉米在热风干燥时随着温度的升高，脂肪酸值增加，过氧化物酶（Peroxidase，POD）活力下降。

不饱和脂肪酸（unsaturated fatty acid，UFA）是马铃薯中的主要脂肪酸，是非常重要的膳食脂肪酸，同时也是人体必需的营养物质。其具有重要的生理功能[6]，不仅能够促进身体发育和智力增长[7]，而且还具有降低血液中胆固醇和甘油三酯的含量，改善血液微循环，提高免疫力，预防心血管等疾病[8]的作用。目前，不饱和脂肪酸的提取方法主要有索氏提取、超声波提取、微波萃取[9]、超临界萃取[10]等。这些提取方法或多或少存在着用时长，试剂用量大，提取效率、精密度低以及选择性差等问题。

以新鲜马铃薯为原料通过热风干燥制成生全粉，利用响应面法优化微波萃取不饱和脂肪酸的最佳工艺条件。微波萃取技术的优越性不仅在于降低了试验操作费用和生产成本，更重要的是这种技术符合“绿色”环保的要求[11-12]。它具有以下特点：1）省时节能，加热迅速。2）可对特定组分进行针对性加热，选择性强。3）试剂用量少，污染少。4）产率及回收率高。5）过程易于控制。影响微波萃取的因素有萃取温度、萃取时间、萃取溶剂等等[13]，在单因素试验的基础上选取影响显著的条件作为试验因素，通过Design-Expert 8.05建立模型，利用响应面进行分析得出最优方案[14-16]，以保证最大程度地提取出不饱和脂肪酸。响应面法（response surface method）是一种用于拟合优化多因素与响应值函数关系的技术，目前已成功应用在生物技术等诸多领域，例如提取条件的优化[17-20]，蛋白酶的生产等[21]。

在获得最优萃取工艺后，将其应用于热风干燥温度对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量的影响研究中，确定适宜的干燥条件。

1　材料与方法

1.1　材料

1.1.1马铃薯生全粉

制备方案：鲜马铃薯（早大白）清洗、去皮、切丁（10 mm×10 mm×10 mm）后进行热风干燥，设定干燥温度为50 ℃，干燥风速为1 m/s，直至含水率降到0.1 g/g（湿基）以下，再将其粉碎，过孔径为0.150 mm的标准筛。

1.1.2试剂

食用盐，亚油酸97 %，α-亚麻酸97%（aladdin），油酸97 %，正己烷，丙酮，浓硫酸，甲醇均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)，氮气99.99%。

1.1.3仪器

TANK微波消解仪（济南海能仪器股份有限公司），6890N气相色谱仪（安捷伦科技有限公司），JDKY-I型薄层干燥试验台（长春吉大科学仪器设备有限公司），OS-200轨道式振荡器（杭州奥盛仪器有限公司），TG16K离心机（长沙东旺实验仪器有限公司），SC-15数控超级恒温槽（宁波新芝生物科技股份有限公司），CHD100切丁机（山东银鹰炊具机械有限公司），控制型试管研磨机（IKA艾卡仪器设备有限公司），MD200氮气吹扫仪（杭州奥盛仪器有限公司）。

1.2　试验方法

1.2.1试验设计

采用Design-Expert 8.05的Central Composite Design中心设计响应面法优化微波萃取马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸工艺，求得回归方程，找到马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸萃取最优方案[22]。

在单因素试验的基础上，选取了对不饱和脂肪酸萃取影响显著的 4个变量（萃取温度、萃取时间、丙酮在正己烷溶液中的体积占比（以下简称为丙酮占比）、料液比（萃取溶剂毫升数：物料克数））为试验因素，因素水平编码见表1。

表1　萃取条件的因素水平编码Table 1　Factors and levels of extraction conditions encoding

1.3　不饱和脂肪酸的提取

将6.000 0±0.000 5 g马铃薯生全粉放入微波消解罐内，根据表1中X3、X4的参数依次加入9～21mL丙酮和正己烷，在振荡器上180 rpm振荡10 min使物料充分混合，再放入微波消解仪中微波消解，根据表1中X1、X2的参数进行微波萃取。待程序结束仪器冷却后将罐内溶液转移至离心管中，3 000 r/min离心提取不饱和脂肪酸。

1.4　不饱和脂肪酸的测定

1.4.1甲酯化

因要分析的物质沸点较高，进行色谱测定时，要将萃取出的不饱和脂肪酸转化成沸点较低而且在色谱图中峰形也较明显的不饱和脂肪酸甲酯，本试验将萃取出的物质采用酸催化甲酯化方法（浓硫酸：甲醇体积比为1∶20）在80 ℃水浴甲酯化1 h。

1.4.2标准曲线的绘制及样品测定

用内标法找出 3种不饱和脂肪酸对应的保留时间，绘制出标准曲线，将所有待测样品进行气相色谱测定（GC），记录结果。并验证最佳萃取工艺以及标准品的回收率。标准曲线公式如下公式（1）～（3）。

Y为样品中脂肪酸的色谱峰面积，X为对应脂肪酸的质量分数，mg/g。

GC测定采用FID氢火焰离子检测器，色谱柱HP-5（30 m×0.32 mm×0.25 µm），进样口温度：200 ℃，分流比20∶1，检测器温度：290 ℃，进样量1 µL，柱温：初始温度150 ℃，保持1 min；20 ℃/min升到200℃，保持1 min；3 ℃/min升到230 ℃，保持1 min；20 ℃/min升到240 ℃，保持1 min，载气：高纯氮气，流量1.2 mL/min。

2　微波萃取工艺优化结果与分析

2.1　数据及ANOVA分析

将甲酯化后的样品进行气相色谱分析，查看每一组试验中不饱和脂肪酸对应的峰面积，再利用公式1、2、3，将峰面积折算成不饱和脂肪酸质量分数，并以总不饱和脂肪酸质量分数为响应值，对萃取温度、萃取时间、丙酮占比、料液比4个因素进行优化。结果如下表2、表3所示。

试验通过ANOVA分析，结果如下表3所示，模型的 P值=0.000 1＜0.01，试验所选用的模型具有高度的显著性，具有统计学意义，可信度高。决定系数R2=0.939 8，表明回归方程可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系。失拟项 P=0.625 1＞0.05不显著，说明拟合程度良好，试验误差小。

利用软件中的 Optimazation-Numerical功能确定马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸萃取工艺的优化方案为：萃取温度 81 ℃，萃取时间 11 min，萃取溶剂中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1。通过Optimazation- Numerical-Solutions预测不饱和脂肪酸的质量分数为1.084 mg/g。按照该优化方案的试验条件，对马铃薯生全粉样品依照步骤1.3和1.4进行了3次实测，取数据均值，得出不饱和脂肪酸含量为 1.081 mg/g，实测值和拟合方程的预测值1.084 mg/g基本一致。通过比较P值的大小（P 值越小，影响越显著），可以得出各因素对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸质量分数影响大小分别为：丙酮占比＞料液比＞萃取温度＞萃取时间，模型中 X1、X2、X3、X4、X3X4、X12、X22、X32和X42为显著因素（P＜0.05为显著，反之则不显著），表明各因素对响应值的影响不是简单的线性关系，而是呈现二次函数关系，因素间存在交互作用[23]。

表2　试验设计及响应值表Table 2　Design scheme and results of experiment

2.2　自变量对响应值影响分析

经多元回归拟合后，得到马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸质量分数响应值Y对X1，X2，X3，X4的多元二次回归方程如下公式4，响应曲面见下图1。

图1a、1e表明：料液比对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量影响显著，随料液比增大呈现先增大后减小的趋势，其原因是随着料液比的增大，物料和溶剂的浓度差越大，渗透压越大，油脂越容易析出[24]；而料液比过大，又会增加微波破碎细胞的阻力，使细胞破碎程度下降，从而降低脂肪酸得率[25-26]；图1b表明：丙酮占比对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量的影响显著，随着丙酮占比的增大呈现先增大后减小的趋势，其原因是介电常数低的溶剂其微波萃取效果好于介电常数高的溶剂[27-28]。选择萃取剂不仅要满足一般萃取剂的要求，还应满足在微波中对微波透明或至少透明度远高于水的要求，所以萃取溶剂的选择要在温度和透明度之间找到一个平衡点。丙酮介电常数高（介电常数 20.70），受微波影响而升温快，而正己烷在达到萃取温度时的萃取效率高，却由于介电常数小（介电常数 1.58）而很难达到适宜温度，就达不到萃取效果，所以将丙酮和正己烷混合作为萃取溶剂，既能保证温度又能保证萃取效率[13]；图1d表明：萃取时间对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量影响较小，综合考虑能效问题，萃取时间越短越好；由图1f可知，马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量随萃取温度的增大而提高，这是因为一定的高温使马铃薯细胞破裂，有利于细胞内部和细胞间的油脂释放出来，而丙酮的沸点为56 ℃，依据微波消解仪性能的要求，萃取时为了防止压力过高，反应温度不宜高过其沸点的1.5倍。

表3　回归模型的显著性检验结果Table 3　Regression model coefficient test

2.3　回收率结果

回收试验结果如下表 4，显示标准品的回收率为96.54%～100.85%，证明标准品的回收率较好。

图1　各因素对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸质量分数影响的响应面图Fig.1　Response surface of various factor on the quality score of unsaturated fatty acids in raw potato flours

表4　回收试验结果Table 4　Recall experiment results

3　优化方案应用

选定微波萃取工艺条件：萃取温度81 ℃，萃取时间11 min，萃取溶剂中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1，用于分析不同的干燥温度对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸的影响。

挑选新鲜马铃薯，将护色好的马铃薯丁进行热风干燥，其他条件均恒定，选用不同的热风温度（50、60、70、80、90 ℃）进行干燥，直至含水率降到0.1 g/g（湿基）以下结束烘干并研磨成粉。利用以上得出的最优微波萃取方案把不同温度下的热风干燥烘干后的马铃薯逐个分析[29]，绘制出每种不饱和脂肪酸对应的标准曲线得出定量结果下表5。

由表中数据和单因素方差分析及Duncan多重比较分析得出：通过不同的热风干燥温度烘干得到的马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸含量不同，尤其是亚油酸含量随温度升高显著增加（P＜0.05），油酸和亚麻酸的含量相对于亚油酸很少，变化趋势不明显，总不饱和度随干燥温度升高显著增加（P＜0.05）。引起这种变化主要有2个原因：一方面是脂肪分解产生甘油和脂肪酸，另一方面是脂肪酸不断地生物合成[30]。其中合成方面，乙酰辅酶A从头合成棕榈酸，棕榈酸通过延长碳链形成硬脂酸，硬脂酸通过脱氢形成油酸、亚油酸和α-亚麻酸[31-32]。就营养角度考虑，可根据干燥温度的调整改变马铃薯中脂肪酸组成，提高不饱和脂肪酸比例。

表5　马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸质量分数试验结果Table 5　Test results for mass fraction of unsaturated fatty acids in raw potato flours mg⋅g-1

5　结　论

1）通过Design-Expert 8.05和响应面法分析结果表明模型 P=0.000 1＜0.01，R2=0.939 8，具有高度显著性。失拟项 P=0.625 1＞0.05不显著，说明拟合程度良好，试验误差小。

2）根据模型确定马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸最佳萃取工艺条件为：萃取温度81℃，萃取时间11 min，萃取溶剂中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1。各因素对马铃薯生全粉中不饱和脂肪酸质量分数影响大小分别为：丙酮占比＞料液比＞萃取温度＞萃取时间。预测不饱和脂肪酸质量分数响应值为1.084 mg/g，实测不饱和脂肪酸质量分数响应值为1.081 mg/g。回收率在96.54%～100.85%，证明标准品的回收率较好。

3）把优化后的萃取方案应用在热风干燥温度对马铃薯生全粉不饱和脂肪酸含量影响的分析中，结果表明随着干燥温度升高，不饱和脂肪酸含量增加（P＜0.05），其中亚油酸含量显著增加（P＜0.05）。一方面可能是高温引起脂肪的氧化分解生成甘油和脂肪酸，另一方面是脂肪酸通过乙酰辅酶A不断地进行生物合成。

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