超声波辅助溶剂浸出法提取巴塘核桃油工艺优化及脂肪酸组分分析

王翔宇,罗珍岑,李 键,陈炼红，张 岩

(西南民族大学生命科学与技术学院,四川成都 610041)

核桃(Juglansregia)中不仅含有丰富的蛋白质和氨基酸,而且其油中含有大量的不饱和脂肪酸,尤其是其油酸(C18∶1)、亚油酸(C18∶2)及亚麻酸(C18∶3)含量较高,是易消化和防治高血脂、冠心病等老年病的优良食用油[1-3],也是高空作业和飞行人员的高级保健食用油[4]。在国际市场上,核桃油同橄榄油一样都倍受消费者青睐,市场前景广阔。

巴塘核桃主要产于巴塘县海拔2800 m以下的金沙江干旱河谷地带,是全国最优质的产品之一,是无污染无公害的绿色天然保健食品。其以果大、壳薄、仁多、质好而著称,深受消费者喜爱。巴塘核桃核桃仁中油脂含量高于60%,不饱和脂肪酸占90%以上[5],是制作核桃油的优良原料。传统提油多采用压榨法和有机溶剂浸出法,这些方法不能充分利用油料中所含的丰富蛋白质,且压榨法提油率低,精制工艺繁琐,油品色泽不理想;有机溶剂浸提法提取时间较长,溶剂挥发损失较多,成本较高,且提油率较低。而超声波辅助提取可提高有效成分的提取率,缩短提取时间,提高提取效率,节省溶剂用量,简化操作步骤[6]。

目前,超声波辅助溶剂浸出法用于提取核桃油已有研究,如王顺民[4]等采用正交实验法研究超声波法提取山核桃油的工艺条件。结果表明影响山核桃油提取率的主要因素是油料与溶剂量比,提取温度和提取时间影响其次。项方献等[7]以临安山核桃仁为原料,结合超声波辅助,研究水酶法提取山核桃油的加工工艺。王文琼等[8]采用超声波辅助法提取山核桃油,研究超声波处理参数,提取溶剂、液料比、提取时间对超声提取山核桃油的影响。结果表明,正己烷是较理想的山核桃油提取溶剂;适当增加溶剂量、提取时间、超声波功率,山核桃油得率随之增加。而巴塘核桃油提取还未见报道。本实验通过单因素以及L9(33)正交实验研究料液比、单次超声时间与间歇时间比及超声时间3个因素对超声波辅助溶剂浸出法提取核桃油提油率的影响,并采用气相色谱(GC)法同时测定超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法所提巴塘核桃油脂肪酸,对比分析脂肪酸种类和含量,旨在为巴塘核桃的深加工提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

巴塘核桃(金核1号) 2016年10月采自四川省甘孜州巴塘县(蛋白质含量为19.69%,水分含量为4.06%,脂肪含量为65.29%);硫酸铜、硫酸钾、氢氧化钠、无水硫酸钠、无水碳酸钠、三氟化硼、硼酸等试剂 均为分析纯,成都市科龙化工试剂厂。

MP512-02精密纯水pH计 上海三信仪表厂;SKD-800凯氏定氮仪、SKD-08S2红外石英消化炉 上海沛欧分析仪器有限公司;N-1000旋转蒸发器 南通瑞普科技仪器有限公司;BYSXT-02索氏提取 四川蜀玻有限公司;CSJ-40P高速万能粉碎机 成都超纯科技有限公司;DL-20G-Ⅱ台式高速离心机 上海安亭科学仪器厂;ATPIO超声波细胞破碎仪 合肥金尼机械制造有限公司;7890A气相色谱仪 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超声波辅助溶剂浸出法提取核桃油的工艺流程及操作要点 巴塘核桃→破碎去壳→除隔膜及霉变核桃仁→粉碎成浆料→烘干→称样→加正己烷→超声波细胞破碎→离心→取上清液→回收正己烷→烘至恒重→巴塘核桃油

将核桃去壳除隔膜获取核桃仁,用高速粉碎机将核桃仁粉粹成浆料后过60目筛,置于60～70 ℃电热鼓风干燥箱中烘干至水分低于5%;精确称量一定量烘干后的核桃仁,按一定比例添加正己烷,设置一定比例的单次超声时间与间歇时间比,用超声波细胞破碎仪处理一定时间,处理后的溶液于4000 r/min条件下离心20 min,通过旋转蒸发器回收正己烷,剩余液体在60～70 ℃电热鼓风干燥箱烘至恒重即为核桃油粗品。

1.2.2 超声波辅助水酶法提取核桃油的提取工艺流程及操作要点:筛选核桃→破碎去壳→核桃仁粉碎成浆料→烘干→称取样品→加水→调pH为7.0→超声波细胞破碎→加酶,酶解→灭酶(100 ℃,5 min)→离心分离→清油→取上清液→过滤→干燥→巴塘核桃油

将核桃去壳除隔膜获取核桃仁,用高速粉碎机将核桃仁粉粹成浆料后过60目筛,60～70 ℃烘干至水分低于5%[7];按1∶5 g/mL的比例加入蒸馏水[9];超声功率400 W,超声时间30 min,温度50 ℃;超声处理后,加入复合酶酶解(纤维素酶/果胶酶/中性蛋白酶为1∶1∶1)[10];酶解完成后,酶解液经100 ℃灭酶5 min,采用离心工艺使酶解液分层,离心转速4000 r/min,时间20 min,离心后取上层油体滤膜过滤,干燥至恒重后即可得到澄清透明的核桃油。该法提油率为51.52%。

1.2.3 超声波辅助溶剂浸出法提取巴塘核桃油工艺优化

1.2.3.1 单因素实验 根据操作要点,固定单次超声时间与间歇时间比为3∶8 s/s,超声时间为10 min,探究料液比1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9 g/mL对提油率的影响;固定料液比为1∶7 g/mL,超声时间为10 min,探究单次超声时间与间歇时间比3∶4、3∶5、3∶6、3∶7、3∶8 s/s对提油率的影响;固定料液比为1∶7 g/mL,单次超声时间与间歇时间比为3∶8 s/s,探究超声时间10、20、30、40、50 min对提油率的影响。

1.2.3.2 正交实验 通过单因素以及L9(33)正交实验研究料液比、单次超声时间与间歇时间比及超声时间3个因素对超声波辅助溶剂浸出法提取核桃油提油率的影响,以提油率为指标,确定最佳的提取工艺条件[11]。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.2.3.3 超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法提取的脂肪酸对比 用GC法对超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法提取的主要脂肪酸组分进行测定,并对测定结果进行对比分析。

1.3 测定方法

1.3.1 提油率测定方法 经测定并计算巴塘核桃核桃油质量记为m,准确称取粉碎巴塘核桃仁质量记为M,提油率记为ω,按下式计算:

ω(%)=m/M×100

1.3.2 脂肪酸测定方法 依据GB17376-2008(三氟化硼法)制备脂肪酸甲酯[12],甲酯化后的样品按下列条件进行色谱分析[13]:色谱柱:DB-5 MS石英毛细管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm);固定相:聚乙二醇,质量分数为10%,涂层0.2 μm;FID检测器,柱温:80 ℃保持5 min,再以5 ℃/min的速度升温至180 ℃,进样口温度:270 ℃,检测器温度:300 ℃;载气:氦气,纯度≥99.999%,载气流速:30 mL/min;进样量:1 μL。通过AMDIS自动质谱图解卷积和鉴定系统软件进行定性分析,确定脂肪酸组成。根据峰面积以归一法进行定量分析,测定脂肪酸的相对含量[14]。

1.4 数据统计分析

用Excel软件对数据进行整理,使用SPSS 19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 溶剂浸出法优化实验

2.1.1 料液比对提油率的影响 以提油率为评价指标,考察料液比对提油率的影响,结果见图1。

图1 料液比对巴塘核桃油提油率的影响Fig.1 Influences of the solid-liquid ratio Batang on oil extraction rates

由图1可知:随着料液比的增大,提油率呈先上升后下降的趋势,料液比为1∶7 g/mL时提油率最高可达56.37%。这是因为对于一定质量的核桃仁来说,溶剂体积的增加,增大了核桃仁与溶剂接触界面的浓度差,从而提高了传质速率,使提油率增大。然而核桃仁中的油脂含量是一定的,随着料液比的增加而没有明显变化[15],且在细胞破碎过程中正己烷挥发并带走一定量的核桃油,提油率呈下降趋势。

2.1.2 单次超声时间与间歇时间比对提油率的影响 以提油率为评价指标,考察超声波细胞破碎仪单次超声时间与间隔时间比对提油率的影响,结果见图2。

图2 单次超声时间与间隔时间比 对巴塘核桃油提油率的影响Fig.2 Influences of the single/separate time ratio on Batang oil extraction rates

由图2可知，在超声波细胞破碎仪单次超声时间与间隔时间比为3∶4～3∶7 s/s时,提油率变化不明显,而超声波细胞破碎仪单次超声时间与间隔时间比为3∶8 s/s时,提油率出现下降趋势。这是因为单位时间内超声波细胞破碎仪单次超声时间与间隔时间比为3∶4～3∶7 s/s时,细胞破碎基本完全破碎,使油脂释放,易于提取;而超声波细胞破碎仪单次超声时间与间隔时间比为3∶8 s/s时,细胞破碎不完全,使部分油脂被细胞包裹,不易于提取,在考虑仪器损耗的情况下,确定单次超声时间与间隔时间比为3∶7 s/s最佳。

2.1.3 超声时间对提油率的影响 以提油率为评价指标,考察超声时间对提油率的影响,结果见图3。

图3 超声时间对巴塘核桃油提油率的影响Fig.3 Influences of the ultrasound time on Batang oil extraction rates

由图3可知:超声时间在10 min时已达最佳(55.89%),随着超声时间的延长而提油率变化不明显,且超声时间过长反而会导致正己烷挥发并带走一定量的油脂[16-17]。实验确定超声时间为10 min。

2.1.4 工艺优化正交实验 实验选用正己烷为溶剂,研究对提油率影响最为显著的三个因素,即料液比(A)、细胞破碎仪的单次超声时间和间歇时间比(B)以及超声时间(C),采用L9(33)正交实验,以提油率为指标,筛选最佳工艺条件,实验结果见表2[18]。

表2 巴塘核桃加工工艺正交实验结果Table 2 Results of the orthogonal experiment of Batang walnuts processing

由表2可知，3个因素对巴塘核桃提油率影响的主次顺序为:料液比>超声时间>单次超声时间与间歇时间比[4],分析得最佳的生产工艺方案为:A3B3C2,与实验结果中提油率最高的第九组A3B3C2相符合,提油率为58.90%。正交实验得出的最佳工艺参数为:料液比为1∶7.5 g/mL,最佳单次超声时间与间隔时间比为3∶8 s/s,超声时间为10 min。

2.2 脂肪酸检测结果

用超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法提取的主要脂肪酸组分进行对比分析,结果如表3。

表3 GC测定脂肪酸结果Table 3 Results of GC determination of fatty oil

由表3可知，超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法提取的核桃油中主要的脂肪酸组分相同,由6种脂肪酸构成,其中亚油酸含量可达到54%,其他依次为油酸(30.5%)、亚麻酸(7.41%)、棕榈酸(5.06%)、硬脂酸(2.73%)、棕榈油酸(0.054%)，且含量差异不显著(p>0.05);核桃油中油酸、亚油酸含量越高、油麻比值越高,其品质越好而且耐藏性更长。而且随着亚油酸在抗癌、抗动脉硬化并且参与脂肪分解与新陈代谢等生理活性的确定,寻求优质亚油酸原料就更为重要了。经分析,二者不饱和脂肪酸含量均高于92%,亚油酸含量可达到54%,所以巴塘核桃油是营养丰富、品质优良的食用油。

3 结论

本实验分析了三个对提油率影响较大的因素,结果表示,超声波辅助溶剂浸出法提取该油的三个因素对提油率影响的主次顺序为:料液比>超声时间>单次超声时间与间歇时间比。对工艺进行优化得到提取该油的最佳工艺条件为:料液比为1∶7.5 g/mL,单次超声时间与间歇时间比为3∶8 s/s,超声时间10 min,在最佳工艺条件下,提油率为58.90%,与预测值基本一致,说明得到的超声波辅助溶剂浸出法提取核桃油工艺的条件真实可靠。充分利用超声微波协同提取技术,得到的工艺简单、快速、得率高,很

好地兼顾了巴塘核桃油提取的省时和高得率。

超声波辅助溶剂浸出法与超声波辅助水酶法提取的核桃油中主要的脂肪酸组分相同,均由6种脂肪酸构成,其中亚油酸含量可达到54%,其他依次为油酸(30.5%)、亚麻酸(7.41%)、棕榈酸(5.06%)、硬脂酸(2.73%)、棕榈油酸(0.054%)，且含量差异不显著(p>0.05);二者不饱和脂肪酸含量均高于92%,是营养丰富、品质优良的食用油。

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