冷榨芝麻饼粕木脂素提取及其抗氧化研究

杨 开 付言红 费立新 孙培龙,*

(1 浙江工业大学海洋学院食品研究所, 浙江 杭州 310014；2 湖州荣德粮油有限公司, 浙江 湖州 313018)

芝麻(Sesamumindicum)营养丰富，富含脂肪酸、蛋白质、纤维素和木脂素类成分，其中，木脂素类化合物是其特征成分，一般占芝麻总量的0.5%～1.0%[1]。芝麻木脂素，也称木酚素，因其显著的生理活性而备受关注。研究表明，芝麻中的木脂素类物质具有降血压、降血糖、抗癌、抗氧化和保护肝脏等多种生理功能[2-3]。芝麻制油后的副产品饼粕中仍含有较多的蛋白质和少量的木脂素类物质[4]，与传统高温炒制后热榨制芝麻油的工艺[5]相比，使用低温冷榨工艺制得的芝麻油品质高，所得芝麻饼粕营养活性成分保留率高[6]。近年来，冷榨芝麻油发展较快，但其饼粕仍普遍作为廉价饲料、肥料进行处理，利用率极低，因此，研究芝麻饼粕中木脂素的提取方法及其应用可显著提高芝麻加工副产品的经济利用价值。

在热加工和储存过程中油脂极易发生氧化酸败，不仅会造成极大的经济损失，而且危害人体健康[7]。常见的人工合成抗氧化剂二丁基羟基甲苯(butylated hydroxytoluene，BHT)、丁基羟基茴香醚(butyl hydroxy anisd，BHA)等具有较好的抗氧化效果，但均具有潜在毒性，应减少使用量或不添加[8-9]。芝麻木脂素具有较强的抗氧化能力，目前主要采用传统热榨芝麻饼粕的方法对木脂素进行分离提取，董英等[10]应用甲醇溶液萃取芝麻木脂素，提取率为2.62%；任媛媛等[11]曾优化提取芝麻中的芝麻素，并对其进行结晶纯化，得出在芝麻素浓度为 1 200 μg·mL-1时最利于结晶纯化。本研究以冷榨芝麻饼粕为原料，利用超声波辅助[12]优化提取饼粕中的木脂素，并对添加木脂素后的食用油进行抗氧化分析，以期提高油脂储藏使用过程中的稳定性和油品质量安全，有效提高冷榨芝麻油加工副产物的应用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

80℃低温冷榨白芝麻饼粕，湖州荣德粮油公司；BHT、维生素E(VE)、95%乙醇、硫代硫酸钠标准溶液、对氨基苯甲醚，阿拉丁(中国)有限公司；无水乙醇、正己烷、三氯甲烷、冰乙酸、淀粉、异辛烷、甲醇(色谱纯)，国药集团药业股份有限公司；芝麻木脂素标准品(芝麻素、芝麻林素、芝麻酚)，美国Sigma公司；菜籽油、猪油，自制。

1.2 主要仪器与设备

DJ-04B粉碎机，上海淀久机械制造有限公司；FS-1200超声波处理器，上海生析超声仪器有限公；RE-2000A旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；752N紫外-可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；Waters 1525高效液相色谱仪，美国Waters 公司；VirTis BenchTop Pro真空冷冻干燥器，美国SP科学公司。

1.3 试验方法

1.3.1 芝麻饼粕木脂素的提取 冷榨芝麻饼粕粉碎后过60目筛，经烘箱(105℃)干燥2 h后取适量原料，按照料液比1∶2(m/v)加入正己烷脱脂[13]，用布氏漏斗过滤后取干燥滤渣按一定料液比加入不同浓度乙醇，并在不同功率下进行超声提取，上层乙醇提取液用旋转蒸发仪在45℃下减压浓缩后真空冷冻干燥48 h，即得到芝麻木脂素提取物。

1.3.1.1 单因素试验设计 单因素试验基础条件设置：乙醇浓度90%、料液比1∶6、提取时间30 min、提取功率720 W，固定3个基础条件，改变其中1个基础条件进行单因素试验。分别以乙醇浓度(75%、80%、85%、90%、95%)、料液比(m/v)(1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12)、提取时间(20、30、40、50、60 min)、提取功率(480、600、720、840、960 W)为考察因素，考察各单因素对冷榨芝麻饼粕木脂素提取率的影响。

1.3.1.2 响应面试验设计 在单因素试验基础上，依据Design-Expert 8.0.5b软件中的Box-Behnken Design设计原理，采用四因素三水平响应面分析法，以乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)、提取功率(D)为自变量，以木脂素提取率为响应值，对冷榨芝麻饼粕木脂素的提取条件进行优化。响应面试验设计与因素水平见表1。

表1 响应面试验设计与因素水平表Table 1 Design and levels of response surface experiment

1.3.2 芝麻饼粕木脂素定性定量分析 采用HPLC法[14]对木脂素提取物进行成分分析检测，将芝麻素标准品、芝麻木脂素样品用色谱级甲醇溶解，高效液相色谱仪进行定量分析，以芝麻素标准溶液峰的保留时间作对比分析。

液相色谱条件：Waters 1525高效液相色谱仪，色谱柱Cosmosil C18(4.6 mm×250 mm，填充粒度5 μm)；Waters 2487紫外检测器；流动相：甲醇(A)-水(B)梯度洗脱，梯度洗脱程序：0～50 min，50%A-50%B；50～55 min，80%A-20%B；55～60 min，100%A-0%B；60～65 min，80%A-20%B；65～66 min，50%A-50%B。检测波长287 nm，流速1.0 mL·min-1，进样量20 μL，检测时间66 min。

(1)

(2)

式中，m为HPLC测定的冻干前芝麻木脂素总含量(μg)；m1为冷冻干燥后固体干重(g)；M为芝麻饼粕原料干重(g)。

1.3.3 添加芝麻饼粕木脂素后食用油的抗氧化分析 油脂的自动氧化是指不饱和脂肪酸和不饱和油脂与空气中的氧发生的氧化反应，不需要直接的光照或者催化剂即可发生。基本过程分为诱导期、传播期和终止期，而油脂的诱导期可由油脂的过氧化值进行判定[15]。本试验以新鲜菜籽油和猪油为研究体系，采用Schaal烘箱法研究芝麻木脂素的抗氧化活性[16-17]。

1.3.3.1 不同浓度木脂素提取物对食用油抗氧化活性的影响 准确称取油样50 g，分别加入0、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%质量比例的芝麻木脂素提取物，烘箱温度120℃，一定时间后检测油样的过氧化值(peroxide value，PV)和茴香胺值(anisidine value，AV)，并计算全氧化值(total oxidation value，TV)。PV的测定参照GB 5009.227-2016的滴定法[18]；AV、TV的测定参照GB/T 24304-2009/ISO 6885-2006[19]，TV=4PV+AV。

1.3.3.2 不同加热温度对添加木脂素的食用油抗氧化活性的影响 采用Schaal烘箱法[20]并略作修改。准确称取油样50 g，加入0.05%质量比例的芝麻木脂素提取物，分别置于40、80、120、160、200℃下进行烘制，一定时间后测定PV、AV，并计算TV值，测定和计算方法同1.3.3.1。

1.3.3.3 不同抗氧化剂对添加木脂素的食用油抗氧化活性 准确称取油样50 g，分别加入0.05%质量比例的芝麻木脂素提取物、BHT、VE，烘箱温度设置为120℃，一定时间后检测其PV、AV，并计算TV，测定和计算方法同1.3.3.1。

1.3.4 数据处理 试验数据以平均值±标准差表示。采用Origin 8.0进行数据图像处理，SPSS 16.0进行统计和差异显著性分析，P<0.05表示显著性差异。

2 结果与分析

2.1 木脂素的标准曲线

由图1可知，木脂素提取物中芝麻酚的含量较低，芝麻素和芝麻林素含量则相对较高。以木脂素标准品含量为横坐标，以色谱峰面积为纵坐标，对芝麻木脂素的3种标准品进行混标测定分析，芝麻饼粕提取物中的木脂素含量为3种标准品相加得到。芝麻酚的线性回归方程为y=1.1×106x-1.5×105，R2=0.999 8，即芝麻酚含量在0.5～2.8 μg时其标准曲线线性良好；芝麻素的线性回归方程为y=1.8×106x-2.3×105，R2=0.999 9，即芝麻素含量在0.5～3.0 μg时其标准曲线线性良好；芝麻林素的线性回归方程为y=2.1×106x-1.5×105，R2=0.999 8，即芝麻林素含量在0.3～1.5 μg时其标准曲线线性良好。

注：A: 芝麻木脂素标准品；B: 芝麻饼粕木脂素提取物。Note: A: Sesame lignans standard. B: Sesame cake meal lignans extracts.图1 芝麻饼粕木脂素提取物色谱图Fig.1 Chromatogram of sesame cake meal lignans extracts

2.2 单因素试验结果分析

图2 各因素对芝麻饼粕木脂素提取率的影响Fig.2 Effect of different factors on the extraction yield of lignans from sesame cake meal

由图2-A可知，随着乙醇浓度的增加，芝麻饼粕的木脂素提取率也随之增大，当乙醇浓度超过90%后，木脂素提取率开始下降，可能是因为木脂素易溶于中极性溶剂，难溶于极性较强或较弱的溶剂。由图2-B可知，随着料液比的增大，芝麻饼粕的木脂素提取率先增大后减少，这是由于在低料液比条件下无法有效提取木脂素，而高料液比会使单位物料的超声能量下降，进而导致木脂素提取率降低。由图2-C可知，随着提取时间的延长，芝麻饼粕的木脂素提取率呈先上升后下降的趋势，因为提取时间过短不能有效提取木脂素，提取时间过长则使木脂素氧化降解，从而导致木脂素提取率下降。由图2-D可知，随着提取功率的增大，芝麻饼粕的木脂素提取率先升高后下降而后趋于稳定，这是因为低功率不能使饼粕完全破碎，故木脂素溶出不完全；而高功率产生的瞬时高温可能会使木脂素分解，进而导致木脂素提取率下降。综合考虑，选择乙醇浓度90%、料液比1∶8、提取时间40 min及提取功率600 W作为单因素试验优化得到的木脂素最佳提取条件。

2.3 响应面优化试验结果分析

在单因素试验结果的基础上，采用四因素三水平的响应面分析法对芝麻饼粕木脂素的提取条件进行优化，响应面试验分析结果见表2、表3。比较各因素的均方值(均方值越大表明对试验指标的影响越大)，可得所选4个因素对芝麻木脂素提取得率(Y值)的影响主次关系为D>C>A>B。对试验数据进行线性多元回归拟合，得到芝麻木脂素提取率(Y)对乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)、提取功率(D)二次多项回归方程：

Y=0.050+1.417E-003A-7.500E-004B-2.083E-003C-3.083E-003D+3.250E-00AB+3.250E-003AC+2.250E-003AD+3.250E-003BC-7.500E-004BD-2.250E-003CD-5.042E-003A2+1.958E-003B2-1.792E-003C2-2.292E-003D2。

由图3可知，在料液比1∶8(m/v)、提取功率为720 W时，C与A交互作用显著，提取时间对芝麻木脂素提取率影响的响应曲面较乙醇浓度对提取率的响应曲面陡峭，说明提取时间对芝麻木脂素提取率的影响比乙醇浓度的影响大。当料液比1∶8(m/v)、提取时间为30 min时，D与A交互作用显著，提取功率较小时，随着乙醇浓度的增加，木脂素提取率先增加后减小；提取功率较大时，随着乙醇浓度的增加，木脂素提取率也随之增大，说明提取功率对提取率变化的影响较乙醇浓度的影响大。CA与DA的交互影响效果相近，差异不显著。当料液比1∶8(m/v)、乙醇浓度为90%时，D与C交互作用显著，且两因素对木脂素提取率呈现出近似相同的影响效果，DC的交互影响效果比DA、CA显著。

依据本模型预测提取芝麻饼粕木脂素的最佳工艺条件为：乙醇浓度92.91%、料液比1∶10.02(m/v)、提取时间39.96 min、提取功率600.10 W，芝麻木脂素在此条件的理论提取率为572.01 μg·g-1。为检验响应面理论值的可靠性，将得到的木脂素理论优化工艺条件修正为：乙醇浓度93%、料液比1∶10(m/v)、提取时间40 min、提取功率600 W，经验证试验，实际测得芝麻木脂素的提取率为563.81±5.62 μg·g-1，与理论值的相对误差为1.43%，木脂素提取物得率4.35%，优于已有文献[10](2.62%)，说明该拟合模型可靠，可用于实际应用。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Design and results of response surface experiment

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of regression equation

2.4 添加芝麻饼粕木脂素提取物后食用油的抗氧化活性分析

2.4.1 木脂素提取物添加量对食用油抗氧化活性的影响 由图4可知，随着木脂素提取物添加量的增加，食用油的PV、AV和TV均呈明显降低趋势，说明添加木脂素提取物后食用油的油脂品质保持较好。当木脂素提取物添加量低于0.1%时，菜籽油的PV显著低于猪油(P<0.05)，表明此时菜籽油的抗氧化效果较好；当木脂素提取物添加量达到0.10%时，菜籽油与猪油的PV无显著差异，这可能是因为动物油脂中饱和脂肪酸含量较高，易发生氧化，故添加少量芝麻饼粕木脂素提取物不能有效抑制动物油脂的氧化。

注：*表示差异显著(P<0.05)。下同。Note: * indicates significant difference at 0.05 level. The same as following.图4 木脂素提取物添加量对食用油抗氧化活性的影响Fig.4 Effects of lignans extracts added contnet on antioxidant activity of edible oil

2.4.2 不同加热温度对食用油抗氧化活性的影响 由图5可知，随着加热温度的升高，菜籽油和猪油的PV、AV和TV均有较大程度的增大。当温度低于120℃时，菜籽油的PV显著低于猪油(P<0.05)，说明此时菜籽油的抗氧化效果较好，但随着加热温度的升高，2种食用油体系的抗氧化效果相当，无显著差异。

图5 加热温度对食用油抗氧化活性的影响Fig.5 Effect of heating temperature on antioxidant activity of edible oil

2.4.3 不同抗氧化剂对食用油抗氧化活性的影响 由图6可知，添加抗氧化剂后，相比菜籽油体系，猪油的PV、AV和TV值均明显降低，且均显著低于空白组(P<0.05)。而与BHT、VE相比，添加芝麻饼粕木脂素提取物的食用油PV、AV和TV相对较低，说明冷榨芝麻饼粕木脂素提取物可用于提高食用油脂的抗氧化效果。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level.图6 不同抗氧化剂对食用油抗氧化活性的影响Fig.6 Effect of different antioxidants on antioxidant activity of edible oil

3 讨论

近年来，植物中有效成分的提取及利用一直是研究热点之一。齐岩等[21]对葡萄加工副产物进行了研究；陆浩等[22]总结了植物精油的利用途径。木脂素类化合物由于其广泛的分布及药理特性[23-24]一直是研究的热点之一，但对芝麻中木脂素的研究较多集中于芝麻籽和芝麻油[25-26]。考虑到芝麻饼粕中仍有残留木脂素类物质，且冷榨制油后的饼粕质量较好，因此本研究选用冷榨芝麻饼粕进行木脂素类物质提取。何晓梅等[27]采用超声法提取芝麻木脂素，提取量达0.120 g(以100 g芝麻渣计)，本研究将静置时间和超声温度替换为乙醇浓度和提取功率对提取率的影响，优化后提取率达到4.35%。

芝麻油固有的木脂素类物质使其具有较好的储藏稳定性[28]。彭金砖等[29]将从芝麻油中提取的木酚素添加于食用油中，发现木酚素可提高大豆油和花生油的氧化稳定性，但对猪油的稳定性作用不大。本研究从冷榨芝麻饼粕中提取木脂素类物质，其对菜籽油和猪油的氧化稳定性均显著提高。本试验优化得到的芝麻饼粕中木脂素提取率虽较文献有所提高，但纯度仍较低，此外，芝麻饼粕木脂素提取物在食用油中的溶解性较差，一定程度上影响了木脂素的抗氧化作用，故今后可应用大孔树脂等对木脂素提取物进行纯化，并采用超微粉碎等方法降低其粒径。

4 结论

通过超声波辅助乙醇提取冷榨制油后芝麻饼粕中残留木脂素类物质，得到最佳提取工艺条件为：乙醇浓度93%、料液比1∶10(m/v)、提取时间40 min、超声功率600 W，此条件下，木脂素提取率为563.81 μg·g-1。对添加芝麻饼粕木脂素提取物的食用油的抗氧化活性进行评价，确定优化后的木脂素提取物添加量为0.15%。本研究进一步证实了木脂素类物质具有优良的抗氧化活性，对比菜籽油和猪油体系的木脂素抗氧化活性差异，发现木脂素提取物应用于菜籽油体系中能更好地发挥抗氧化作用。