稻米胚芽油的超临界CO2萃取工艺优化

宋玉卿，张 雪，李 钊，刘春华，王俊国，于殿宇，姚 凯

(1.吉林工商学院，长春 130507； 2.东北农业大学 食品学院，哈尔滨 150030；3.湖北天星粮油股份有限公司，湖北 随州 441300)

稻米胚芽是稻谷加工的副产物，占稻谷的2.0%～2.2%[1]。稻米胚芽中含丰富的脂类、蛋白质，还含有多种维生素和人体必需的微量元素，其中脂类、蛋白质含量均在20%以上[2]。稻米胚芽油是从稻米胚芽中提取的一种优质食用油。据测定，稻米胚芽油中不饱和脂肪酸含量高达76%左右，其中油酸和亚油酸的含量皆为37%左右，维生素E含量可达43.18 mg/100 g，还含有植物甾醇、谷维素等生理活性物质[3]。这些营养物质有利于降低低密度脂蛋白胆固醇[4]以及促进皮肤微血管循环[5]，因此稻米胚芽油具有很好的保健功能，符合当今人们对食品安全、营养、保健功能的需求。长期以来稻米胚芽都是混在米糠中用于米糠油提取，没有充分发挥稻米胚芽的营养价值。

目前稻米胚芽油的提取方法有压榨法、浸出法[3，5-6]和超临界CO2萃取法[7]。压榨法出油率低；浸出法在分离溶剂时蒸馏加热，易引起油脂氧化酸败，溶剂残留也不能彻底消除；超临界CO2萃取法作为绿色化学技术具有萃取率高、无溶剂残留、可避免产物被氧化及操作简单等优点，同时在超临界CO2萃取过程中，温度保持在50℃左右，不会使热敏性的蛋白质变性及具有生物活性的物质受到破坏[8]。

目前，未发现采用响应面法优化超临界CO2萃取稻米胚芽油工艺参数的研究报道。本研究以碾米生产线得到的米糠为原料，从中分离出稻米胚芽，采用超临界CO2萃取技术萃取稻米胚芽油，探究了萃取压力、萃取时间、萃取温度对稻米胚芽油萃取率的影响，运用响应面法优化萃取条件，并对稻米胚芽油的脂肪酸组成及生育酚、生育三烯酚、植物甾醇、γ-谷维 素等营养成分进行测定分析，以期为超临界CO2萃取稻米胚芽油的工业化生产设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

米糠，湖北天星粮油股份有限公司；CO2(纯度大于99.5%)，市购。

CP214(C)型电子天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司；BC-220SE海尔冰箱柜；HA121-50-01 型超临界CO2流体萃取装置；e2695高效液相色谱仪，美国Waters公司；6890N气相色谱仪，美国安捷伦公司；T6新世纪紫外分光光度计。

1.2 实验方法

1.2.1 超临界CO2萃取稻米胚芽油

将原料米糠用20目筛和30目筛进行两次筛分，30目筛筛上物经手捡得到稻米胚芽。稻米胚芽用真空烘箱加热干燥30 min，取出后用多功能粉碎机粉碎至50目，备用。称取稻米胚芽粉300 g装入萃取釜，打开CO2钢瓶，同时调节萃取温度至设定温度。开启柱塞往复泵进行加压至设定萃取压力，调节CO2流量至25 kg/h。在此条件下萃取，当达到设定的萃取时间时，对稻米胚芽油进行冷冻分离，有效降低稻米胚芽油中蜡含量。

稻米胚芽油萃取率按下式计算。

稻米胚芽油萃取率=萃取所得油脂量/样品中油脂量×100%

1.2.2 脂肪酸组成分析

根据Nehdi等[9]的气相色谱法，对稻米胚芽油的脂肪酸组成进行测定。

1.2.3 营养成分分析

参照文献[10]采用反相高效液相色谱法分析稻米胚芽油生育酚组成及生育三烯酚含量，γ-谷维素、植物甾醇含量测定采用分光光度法[10]。

1.2.4 数据处理

实验指标的测定均重复3次，实验结果表示为“平均值±标准误差值”，采用Origin 8.5与Design Expert 8.0.6进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 萃取压力对稻米胚芽油萃取率的影响

萃取压力是影响超临界CO2流体萃取的主要因素之一。超临界CO2流体萃取时，对每一确定的体系存在着一个体系转变压，超临界CO2流体萃取植物油时，体系转变压在35 MPa左右，如无其他考虑，为了提高生产效率和降低能耗，应将操作压力控制在转变压以下[11]。为此，本实验选用萃取压力分别为20、25、30、35、40 MPa，在萃取温度40℃、萃取时间120 min，恒定的CO2流量下，考察萃取压力对稻米胚芽油萃取率的影响，结果见图1。

图1 萃取压力对萃取率的影响

由图1可知，稻米胚芽油萃取率随萃取压力的升高而增大，萃取压力在20～30 MPa之间的增幅较大，高于30 MPa时增幅减缓，这是因为增加压力不仅会增加流体密度，还会降低传质阻力和分子间的传质距离[12]，提高溶质与溶剂之间的传质效率，提高萃取率，然而萃取压力继续增大，由于高压下流体的高密度，可压缩性小并且溶解度受到限制，萃取的选择性降低，萃取率降低，此结论与Gaspar[13]、Liu[14]等的研究结果一致。高压会增加设备损耗并降低经济效益，还会使一些色素成分被提取出来，使油色变暗影响质量。结合设备的投资和操作费用考虑，选择萃取压力为30 MPa。

2.1.2 萃取温度对稻米胚芽油萃取率的影响

在萃取压力30 MPa、萃取时间120 min、恒定的CO2流量，萃取温度分别为25、30、35、40、45℃，考察萃取温度对稻米胚芽油萃取率的影响，结果见图2。

图2 萃取温度对萃取率的影响

由图2可知，萃取温度较低时稻米胚芽油萃取率随着萃取温度升高而增加，在25～40℃之间上升趋势明显，在40℃以后趋于平缓，这是因为温度升高增加了传质速度和溶质的蒸气压，加速了油从种子基质中解吸并提高了油在超临界CO2中的溶解度[15]，然而萃取温度继续升高会降低超临界CO2的密度，导致萃取物在CO2中的溶解度下降，使稻米胚芽油萃取率降低。从提取物的感官性状看，低温时所得油脂色泽浅、澄清，萃取温度过高时油色变深，这是由于温度升高可萃取物质的范围扩大[16]。因此，选择萃取温度为40℃。

2.1.3 萃取时间对稻米胚芽油萃取率的影响

在萃取压力30 MPa、萃取温度40℃、恒定的CO2流量，萃取时间分别为60、80、100、120、140 min，考察萃取时间对稻米胚芽油萃取率的影响，结果见图3。

图3 萃取时间对萃取率的影响

由图3可知，稻米胚芽油萃取率随着萃取时间的延长而增加，在120 min后趋于平稳。在开始时萃取率升高较快可能是由于样品表面含有的油脂较多。随着表面油脂的减少，超临界CO2必须用更长的时间渗透到细胞基质中，溶解油脂并随后从材料中扩散出来，较长的萃取时间对萃取率具有积极影响。然而，120 min后进一步延长萃取时间，萃取率几乎没有变化。这是因为处理超过一定时间后，油脂在超临界CO2中的溶解能力达到平衡，这与易军鹏等[17]的研究结果一致。考虑到过长时间的超临界CO2萃取还会导致油脂组成成分的改变和增加能耗，因此选择萃取时间为120 min。

2.2 响应面实验

2.2.1 实验设计及模型分析

在单因素实验的基础上，综合考虑经济效益及稻米胚芽油品质，确定各因素的最佳水平值范围，采用响应面中心组合实验设计，以萃取时间、萃取压力、萃取温度为自变量，以稻米胚芽油萃取率为响应值，研究各因素对稻米胚芽油萃取率的影响规律，得到最佳萃取条件。响应面实验因素与水平见表1，响应面实验设计及结果见表2。

表1 响应面实验因素与水平

表2 响应面实验设计及结果

实验号 4、5、13、14、16 为5个中心实验，用以估计实验误差，其余为分析实验。将实验数据进行多元回归拟合，得到回归方程为：R=89.78+1.69A+2.18B+1.94C-0.58AB+1.80AC+1.63BC-8.64A2-11.72B2-8.99C2。

利用Design Expert 8.0.6软件对实验结果进行方差分析，结果见表3。

表3 方差分析

注：*为差异显著(P<0.05)；**为差异极显著(P<0.01)。

2.2.2 响应面分析与最优条件的确定

利用Design-Expert 8.0.6软件对实验数据进一步分析，并对拟合的回归方程进行计算，预测超临界CO2萃取稻米胚芽油的最佳工艺条件为萃取压力30.49 MPa、萃取时间121.98 min、萃取温度40.63℃，在此条件下稻米胚芽油萃取率达到90.126%。考虑实际操作，将上述最佳工艺条件修正为萃取压力30 MPa、萃取时间120 min、萃取温度40℃，在此条件下进行3组平行验证实验，得到稻米胚芽油萃取率分别为90.4%、90.9%和90.2%，平均萃取率为90.5%，接近预测值，表明在该实验模型下得到的最佳萃取条件具有较高的可靠性。

2.3 脂肪酸组成

超临界CO2萃取得到的稻米胚芽油的脂肪酸组成如表4所示。

由表4可知，稻米胚芽油中主要的不饱和脂肪酸是油酸(38.62%±1.25%)和亚油酸(35.60%±1.66%)，不饱和脂肪酸含量高达76.08%，这与Bhatnagar等[18]的研究结果略有差异，可能是由于不同的品种、气候条件、处理方法等引起的。稻米胚芽油中的饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸含量分别为20.62%、38.62%、37.46%，与FAO/WHO推荐的油脂中脂肪酸最佳比例较为接近[19]。

表4 稻米胚芽油的脂肪酸组成

2.4 营养成分

超临界CO2萃取得到的稻米胚芽油的营养成分如表5所示。

表5 稻米胚芽油的营养成分

γ-谷维素、生育三烯酚和生育酚、植物甾醇是植物油中重要的生物活性成分。由表5可知 ，稻米胚芽油中γ-谷维素和植物甾醇的含量分别为(490.00±5.63)mg/100 g和(352.28±11.52)mg/100 g。稻米胚芽油中生育酚的4种异构体齐全，主要为α-生育酚和γ-生育酚，占生育酚总量的88.72%，生育三烯酚含量高达(53.92±0.64)mg/100 g，生育酚和生育三烯酚总含量为(83.02±1.49)mg/100 g，说明稻米胚芽油有较好的抗氧化活性[20]。

3 结 论

运用响应面法优化，确定超临界CO2萃取稻米胚芽油最佳工艺条件为萃取压力30 MPa、萃取温度40℃、萃取时间120 min，在此条件下稻米胚芽油萃取率为90.5%。各因素对稻米胚芽油萃取率的影响大小依次为萃取压力>萃取温度>萃取时间。

通过气相色谱法对稻米胚芽油的脂肪酸组成进行分析，稻米胚芽油中饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸含量分别为20.62%、38.62%、37.46%，而单不饱和脂肪酸与多不饱和脂肪酸含量比例接近1∶1，符合国际卫生组织推荐的最佳比例。稻米胚芽油中脂肪酸以不饱和脂肪酸为主，主要为油酸(38.62%±1.25%)和亚油酸(35.60%±1.66%)，另外稻米胚芽油还含有γ-谷维素、生育三烯酚和生育酚、植物甾醇等营养物质，生育酚和生育三烯酚总含量高达(83.02±1.49)mg/100 g，具有很好的抗氧化活性。因此，稻米胚芽油营养丰富，是一种优质的植物油，可以作为食品、制药等行业有价值的产品来源。