正已烷与亚临界丁烷萃取酱渣中的粗脂肪

2021-08-02黄惠敏阎杰谭春远邬子君周志坚

食品与发酵工业 2021年14期

黄惠敏，阎杰，谭春远，邬子君，周志坚

(仲恺农业工程学院化学化工学院，广东广州，510225)

酱油渣，也称酱渣，是酱油生产的主要副产物。在酱油酿造过程中，被利用的主要是蛋白质，绝大多数粗纤维和脂肪仍留在酱渣中。酱渣极易变质发臭，处理极为困难[1]。直接作为肥料，会造成植物烧根、枯死，大量盐分或脂肪进入土壤及地下水，易使水质恶化，土壤盐化。国内，有单位对酱渣进行发酵，开发作为生物有机肥[2-4]、生产乙醇[5]、乙酰半纤维素[6]，以及膳食纤维[7]。这些工作为酱渣的综合利用进行了有益的探索。但是，这些方法工艺复杂，或时间长，或处理量小。尤其是以大豆为原料的酱渣，其中的粗脂肪(crude fat,CF)含量高达30.9%～46%[8]。这些方法没有很好的利用这一资源。

为了利用粗脂肪，有单位将酱渣热风干燥、加入大量辅料再压榨，降低了处理量，且物理吸附使出油率降低，仅为15%～30%[9]；也有采用烘箱干燥，再用正已烷萃取或预压萃取油脂[10]；有试验以正己烷、乙醇和水作为双相溶剂在萃取油脂的同时得到黄酮[11]。受原料、酱油生产方法及生活习惯的影响，国外极少相关报道。LALMAN等[12]从高含水的发酵体系中用正已烷-甲基叔丁基醚甲醚混合溶剂回收长链脂肪酸，试验量仅为1 mL，过程需加入硫酸及氯化钠。

为了实现从酱渣中回收粗脂肪，项目组进行了大量工作[8, 13-17]。试验发现由于原料水分高达70%～85%，酱体软，难以直接压榨。先真空干燥再正已烷萃取，所获粗脂肪质量好，但处理时间长，处理量有限[15]。项目组也曾用含水量为42.70%的酱渣进行相关试验[13]，结果显示，在超声作用下，以丙酮为溶剂，在室温条件下达到了理想的萃取效果，同样条件下，正已烷的效果却很差。不加超声，丙酮的萃取效果也较差，加超声使得设备复杂。目前，正已烷以及亚临界丁烷萃取[18]在油脂工业中获得了广泛应用，基于易于工业放大，易于快速处理酱渣的考虑，本文选择这2种溶剂进行试验。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验原料：干酱渣，开平粵师傅食品有限公司提供，经测定干酱渣含水量为13.01%，粗脂肪含量为34.7%(干基)。

正己烷、丁烷、乙醚、异辛烷、乙酸、碘化钾、氢氧化钾、乙醇均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

YLS16A烘干法水份测定仪，上海精密科学仪器有限公司；ST 243脂肪测定仪，福斯分析仪器公司；6 890/5 975气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技公司。

1.3 实验方法

1.3.1 正己烷萃取

低水分原料制备：酱渣经60 ℃真空干燥2 h，经测定水分含量为7.10%。

高水分原料制备：原料酱渣经喷雾加入不同质量的水，混合均匀，再密封冷藏48 h，经测定样品含水量分别为20.10%，26.05%，32.10%。

萃取操作：将已称量的酱渣置于萃取釜中(图1)，加入正己烷，装好装置，65 ℃恒温一定时间，放出溶液-混合油。萃取完毕，升温至80 ℃，真空回收大量溶剂之后，倒出残渣，置于80 ℃真空烘箱烘至恒重，取粕测残油率。

粗脂肪(CF)在正已烷中的溶解性试验：探索性试验显示，25 ℃时，0.5%的水会完全溶于豆油或酱渣粗脂肪。向粗脂肪中加入质量分数为0.3%的水，摇匀。准确称量60 g正已烷加入已知质量的容量瓶，滴加含水粗脂肪并摇匀，至体系刚出现混浊为止，称量并计算粗脂肪在正已烷中的溶解度，平行3次。用豆油代替粗脂肪进行对比试验。

1.3.2 亚临界萃取

将称量后的酱渣置于萃取釜中(图2)，在常温下用丁烷萃取(0.3～0.5 MPa)，丁烷用量为酱渣质量的1.2倍，萃取完毕，38 ℃减压气化以回收粗脂肪及粕中残留丁烷，回收的溶剂气体再经过压缩机压缩冷凝液化后循环使用，取粕测残油率。

1.3.3 测定方法

(1)含油量的测定：采用ST 243脂肪测定仪，按GB 5009.6—2016[19]进行测定。

(2)过氧化值测定：按GB 5009.227—2016[20]进行测定。

(3)酸价测定：按GB 5009.229—2016[21]进行测定。

(4)水分的测定：采用YLS16A水份测定仪105 ℃烘干法。

(5)脂肪酸组成的测定：脂肪酸甲酯化参考文献[22]略作改进。准确称取粗脂肪0.100 0 g加入容量瓶，加5 mL 5%(体积分数)的盐酸-甲醇溶液，10 mL二氯甲烷-甲醇溶液(体积比1∶1)，密封，80 ℃水浴1 h。降至室温，用甲醇定容至20 mL，得待测液。GC-MS条件参考文献[23]的方法。

2 结果与分析

2.1 正己烷萃取

2.1.1 溶剂用量的影响

以含水量7.10%的酱渣进行试验。结果如图3所示，随着溶剂用量增加，酱渣残油率越来越低，当液料比 (mL∶g)超过8时，增加溶剂的效果不明显。在实际生产中，为减少萃取次数，可适当增加溶剂用量。下文试验液料比固定为8 (mL∶g)。

2.1.2 水分对粗脂肪萃取的影响

图4显示，含水量7.10%的原料萃取15 min均趋于平衡，而含水量13.01%的原料约20 min趋于平衡，且残油更低。这似乎表明，水分高对萃取更有利，这显然有悖于“相似相溶”原理。因此，针对水分的影响进行了系列试验，如图5所示，含水量7.10%比13.01%的残油高，再次证实了图4的结果，但除了7.10%的原料外，其余样品均显示，水分高，残油率高，多次试验得到了同样的结果。图5同时显示，含水量13.01%及7.10%，提取5次，粕中残油降至1%以下。含水量20%，提取5次，粕中残油降至2.08%。如果对粕中残油要求不高，酱渣含水量在20%以下，是可以用正已烷进行萃取的。这一点对工业生产特别有用。新鲜酱渣水分含量70%以上，直接压榨难以将水分降至20%以下。单独热风干燥，时间长，油脂易氧化。真空干燥对设备要求高，处理量有限。而采用预压，快速将水分降至50%以下，再热风干燥，将水分快速降低至20%以下是完全可能的。基于此分析，项目组采用新鲜酱渣进行了多次放大试验，新鲜酱渣水分含量70%～75%，经60 min预压,水分含量降至42%～45%，再用流化床105 ℃热风干燥10 min，干酱渣水分含量为13.0%～14.5%。

2.1.3 萃取动力学

从理论上看，水极性强，正已烷与油脂极性弱，水与正已烷或油脂接触，相溶性差。在萃取中，水分子会严重阻碍正已烷与油脂的渗透。为了萃取的需要，在生产中总是尽可能降低原料中的水分含量[24]。然而，图4、图5的试验结果却显示，含水量高(13.01%)比含水量低(7.10%)对脂肪的萃取更有利，为进一步验证，论文对此进行了动力学研究。

从已有报道来看，从天然产物中萃取有效成分的动力学模型均为指数型。本文所用酱渣为颗粒状，采用球形模型，内扩散是整个过程的速率控制步骤[25]。参考CHU等[26]的研究，从酱渣中萃取粗脂肪的动力学方程可以表示为：

(1)

式中：c，主体溶液油脂的质量浓度，g/mL；c∞，平衡时主体溶液油脂的质量浓度，与颗粒内相等，g/mL；t，萃取时间，min；c0，t=0 min时刻主体溶液油脂的质量浓度，即初始质量浓度，g/mL；k，速率常数，min-1，与原料特性、扩散系数、原料尺寸等因数有关。

根据上式，ln[c∞/(c∞-c)]与t呈线性关系，斜率为速率常数。

论文将图4试验结果进行数据处理，以ln[c∞/(c∞-c)] 对t作图，结果见图6。根据图6，ln[c∞/(c∞-c)]与t线性关系较好，R2均大于0.90，拟合度好。2种原料萃取的速率常数分别为0.313 4 min-1与0.340 2 min-1，比从油菜籽中萃取油脂的速率常数大[25]。且水分含量为13.01%的原料比水分含量为7.10%略大。图6还显示，2条曲线均有一截距，根据方程(1)，2种原料萃取的初始质量浓度c0≠0 g/mL，且含水量7.10%的c0更大。这表明，溶剂加入瞬间，部分油脂无需从颗粒内向外渗透，直接溶解，或者说，部分油脂存在于颗粒外表面。

将方程(1)变形，并代入模型参数，可以得到含水量7.10%与13.01%2种原料的萃取动力学模型分别为：c理论=0.046 13-0.046 13e-(0.313 4t+1.105 8)、c理论=0.043 38-0.043 38e-(0.340 2t+0.368 2)。表1为该模型的显著性分析。由表1可知，实际的c与c理论的2者之间无显著差异，说明模型可信度高，可以预测实际萃取过程。原料含水量为7.10%与13.01%，2者之间具有显著性差异，说明原料含水量对酱渣萃取粗脂肪有显著影响。

表1 动力学模型的显著性分析Table 1 Significance analysis of kinetic model

前述分析表明,针对试验的2种原料，含水高(13.01%)的原料萃取速率比含水低(7.10%)的大；2种原料颗粒外表面都存在油脂，含水量7.10%的原料颗粒外表面油脂含量比13.01%的更大。

2.1.4 粗脂肪的溶解性试验

萃取的本质是溶剂对目标物的溶解过程，为进一步验证上文试验与动力学分析，即水分略高对粗脂肪的萃取有利，论文进行了粗脂肪在正已烷中的溶解性试验。结果如表2所示，含水量0.3%的豆油在正已烷中溶解度为(5.52±0.23)g/100g正已烷；而含水0.3%的粗脂肪为(10.57±0.38)g/100g正已烷。该试验表明，含相同且量不多的水，正已烷对粗脂肪的溶解度比豆油大得多。这也表明，从含少量水的酱渣中萃取粗脂肪，正已烷是一种较好的溶剂。

表2 含水豆油与含水粗脂肪在正己烷中的溶解度Table 2 Solubility of hydrous soybean oil and hydrous CF in n-hexane

2.2 亚临界丁烷萃取

图7显示，亚临界丁烷单次萃取适宜时间为20 min，4次已萃取完全。该试验表明，粕中残油比正已烷以及丙酮[8]萃取都低。

2.3 两种方法所获粗脂肪对比

2.3.1 理化性质对比

亚临界丁烷与正已烷2种萃取方法所获产物的对比见表3、表4。根据表3，2种方法所获脂肪酸组成无明显差异。但表4显示，亚临界丁烷所获产物的过氧化值以及酸值均比正已烷低。而且，图8显示，亚临界丁烷所获得的粕颜色浅很多。这是因为，与丙酮[8]、正已烷相比，亚临界萃取是常温萃取，38 ℃脱溶。全过程低温，对提高蛋白质以及油脂的品质更有利[27]。亚临界技术不破坏热敏性物质，工作压力低，目前已实现日处理物料达200 t[28]。论文试验显示，该技术完全可用于从酱渣中萃取粗脂肪。

表3 两种方法所获产物的脂肪酸组成Table 3 Fatty acids composition obtained by the two methods

表4 不同方法所获粗脂肪理化指标Table 4 Physical and chemical indexes of CF obtained by different methods

项目组换不同批次的酱渣进行了多次亚临界萃取试验，显示粗脂肪过氧化值6.00～12.16 mmol/kg，酸价为45.6～74.6 mg KOH/g。这与项目组前期采用真空干燥，再正已烷萃取所获结果基本相同。

2.3.2 粗脂肪红外光谱图

2.4 分析与讨论

2.4.1 水分的影响

酱油生产过程，大豆经过浸泡、蒸煮，蛋白质变性。而大豆蛋白为球蛋白，其表面有氨基、羧基等极性基团，表现为亲水性，内部为疏水性空间结构，油脂分子存在于疏水的内部空间。在发酵过程中，当蛋白质外壳被微生物分解并溶于水后，油脂分子在疏水作用下聚集成脂肪粒，被截留于酱渣颗粒内，该颗粒主要由纤维、残存蛋白等强极性物质构成，这些强极性物质吸水，形成相对稳定、质地柔软的颗粒结构。干燥时，大量水分子挥发，形成多孔网络结构，过大的部分孔洞坍塌，油脂分子聚集外露。因此，溶剂萃取速率快，且加入溶剂瞬间，有大量油脂溶解。

试验时，为方便对比，水分含量为7.10%与13.01%2种原料质量相同，溶剂用量也相同。原料含水高，则干基质量少，总油脂量少，相对于油脂质量，溶剂用量增大了，客观上增大了颗粒内外的浓度差，所以，萃取速率大，达平衡时残油也低。也正是由于水分为7.10%的原料中油脂含量高，初始质量浓度大，即c0≠0，且c0更大，即颗粒外表面油脂的量更大。

根据上文的试验结果，萃取1次，水分含量7.10%酱渣的残油为8.00%。如果去除水分，以干基进行计算，达到平衡时，水分含量13.01%酱渣的理论残油应为7.48%，这与实测值7.60%接近。这说明，水分含量为13.01%的酱渣，达平衡时残油率更低，主要原因是溶剂用量相对于干基增加所致。这也说明只要水分含量不超过13%，它对粗脂肪萃取的影响都可以忽略。但如果原料水分含量超过20%，如图5所示，水对萃取的影响非常显著，可以得出：用正已烷萃取酱渣中的粗脂肪，原料水分含量对萃取效果的影响较复杂，随着水分含量升高，呈现出先有利，再无影响，最后不利的趋势，无显著影响(转折点)的水分含量约为13%。

酱油在生产过程中，所用含油原料主要为大豆。在发酵过程中，部分甘三酯水解，生成了游离脂肪酸[29]，这类物质极性较大，使得体系极性增强，根据相似相溶原理，溶剂中含少量极性物质对萃取更有利。这使得酱渣中含少量水对正已烷萃取其中的粗脂肪有利。

2.4.2 亚临界丁烷萃取的经济性

单从萃取上看，工业规模亚临界萃取成本比正已烷高，每吨约高几十元。如果从获得产品全过程来看，常规方法，采用真空，设置要求高、处理量小、产业化难度大。不采用真空，产品颜色深、过氧化值高、产品开发难度大。采用本文的方法，新鲜酱渣经预压、热风干燥将水分含量降至13%左右，再正已烷萃取，粗脂肪回收较完全，利于实现工业化。但是，从粕中以及从混合油(萃取得到的溶液)中回收正已烷，所需温度高，对粗脂肪以及粕均不利。

亚临界丁烷萃取效率高、干燥时间短、粗脂肪几乎不被氧化、粕中粗脂肪的残留低。丁烷脱除、回收容易，无溶剂残留，适宜于大批量处理。亚临界技术工作压力低，目前相关设备已大规模生产，工业化无困难。综合上述分析，与正已烷相比，亚临界丁烷萃取无疑更具有优越性。