杜仲籽油品质、提取工艺及开发应用研究进展

2022-02-01武毅楠慕昊言高梦珂李钦

河南大学学报（医学版） 2022年5期

武毅楠慕昊言高梦珂李钦

河南省杜仲栽培与利用工程实验室,河南开封475000

杜仲(EucommiaulmoidesOliver)是杜仲科杜仲属杜仲种的植物,因其杜仲经济价值高,适应性强,各地将杜仲开发作为调整林木树种结构的重要举措。根据《全国杜仲产业发展规划(2016—2030)》,到2019 年6 月,中国杜仲种植面积达到40万hm2左右,其中的良种基地增加了1.33 万km2,并选育出100 多个高产良种,建立了核心种质资源库[1],其中贵州、湖南、陕西、河南、四川和湖北等地已成为中国杜仲的主要产区。随着果园化种植和标准化管理的推行,杜仲籽产量比传统栽培模式的提高了40倍以上[2]。

杜仲籽油是杜仲籽最主要的成分,含油率可达到33%～40%,是一种优质食用木本油料资源[3]。目前中国粮油的自给率与实际需求差距很大,对外依存度达到65%以上,发展杜仲籽油对缓解中国食用油紧缺的现状、保证食用油安全具有重要意义。

中国现代杜仲籽油产业已有70余年的发展历史,现阶段已实现杜仲高效培育,杜仲籽油产量可达225 kg/km2左右[4]。杜仲籽油富含多种不饱和脂肪酸,其中α-亚麻酸含量达50%以上[5],为橄榄油、核桃油、茶油的8～60倍。但目前中国只有少数几家具有自主知识产权的杜仲行业知名品牌和具有市场竞争力的企业出售杜仲籽油系列产品[6],如湘西老爹生物有限公司旗下以杜仲籽油为原料生产的杜仲亚麻酸胶囊、杜仲调味油等。而现有的这些产品只有少数成为区域性品牌,占领了一定的市场份额,行业内须进一步开展杜仲籽油深加工研发,提升产业附加值。

随着大健康产业的发展和中国杜仲种植面积的逐年扩大,杜仲副产物加工产品在食品、营养保健、日用化工等领域不断涌现。自从卫生部于2009年12号公告将杜仲籽油确定为新资源食品以来,因其不饱和脂肪酸含量较高,有着较高的研究价值,杜仲籽油的深度开发加工利用引起人们广泛关注。本文拟综述近年来杜仲籽油品质、提取工艺及开发应用的研究进展,以期对杜仲籽进一步开发利用提供参考。

1 杜仲籽油品质

1.1 理化性质

1.1.1 理化指标

中国居民食用油主要以菜籽油、花生油、大豆油、葵花籽油为主,市场上备受推崇的新资源食品油有牡丹籽油、亚麻籽油、紫苏籽油、茶籽油和元宝枫籽油几种。对比表1中常见植物油的理化性质,可以看出杜仲籽油的折光指数、相对密度和皂化值与常见植物油区别不大,具有较高的可食性。杜仲籽油碘值为1.85～1.92 g/100 g,而元宝枫籽油、菜籽油、花生油、大豆油、葵花籽油的碘值在1.40 g/100 g以下,与杜仲籽油碘值差距明显,所以根据测定碘值一定程度上可检测杜仲籽油是否掺杂一些廉价的居民植物油,但是这对检验人员的敏感判断要求和专业素质要求非常高。

表1 常见植物油理化性质

1.1.2 氧化稳定性

植物油脂在储藏过程中发生氧化导致油脂酸值和过氧化值升高,并产生挥发性化合物产生强烈的刺激味,影响口感使得消费者难以接受。焦惠丽等[17]对杜仲籽油进行氧化诱导试验发现,溶剂浸出法提取的杜仲籽油抗氧化能力明显强于压榨法提取的杜仲籽油,但不同工艺提取的杜仲籽油在储藏过程中均会发生氧化酸败。杜仲籽油属于高亚麻酸植物油脂。由于不饱和程度很高,再加上储藏过程中金属离子的渗入以及光照等因素极易发生氧化酸败,所以如何增强杜仲籽油的抗氧化性能是杜仲籽油应用的关键。

目前延长油品的贮藏期最普遍有效的方法是添加抗氧化剂。常用的抗氧化剂主要包括天然抗氧化剂(类胡萝卜素、维生素E、茶多酚等)和人工合成抗氧化剂(二丁基羟基甲苯、叔丁基对苯二酚、丁基羟基茴香醚、没食子酸丙酯等)两种。张应等[18]采用Schaal烘箱法,以过氧化值为指标,研究维生素E、特丁基对苯二酚、茶多酚对杜仲籽油的抗氧化作用,发现特丁基对苯二酚对杜仲籽油的抗氧化作用最强,并且与质量分数呈正比,茶多酚次之,天然维生素E 最弱。王小媛等[19]以过氧化值、酸价和脂肪酸含量为评判指标,采用Schaal烘箱法探究5 种抗氧化剂丁基羟基茴香醚(BHA)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、维生素E(VE)、鼠尾草酸(CA)和L-抗坏血酸棕榈酸酯(LAP)对杜仲籽精炼油氧化稳定性的影响,5种抗氧化剂抗氧化效果从大到小依次为TBHQ＞CA＞L-AP＞BHA＞VE,最佳添加量依次为0.02%,0.05%,0.02%,0.02%,0.01%;其中添加0.02%TBHQ 的杜仲籽精炼油在25,40,50,60℃下的货架期分别从10.70,8.76,7.74,6.89 d 延长至41.41,19.71,12.48,8.13d。因此TBHQ 是杜仲籽油较为理想的抗氧化剂。

1.2 化学成分

1.2.1 脂肪酸成分及含量

基于对新资源食品油的认识,近年来,有不少学者对杜仲籽油成分含量方面展开大量研究,用于开发其商业价值。对不同种类常见植物油中脂肪酸组成及含量进行比较见表2。由表2可知,杜仲籽油的脂肪酸组成丰富,以不饱和脂肪酸为主,必需脂肪酸含量较高,无毒,可食用。主要包括8.03%棕榈酸、3.08%硬脂酸等饱和脂肪酸以及19.69%油酸、13.41%亚油酸、53.78%亚麻酸等不饱和脂肪酸。

表2 常见植物油主要脂肪酸成分组成及含量

杜仲籽油脂肪酸含量可以与牡丹籽油、亚麻籽油和紫苏籽油等新资源食品植物油相媲美,但杜仲籽油的不饱和脂肪酸中α-亚麻酸含量最高,达到53.78%,远远高于其他植物油。α-亚麻酸具有预防心脑血管疾病、抗癌、抗炎、抗氧化、促进视网膜发育等多种生理作用[24-25]。因此,适当摄入富含α-亚麻酸的杜仲籽油是维持人体营养均衡的关键。

1.2.2 功能性成分及矿物质元素

杜仲籽油含有多种功能性营养成分,如生育酚、多酚、植物甾醇和矿物质元素等,营养价值高。根据Shi等[7]的研究可知,杜仲籽油含有铁19.60～63.41 μg/g、锌22.69～30.48 μg/g、铜10.11～21.82μg/g等微量元素和钠200.17～264.68 μg/g、镁28.17～63.41 μg/g 等常量元素,并且杜仲籽油中含有4 032.38～5 169.57 mg/kg植物甾醇和1 078.33～1 424.44 mg/kg的生育酚。植物甾醇属于天然活性物质,具有降血脂、抗炎、抗氧化等功效[26-27],生育酚和多酚是种子油中重要的天然抗氧化剂[28],能清除活性氧来延缓油脂氧化。微量元素在促进人体生长发育过程中起着重要作用[29]。对比表3中常见植物油微量活性成分含量,可以看出杜仲籽油中锌、镁、生育酚和植物甾醇含量高于其他食用植物油。鉴于此,杜仲籽油作为一种营养价值较高的食用植物油必将受到更多人的青睐。

表3 常见植物油中微量活性成分含量[30-34]

2 杜仲籽油提取工艺

目前,国内外对杜仲籽油的提取工艺进行了较多研究,主要包括传统提取工艺(压榨法和浸出法)和现代提取工艺(微波辅助提取法、超临界CO2萃取法和水酶法)两部分,每种方法杜仲籽的出油率和理化性质各有差异。

2.1 传统提取工艺

2.1.1 压榨法

机械压榨法是通过施加物理压力,使油脂从油料中分离出来的一种提取方法。常用螺旋榨油机和液压榨油机2种。具体加工工艺流程:杜仲籽→清选→壳仁分离→籽仁→干燥软化→蒸炒→物理压榨→过滤去杂→杜仲籽油。王蓝等[35]用螺旋榨油机进行榨油,榨3～4 遍,杜仲籽出油率达到21%～25%,同时在压榨的杜仲籽油中检测到了具有保肝作用的桃叶珊瑚苷。这一成分在用其他提油方法提取的杜仲籽油中未检测到。压榨法工艺简单,是工业化生产油脂的主要方法,但杜仲籽粒较小,在带壳压榨的条件下出油率较低,杂质含量高,油脂品质低劣。

2.1.2 浸出法

溶剂浸出法利用溶剂对油脂的溶解能力,从油料中将油脂萃取出来,再经蒸馏等工序将油脂和溶剂分离的方法。最大特点是出油率较高、生产成本低。采用的有机溶剂主要是正己烷、环己烷和石油醚、三氯甲烷、乙醇及丙酮等。王蓝等[35]用组罐式浸提法,正己烷为提取溶剂,m杜仲籽粕饼∶V正己烷=4∶1(g/m L),浸提温度60 ℃左右,时间90～120 min,杜仲籽得油率可达30%。黄诚等[36]通过混合溶剂(环己烷和石油醚)进行提取,在料液比1∶8(g/m L)、溶剂密度0.754 g/cm3、提取温度60℃、提取时间60 min的条件下杜仲籽出油率达30.10%。相比压榨法,溶剂浸出法出油率升高,但存在一些问题:①有机溶剂存在易燃易爆危险,安全隐患严重;②油和饼粕中溶剂残留问题严重,同时大量使用有机溶剂,对环境是有害的。

2.2 现代提取工艺

2.2.1 微波辅助提取法

微波辅助提取法是借助产生高频率的机械振动波加速溶剂进入样品细胞内,提高溶剂浸出率,缩短提油时间[37]。与传统提取方法相比,微波辅助提取具有提取率高、溶剂消耗低、提取时间短、油品质量高等优点。崔国强[38]采用真空微波辅助提取法从杜仲翅果中提取杜仲籽油,验证浸泡时间、真空度、液料比、微波功率等单因素对杜仲籽油的得率的影响。试验优化的结果为微波功率450 W,真空度0.09 MPa,液料比20∶1(m L∶g),微波照射时间25 min时杜仲油得率为91.2 mg/g,萃取效率高,杜仲籽油氧化稳定性强。微波辅助提取法可以提高原料出油率,同时油脂品质也有明显提升,但目前应用微波辅助提取杜仲籽油的研究比较少,尚处于试验研究阶段,未规模化生产,相关工艺条件还需进一步深入探究。

2.2.2 超临界CO2萃取法

超临界CO2萃取是以临界状态的CO2流体为溶剂,从油料作物中萃取分离出有效油脂成分的一种绿色环保的提取方法。孟雨东等[39]研究发现,在萃取压力30 MPa、温度40 ℃、时间1.5 h、CO2流量25 kg/h的条件下,杜仲籽出油率为28.74%,该法萃取的杜仲籽油游离脂肪酸少、酸值低。Zhang等[40]通过响应面分析法确定超临界CO2萃取杜仲籽油的最佳条件,并对杜仲籽油的质量进行评价。结果表明,最佳萃取条件为:压力37 MPa,温度40℃,萃取时间125 min,CO2流量(标准状态下)2.6 L/min;气相色谱分析表明,杜仲籽油的亚麻酸含量约为61%,其脂肪酸组成与亚麻籽油和紫苏籽油相似。高效液相色谱分析表明,杜仲籽油中含有丰富的维生素E(190.72 mg/100g),维生素E 的主要异构体是γ-生育酚和δ-生育酚,分别占维生素E 总量的70.87%和24.81%。

超临界CO2萃取法采用环境友好型工艺,在脂肪酸组成相似的条件下,可获得接近传统萃取法的杜仲籽油提取率,并且成品油质量好,有效成分能得以保存。但超临界CO2提取设备复杂、能耗高、设备损耗大,在实际生产应用中极易受限,相关理论与技术研究仍需不断探索。

2.2.3 水酶法

水酶法是利用酶水解油料种子细胞壁,使蛋白质、糖、油脂的结合结构松散,油脂游离出来,再利用水和油二者互不相容的特性将二者分离的一种方法[41]。水酶法是现代提取油脂的方法之一,其优点有绿色、安全、对环境污染少等。谢鑫等[42]通过碱性蛋白酶提取杜仲籽油,在m杜仲籽仁∶V水=1∶10(g/L)、酶解温度55 ℃、酶解p H 值8.5、酶解时间3 h的条件下,出油率达81.3%,但一部分油脂存在于乳状液中。水酶法提取相对于溶剂提取法,提取温度较低,不需要易燃易爆溶剂且不产生有害废物,减少亚麻酸等不饱和脂肪酸的氧化,提高油脂质量,是一种高效环保的杜仲籽油提取方法。但目前关于水酶法提取杜仲籽油仍需要解决一些问题:①水酶法所用酶价格昂贵,且酶的选择及性能存在一定的盲目性,工业成本高;②水酶法提油工艺中用酶量较大,酶解效率还偏低,一部分油脂存在于乳状液中,对乳状液进行有效破乳是提高杜仲籽油得率的关键,需进一步深入研究乳化成分及乳化机制。

目前杜仲籽油的提取方法中,溶剂提取法和微波辅助提取所采用的溶剂具有一定的毒性,会对环境造成污染;超临界萃取法,设备复杂且较为昂贵,难以实现工业化。作为绿色油脂提取技术的压榨法、水酶法等,应针对杜仲籽的性能特点进一步完善。单独使用某一提取方法难以“安全、营养、环保、经济”的绿色提油技术要求,要真正满足绿色提油技术要求可向复合工艺方面发展,以推进现代绿色提取杜仲籽油技术的工业化应用。表4列出了不同提取工艺杜仲籽油的理化性质。

表4 不同提取工艺杜仲籽油的理化性质

3 杜仲籽油开发应用

杜仲籽油作为一种富含不饱和脂肪酸的植物油脂,因其含有50%以上的人体必需脂肪酸α-亚麻酸和多种功能性营养成分,在食品、营养保健、日用化工等领域具有广阔的应用前景[45]。但由于不饱和脂肪酸结构不稳定,在加工、存储过程中极易发生氧化、异构化和聚合[46],破坏油脂的感官味道和营养特性,从而导致衰老和疾病。所以杜仲籽油多采用绿色包埋(微胶囊、纳米乳剂、油脂质体)技术进行深加工,作为其他食品保健品中功能性基料进行应用。

3.1 微胶囊

微胶囊技术是将活性核心材料包裹在聚合物中形成10～1 000μm[47]大小的微小颗粒,避免其受光、热、氧化及其他物质的破坏,可长期储存[48]。与其他剂型相比,微胶囊具有生物利用度高、外形美观等特点。

麻成金等[49]以m麦芽糊精∶m阿拉伯胶=1∶1为壁材,芯材与壁材(m杜仲籽油∶m复合壁材)比率2∶3的优化配方下用喷雾干燥法制备的杜仲籽油微胶囊包埋效率稳定在84%～86%。马婷婷等[50]以芯材与壁材(m杜仲籽油∶m明胶∶m阿拉伯胶)为1∶2∶2的比例下用复合凝聚法在反应温度50 ℃、时间60 min、p H为4的条件下对杜仲籽油进行微胶囊化处理,包埋率为34.32%。Zhang 等[51]以m壳聚糖∶m阿拉伯胶=1∶8为壁材,芯材与壁材(m杜仲籽油∶m复合壁材)为1∶4条件下用复合凝聚法在壁材浓度为2.5%,搅拌速度为500 r/min,聚集体p H 值为4.2的条件下对杜仲籽油进行微胶囊化处理,包封率为73.3%。喷雾干燥法和复合凝聚法操作安全简单,是微胶囊制备过程中常用的两种方法。而壁材及比例的选择是微胶囊制备的关键,马婷婷和Zhang均选用复合凝聚法,但二者选用的壁材及比例不同直接影响到了制备出的杜仲籽油微胶囊的稳定性、溶解性、包封率和产率[52]。

杜仲籽油微胶囊化处理后杜仲籽油的氧化稳定性和热稳定性得到提高[53],这是由于微胶囊壁材在油水界面可形成一层致密的抗氧化薄膜。微胶囊技术使得杜仲籽油在保健品领域迅速发展起来。如米兴才等[54]利用微胶囊化技术开发了一款富含α-亚麻酸和山楂酸新型山楂保健品,风味独特,营养丰富。高锦明等[55]用微胶囊化技术开发了一种杜仲籽油微囊粉,改善了杜仲籽油风味、延长了保质期。这些发明专利的出现进一步表明了微胶囊化技术在杜仲籽油开发利用中的重要性。

3.2 纳米乳剂

纳米乳剂主要分为水包油型、油包水型和双连续型3种,是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等自发形成粒径为1～100 nm 的均相分散体系[56]。纳米乳剂作为新型活性物质载体,具有粒径小、抗沉降和乳析的动力学稳定特性。因此将杜仲籽油制备成纳米乳,不仅可以预防不饱和脂肪酸氧化产生对人体有害的物质,还可提高杜仲籽油的利用率和应用价值。

王小媛等[57]制备出粒径为67.9 nm 水包油(O/W)型杜仲籽油纳米乳液,并对其贮藏期粒径分布、Zeta电位、过氧化值进行测定。结果发现当贮藏温度处于4 ℃和25 ℃时,乳液的Zeta电位保持在-30～-20 m V;加速氧化45 d内,乳液的POV 值从2.41 meq/kg上升至9.49 meq/kg。说明随着贮藏时间的延长和温度的升高,乳液的稳定性逐渐降低。Wang等[58]采用动态高压微流态化(DHPM)在100 MPa的压力下处理了5次,每次5 min,制备出具有良好动力学稳定性的杜仲籽油纳米乳。Zhu等[59]以杜仲籽油、蒸馏水、山梨醇酐单油酸酯80、吐温80的混合物为原料,制备出油包水(W/O)型杜仲籽油微乳液。根据亲水亲油平衡值(HLB)、助表面活性剂类型、助表面活性剂比例建立假三元相图来说明杜仲籽油微乳液的相行为。通过动态光散射、透射电子显微镜和电导率测量来表征其微观结构。杜仲籽油微乳对p H 值和盐度具有良好耐受性的最佳工艺条件:丙二醇为助表面活性剂,V水∶V丙二醇=1∶1、V山梨醇酐单油酸酯80∶V吐温80=6∶4条件下时可制备出粒径在60 nm 以下,外观透明对DPPH 和ABTS自由基清除能力较强的杜仲籽油纳米乳剂。

综上,杜仲籽油制备成纳米乳剂后增强了杜仲籽油的水溶性和稳定性,从而提高杜仲籽油的生物利用度,进而促进了杜仲籽油药物制剂领域的发展。如欧阳五庆等[60]利用纳米乳化技术开发了一种水包油型索他洛尔、杜仲籽油纳米乳抗高血压药物,纳米乳剂型将水溶性索他洛尔和脂溶性杜仲籽油有机结合起来,延长药物的半衰期。湖南奇异生物科技有限公司[61]开发了一种杜仲籽油纳米乳注射液的制备方法,该法制得的注射液粒度均匀,质量稳定,能提高机体免疫能力。

3.3 脂质体

脂质体是天然无毒,可以包裹亲水性和疏水性治疗药物直径范围为0.01～5.0 μm 的胶体载体[62-63]。陈亮等[64]采用乙醇注入—超声波法在大豆卵磷脂240 mg,m大豆卵磷脂∶mβ-谷甾醇=3.1∶1.0,吐温80用量20%,m大豆卵磷脂∶m杜仲籽油=4∶1,超声13 min时制备出外观平滑完整,分布均匀,无明显塌陷和凝聚成团现象的杜仲籽油脂质体,包埋率为75.26%。

脂质体作为一种新型载体,具有可生物降解性,能使被包裹药物靶向体内所需的病变部位。脂质体技术增加了杜仲籽油的物理稳定性和氧化稳定性,提高其生物利用度,进一步促进了杜仲籽油在药物制剂领域的发展。

3.4 其他应用

杜仲籽油在食品和日用化工等方面也多有应用。贾润萍等[65]通过紫外光催化改性方法制备了超支化杜仲籽油基多元醇,再以此为原料制备出亲水性热塑性聚氨酯弹性体(TPU),减轻对石油资源的依赖和对环境的污染。湖南奇异生物科技有限公司[66]用杜仲籽油开发了一款有效抗击紫外线,淡化色素的杜仲籽油美白润肤乳液。李钦等[67]用杜仲籽油开发了一种富含α-亚麻酸的蛋黄酱,风味独特,营养丰富。