超聲波輔助提取杜氏鹽藻油脂工藝研究

李秀霞 孫協(xié)軍 韓魯佳

超聲波輔助提取杜氏鹽藻油脂工藝研究

李秀霞1孫協(xié)軍1韓魯佳2

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院1，錦州 121013)
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院2，北京 100083)

對(duì)杜氏鹽藻油脂的超聲波提取工藝進(jìn)行了研究，采用響應(yīng)面分析法分析了液固比、超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)鹽藻油脂得率的影響，并建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。方差分析的結(jié)果表明，液固比、超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)油脂得率都有顯著影響(P＜0．005)，液固比的二次方項(xiàng)(P＜0．005)和超聲溫度的二次方項(xiàng)(P＜0．01)對(duì)油脂得率有顯著影響，并且超聲溫度和時(shí)間存在交互作用(P＜0．05)，考慮到提取效率、成本和可行性，利用約束復(fù)合形法對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到的最佳工藝參數(shù)為:在選用丙酮為提取溶劑的條件下，液固比29∶1 mL/g、超聲時(shí)間47 min、超聲溫度48℃。在最佳工藝參數(shù)下，鹽藻油脂得率為16．03%，與預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

鹽藻 超聲波輔助提取 油脂得率

杜氏鹽藻(Dunaliella salina)俗稱鹽藻，是一種廣泛分布于海洋和鹽湖等鹽度較高地區(qū)的綠藻，為單細(xì)胞的浮游植物，屬于綠藻門、綠藻綱、團(tuán)藻目、多毛藻科、杜氏藻屬，是杜氏藻屬中最具代表性的藻種［1］。鹽藻脂肪含量較高，富含ω－3和ω－6多不飽和脂肪酸，不僅可作為植物油的替代品，還可作為生物柴油的原料油使用［2－4］。微藻油脂的提取方法主要有碾磨法、酸水解法、索氏抽提法和加熱回流法等［5］，由于鹽藻沒有細(xì)胞壁，細(xì)胞外只有一層彈性膜［1］，所以超聲波空化作用可起到很好的傳質(zhì)作用，加速油脂的提取效率。本試驗(yàn)的研究目的是采用超聲波輔助提取的方法，通過單因素和正交試驗(yàn)對(duì)鹽藻油脂的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1．1 材料

鹽藻粉:大連豐源達(dá)餌料有限公司。

1．2 主要試劑和儀器

37種脂肪酸甲酯標(biāo)品(30 mg/mL):美國(guó)Restek公司;三氟化硼乙醚溶液、丙酮、乙醚均為分析純。

2014C氣相色譜儀:島津儀器蘇州有限公司;HGT－300E氮、氫、空氣發(fā)生器:北京匯龍公司;KQ－500DV型數(shù)控超聲波清洗器:昆山超聲儀器有限公司;DZKW－D型恒溫水浴鍋:河北黃驊市航天儀器廠;RE－52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;SHB－3循環(huán)水式多用真空泵:河南鄭州長(zhǎng)城儀器廠。

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 超聲波提取方法

準(zhǔn)確稱取鹽藻粉樣品1 g于100 mL具塞錐形瓶中，按試驗(yàn)要求加入一定的提取溶劑，超聲處理一定時(shí)間后減壓抽濾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收溶劑，然后將提取物放入105℃烘箱干燥至恒重，計(jì)算油脂得率。

1．3．2 色譜條件

色譜柱:Rt－2560，100 m ×0．25 mm ×0．2 μm;升溫程序:初始溫度 100℃，以 4℃/min升至240℃，保持35 min;入口壓力135．5 kPa，載氣氮?dú)?，總流?28．1 mL/min，柱流量 0．49 mL/min，線速度11．9 mL/min，進(jìn)樣量1 μL，分流比50∶1，汽化室溫度225℃，檢測(cè)器溫度250℃。

1．3．3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS及Matlab數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行分析，以油脂得率為考查指標(biāo)。

其中油脂得率按下式計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2．1 提取溶劑的選擇

分別采用丙酮(超聲溫度50℃)、乙醚(超聲溫度30℃)、石油醚(沸程 60～90℃，超聲溫度50℃)、正己烷(超聲溫度50℃)、乙酸乙酯(超聲溫度50℃)和石油醚/乙醚(1∶1，V/V;超聲溫度50℃)為提取溶劑，在超聲功率420 W和液固比5∶1(mL/g)條件下超聲提取10 min，比較不同溶劑對(duì)得率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 不同溶劑對(duì)鹽藻油脂得率的影響

由圖1可知，丙酮作為提取溶劑的得率最高，乙酸乙酯的得率次之，正己烷的得率最低，綜合考慮提取效率和成本因素，選擇丙酮作為單因素和正交試驗(yàn)的提取溶劑。

2．2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．2．1 超聲波功率的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，固定超聲溫度30℃和液固比5∶1，在不同的超聲波功率下超聲提取10 min，比較不同超聲波功率對(duì)鹽藻油脂得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲波功率對(duì)鹽藻油脂得率的影響

由圖2可知，超聲波功率在360 W時(shí)，油脂得率達(dá)到峰值。超聲波功率對(duì)油脂得率沒有顯著影響(P＞0．05)，這是因?yàn)橹挥泻苄∫徊糠殖暡軌騻鬟f到提取介質(zhì)而發(fā)揮作用［6］。超聲波功率提高，空化作用加強(qiáng)，同時(shí)水溫升高加快，油脂從物料到溶劑中的滲透作用加強(qiáng)，油脂得率提高，但當(dāng)超聲波功率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，藻粉內(nèi)外滲透壓達(dá)到平衡，油脂的得率趨于穩(wěn)定，因此，固定超聲波功率為360 W。

2．2．2 超聲溫度的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5∶1，在不同超聲溫度下提取10 min，比較不同超聲溫度對(duì)油脂得率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 超聲溫度對(duì)鹽藻油脂得率的影響

由圖3可知，超聲溫度對(duì)鹽藻油脂得率有顯著影響(P＜0．05)，超聲溫度在35～50℃范圍內(nèi)的油脂得率顯著高于20～30℃范圍內(nèi)的油脂得率(P＜0．05)，在20～40℃范圍內(nèi)，隨著超聲溫度的升高，鹽藻油脂得率也隨之增大，在超聲溫度超過40℃后，溶劑的損失較大，油脂得率也不再相應(yīng)增加，選擇40℃作為合適的超聲溫度進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2．2．3 超聲時(shí)間的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5∶1進(jìn)行超聲提取試驗(yàn)，比較不同超聲時(shí)間對(duì)油脂得率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)鹽藻油脂得率的影響

由圖4可知，超聲時(shí)間30 min時(shí)，油脂得率達(dá)到峰值。超聲時(shí)間對(duì)鹽藻油脂得率有顯著影響，其中，超聲時(shí)間5 min的油脂得率顯著低于其他各組的油脂得率(P＜0．05)，選擇30 min為合適的提取時(shí)間進(jìn)行以下試驗(yàn)。

2．2．4 液固比的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，在不同液固比下超聲提取，比較不同液固比對(duì)油脂得率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 液固比對(duì)鹽藻油脂得率的影響

由圖5可知，隨著液固比的增加，鹽藻油脂得率有增加的趨勢(shì)，當(dāng)液固比達(dá)到20∶1時(shí)，油脂得率達(dá)到峰值，并顯著高于液固比為5∶1時(shí)的油脂得率(P＜0．05)，取液固比20∶1進(jìn)行以下試驗(yàn)。

2．2．5 提取次數(shù)的影響

提取次數(shù)對(duì)鹽藻油脂得率的影響見圖6，由圖6可知，油脂得率隨著提取次數(shù)的增加而增大，在提取2次以后，油脂得率隨提取次數(shù)增加的趨勢(shì)變緩，選擇提取2次進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖6 提取次數(shù)對(duì)鹽藻油脂得率的影響

2．3 正交試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲波功率和提取次數(shù)對(duì)鹽藻油脂得率影響不大，因此固定功率為360 W，提取次數(shù)確定為2次，選取超聲時(shí)間(X1)、超聲溫度(X2)和液固比(X3)進(jìn)行3因素3水平的3次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。用Excel對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到鹽藻油脂得率的回歸方程如下:Y=15．77+0．18X1+0．11X2+0．18X3－ 0．01X1X2－ 0．03X1X3+0．08X2X3－0．14X1X1－0．01X2X2－0．09X3X3。

表1 正交試驗(yàn)的水平及因素

表2 提取正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)回歸方程做顯著性檢驗(yàn)與方差分析，結(jié)果見表3。從表3可知，回歸方程的復(fù)相關(guān)指數(shù)R2=0．94，說明回歸方程適合用于超聲提取鹽藻油脂的理論預(yù)測(cè)。對(duì)回歸方程一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)的t檢驗(yàn)結(jié)果見表4，由表4可知，除X1X2、X1X3和X2X2項(xiàng)不顯著外，其他各項(xiàng)都有不同程度的顯著性，剔除不顯著項(xiàng)后的回歸方程如下:Y=15．77+0．18X1+0．11X2+0．18X3+0．08X2X3－0．14X1X1－0．09X3X3。

表3 回歸方程的方差分析

表4 回歸系數(shù)的t檢驗(yàn)結(jié)果

各因素對(duì)鹽藻油脂油脂得率影響的主次順序?yàn)?超聲溫度＞液固比＞超聲時(shí)間。

2．3．1 交互作用分析

超聲時(shí)間和超聲溫度間存在交互作用見圖7，由圖7可知，超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)油脂得率均有較大影響，隨著超聲溫度的增加，油脂得率逐漸增加;超聲溫度水平越高，油脂得率達(dá)到最大值所需的時(shí)間越短。隨超聲溫度的增加，油脂得率先提高后降低，低溫長(zhǎng)時(shí)間可起到與高溫短時(shí)間相同的作用。

圖7 超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)鹽藻油脂得率的影響

2．3．2 最優(yōu)提取工藝參數(shù)的優(yōu)化

用約束復(fù)合形法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，所得優(yōu)化工藝為:液固比為29∶1、超聲時(shí)間47 min、超聲溫度48℃，在此組合條件下鹽藻油脂的油脂得率最高為16．20%。在優(yōu)化工藝條件下超聲提取鹽藻油脂，油脂得率為16．03%，相對(duì)誤差為1%，與預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

2．4 鹽藻油脂脂肪酸組成分析

對(duì)鹽藻油脂的脂肪酸分析結(jié)果見圖8，由圖8可知，鹽藻油脂主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等。

圖8 鹽藻脂肪酸氣相色譜圖

3 結(jié)論

建立了超聲提取鹽藻油脂的數(shù)學(xué)模型，以油脂得率為響應(yīng)值，各因素影響的主次順序?yàn)?超聲溫度＞液固比＞超聲時(shí)間。通過對(duì)提取過程工藝的研究，確定了超聲波提取鹽藻中油脂的最佳工藝參數(shù)為:液固比29∶1、超聲時(shí)間47 min、超聲溫度48℃，該工藝的油脂得率為16．03%，與預(yù)測(cè)結(jié)果相符。鹽藻油脂主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等脂肪酸。

［1］Ettl H．Taxono mische Bemerkungen zuden phytononadina［J］．Nova Hedvigia，1983，35:731 －736

［2］王銘，劉然，徐寧，等．13種微藻的脂肪酸組成分析［J］．生態(tài)科學(xué)，2006，25(6):542 －544

［3］蔣霞敏，鄭亦周．14種微藻總脂含量和脂肪酸組成研究［J］．水生生物學(xué)報(bào)，2003，27(3):243 －247

［4］王明清，遲曉元，秦松，等．海洋微藻總脂含量和脂肪酸組成的測(cè)定［J］．中國(guó)油脂，2008，33(11):67 －70

［5］Lee SJ，Yoon B D，Oh H M．Rapid method for the determination of lipid from the green alga Botryococcus braunii［J］．Biotechnol，1998，12(7):553 －556

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Optimization of Ultrasound Assisted Extraction Tech－nology of Oil from Dunaliella Salina

Li Xiuxia1Sun Xiejun1Han Lujia2
(College of Biology and Food Science，Bohai University1，Jinzhou 121013)
(College of engineering，China Agricultural University2，Beijing 100083)

Tech－nology for ultrasound assisted extraction of oil from Dunaliella salina was investigated．Response surface methodology was used to optimize some operating parameters on the effects of ultrasound assisted extraction of oil from Dunaliella salina on the extracting ratio of oil．Three independent variables tested were ratio of liquid to solid，ultrasonic time，and ultrasonic temperature．The T－test and p－value indicated that quadratic liquid－to－solid ratio(P ＜0．005)，and the three variables(P ＜0．005)，followed by the quadratic of ultrasonic temperature were important linear variables affecting the total oil extracting ratio(P ＜0．01)，and the interactive effect between ultrasonic temperature and ultrasonic time was also significant(P ＜0．05)．Considering the efficiency，the economic of materials and the feasibility of experiment，the technique parameters were optimized by the constrained complex method．The optimal conditions were obtained as follows:the ratio of liquid to solid，ultrasonic temperature，and ultrasonic time were 29∶1 mL/g，47 min，and 48 ℃ respectively．The highest total oil extracting ratio was predicted as 16．03%when Dunaliella salina powder was extracted under the optimal condition，which was consistent with the predicted value by RSM．

Dunaliella salina，ultrasound assisted extraction，oil extracting ratio

TS219

A

1003－0174(2011)10－0075－05

博士后科學(xué)基金(20090460422)

2010－11－28

李秀霞，女，1973年出生，副教授，博士，食品科學(xué)與工程

韓魯佳，女，1964年出生，教授，博士生導(dǎo)師，生物質(zhì)資源開發(fā)與利用