超聲波輔助法提取山核桃油的研究

王文瓊 包怡紅 蔡秋紅 于陽陽

(東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱 150040)

山核桃(胡桃秋 Juglans mandshurica Maxim，又名核桃、核桃楸、楸子)產(chǎn)自黑龍江小興安嶺海拔500～800 m以下，及東部山區(qū)、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部、河北、山西等地。山核桃仁中含有豐富的蛋白質(zhì)、油脂及礦物原元素，含有多種人體必需脂肪酸，對降低人體血清蛋白中的膽固醇、防止動脈粥樣硬化和血栓的形成具有積極的作用，廣泛應用于食品、醫(yī)藥等領域［1］。

傳統(tǒng)提油多采用壓榨法和有機溶劑浸出法，這些方法不能充分利用油料中所含的豐富蛋白質(zhì)，且壓榨法產(chǎn)油率低，精制工藝繁瑣，油品色澤不理想;有機溶劑浸提法提取時間較長，溶劑揮發(fā)損失較多，成本較高，且提油率較低。而超聲波輔助提取可提高有效成分的提取率，縮短提取時間，提高提取效率，節(jié)省溶劑用量，簡化操作步驟［2］。它是利用超聲波產(chǎn)生的強烈振動、空化及攪拌等超聲效應的協(xié)同作用，提高物質(zhì)分子運動頻率和速度，能使植物組織在溶劑中產(chǎn)生空化泡崩潰，使組織細胞破裂，溶劑更容易滲入植物細胞中，加速相互滲透溶解，增加提取物在溶劑中的溶解度。所以在超聲波的作用下，無需加熱或降低原本加熱的溫度就能增加物質(zhì)有效成分的提出率，應用前景十分廣闊［3－4］。岳琳等［5］分別采用索氏抽提法、超聲波提取法、微波萃取法對新疆和田地區(qū)薄皮核桃提取核桃油，并采用氣相色譜－質(zhì)譜法對所得核桃油進行脂肪酸組成分析，結果表明，3種不同的提取方法對核桃油的理化性質(zhì)有一定影響，但對脂肪酸組成及含量基本無影響。Gravotto等［6］研究表明，超聲波輔助提取技術用于油脂類化合物的提取有助于提高出油率，縮短提取時間，并能保證油脂的品質(zhì)。

本試驗采用超聲波強化溶劑浸山核桃油油的方法，確定了提取山核桃油油的最佳工藝參數(shù)，將超聲波技術用于強化油脂浸出提取過程，以提高提油率、縮短提油時間、減少萃取溶劑的用量，簡化提取操作步驟，以期改善傳統(tǒng)溶劑提取法的不足，尋求新的高效的山核桃仁油提取工藝過程。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

山核桃:采自牡丹江;石油醚、正己烷、無水乙醇、三氯甲烷、丙酮、冰乙酸、環(huán)己烷、鹽酸、氫氧化鉀:天津市天力化學試劑有限生產(chǎn);硫代硫酸鈉:天津市風船化學試劑有限公司;碘化鉀:天津市凱通化學試劑有限公司;可溶性淀粉:天津基準化學試劑有限公司;酚酞:天津市科密歐化學試劑開發(fā)中心。

1.2 試驗儀器

TDL－40B－W臺式低速大容量離心機:湖南南里科科學儀器有限公司;JY92－2 D超聲波細胞粉碎儀:寧波新芝生物科技股份有限公司;JA 2003型電子天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;RE－52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;6890N型氣相色譜儀:安捷倫公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 山核桃仁組成成分測定

含仁率:參照GB 5499—1985;水分及揮發(fā)物:參照GB 5528—1985;粗脂肪:參照 GB 5512—1985;粗蛋白:參照GB 5511—1985。

1.3.2 超聲波提取工藝流程

山核桃→去殼取仁→粉碎→過篩→稱質(zhì)量→與溶劑混合→超聲波處理→離心→取上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→毛山核桃油

1.3.3 試劑的篩選

準確稱量已破碎的山核桃仁10.00 g，置于燒瓶中，分別入提取溶劑:正己烷、無水乙醇、石油醚、丙酮、三氯甲烷70 mL，進行超聲波輔助處理，設置相同的功率500 W和全程時間為50 min。然后在4 000 r/min條件下離心20 min，取上清液，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進行濃縮，將濃縮物置鼓風干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，得核桃油，稱油質(zhì)量。

提油率=山核桃油質(zhì)量/山核桃仁質(zhì)量×100%

1.3.4 超聲波提取山核桃油的單因素試驗

1.3.4.1 液料比對山核桃提油率的影響

超聲功率500 W，超聲時間50 min，設置不同液料比為 5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(mL∶g)，研究液料比與提油率的關系。

1.3.4.2 超聲時間對山核桃提油率的影響

液料比7∶1，超聲功率500 W，設置不同超聲時間為 20、30、40、50、60、70 min，研究不同超聲時間對提油率的影響。

1.3.4.3 超聲波功率對提油率的影響

液料比7∶1，超聲時間為50 min，設置超聲波功率為 200、300、400、500、600、700 W，研究超聲功率對提油率的影響。

1.3.5 響應面法優(yōu)化提取工藝

根據(jù)響應面分析法優(yōu)化超聲波提取核桃仁油的工藝參數(shù)綜合單因素試驗結果，確定提取核桃油的液料比(X1)、超聲功率(X2)和提取時間(X3)，運用 Design Expert 7.0.0軟件程序，根據(jù) Box－Behnken中心組合試驗設計原理，采用3因素3水平的響應面分析法，以核桃油的提油率為響應值作響應面，對提取條件進行優(yōu)化。響應面分析因素與水平見表1。

表1 響應面中心組合試驗因素水平表

1.3.6 山核桃油中脂肪酸含量檢測

脂肪酸的測定方法為GB/T 17376—2008中酯交換法。

1.3.7 超聲波提取山核桃油理化指標測定

對超聲波法和超臨界萃取法提取的山核桃油進行理化指標檢測，對比分析超聲波提油效果。相對密度(20℃):GB/T 5526—1985;酸值(mg KOH/g):GB/T 5530—2005;過氧化值(mmol/kg):GB/T 5538—2005;碘值(gI2/100 g):GB/T 5532—1995;皂化值(mg KOH/g):GB/T 5534—1995。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理方法

每個試驗重復3次，結果表示為平均值±偏差。運用Design Expert 7.0.0軟件程序，進行響應面的設計與分析，畫圖采用Excel。

2 結果與分析

2.1 山核桃組成成分測定結果

通過測定可知，山核桃含仁率為19.021%，山核桃仁中含水量為4.492%，灰分為2.961%，粗脂肪質(zhì)量分數(shù)為56.42%，粗蛋白質(zhì)量分數(shù)為33.125%。

2.2 不同溶劑對山核桃仁提油率的影響

山核桃仁油的溶劑法提取屬于固液萃取過程，過程中的傳熱傳質(zhì)速率，以及其經(jīng)濟性與溶劑的性質(zhì)密切相關。試驗選用了丙酮、無水乙醇、三氯甲烷、石油醚、正己烷分別提取山核桃仁油，操作參數(shù)為:液料比為7∶1(mL∶g)，提取時間50 min，超聲波功率500 W，以山核桃提油率為評價指標確定比較理想的提取溶劑。結果如圖1所示。

圖1 溶劑類型對提油率的影響

從圖1可知，正己烷的山核桃油得率為45.54%，比石油醚高5.49%，比丙酮高4.76%，比三氯甲烷高4.01%，而明顯高出95%的乙醇。由于石油醚易燃易爆，丙酮有毒性，溶劑殘留有害人體健康，不適于工業(yè)化生產(chǎn)，且正己烷也是工業(yè)提取油脂的常用溶劑。所以用正己烷作為提取山核桃仁油的溶劑［7］。

2.3 液料比對山核桃提油率的影響

稱取10.0 g過20目標準篩的山核桃仁，以正己烷為提取溶劑，超聲功率500 W，超聲時間50 min，選用 5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(mL∶g)不同液料比，提取山核桃油，液料比的變化對山核桃提油率的影響見圖2。

圖2 不同液料比對山核桃提油率的影響

圖2為液料比對山核桃油提油率的影響曲線。從圖2中可看出，隨著料液比的減少，也就是溶劑用量的增大，提油率在開始時有明顯的提高。這是由于對于一定質(zhì)量的山核桃仁來說，溶劑用量的增加會降低溶劑中山核桃仁油的濃度，增加了山核桃仁與溶劑接觸界面處的濃度差，從而提高了傳質(zhì)速率，在一定時間內(nèi)提油率增大。當溶劑用量增大一定程度后，由于山核桃仁中的油大部分已被提取出來，再增加溶劑用量，提油率沒有明顯提高。從經(jīng)濟角度考慮，溶劑用量也不應太大。當其他條件一定時，液料比為7∶1時，提取效果最佳。

2.4 超聲時間對山核桃油提取效果的影響

稱取10.0 g過20目標準篩的山核桃仁，按液料比7∶1加入提取溶劑正己烷，超聲功率500 W，提取時間越長，油脂的提取越完全，但時間過長，提取率升高不大，而且會破壞油脂中的營養(yǎng)成分，故提取時間應從多方面進行綜合考慮。本試驗對超聲提取時間為20、30、40、50、60、70 min 進行探討，考察超聲波時間對提取得率的影響。時間的變化對山核桃提油率的影響如圖3所示。

由圖3可知，當其他條件一定時，提取時間為50～60 min時，提取效果最好。在提取時間為20～60 min時，提油率隨著提取時間的延長而增加，并在60 min時達到最大的提油率;當提取時間為70 min時，提取率有所降低，但基本持平。這可能是由于超聲波時間過長反而會導致油脂發(fā)生分解反應所致。

圖3 不同超聲浸提時間對山核桃提油率的影響

2.5 超聲功率對提取得率的影響

稱量樣品10 g，過20目標準篩的山核桃仁，以正己烷為提取溶劑，選用7∶1的液料比，超聲時間為50 min，超聲功率設為 200、300、400、500、600、700 W提山核桃油，考察超聲波功率的變化對提油率的影響，結果見圖4。

圖4 不同超聲功率對山核桃提油率的影響

從圖4可以看出，超聲波功率在200～600 W范圍內(nèi)，提油率隨著功率的增大而增加，這由于超聲波功率增加后，超聲波強度增強，對山核桃仁的破碎力度增大，進而使提油率上升，功率在600 W時，提油率達到最大，但功率超過600 W，提油率隨著功率的增大反而減少。這可能是由于超聲波具有無選擇性的破壞作用，高功率條件下，空化作用不僅破碎細胞壁，也破壞欲提取物質(zhì)的分子結構，對于特定的物質(zhì)，超聲波作用的效果取決于超聲波鞏固率和提取物的結構與性質(zhì)，不同的提取物有不同的超聲功率［8］。因此，本試驗條件下最佳超聲功率為600 W。

2.6 超聲波輔助提取山核桃油工藝條件的優(yōu)化

根據(jù)Box－Benhnken的中心組合試驗設計原理，綜合單因素影響的試驗結果，以液料比(X1)、超聲功率(X2)、超聲時間(X3)，為自變量，核桃油的提油率為響應值進行3因素3水平的響應面分析試驗，優(yōu)化超聲波輔助提取山核桃油的工藝條件。響應面分析方案及試驗結果見表2。

采用Design Expert 7.0.0程序?qū)憫蹬c各因素進行回歸擬合后，得到回歸方程:

表2 響應面分析方案及試驗結果

表3 回歸模型方差分析表

模型的可靠性可通過方差分析及相關系數(shù)來考察。從表3方差分析結果可知，模型P=0.000 1，表明回歸模型極顯著，因變量與所有自變量之間的線性關系顯著(R2=0.983 0)。失擬項 P=0.740 6＞0.05，模型失擬度不顯著。模型的調(diào)整確定系數(shù)RAdj2=0.961 1，說明該模型擬合程度良好，試驗誤差小，可用此模型分析和預測超聲提取山核桃油的工藝結果。模型的信噪比(Adeq Precision)為21.074，遠大于4，說明模型完全可以用來對試驗結果進行擬合。

由表3回歸模型系數(shù)顯著性檢驗結果可知，模型中超聲功率X2對山核桃仁提油率的影響極其顯著，液料比X1對山核桃仁提油率的的影響顯著。在所選的各因素水平范圍內(nèi)，影響超聲提取山核桃油的因素主次順序為:超聲功率＞液料比＞超聲時間。

利用Design Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面及其等高線見圖5～圖7。響應面圖是響應值Y對試驗中的影響因素A、B、C所構成的三維空間圖，從該圖中可以直觀地看出最佳影響因素和各因素之間的交互作用［9］。等高線的形狀反映出交互效應的強弱大小，圓形表明兩者交互作用不明顯，橢圓形表示2個因素交互作用顯著［10－11］。

圖5 液料比和超聲功率對山核桃仁提油率影響的響應曲面和等高線

當超聲時間為60 min時，液料比和超聲功率對山核桃仁提油率效果的影響見圖5。液料比不變時，超聲功率在500～700 W范圍內(nèi)，提油率隨功率的增加而增加，當超聲功率達到一定值后，提油率逐漸下降。超聲功率一定時，液料比在6∶1～8∶1(mL∶g)范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達到最大之后逐漸下降，液料比和超聲功率對提油率有交互性影響。當超聲功率為600 W時，超聲時間和液料比對山核桃仁提油率效果的影響見圖6。液料比不變時，超聲時間在50～70 min范圍內(nèi)，提油率隨時間的增加而增加，當超聲時間達到一定值后，提油率逐漸下降。超聲時間一定時，液料比在6∶1～8∶1(mL∶g)范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達到最大之后逐漸下降，超聲時間和液料比對提油率有交互性影響。當液料比為7∶1時，超聲時間和超聲功率對山核桃仁提油率效果的影響見圖7。超聲功率不變時，超聲時間在50～70 min范圍內(nèi)，提油率隨時間的增加而增加，當超聲時間達到一定值后，提油率逐漸下降。超聲功率時，超聲功率在500～700 W范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達到最大之后逐漸下降，超聲功率和超聲時間對提油率有交互性影響。因此，當其中一種反應物用量一定時，另一種反應用量的變化都會影響反應的進行程度。不適當?shù)呐浔瓤赡芙档头磻陌l(fā)生程度，反而有利于副反應的進行，因此，適當?shù)姆磻锱浔炔粌H可提高反應程度，而且還可以減少副反應的發(fā)生［12］。

根據(jù)所建立的數(shù)學模型進行參數(shù)最佳化分析，得到最優(yōu)提取條件為:液料比為6.98∶1(mL∶g)，超聲波時間為63.92 min，超聲波功率為 646.40 W，預測提油率為52.007 2%。為進一步驗證響應面分析法所建立的數(shù)學模型的顯著性，有必要對推斷方案進行試驗。采用上述條件且取整數(shù)，即液料比為7∶1(mL∶g)，超聲功率646 W，超聲時間為64 min，進行5次重復驗證試驗，測得提油率為(51.5±0.3)%，與理論預測值相比，相對誤差為0.54%左右，因此采用響應面分析法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)準確可靠，具有實用價值。

2.7 山核桃油中脂肪酸含量檢測結果

由表4及圖8可知，山核桃油中主要含有棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸、亞麻酸，且其出峰順序為:棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，其中亞油酸含量最高，其次是油酸、亞麻酸、棕櫚酸，不飽和脂肪酸達到90%以上，其中必需脂肪酸亞油酸和亞麻酸占了總量的77%以上。亞油酸是一種ω－6系列的人體必需脂肪酸，是合成花生四烯酸(二十碳四烯酸)的主要原料，是人體合成前列腺素的主要物質(zhì)，具有防止血栓形成和擴張血管的作用。亞油酸可使低密度脂蛋白降低，高密度脂蛋白升高。低密度脂蛋白易析出膽固醇沉積于血管壁上，造成血管增厚，彈性下降，引起冠心病、中風和動脈瘤等疾病，高密度脂蛋白不僅不易析出膽固醇，還能清除血管壁上沉積的膽固醇，送回肝臟分解。α－亞麻酸一種ω－3系列的脂肪酸，在體內(nèi)可合成 EPA和 DHA［13－16］。因此，對長期食用飽和脂肪酸含量高的動物油的人們，提倡多食用核桃油，對降低人體血壓、降低血清膽固醇有明顯療效，對防止動物粥樣硬化、冠狀動脈硬化和血栓的形成有著積極的作用，對人體的保健有重要意義［17－19］。

表4 山核桃油脂肪酸組成

圖8 山核桃油的氣象色譜圖

2.8 山核桃油理化性質(zhì)分析

國家強制性標準規(guī)定食用油呈黃色或淺黃色，無異味，酸價＜4.0 mgKOH/g，皂化值180～192 mg/kg，碘值85～105 gI2/100 g，過氧化值不得超過 10 mmol/kg。由表5的理化性質(zhì)測定結果可知，超聲波法提取山核桃油脂的碘價、皂化價、酸價、過氧化值均符合食用油標準，因此采用超聲波萃取技術是提取優(yōu)質(zhì)純凈山核桃油的較好方法。

表5 超聲波提取山核桃油理化性質(zhì)

3 結論

3.1 響應面分析山核桃油提取過程中的各因素對提油率的影響大小依次為:超聲功率＞液料比＞超聲時間。

3.2 在本試驗條件范圍內(nèi)，建立并驗證的回歸模型準確有效，可用來分析和預測設定條件范圍內(nèi)及其附近的超聲提取山核桃油的工藝結果。

3.3 最優(yōu)提取條件為:提取溶劑為正己烷，液料比為 7∶1(mL∶g)，超聲波時間為 64 min，超聲波功率為646 W，在此條件下的提油率達到51.5%，不僅產(chǎn)品得率提高，而且大大降低了生產(chǎn)周期。

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