均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)在超臨界CO2萃取核桃油精煉中的應(yīng)用

張 麗 宋麗軍 曹靜潔 馬德勝 李 蕾 侯旭杰*

核桃(Juglans regin L)系胡桃科核桃屬植物，又稱胡桃、羌果，是世界四大干果之一［1］。核桃果仁含油量因品種不同，一般在65%左右，居所有木本油料之首，有“樹(shù)上油庫(kù)”的美譽(yù)［2］。核桃油中含有豐富的蛋白質(zhì)、黃酮類物質(zhì)、多種維生素、多酚化合物以及鈣、磷、銅、鐵等微量元素，并含有90% ～95%的多不飽和脂肪酸，其中主要是作為人體必需脂肪酸的亞油酸和亞麻酸，且不含膽固醇，被譽(yù)為優(yōu)質(zhì)的天然“腦黃金”［3，4］。

目前提取油脂的方法較多，主要有壓榨法、水代法、有機(jī)溶劑浸提法和超臨界CO2萃取法等［5］。核桃毛油在制取過(guò)程中夾帶了不同數(shù)量的非甘油三酯物質(zhì)，比如游離脂肪酸、磷脂、棉酚蠟、色素及引起油脂品質(zhì)變化的物質(zhì)等，影響了油脂的外觀與品質(zhì)，需要通過(guò)精煉去除［6］。超臨界C02萃取技術(shù)是一種高新的提取分離技術(shù)，不僅擁有低溫、無(wú)溶劑殘留、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)脂肪酸、油中聚合物與甘油酯的沸點(diǎn)不同，完成了脫膠過(guò)程，并起到部分脫酸、脫色和脫臭的作用，很大程度上簡(jiǎn)化了精煉工藝［7，］。本試驗(yàn)采用超臨界CO2萃取的核桃毛油為原料，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化核桃油精煉的工藝參數(shù)，以期生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的精煉核桃油。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

材料:超臨界 CO2萃取的核桃毛油，酸值為0.378 1 mgKOH/g。

試劑:氫氧化鈉、氫氧化鉀、鹽酸、硫酸、乙醚、丙酮、95%乙醇、無(wú)水乙醇等均為分析純;硅藻土、活性白土、活性炭等。

1.2 儀器與設(shè)備

島津GC－14C氣相色譜儀:日本島津公司;

HA221－50－06型超臨界萃取裝置:江蘇南通華安超臨界萃取有限公司;

UV－124 0紫外分光光度計(jì):日本島津公司;

Neofuge 15R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):北京陽(yáng)光思特生物技術(shù)有限公司;

SHB－B95循環(huán)水式多用真空泵:鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;

HKCB－4型恒控磁力攪拌器:重慶北碚磁性材料廠;

DHG－942 3A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 工藝流程

核桃毛油→脫酸→離心→水洗→干燥→脫色→過(guò)濾→脫臭→精煉油

1.4 操作要點(diǎn)

1.4.1 提取 稱取核桃粉裝于萃取器中，設(shè)定萃取壓力32 MPa，萃取溫度43℃，分離Ⅰ壓強(qiáng)6 MPa，分離Ⅱ壓強(qiáng)10 MPa，分離溫度與萃取溫度相同，CO2流量為20 L/h，萃取4.5 h后，得到核桃毛油。

1.4.2 脫酸 經(jīng)測(cè)定，超臨界CO2萃取法制得的核桃毛油的磷脂含量為0.038 2%(0.3%以下)，因此在精煉時(shí)不需要脫膠，而是直接進(jìn)行脫酸處理［9］。將一定量的氫氧化鈉溶液在5～10 min內(nèi)加入到一定溫度、攪拌速度為50～70 r/min的毛油中，堿液加完后，攪拌速度降低至30 r/min，并將油脂慢慢加熱至80℃，繼續(xù)攪拌至皂粒析出后，以4 000 r/min離心10 min。再將油溫升高至85℃，使用油重15%，與油同溫的軟水洗滌2～3遍，靜置1 h后放水，然后進(jìn)行干燥處理，保證脫色的順利進(jìn)行。測(cè)定脫酸前后核桃油的酸值，計(jì)算脫酸率。脫酸率按下式計(jì)算:

1.4.3 脫色 將脫酸后的核桃油加熱到一定溫度，以60r/min的攪拌速度邊攪拌邊添加脫色劑，10min內(nèi)加完，在磁力攪拌器上保溫?cái)嚢枰欢〞r(shí)間后，趁熱抽濾。在波長(zhǎng)475nm處測(cè)定核桃油脫色前后的吸光度，計(jì)算脫色率，脫色前核桃油吸光度為A0，脫色后核桃油的吸光度為A1，按下式計(jì)算:

1.4.4 脫臭 在 80℃、減壓蒸餾脫臭 1 h，核桃油中的臭味可去除，得到符合食品工業(yè)要求的核桃油。

1.4.5 精煉過(guò)程中理化性質(zhì)分析

透明度、氣味、滋味檢驗(yàn)，參照 GB/T 5525－2008;色澤檢驗(yàn)，參照GB/T 22460－2008;相對(duì)密度，參照GB/T 5526－1985;折光指數(shù)，參照GB/T 5527－1985;酸值，參照 GB/T 5530－2005;碘值，參照GB/T 5532－2008;皂化值，參照GB/T 5534－2008;過(guò)氧化值，參照GB/T 5538－2005。

1.4.6 精煉過(guò)程中脂肪酸組成變化

參照GB/T 17376－1998，GB/T 17377 －1998，動(dòng)植物油脂脂肪酸甲酯制備和氣相色譜分析測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 核桃油脫酸工藝參數(shù)的確定

采用堿煉法脫酸，根據(jù)毛油酸值來(lái)確定加堿量［9］。經(jīng)測(cè)定，超臨界萃取法制得的核桃毛油酸值為0.378 1 mgKOH/g。根據(jù)核桃油堿煉的影響因素，本試驗(yàn)選取超堿量、堿液濃度、堿煉初溫、攪拌速度為變量，以脫酸率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行U6(63×3)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，得到核桃油脫酸率的回歸方程，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.999 1，F(xiàn) 檢驗(yàn)值 Ft=2 188 ＞ F(0.05，4，1)=224.6，決定系數(shù)R2=0.998 9，調(diào)整后的決定系數(shù)為0.996 8，方程在α=0.05水平上呈顯著，具有良好的線性關(guān)系，這表明此回歸方程在一定程度上可以解釋試驗(yàn)的結(jié)果。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的絕對(duì)值，各因素對(duì)核桃油脫酸率影響的主次順序?yàn)閄1(加堿濃度)＞X3(堿煉初溫)＞X4(攪拌速度)＞X2(超堿量)。根據(jù)回歸方程得出核桃油脫酸的較佳工藝條件為:超堿量0.1%，加堿濃度11.06%，初溫為45℃，攪拌速度為50 r/min，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，脫酸率為65.5%，而其模型預(yù)測(cè)值為66.25%，其值比較接近，說(shuō)明回歸模型可以解釋核桃油脫酸的試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 脫色工藝參數(shù)的確定

2.2.1 不同脫色劑對(duì)核桃油脫色的影響

稱取三份脫酸后的核桃油，加熱到80℃，在60 r/min的攪拌速度下，分別緩慢添加1%的硅藻土、活性白土、活性炭，脫色30 min，趁熱抽濾后在波長(zhǎng)475nm處測(cè)定脫色后核桃油的吸光度，計(jì)算脫色率，研究脫色劑的脫色效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 脫色劑的選擇

由表2可知，三種脫色劑的脫色效果相差不大，添加活性白土使核桃油帶土腥味，硅藻土脫色吸附力較其它兩種強(qiáng)，但吸油率較高，而使用活性炭脫色，吸油率低，無(wú)特殊雜味。因此，本試驗(yàn)使用活性炭作為脫色劑。

2.2.2 脫色工藝參數(shù)的確定

本試驗(yàn)以活性炭為脫色劑，以脫色劑添加量、溫度、攪拌速度、加熱時(shí)間4個(gè)因素為變量，以脫色率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表中的U6(63×3)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，優(yōu)選核桃油脫色的最佳工藝。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 均勻設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

采用逐步回歸法對(duì)表3進(jìn)行分析處理，對(duì)核桃油脫色率Y建立回歸方程，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.999 5，F(xiàn)檢驗(yàn)值 Ft=229.21＞F(0.05，4，1)=224.6，調(diào)整后的決定系數(shù)為0.997 2，剩余標(biāo)準(zhǔn)差0.698 6，回歸方程在α=0.05水平上呈顯著，具有良好的線性關(guān)系。

表4 二次多項(xiàng)式逐步回歸法數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)表4的顯著性檢驗(yàn)中可知，各因素對(duì)核桃油脫色率影響的主次順序?yàn)?X1﹥X3×X3﹥X1×X3﹥X1×X1。根據(jù)回歸方程得出脫色的較優(yōu)條件為:添加活性炭的量為3%，溫度為85℃，在攪拌速度為90 r/min下加熱50 min，在此條件下脫色率的預(yù)測(cè)值為86.82%。

按上述條件下進(jìn)行5次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到核桃油脫色率為85.96% ±0.72%，與回歸方程的預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明核桃油脫色優(yōu)化條件重現(xiàn)性良好，回歸模型可以解釋核桃油脫色的試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)從回歸的結(jié)果可知，各因素之間還存在交互作用，如果單純用單因素法很難得到一個(gè)較優(yōu)條件，因此均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是一種很好的尋優(yōu)方法。

2.3 精煉過(guò)程中理化性質(zhì)

根據(jù)核桃油精煉的最佳工藝條件，制備一定量的精制核桃油，并對(duì)精煉前后核桃油的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，并與我國(guó)糧油行業(yè)有關(guān)核桃油的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 22327－2008)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 核桃油精煉過(guò)程中主要理化特性的變化

由表5可看出，精煉過(guò)程對(duì)相對(duì)密度、折光指數(shù)等物理指標(biāo)方面影響不顯著，對(duì)碘值和皂化值也沒(méi)有明顯影響。但核桃油色澤在精煉過(guò)程中都不斷地降低，由稍混濁的黃色變?yōu)槌吻逋该鞯牡S色，其中脫酸和脫色兩個(gè)工序降低最為明顯。這可能是由于在脫酸工序中皂腳沉降時(shí)吸附色素，從而降低油脂的紅色，在脫色時(shí)通過(guò)脫色劑的吸附作用降低了色澤。核桃毛油的酸值在脫酸后顯著降低，這是因?yàn)樵诿撍徇^(guò)程中加入了一定量的堿液，中和了油脂中的部分游離脂肪酸;過(guò)氧化值在脫酸后明顯上升，可能是因?yàn)槊撍岷蟮乃锤稍餃囟雀?，沒(méi)有采用真空干燥，導(dǎo)致核桃油中的脂肪酸在高溫條件下被氧化分解［10］。

2.4 精煉過(guò)程中脂肪酸組成分析

利用氣相色譜對(duì)精煉過(guò)程中的核桃油脂肪酸組成進(jìn)行分析，并與我國(guó)糧油行業(yè)有關(guān)核桃油的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 核桃油在精煉過(guò)程中的脂肪酸組成及含量變化(%)

由表6可知，精煉過(guò)程對(duì)核桃油的脂肪酸組成沒(méi)有太大的影響，超臨界CO2萃取的核桃油中不飽和脂肪酸的總量由精煉前的90.96%下降至90.11%，飽和脂肪酸的含量從9.02%上升至9.89%。這可能是由于:堿煉脫酸在去除核桃油中的游離脂肪酸的同時(shí)還夾帶了部分中性油;脫色過(guò)程中加入的脫色劑吸附了部分油脂，也可能造成了脂肪酸含量的改變;在脫酸后的干燥及脫臭過(guò)程中，高溫也會(huì)造成一些不飽和脂肪酸鏈的斷裂、反式脂肪酸含量上升或分子間發(fā)生熱聚合反應(yīng)，導(dǎo)致不飽和脂肪酸含量降低［11，12］。

3 結(jié)論

均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)讓試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻分布，可極大地減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)周期，從而大量節(jié)約人工和費(fèi)用;利用回歸分析得出的模型，即可進(jìn)行影響因素的重要性分析及新條件試驗(yàn)的結(jié)果估算，預(yù)報(bào)和最優(yōu)化［13］。本文采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超臨界CO2萃取的核桃油精煉參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明:在超堿量0.1%，加堿濃度11.06%，初溫為45℃，攪拌速度為50 r/min，終溫80℃下脫酸，脫酸率為65.5%;然后添加3%活性炭，在85℃，攪拌速度90 r/min下脫色50 min，在此條件下脫色率可達(dá)85.96%;最后脫臭即可得到具有核桃具有香味的高級(jí)核桃油。

核桃油精煉過(guò)程對(duì)折光指數(shù)、相對(duì)密度、碘值和皂化值沒(méi)有明顯影響;核桃油色澤由稍混濁的黃色變?yōu)槌吻逋该鞯牡S色，氣味也由稍有異味變?yōu)檩^淡的核桃油香味;酸值和過(guò)氧化值分別由核桃毛油的0.378 1 mg/g和 0.218 8 mmol/kg降低為0.043 5mg/g和0.184 8 mmol/kg;核桃油中脂肪酸組成主要以不飽和脂肪酸為主，其含量在90%以上，精煉過(guò)程對(duì)核桃油的脂肪酸組成和含量沒(méi)有太大的影響。

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