正交試驗優(yōu)化牡丹籽油的溶劑萃取脫酸工藝

陸少蘭，吳蘇喜,2,*，宋艷秋，張春麗

（1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南博邦農(nóng)林科技股份有限公司，湖南 常德 415700）

正交試驗優(yōu)化牡丹籽油的溶劑萃取脫酸工藝

陸少蘭1，吳蘇喜1,2,*，宋艷秋1，張春麗1

（1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南博邦農(nóng)林科技股份有限公司，湖南 常德 415700）

研究牡丹籽毛油的溶劑萃取脫酸工藝，通過單因素試驗和正交試驗得到牡丹籽毛油的最佳萃取脫酸工藝條件為：以95%乙醇溶液為萃取溶劑，萃取次數(shù)3次、料液比1∶2.5（g/mL）、萃取溫度40℃、萃取時間20 min。在該最佳條件下，游離脂肪酸脫除率為93.12%，脫酸得油率為83.23%；牡丹籽油的酸值由10.18 mg KOH/g降到0.70 mg KOH/g，仍然保持牡丹籽油特有的清香味，達到后續(xù)深加工和開發(fā)利用的品質(zhì)要求。

牡丹籽油；萃取脫酸；乙醇；脂肪酸脫除率；得油率

油用牡丹是我國近年培育的一個牡丹新品種，是我國特有的一種木本植物油資源，因其種籽油（通稱“牡丹籽油”）富含亞麻酸而受到我國科研部門、企業(yè)和各級政府的熱切關(guān)注。研究表明，牡丹籽油營養(yǎng)豐富、安全無毒，并具有抗氧化[1-3]、降血脂、降血糖[4-5]等多種保健作用，從而成為我國新近獲批的幾種新資源功能性食品之一；同時我國年產(chǎn)油用牡丹籽量高達3萬t左右，其出油率為27%～33%[6-7]。因此，研究開發(fā)牡丹籽油具有重要的經(jīng)濟意義和國家糧油安全戰(zhàn)略意義。

項目組在研究開發(fā)牡丹籽油過程中發(fā)現(xiàn)，牡丹籽經(jīng)過超臨界CO2萃取后得到的牡丹籽毛油，其酸值高達10.18 mg KOH/g，影響后續(xù)深加工利用，需要進行脫酸處理。油脂的傳統(tǒng)脫酸方法主要為堿煉法。但是，堿煉脫酸工藝不僅產(chǎn)生大量污染環(huán)境的漂洗廢水[8]，而且容易引起油脂的風(fēng)味發(fā)生改變[9]。很顯然，堿煉脫酸工藝不太適用于珍貴的、風(fēng)味獨特的牡丹籽油。文獻[10-11]報道，根據(jù)游離脂肪酸（free fatty acids，F(xiàn)FA）與甘油三酯在乙醇、甲醇等有機溶劑中的溶解性差異，利用有機溶劑進行萃取，可以有效脫除毛油中的FFA。這種溶劑萃取脫酸法不僅操作簡便、溶劑可回收利用，而且能有效保留植物油中的營養(yǎng)成分和風(fēng)味物質(zhì)[12-13]。本實驗以牡丹籽毛油為原料，以FFA脫除率和脫酸得油率為評價指標(biāo)，研究萃取溶劑種類、萃取次數(shù)、料液比、萃取溫度及時間等工藝條件對牡丹籽油的萃取脫酸效果的影響，旨在得到一個適合牡丹籽油的溶劑萃取脫酸工藝，為牡丹籽油的精煉加工提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

牡丹籽毛油（酸值為10.18 mg KOH/g），牡丹籽購于菏澤瑞璞牡丹產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展有限公司，毛油為本實驗室提取；無水乙醇、95%乙醇溶液、1%酚酞、石油醚、NaOH均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

YRE-2020旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 鞏義市予華儀器有限公司；101-1ES電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；AUW220電子分析天平 上海精密儀器有限公司。1.3方法

1.3.1溶劑萃取脫酸

取適量牡丹籽油加入三角瓶內(nèi)，加入相應(yīng)體積的萃取溶劑，在一定的溫度和時間條件下進行攪拌萃取，萃取后利用分液漏斗靜置分層。回收上層液的溶劑，對下層液進行真空脫溶，以獲得牡丹籽精煉油。

1.3.2酸值測定及FAA脫除率和得油率的計算

毛油和精煉油的酸值采用GB/T 5530—2005《動植物油脂：酸值和酸度測定》中的中和滴定法測定。

1.3.3萃取脫酸溶劑體積分?jǐn)?shù)的篩選

按照上述萃取脫酸方法，分別以無水乙醇及95%、90%、85%、80%乙醇溶液為萃取脫酸溶劑，在相同的適宜條件（溫度35℃、料液比1∶2（g/mL）、萃取3次和萃取時間20 min）下，對牡丹籽毛油進行脫酸處理，以FFA脫除率和得油率為評價指標(biāo)，篩選確定萃取脫酸溶劑的最佳體積分?jǐn)?shù)。

1.3.4萃取脫酸單因素試驗

1.3.4.1最佳料液比的篩選

以優(yōu)選的乙醇體積分?jǐn)?shù)（95%）、適宜的萃取溫度和時間為固定條件，按照上述萃取脫酸方法，對料液比為1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3（g/mL）的牡丹籽毛油混合物，分別進行3次脫酸處理。以FFA脫除率和得油率為評價指標(biāo)，篩選確定最佳料液比。

1.3.4.2最佳萃取次數(shù)的篩選

以優(yōu)選的乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、適宜的萃取溫度和時間為固定條件，按照上述萃取脫酸方法，對同一牡丹籽油樣本分別進行1、2、3、4、5次脫酸處理。以FFA脫除率和得油率為評價指標(biāo)，篩選確定最佳萃取次數(shù)。

1.3.4.3最佳萃取溫度的篩選

以優(yōu)選的乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、萃取次數(shù)（3次）和適宜的萃取時間為固定條件，按照上述萃取脫酸方法，分別在萃取溫度25、30、35、40、45℃條件下，對牡丹籽油樣本進行脫酸處理，以FFA脫除率和得油率為評價指標(biāo)，篩選確定最佳溫度。

1.3.4.4最佳萃取時間的篩選

以優(yōu)選的乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、萃取次數(shù)和萃取溫度（35℃）為固定條件，按照上述萃取脫酸方法，分別對牡丹籽油樣本進行10、20、30、40、50 min脫酸處理。以FFA脫除率和得油率為評價指標(biāo)，來確定最佳時間。

1.3.5正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇每次萃取時間為20 min，采用L9（33）正交表設(shè)計正交試驗，以優(yōu)選的各種參數(shù)為條件，用料液比、萃取次數(shù)和萃取溫度做三因素三水平正交試驗，并進行極差分析和方差分析。正交試驗各因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.6 油脂其他理化指標(biāo)的測定與分析

色澤參照GB/T 22460—2008《動植物油脂：羅維朋色澤的測定》；透明度、氣味、滋味參照GB/T 5525—2008《植物油脂透明度、氣味、滋味鑒定法》；水分及揮發(fā)物含量參照GB/T 5528—2008《動植物油脂：水分及揮發(fā)物含量測定》；過氧化值參照GB/T 5538—2005《動植物油脂：過氧化值測定》。

2 結(jié)果與分析

2.1溶劑體積分?jǐn)?shù)對萃取脫酸的影響

采用適宜的萃取脫酸參數(shù)和不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液對牡丹籽油進行萃取脫酸，脫酸效果和得油率如圖1所示。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對牡丹籽油FFA脫除率和得油率的影響Fig.1 Effect of alcohol concentration on the removal rate of free fatty acids and the yield of peony seed oil

從圖1可以看出，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高，牡丹籽油的FFA脫除率逐漸增加，但得油率逐漸降低。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過95%時，F(xiàn)FA脫除率曲線增加趨于平緩，而得油率急速下降。這是由于萃取劑的水分能夠促進萃取溶劑與油脂的分離；當(dāng)萃取劑的水分含量較少時，其疏水性變大，與植物油形成均相溶液而不易分離[14-15]。綜合考慮各種因素，以95%乙醇溶液的萃取脫酸效果最好。因此，在后續(xù)實驗中，均采用95%乙醇溶液作為萃取脫酸溶劑。

2.2單因素試驗結(jié)果

2.2.1料液比對FFA脫除率和得油率的影響

圖2 料液比對牡丹籽油FFA脫除率和得油率的影響Fig.2 Effect of ratio of oil to alcohol on the removal rate of free fatty acids and the yield of peony seed oil

由圖2可知，在相同脫酸條件下，隨著溶劑用量的增加，牡丹籽油的FFA脫除率呈增加趨勢，得油率呈下降趨勢。當(dāng)料液比范圍為1∶1～1∶2時，F(xiàn)FA脫除率明顯增加，但料液比在1∶2之后時，其增加趨勢變平緩，而得油率呈直線下降。增加溶劑用量能得到酸值低的優(yōu)質(zhì)油，但得油率下降[16]，會提高牡丹籽油的價格，從經(jīng)濟效益、脫酸效果與溶劑回收等多方面因素綜合考慮，以料液比1∶2為最佳。

2.2.2萃取次數(shù)對FFA脫除率和得油率的影響

圖3 萃取次數(shù)對牡丹籽油FFA脫除率和得油率的影響Fig.3 Effect of extraction number on the removal rate of free fatty acids and the yield of peony seed oil

由圖3可知，萃取次數(shù)是影響脫酸效果的一個重要因素。FFA脫除率隨萃取次數(shù)的增加逐漸增加，當(dāng)萃取次數(shù)為3次時，F(xiàn)FA脫除率達到93.0%，超過3次后，F(xiàn)FA脫除率增長曲線變平緩。而得油率隨萃取次數(shù)的增加而降低。增加萃取次數(shù)可降低毛油的酸值，但影響得油率[17-18]。萃取次數(shù)越多，油損失越大。綜合考慮經(jīng)濟效益、脫酸效果和溶劑回收等多方面因素，以脫酸萃取3次為最佳。

2.2.3萃取溫度對FFA脫除率和得油率的影響

圖4 萃取溫度對牡丹籽油FFA脫除率和得油率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the removal rate of free fatty acids and the yield of peony seed oil

由圖4可知，在40℃以下，隨著萃取溫度的升高，F(xiàn)FA脫除率呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，得油率呈現(xiàn)緩慢降低趨勢，但變化幅度較小。當(dāng)超過40℃時，F(xiàn)FA脫除率和得油率都呈降低趨勢。這可能是由于溫度升高，中性油在乙醇中溶解度增大，影響了FFA的溶解，同時增加中性油的損失[19-20]。綜合考慮，選擇溫度為35℃較合適。

2.2.4萃取時間對FFA脫除率和得油率的影響

圖5 萃取時間對牡丹籽油FFA脫除率和得油率的影響Fig.5 Effect of extraction time on the removal rate of free fatty acids and the yield of peony seed oil

由圖5可知，每次萃取時間對FFA脫除率的影響較小，得油率隨著萃取時間的延長逐漸降低。萃取時間超過30 min，F(xiàn)FA脫除率和得油率都呈降低趨勢，這可能是由于FFA在乙醇溶液中的溶解度容易達到飽和[21]，而中性油的損失隨萃取時間延長而增大。綜合經(jīng)濟效益與操作等因素，選擇每次萃取時間為20 min較合適。

2.3正交試驗結(jié)果

由表2可以看出，以FFA脫除率為評價指標(biāo)，其因素影響次序為：萃取次數(shù)＞料液比＞萃取溫度＞未知因素，說明沒有影響更大的因素未考慮；其較優(yōu)工藝條件為B3A3C3，即萃取4次、料液比1∶2.5、萃取溫度40℃，此條件下的FFA脫除率最大（97.95%）、得油率最小（76.07%）。以得油率為評價指標(biāo)，其因素影響次序為：萃取次數(shù)＞料液比＞萃取溫度＞未知因素，說明沒有影響更大的因素未考慮；其較優(yōu)工藝條件為B1A1C1，即萃取2次、料液比1∶1.5、萃取溫度30℃，此條件下的FFA脫除率最?。?7.54%），得油率最大（89.75%）。

表2 正交試驗設(shè)計及極差分析結(jié)果Table 2 Orthogonal array design with experimental results and analysis

表3 FFA脫除率正交試驗方差分析表Table 3 Analysis of variance for removal rate of free fatty acids

表4 得油率正交試驗方差分析表Table 4 Analysis of variance for oil yield

表3、4方差分析表明，料液比與萃取次數(shù)對FFA脫除率和得油率都有顯著影響，且萃取次數(shù)對FFA脫除率影響極顯著[22-24]，通過正交試驗得到，萃取次數(shù)為4次時FFA脫除率較高，但此時得油率最低且得油率隨萃取次數(shù)的增加而顯著降低，結(jié)合經(jīng)濟效益、能耗因素選擇萃取次數(shù)為3次；料液比對FFA脫除率的影響程度大于對得油率的影響程度，因此優(yōu)先考慮對FFA脫除率的影響，選擇料液比為1∶2.5。萃取溫度對FFA脫除率和得油率沒有顯著性影響，因此選擇溫度為40℃。在此最佳工藝條件下進行驗證實驗，得到FFA脫除率為93.12%（對應(yīng)的油脂酸值為0.70 mg KOH/g），得油率為83.23%。

本研究萃取脫酸的得油率（83.23%）雖然低于傳統(tǒng)堿煉脫酸的一般得油率，但是萃取脫酸油保持了牡丹籽油特有的清香風(fēng)味，而且萃取脫酸過程中不產(chǎn)生工藝廢水、所得脂肪酸可以不經(jīng)酸解或酸化等處理而直接利用。可見，萃取脫酸的綜合優(yōu)勢是明顯的。

2.4牡丹籽油溶劑萃取脫酸前后的主要質(zhì)量變化

表5 牡丹籽油脫酸前后的主要質(zhì)量變化Table 5 Main quality traits of peony seed oil before and after deacidification

由表5可知，溶劑萃取法脫酸能有效脫除牡丹籽毛油中的FFA，且脫酸后的牡丹籽油顏色變淺，主要體現(xiàn)在黃色上。油脂過氧化值在脫酸后明顯升高，分析原因可能是脫溶階段的高溫導(dǎo)致其發(fā)生氧化反應(yīng)[25]，但是其具體原因有待進一步研究。

3 結(jié) 論

以95%乙醇溶液作溶劑對牡丹籽油進行溶劑萃取脫酸，由正交試驗得到的最佳工藝條件為：萃取3次、料液比1∶2.5、萃取溫度40℃、萃取時間20 min。在此條件下的FFA脫除率為93.12%（牡丹籽油酸值由10.18 mg KOH/g降到0.70 mg KOH /g），得油率為83.23%。經(jīng)該法脫酸后的牡丹籽油品質(zhì)較高，色澤變淺，但過氧化值在允許范圍值內(nèi)有所升高。

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Orthogonal Array Design for the Optimization of Deacidification of Peony Seed Oil by Solvent Extraction

LU Shaolan1, WU Suxi1,2,*, SONG Yanqiu1, ZHANG Chunli1
(1. School of Chemistry and Biology Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. Hunan Bobang Agriculture and Forestry Science and Technology Co. Ltd., Changde 415700, China)

The deacidification of crude peony seed oil by a solvent extraction method which can avoid the flavor deterioration of peony seed oil when purified by alkali refining was optimized using single factor and orthogonal array experiments. The optimal extraction conditions were determined to be 20 min extractions at 40℃performed three times using 95%ethanol as the extraction solvent with a solid to solvent ratio of 1:2.5 (g/mL), resulting in a removal rate of free fatty acids of 93.12%and a deacidified oil yield of 83.23%. After the deacidification process, the acid value of peony seed oil could be reduced from 10.18 to 0.70 mg KOH/g while maintaining the delicate scent of peony seed oil. The quality of peony seed oil was suitable for subsequent processing.

peony seed oil; solvent extraction; ethanol; removal rate of free fatty acids; oil yield

TS224.1

A

1002-6630（2015）12-0049-05

10.7506/spkx1002-6630-201512009

2014-11-13

湖南省科技計劃項目（2014FJ4232）

陸少蘭（1991—），女，碩士研究生，主要從事食用油加工新技術(shù)研究。E-mail：1151646371@qq.com

*通信作者：吳蘇喜（1965—），男，教授，博士，主要從事食用油加工新技術(shù)研究。E-mail：wsx6524@163.com