亞臨界萃取小麥胚芽油工藝研究

宋國(guó)輝，孫 強(qiáng)，張麗霞，蘆 鑫，黃紀(jì)念

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所/河南省農(nóng)產(chǎn)品生物活性物質(zhì)工程技術(shù)研發(fā)中心，鄭州 450002)

小麥胚芽是小麥制粉加工的副產(chǎn)物，我國(guó)每年制粉工業(yè)可產(chǎn)生3萬(wàn)—5萬(wàn)t［1］小麥胚芽。小麥胚芽是小麥籽粒的精華部分，富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、多種維生素及礦物質(zhì)、微量元素等，有“人類天然的營(yíng)養(yǎng)寶庫(kù)”［2-6］的美稱。特別是其脂中含有8%—13%的小麥胚芽油。小麥胚芽油富含維生素E、亞油酸、亞麻酸、二十八碳醇及多種生理活性組分，特別是天然維生素E 含量為植物油之冠，對(duì)調(diào)節(jié)人體內(nèi)電解質(zhì)平衡、調(diào)節(jié)血壓、降低膽固醇、預(yù)防心腦血管疾病有重要作用。已被公認(rèn)為一種頗具營(yíng)養(yǎng)保健作用的功能性油脂，素有“油黃金”的美譽(yù)。

目前小麥胚芽油的生產(chǎn)工藝主要有超臨界CO2流體萃取法、常壓浸出法和低溫壓榨法，但這些方法都存在較多不足［7-11］。超臨界CO2流體萃取法對(duì)設(shè)備要求高，設(shè)備處理量小，難易適應(yīng)油脂工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn);常壓浸出法是以正己烷(又稱“六號(hào)”溶劑)為溶劑在常壓下從油料中萃取油脂的工藝，其萃取、油脂脫溶和餅粕脫溶工序所需溫度較高，能耗大，且餅粕長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，餅粕蛋白變性率高;低溫壓榨法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，直接壓榨即可，但餅粕殘油高，不適合小麥胚芽這一低含油率油料的油脂生產(chǎn)，且毛油雜質(zhì)較多、含水量大。

亞臨界萃取技術(shù)是一種加壓流體萃取技術(shù)，用于油脂萃取時(shí)，其工作是在常溫和一定壓力下 (0.3—0.8MPa)進(jìn)行，所用的萃取劑在常溫常壓下是以氣體形式存在，在加壓狀態(tài)下以流體狀態(tài)存在。在亞臨界加壓狀態(tài)下，萃取劑的分子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，傳質(zhì)速率加快，對(duì)物料中的油脂等弱極性物質(zhì)的滲透性和溶解能力顯著提高。同時(shí)萃取過(guò)程采用低溫或常溫，充分保留了萃取物料的天然活性成分，萃取過(guò)程與空氣隔絕，不會(huì)使特殊物料發(fā)生氧化等反應(yīng)，目標(biāo)物保留完全。萃取壓力低，對(duì)設(shè)備要求較超臨界萃取低的多，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，亞臨界萃取被視為一項(xiàng)綠色環(huán)保、前景廣闊的制油新技術(shù)［12-18］?；趤喤R界萃取技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì)，對(duì)小麥胚芽油的亞臨界萃取技術(shù)進(jìn)行了工藝優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了適合工業(yè)化生產(chǎn)的三級(jí)罐組逆流萃取工藝，為亞臨界萃取技術(shù)在小麥胚油制取中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

小麥胚芽(含油量11.5%)，外形為片狀顆粒，厚度0.1—0.2mm，直徑約3mm，由安陽(yáng)漫天雪食品制造有限公司提供;液化石油氣(丙烷和丁烷混合物)，濮陽(yáng)市液化石油氣有限公司提供;其余分析檢測(cè)試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

脂肪快速測(cè)定儀、CEB-5L 型亞臨界流體萃取設(shè)備，由河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所與安陽(yáng)漫天雪食品制造有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造;日處理30t 原料亞臨界萃取成套裝備，安陽(yáng)漫天雪食品制造有限公司制造;電子天平，METTLER PM200 上海電子天平廠;SH10A 型快速水分測(cè)定儀，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝路線

亞臨界萃取小麥胚芽油試驗(yàn)工藝流程:

1.2.2 小麥胚芽油出油率計(jì)算

采用植物油脂含量測(cè)定法(GB/T14488.1—2008)測(cè)定油脂含量。出油率采用(1)式計(jì)算:

(1)式中，m1為萃取出的小麥胚芽油的質(zhì)量，單位為g;m 為小麥胚芽油原料中的含油量，單位為g。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞臨界萃取工藝優(yōu)化

2.1.1 料液比對(duì)小麥胚芽出油率的影響

萃取溫度為50℃、萃取時(shí)間為60min 的條件下，作料液比分別為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 的單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，出油率隨溶劑用量的增加而升高，當(dāng)料液比從1∶2 增到1∶8 時(shí)，出油率提高幅度較大，但料液比增加到1∶8 以后，出油率增加緩慢。由此可見(jiàn)，對(duì)于一定量的物料，增大溶劑用量可增大油脂在溶劑中的含量，提高出油率。但增加到一定程度后，該因素對(duì)出油率的影響明顯減小，且溶劑過(guò)多不利于溶劑的回收，會(huì)增加殘溶及溶劑溶劑回收的能耗。綜合考慮，試驗(yàn)條件下選擇料液比為1∶8 最佳。

2.1.2 萃取溫度對(duì)小麥胚芽出油率的影響

在料液比為1∶8、萃取時(shí)間為60min 的條件下，作萃取溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃的單因素研究。由圖1 可知，在試驗(yàn)條件下，出油率隨著溫度的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，45℃時(shí)，出油率最高。溫度對(duì)油脂萃取過(guò)程有兩方面的影響:一方面，由于溫度的升高，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增大，油脂萃取效率增加，出油率增加，顯示出正效應(yīng);另一方面，溫度的升高引起溶劑密度變小，對(duì)甘油三酯的溶解度下降，顯示出負(fù)效應(yīng)，當(dāng)負(fù)效應(yīng)的影響增大到一定程度時(shí)出油率增加緩慢，當(dāng)負(fù)效應(yīng)的影響大于正效應(yīng)時(shí)出油率開始下降［19］。從而萃取溫度升高到一定程度以后，出油率增加緩慢甚至下降。并且萃取溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致能耗過(guò)大、且不易操作，綜合考慮，選擇最佳萃取溫度為45℃。

圖1 萃取溫度對(duì)出油率的影響

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響

在料液比為1∶8、萃取溫度為45℃的條件下，作萃取時(shí)間分別為30min、40min、50min、60min、70min和80min 的單因素研究，萃取時(shí)間對(duì)小麥胚芽油出油率的影響見(jiàn)圖2。油脂在亞臨界流體中達(dá)到溶解平衡需要一定的時(shí)間，但過(guò)長(zhǎng)的萃取時(shí)間會(huì)增加能耗。萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥胚芽油出油率會(huì)增加，于70 min時(shí)達(dá)到最大值87.55%，當(dāng)超過(guò)70 min 后，提取率趨向穩(wěn)定。萃取時(shí)間的增加會(huì)造成能耗的增加以及工序時(shí)間的延長(zhǎng)，綜合考慮，萃取時(shí)間在60—70 min為宜。

圖2 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響

2.1.4 亞臨界萃取正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用3 因素3 水平的L9(3)3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)小麥胚芽油萃取工藝中的料液比、萃取溫度和萃取時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表1 可知，亞臨界萃取小麥胚芽油時(shí)各因素對(duì)出油率影響的主次順序?yàn)檩腿r(shí)間＞料液比＞萃取溫度;亞臨界萃取小麥胚芽油的最佳工藝組合為C3A2B2，即萃取時(shí)間65min、料液比1∶8、萃取溫度45℃，與正交試驗(yàn)表中的試驗(yàn)5 的組合一致，最大出油率為88.68%。

2.2 亞臨界萃取小麥胚芽油中試研究

2.2.1 萃取次數(shù)對(duì)小麥胚芽出油率的影響

考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)際情況，若按1∶8 的料液比進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，每罐裝入的物料有限。同時(shí)過(guò)多的溶劑使用也會(huì)增加后期溶劑回收的能耗。為了充分利用萃取罐的容積、擴(kuò)大處理量、減少能耗，針對(duì)性地開展了少量溶劑多次提取的中試試驗(yàn)，考察萃取次數(shù)對(duì)小麥胚芽出油率的影響。萃取溫度為45℃，每次的萃取時(shí)間為20min。分別考察了料液比為1∶1，1∶1.5 和1∶2，分別萃取2 次、3 次、4 次的組合研究。

在相同的萃取次數(shù)下，料液比越大，出油率越高。同一料液比條件下，萃取次數(shù)越大，出油率越高。但在料液比為1∶1.5 和1∶2 的條件下，萃取3 次和4 次的4 個(gè)萃取工藝之間的出油率相差較小。綜合出油率和生產(chǎn)成本、效率三方面考慮，選擇料液比為1∶1.5，萃取次數(shù)為3 次，此工藝下出油率為92.3%。

2.2.2 三級(jí)罐組逆流萃取工藝

在進(jìn)行2.2.1 中的料液比為1∶1.5、萃取次數(shù)為3 次的試驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，第1 次萃取時(shí)的出油率為69.6%，第2 次萃取時(shí)的出油率為14.05%，第3 次萃取時(shí)的出油率為8.65%，即隨萃取次數(shù)的增加，溶劑中芝麻油的含量越來(lái)越低，造成第2 次和第3 次萃取的溶劑利用效率低。為此我們?cè)O(shè)想采用如圖4 所示的三級(jí)罐組逆流萃取工藝，即新鮮溶劑A 先用于含油量最低的需第3 次萃取的小麥胚芽粕g 的萃取，經(jīng)粕溶分離后，溶劑與油的混合液D 再與需第2 次萃取的小麥胚芽粕d 接觸萃取，再經(jīng)粕溶分離后，最后與新鮮小麥胚芽原料接觸a 進(jìn)行萃取，得到接近飽和的溶劑與混合油J，混合油J經(jīng)脫溶得到小麥胚芽毛油I，溶劑經(jīng)壓縮液化后回收后重復(fù)利用。

采用圖3 所示的亞臨界萃取罐組逆流萃取工藝，每罐加料300kg，按照料液比1 ∶1.5，萃取溫度45℃，每罐萃取20min 的工藝參數(shù)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。所萃小麥胚芽油的出油率見(jiàn)表2。由表2 可知，三級(jí)罐組逆流萃取所得小麥胚芽油的出油率為90.7%，接近于2.3.1 萃取3 次后的出油率。每一批物料經(jīng)過(guò)3 次萃取實(shí)際所用的溶劑量為物料的1.5 倍，與小試工藝的料液比1∶8 相比，每周期節(jié)省溶劑消耗80%，可大幅降低混合油脫溶的能耗，溶劑的利用率也大幅提高。

圖3 亞臨界萃取三級(jí)罐組逆流流程示意

表2 三級(jí)罐組逆流萃取生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)，進(jìn)行了小麥胚芽油亞臨界萃取小試工藝參數(shù)優(yōu)化，最佳工藝參數(shù)為萃取時(shí)間65min、料液比1∶8、萃取溫度45℃，出油率為88.68%。在小試工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展了工業(yè)化的適用性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了三級(jí)罐組逆流萃取工藝，所得小麥胚芽油的出油率為90.7%，每一批物料經(jīng)過(guò)3 次萃取實(shí)際所用的溶劑量為物料的1.5 倍，與小試工藝的料溶比1∶8 相比，每周期節(jié)省溶劑消耗80%，可大幅降低混合油脫溶的能耗，溶劑的利用率也大幅提高。

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