超聲波提取亞麻籽油工藝及其對亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)的影響

興 麗 趙鳳敏 曹有福 張?zhí)m芳 張小燕 王 梅 蔡智勇

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083)

亞麻(Linum ustitatissimum L.)是我國主要油料作物之一，我國亞麻籽種植面積和總產(chǎn)量僅次于加拿大，居世界第2位［1］。亞麻籽含有豐富的油脂，其中脂肪含量占亞麻籽仁的66%左右，不飽和脂肪酸占80%以上，作為富含ω－3和ω－6不飽和脂肪酸的功能性油脂來源，亞麻具有重要的經(jīng)濟價值及保健作用［2～3］，具有很好的開發(fā)、利用前景。

目前植物油脂提取方法主要為壓榨及溶劑浸出法，其中壓榨法得到的餅粕殘油較多，且蛋白容易變性，溶劑提取法往往存在提取時間長、能耗大、提取率偏低等缺點［4－5］。超聲波輔助提取法主要利用超聲波對媒介所產(chǎn)生的機械振動及空化作用產(chǎn)生的強大剪切力使介質(zhì)細(xì)胞壁破裂，使細(xì)胞內(nèi)含物容易釋放出來，從而提高油脂分子溶入到有機溶劑中的機率，最終達到提高油脂提取率的目的［6－7］。有研究表明超聲波輔助提取可有效提高亞麻籽油提取效率［8－9］，Lin 等［10］研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取大麻子油脂時可有效減少有機溶劑的利用率、縮短提取時間。易軍鵬等［11］以牡丹籽油得率、不飽和脂肪酸含量及油脂品質(zhì)為考察指標(biāo)，比較研究了壓榨法、溶劑浸提法、超聲波輔助提取3種工藝，綜合考察結(jié)果為超聲波提取法提取得到的牡丹油優(yōu)于溶劑及機械壓榨法。

為此，在溶劑提取工藝的基礎(chǔ)上，利用超聲波技術(shù)提取亞麻籽油，系統(tǒng)探討不同因素對超聲波提取亞麻籽油得率影響，結(jié)合響應(yīng)面法最終優(yōu)化出最佳工藝路線。通過比較不同提取方式對亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)影響，研究不同提取方法效果的差別，同時比較不同提取方法對亞麻籽油脂肪酸組成的影響，進而為亞麻籽的深入開發(fā)、利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

亞麻籽:內(nèi)蒙古集寧市，顆粒飽滿，除雜后在105℃下干燥至恒重備用，其主要成分見表1。

表1 亞麻籽主要成分含量

石油醚(沸點30～60℃)、石油醚(沸點60～90℃)、無水乙醚、乙酸乙酯、丙酮、正己烷等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ－5200DE型數(shù)控超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;DK－S24恒溫水浴鍋:上海森信試驗儀器有限公司;101型熱電鼓風(fēng)干燥箱:北京市永光明醫(yī)療儀器廠;BS223S電子天平:賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司;GC－2014C氣相色譜:日本島津公司;S－3400－2掃描電鏡:日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 溶劑選擇

為選擇更適合的提取溶劑，試驗選取油脂提取中常用的6種溶劑進行比較研究，石油醚(沸點30～60℃)、石油醚(沸點60～90℃)、無水乙醚、乙酸乙酯、丙酮、正己烷。采用索氏提取法，提取時間為6 h、提取溫度分別為6種有機溶劑的沸點、液料比為10 mL/g、提取1次，分別測定6種溶劑提取亞麻籽油得率，最終以亞麻籽油得率及浸提溶劑價格作為評價指標(biāo)確定理想溶劑。

1.3.2 超聲波提取方法及工藝流程

稱取約5.00 g粉碎好的亞麻籽粉末于錐形瓶中，以石油醚(沸點60～90℃)為提取溶劑，采用超聲波輔助手段進行油脂提取。提取完畢后，將濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進行溶劑回收，然后于真空干燥箱中進行干燥，待恒重后計算油脂得率。

亞麻籽→干燥→粉碎、過40目篩→稱取→超聲波提取→提取液真空抽濾、料液分離→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮→亞麻油→皂化、甲酯化→GC分析。

1.3.3 油脂得率

油脂得率=亞麻籽油質(zhì)量/提取用亞麻籽質(zhì)量×100%。

1.3.4 亞麻籽與油脂理化成分測定方法［12－18］

亞麻籽脂肪:GB/T 14488.1—2008《植物油料含油量測定》;水分:GB/T 4489.1—2008《油料水分及揮發(fā)物含量測定》;蛋白:GB/T 14489.2—2008〈糧油檢驗植物油料粗蛋白質(zhì)的測定》;銅:GB/T 5009.13—2003《食品中銅的測定》;鐵、錳:GB/T 5009.90—2003《食品中鐵、鎂、錳的測定》;鋅:GB/T 5009.14—2003《食品中鋅的測定》。

亞麻籽油理化特性按照GB/T 8235—2008《亞麻籽油》進行測定。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 單因素試驗

以提取溫度(30、40、50、60、70 ℃)、提取時間(20、30、40、50、60 min)、超聲波功率(120、140、160、180、200 W)和液料比(5、10、15、20、25 mL/g)為考察因素，以亞麻籽油得率為考察指標(biāo)，進行單因素試驗。

1.4.2 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用Box－Behnken試驗設(shè)計方案優(yōu)化亞麻籽油提取工藝參數(shù)，以亞麻籽油得率Y為響應(yīng)值，－1、0、1分別代表變量水平，試驗設(shè)計如表2所示。

表2 Box－Behnken試驗因素水平

1.4.3 亞麻籽油皂化、甲酯化

皂化:取0.1 mL脂肪，用正己烷定溶于5 mL容量瓶中，吸取此溶液2.0 mL于一具塞試管中，加入2 mol/L NaOH－CH3OH溶液1 mL進行皂化，漩渦振蕩10 min后50℃水浴5 min，冷卻至室溫待甲酯化。

甲酯化:在經(jīng)皂化處理后的樣品中加入2 mol/L HCl－CH3OH溶液2 mL，充分振蕩10 min，于50℃水浴5 min，進行甲酯化。然后棄去下層液體，再加約2 mL蒸餾水洗凈并去除水層，用滴管吸出正己烷層，加入無水硫酸鈉脫水，進行氣相色譜分析。

1.4.4 GC 儀器工作條件

GC工作條件:進樣量1μL，進樣口溫度225℃;進樣方式為分流進樣，分流比為50∶1;升溫程序為初始溫度100℃，以4℃/min速率升至220℃，保持40 min;檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID)，檢測溫度250℃，載氣為氮氣。

1.4.5 亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)分析

為有效分析超聲波輔助有機溶劑提取與傳統(tǒng)有機溶劑提取方法作用機理差異，本試驗利用掃描電鏡對不同提取方式下亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)進行研究，將提取油脂完畢后的亞麻粉末用導(dǎo)電膠粘在樣品臺上，然后于真空離子噴濺設(shè)備中噴鍍一層不超過100 nm的Pt膜，用掃描電鏡觀察樣品表面特征進行比較。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

本試驗以所得亞麻油脂得率為目標(biāo)函數(shù)，以提取溫度、提取時間、超聲波功率、液料比為自變量進行試驗，采用Design Expert 8.0軟件對試驗結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取溶劑的選擇

不同溶劑對亞麻籽出油率的影響如表3所示。由表3可以看出，用正己烷提取的亞麻籽油得率最高為38.82%，比石油醚(60～90℃)高2.12%，石油醚(30～60℃)、丙酮、無水乙醚得率相差不大。但綜合考慮提取溶劑的價格因素后，選擇石油醚(60～90℃)作為最終的提取溶劑。

表3 不同提取溶劑下亞麻籽油的得率/%

2.2 單因素試驗

2.2.1 提取溫度對亞麻籽油提取效果的影響

在功率為160 W、提取時間30 min、液料比10 mL/g的條件下，提取溫度對亞麻籽油提取效果的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，提取溫度為30～60℃時，亞麻籽油得率隨著溫度的升高也隨之上升，從30.60%上升到34.88%。提取溫度在60～70℃范圍內(nèi)時，亞麻籽油得率反而下降，由34.88%下降為34.50%，分析其中原因可能為石油醚沸程為60～90℃，當(dāng)溫度高于60℃時，會造成石油醚揮發(fā)的增加，降低了擴散率進而影響油脂得率的下降［19］。因此，綜合考慮，選擇60℃為最佳超聲波處理溫度。

圖1 提取溫度對亞麻籽油得率的影響

2.2.2 提取時間對亞麻籽油提取效果的影響

在功率為160 W、液料比10 mL/g、提取溫度為60℃的條件下，提取時間對亞麻籽油提取效果的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著浸提時間的延長，出油率不斷增加，但30 min后油脂得率變化不大，這主要是因為達到一定時間后，提取過程變?yōu)閯討B(tài)平衡。對數(shù)據(jù)分析也可知浸提30 min與浸提60 min油脂得率沒有明顯差異，故以30 min為最佳因素。

圖2 提取時間對亞麻籽油得率的影響

2.2.3 提取功率對亞麻籽油提取效果的影響

在液料比10 mL/g、提取溫度60℃、提取時間30 min的條件下，提取功率對亞麻籽油提取效果的影響如圖3所示。從圖3可看出，出油率隨功率變大逐漸增加，這主要是因為隨著超聲波功率增大，空化作用和機械作用逐漸增強，分子擴散速度加快，有機溶劑對細(xì)胞組織內(nèi)部的滲透和細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)向溶劑的釋放也隨之增加［20］，與 180 W 相比，功率為200 W時，油脂得率增加不明顯。綜合考慮，選擇180 W為最佳超聲功率。

圖3 提取功率對亞麻籽油得率的影響

2.2.4 液料比對亞麻籽油提取效果的影響

在提取溫度60℃、提取時間30 min、提取功率180 W的條件下，液料比對亞麻籽油提取效果的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著液料比增加，亞麻油脂得率也逐漸增加，但可明顯看出從10 mL/g到25 mL/g得率的增加并不明顯，分析其中原因可知，原料與溶劑中亞麻籽油濃度差異較大，當(dāng)液料比較低時，液料比的增加可以極大地改變原料和溶劑間亞麻籽油濃度的差異，有利于亞麻籽油從原料中浸提出［21］。但當(dāng)液料比增加到某個特定值后，進一步增加液料比對于改變原料與溶劑間亞麻籽油的濃度差異沒有明顯效果，故選擇10 mL/g為最佳液料比。

圖4 液料比對亞麻籽油得率的影響

2.3 超聲波輔助提取亞麻籽油工藝條件優(yōu)化

2.3.1 模型構(gòu)建及顯著性檢驗

響應(yīng)面試驗結(jié)果如表4所示，所得結(jié)果用Design Expert 8.0軟件進行分析，得到亞麻籽油得率與各因素之間的二次回歸模型 Y=35.02+0.46X1+0.063X2+0.031X3+0.40X4－ 0.030X1X2+0.045X1X3+0.090X1X4+0.14X2X3+0.085X2X4－ 7.500 × 10－3X3X4－0.42X21－0.25X22－0.22X23－0.37X24。剔除不顯著項后，回歸模型簡化為 Y=35.02+0.46X1+0.40X4+0.14X2X3－ 0.42X21－ 0.25X22－ 0.22X23－0.37X24。為對模型的有效性進行檢驗，對表4中的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表5所示。

表4 Box Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果

由表5可知，模型P＜0.000 1，說明模型顯著。失擬項反映的試驗數(shù)據(jù)與模型不相符情況，P=0.131 8，說明失擬不顯著，因此認(rèn)為該模型與實際擬合較好，且未知因素對試驗結(jié)果干擾較小，該模型可較好的預(yù)測亞麻籽油得率與各參數(shù)之間的變化規(guī)律。模型中一次項、二次項及交互項均存在顯著項，其中一次項中X1和X4極顯著，說明提取溫度和液料比對亞麻籽油得率影響極為明顯;交互項中X2X3交互效應(yīng)顯著，說明提取時間和超聲波功率的交互項對亞麻籽油得率影響顯著;二次項提取溫度、提取時間、超聲波功率、液料比極顯著。

表5 亞麻籽油得率回歸模型方差分析表

2.3.2 響應(yīng)面分析

圖5為提取時間、提取溫度、超聲波功率、液料比相互作用對亞麻籽油得率影響的響應(yīng)面圖。從圖5a、圖5c中可明顯看出，溫度對得率的影響明顯高于提取時間、超聲波功率及液料比。在時間、功率、液料比不變的前提下，隨著溫度增加，亞麻籽油得率呈先上升后下降的趨勢。分析其中原因，主要是因為溫度的升高可使分子解附和擴散速度加快，從而使得亞麻籽油浸出速率和得率提高，但當(dāng)溫度達到一定程度后，油脂得率反而下降，參照單因素試驗，當(dāng)溫度升高時，石油醚蒸發(fā)，溶劑量減少，使得擴散速率降低，進而使得油脂得率下降［22］。圖5d表明，時間與功率的交互作用對得率的影響最為顯著，油脂得率隨功率和時間的改變先升高后下降，當(dāng)時間為50 min，功率為180 W時達到最大。圖5e和圖5f表明，液料比對油脂得率的影響高于時間和功率，液料比的增加使得溶劑中油脂含量減少，根據(jù)動力學(xué)理論，2項中濃度要達到平衡，溶劑中的濃度需增加，因此物料中的油脂會逐漸擴散到溶劑中，進而提高了油脂得率。

圖5 浸提溫度、浸提時間、超聲波功率及液料比對亞麻籽油得率交互影響

2.3.3 提取工藝條件優(yōu)化

根據(jù)響應(yīng)面分析結(jié)果得到亞麻籽油提取最佳工藝參數(shù)為:溫度 66.26 ℃、時間 32.55 min、功率184.00 W、液料比13.24 mL/g，在該工藝條件下亞麻籽油得率估測值為35.04%。為對優(yōu)化的工藝參數(shù)進行驗證，為便于試驗操作，選擇工藝參數(shù):溫度66℃、時間33 min、功率180 W、液料比13 mL/g進行試驗，結(jié)果表明該優(yōu)化工藝條件下亞麻籽油得率為35.52%，與預(yù)測結(jié)果35.04%基本一致，相對誤差為1.37%，說明響應(yīng)面法適用于超聲波提取亞麻籽油工藝參數(shù)的優(yōu)化。

2.4 超聲波提取對亞麻籽表面結(jié)構(gòu)影響

圖6為粉碎未脫脂、傳統(tǒng)溶劑提取與超聲波輔助溶劑提取后的亞麻籽粉掃描電鏡圖。從圖6a中可以清晰的看出，未脫脂的亞麻籽表面存在著大量褶皺結(jié)構(gòu)，該褶皺結(jié)構(gòu)為油脂成分，這充分說明亞麻籽中存在著豐富的油脂。與圖6a相比，圖6b與圖6c中開始出現(xiàn)孔洞結(jié)構(gòu)，且隨著時間的增加孔洞現(xiàn)象越來越明顯，這表明亞麻籽中的油脂成分逐漸被提取出來。圖6d較前3幅圖，其脫脂效果更為明顯，有大量的碎片組織出現(xiàn)。超聲波提取50 min的效果對亞麻籽油的提取效果更為明顯，其中的油脂基本被全部提取出來。由此可見，超聲波輔助提取效果優(yōu)于溶劑提取效果。

圖6 溶劑與超聲波提取對亞麻籽表面結(jié)構(gòu)的影響

2.5 亞麻籽油的GC分析結(jié)果

2種提取方法得到的亞麻籽油脂中脂肪酸組成如圖7所示，經(jīng)計算分析得到的2種提取方式亞麻籽油組成及含量如表6所示。從表6中可以看出，2種提取方式并對脂肪酸的組成結(jié)構(gòu)及含量影響并不大，但在得到品質(zhì)相近的油脂條件下超聲波輔助提取法的效率明顯高于普通溶劑法。同時，在表6中也可看出2種提取方式下油脂的酸值和過氧化值均較小，說明油脂的品質(zhì)較好。

圖7 溶劑與超聲波提取亞麻籽油脂肪酸組成

表6 亞麻籽油中主要脂肪酸組成

3 結(jié)論

3.1 在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面試驗確定的影響超聲波輔助提取亞麻籽油最佳工藝條件為:提取溫度66℃、料液比13 mL/g、提取時間33 min、提取功率180 W，此條件下出油率為35.52%。

3.2 超聲波提取法可有效破壞亞麻籽細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進油脂溢出，進而縮短提取時間、提高提取效率。

3.3 利用氣相色譜技術(shù)對超聲波輔助提取法和溶劑浸提法提取的油脂進行脂肪酸組成分析，結(jié)果表明，與溶劑法相比，在得到相同品質(zhì)油脂的條件下超聲波輔助提取法可有效提高提取效率。

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