正己烷浸提法提取蠶蛹油工藝的優(yōu)化研究

張麗麗 章玉萍 趙 萍 陳 明 代君君 范 濤

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061)

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正己烷浸提法提取蠶蛹油工藝的優(yōu)化研究

張麗麗 章玉萍 趙 萍 陳 明 代君君 范 濤

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061)

蠶蛹油是以蠶蛹體為原料抽取的油脂，含有多種飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，用途廣泛。以繅絲后的干蠶蛹為原料，采用浸提法以正己烷為提取溶劑，利用單因素試驗(yàn)結(jié)合正交試驗(yàn)，對(duì)蠶蛹油的提取條件進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：正己烷提取蠶蛹油的最佳條件為提取溫度40 ℃、提取時(shí)間3 h、料液質(zhì)量濃度1∶6 g/mL、振蕩速率160 r/min，蠶蛹油的出油率達(dá)到25.96%。

蠶蛹油；正己烷;溶液浸提法；正交試驗(yàn)；提取工藝；優(yōu)化

蠶蛹主要來(lái)源于繅絲后的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t生絲可產(chǎn)生近1 t的干蠶蛹。僅2014年，我國(guó)蠶繭總產(chǎn)量就達(dá)64萬(wàn)t，生絲產(chǎn)量17萬(wàn)t，也就形成了近17萬(wàn)t的干蠶蛹[1]。但是，繅絲后的干蠶蛹，由于其本身具有的臭味，若直接生產(chǎn)食品則無(wú)法被大多數(shù)人群所接受，轉(zhuǎn)而用于禽畜飼料的生產(chǎn)，資源利用率較低。目前，我國(guó)蠶桑產(chǎn)業(yè)還處在傳統(tǒng)型生產(chǎn)蠶繭上，基本集中于生絲、絲綢的生產(chǎn)，開發(fā)家蠶功能利用的高附加值新型產(chǎn)業(yè)不多[2-3]。因此，對(duì)蠶蛹深加工，開發(fā)新產(chǎn)品，提高蠶蛹的經(jīng)濟(jì)價(jià)值勢(shì)在必行。

有研究表明，蠶蛹的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，蠶蛹的蛋白質(zhì)含量在50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般食品[4]。除此之外，蠶蛹還含有活性多肽、甲殼素、多糖、維生素等多種活性成分[5]；干蠶蛹還含有30%左右的油脂，且蠶蛹油中75%以上為不飽和脂肪酸，其中包括大量的亞麻酸和亞油酸[6]，而它們?cè)谌梭w內(nèi)是不能合成的，必須從體外攝入。亞麻酸屬ω-3系列多烯脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，簡(jiǎn)稱PUFA)，它以甘油酯的形式存在于深綠色植物中，是構(gòu)成人體組織細(xì)胞的主要成分，在體內(nèi)能合成、代謝、轉(zhuǎn)化為機(jī)體必需的生命活性因子二十二碳六烯酸( docosahexenoic acid，簡(jiǎn)稱DHA)和二十碳五烯酸(eicosapentenoic acid，簡(jiǎn)稱EPA)[7]。在膽固醇代謝途徑中，膽固醇必須與亞油酸結(jié)合后，才能在體內(nèi)進(jìn)行正常的運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝，如果缺乏亞油酸，膽固醇就會(huì)與一些飽和脂肪酸結(jié)合，發(fā)生代謝障礙，在血管壁上沉積下來(lái)，逐步形成動(dòng)脈粥樣硬化，引發(fā)心腦血管疾病[8]。研究表明，蠶蛹油具有促進(jìn)脂肪代謝，降血脂、降膽固醇、降血糖，提高機(jī)體免疫的機(jī)能和保護(hù)肝臟等功能[9-11]；也可作為工業(yè)原料應(yīng)用于生產(chǎn)表面活性劑和塑料改性添加劑等[12-13]。因此，從蠶蛹中提取蠶蛹油及其各種成分作為保健食品，以及獲得品質(zhì)較好的蠶蛹粗蛋白，實(shí)現(xiàn)蠶蛹蛋白的進(jìn)一步深加工，是蠶蛹資源開發(fā)利用的重要方面之一。

目前，蠶蛹油的開發(fā)研究方法主要有壓榨法、索氏抽提法、CO2超臨界萃取法、溶液浸提法等[14]。但蠶蛹中粗纖維含量較少，傳統(tǒng)的壓榨出油率很低；索氏抽提法和CO2超臨界萃取法的提取效率雖然很高，但使用的儀器上樣量較小，只適用于少量提取，且CO2超臨界萃取儀器價(jià)格昂貴，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)使用；而溶液浸提法提取油脂，不受油料質(zhì)地軟硬的影響，操作溫度較低(一般低于浸提溶液的沸點(diǎn))，提取的油脂質(zhì)量較好，因其具有提取率高、工業(yè)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，目前使用較成熟，已應(yīng)用于油脂提取行業(yè)[15]。本文以繅絲后的干蠶蛹為原料，以正己烷為提取溶劑，采用單因素試驗(yàn)結(jié)合正交試驗(yàn)，對(duì)浸提法提取蠶蛹油的工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，旨在為大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用提供科學(xué)、有效的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試材料 繅絲后的干蠶蛹，由安徽源牌實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司提供。

1.1.2 主要試劑和儀器 正己烷：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。FA1204N型數(shù)顯電子天平，上海民橋精密科學(xué)食品有限公司生產(chǎn)；DH6-924385-III型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司生產(chǎn)；SHZ-82振蕩水浴鍋，上海儀純實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；5430R離心機(jī)，Eppendorf公司生產(chǎn)；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 蠶蛹粉的制備 將繅絲后的干蠶蛹置于60 ℃的烘箱里恒溫干燥12 h以上，至恒質(zhì)量，用小型粉粹機(jī)粉碎，過(guò)60目篩，備用。

1.2.2 蠶蛹油的提取 蛹油提取工藝流程如圖1所示。稱取蠶蛹粉末5 g于錐形瓶中，加入一定量的正己烷，封口后置于振蕩水浴鍋中振蕩提取。提取結(jié)束后，靜置40 min，3 000 r/min離心10 min，上清液30 ℃減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，分離得到蠶蛹油和溶劑。蠶蛹出油率=粗蛹油質(zhì)量/蠶蛹粉質(zhì)量×100%。

圖1 蠶蛹油浸提流程圖

1.2.3 蠶蛹油提取工藝的單因素試驗(yàn) 以蠶蛹油含量百分比為考察指標(biāo)，分別以不同提取溫度(30、40、50、60 ℃)，不同提取時(shí)間 (1、2、3、4、5 h)，不同料液質(zhì)量濃度(蠶蛹粉質(zhì)量∶浸提溶液體積，分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶6、1∶8 g/mL)，不同振蕩速率(0、80、120、160、200 r/min)做單因素試驗(yàn)，考察各單因素對(duì)蠶蛹出油率的影響，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.4 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取溫度、提取時(shí)間、料液質(zhì)量濃度、振蕩速率4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，以蠶蛹出油率為參考指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果利用正交設(shè)計(jì)助手軟件進(jìn)行分析，確定正己烷浸提蠶蛹油的最佳工藝條件，見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平

水平溫度/℃(A)時(shí)間/h(B)料液質(zhì)量濃度/(g/mL)(C)振蕩速率/(r/min)(D)13011∶38024021∶412035031∶6160

1.2.5 最佳工藝的驗(yàn)證 為進(jìn)一步考察正交分析所得最佳工藝的科學(xué)性和穩(wěn)定性，按照優(yōu)化的最佳工藝條件經(jīng)過(guò)重復(fù)性試驗(yàn)3次，并分別測(cè)定蠶蛹出油率，計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。

2 結(jié)果和分析

2.1 單因素試驗(yàn)

圖2 提取溫度對(duì)蠶蛹出油率的影響

2.1.1 提取溫度對(duì)蠶蛹出油率的影響 稱取5 g蠶蛹粉加入20 mL正己烷(即料液質(zhì)量濃度1∶4 g/mL)，在80 r/min的轉(zhuǎn)速下提取2 h，考察提取溫度對(duì)蠶蛹出油率的影響。由圖2可見，隨著提取溫度的升高，蠶蛹出油率從22.52%上升到27.28%；說(shuō)明在加熱的條件下蠶蛹油脂較易溶出，一般來(lái)說(shuō)較高的溫度有利于提高分子動(dòng)力，促進(jìn)分子的擴(kuò)散。但由于較高的溫度下提取物料的性質(zhì)會(huì)發(fā)生一些變化，也容易引起蠶蛹油脂酸敗[14]，這些變化均不利于后期試驗(yàn)，所以選擇合適的提取溫度對(duì)蠶蛹油的提取很關(guān)鍵。為了保持蠶蛹油中各類不飽和脂肪酸的品質(zhì)，采用30、40、50 ℃進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)蠶蛹出油率的影響 在提取溫度為40 ℃，料液質(zhì)量濃度為1∶4 g/mL，轉(zhuǎn)速為80 r/min的情況下，考察提取時(shí)間對(duì)蠶蛹出油率的影響。由圖3可見，蠶蛹出油率在5 h內(nèi)就能從19.15%提高到22.18%，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，出油率升高趨勢(shì)變緩。說(shuō)明在較短的時(shí)間內(nèi)蠶蛹油脂就已大部分溶出，并達(dá)到了浸出平衡。繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的浸提，溶劑中溶出的脂肪會(huì)被蠶蛹蛋白再吸附，導(dǎo)致出油率不再增加。且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，浸提時(shí)間超過(guò)3 h后，得到的粗蛹油顏色和透明度都劣于短時(shí)間浸提，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間振蕩導(dǎo)致蠶蛹粉產(chǎn)生了更細(xì)微的粉末，這對(duì)后期的分離步驟要求條件更高。所以，選用1、2、3 h進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖3 提取時(shí)間對(duì)蠶蛹出油率的影響

2.1.3 料液質(zhì)量濃度對(duì)蠶蛹出油率的影響 稱取5 g蠶蛹粉，按不同料液質(zhì)量濃度加入相應(yīng)體積的正己烷，在提取溫度為40 ℃，80 r/min的轉(zhuǎn)速下提取2 h，考察料液質(zhì)量濃度對(duì)蠶蛹出油率的影響。油脂浸提過(guò)程大致可分成3個(gè)階段，即油脂自物料顆粒內(nèi)部向它自身的外表面擴(kuò)散、油脂通過(guò)邊界層的分子擴(kuò)散和油脂從邊界層向流動(dòng)混合油的對(duì)流擴(kuò)散。當(dāng)溶劑較少的時(shí)候，物料剛?cè)艹錾倭坑椭蠡旌嫌途鸵堰_(dá)到飽和；增加溶劑用量后，物料內(nèi)外油脂濃度差加大，能夠促進(jìn)油脂分子由內(nèi)向外的擴(kuò)散，提高出油率。

從圖4中可以看出，當(dāng)料液質(zhì)量濃度從1∶2 g/mL降低至1∶4 g/mL時(shí)，蠶蛹出油率明顯增大，從16.25%增大至22.28%?？赡苁怯捎谠诹弦嘿|(zhì)量濃度大于1∶4 g/mL時(shí)，蠶蛹內(nèi)部的油脂還未完全溶出時(shí)，溶劑已達(dá)到飽和狀態(tài)，這時(shí)的出油率是由溶劑的量所決定的，所以蠶蛹出油率隨著料液質(zhì)量濃度的降低而明顯增加。但當(dāng)料液質(zhì)量濃度從1∶4 g/mL降到1∶8 g/mL時(shí)，蠶蛹出油率的提高明顯變緩，僅從22.28%增加至23.05%，說(shuō)明料液質(zhì)量濃度的影響力逐漸縮小，蠶蛹粉中的油脂已基本溶出，再提高溶劑的用量，也無(wú)法大幅度提高蠶蛹出油率。如果從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，溶劑的用量過(guò)多也會(huì)增加生產(chǎn)成本，在后期蒸發(fā)溶劑的過(guò)程中不僅要消耗更多的電能，還會(huì)使蒸發(fā)時(shí)間增加，從而增加了生產(chǎn)周期。綜合考慮蠶蛹油在溶劑中的溶解度、生產(chǎn)成本及后續(xù)加工等，選用1∶3、1∶4、1∶6 g/mL的料液質(zhì)量濃度進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖4 料液質(zhì)量濃度對(duì)蠶蛹出油率的影響

2.1.4 振蕩速率對(duì)蠶蛹出油率的影響 稱取5 g蠶蛹粉，加入20 mL正己烷，在提取溫度為40 ℃下提取2 h，考察振蕩速率對(duì)蠶蛹出油率的影響。由圖5可見，不進(jìn)行振蕩時(shí)蠶蛹出油率只有16.15%，隨著振蕩速率的提高，蠶蛹出油率也隨之提高，當(dāng)速率達(dá)到160 r/min時(shí)達(dá)到最大值，為22.58%；當(dāng)振蕩速率達(dá)到200 r/min時(shí)，蠶蛹出油率反而有所降低，為21.28%。這可能是蠶蛹粉的質(zhì)地比較松散，在劇烈振蕩的情況下，組織顆粒的外部逐漸剝落，產(chǎn)生了較細(xì)微的粉末，經(jīng)過(guò)離心后細(xì)微粉末會(huì)聚集在固體和液體接觸處。為減少細(xì)微粉末進(jìn)入溶劑層，棄去部分接觸層溶劑可能導(dǎo)致蠶蛹出油率的降低，所以選取80、120、160 r/min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖5 振蕩速率對(duì)蠶蛹出油率的影響

2.2 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)中各個(gè)變量對(duì)蠶蛹出油率相互影響，因此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來(lái)全面分析正己烷浸提法提取蠶蛹油的工藝參數(shù)。根據(jù)有關(guān)資料及單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇正交表L9(34)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來(lái)考察提取溫度、時(shí)間、料液質(zhì)量濃度、振蕩速率4個(gè)因素對(duì)蠶蛹出油率的影響，分析最佳提取工藝。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，由表2可知，對(duì)蠶蛹油提取率影響的大小順序?yàn)榱弦嘿|(zhì)量濃度>提取溫度>振蕩速率>提取時(shí)間，最佳工藝條件為A2B3C3D3，即提取溫度為40 ℃，提取時(shí)間為3 h，料液質(zhì)量濃度為1∶6 g/mL，振蕩速率為160 r/min。以各因素水平為橫坐標(biāo)，蠶蛹出油率的平均值(K值)為縱坐標(biāo)，繪制各因素與指標(biāo)效應(yīng)的曲線圖(圖6)，可以看出蠶蛹出油率隨各因素水平的變化而變化的趨勢(shì)。

表2L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

因素溫度(A)時(shí)間(B)料液質(zhì)量濃度(C)振蕩速率(D)出油率/%試驗(yàn)111111955試驗(yàn)212222183試驗(yàn)313332591試驗(yàn)421232455試驗(yàn)522312502試驗(yàn)623122467試驗(yàn)731322429試驗(yàn)832112237試驗(yàn)933232275均值1(K1)22430227972219722440均值2(K2)24747230732304323597均值3(K3)23137244432507324277極差(R)2317164628761837

圖6 各因素與指標(biāo)效應(yīng)的曲線圖

2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證

采用正交試驗(yàn)所得最佳提取工藝在提取溫度40 ℃、提取時(shí)間3 h、料液質(zhì)量濃度1：6 g/mL、振蕩速率160 r/min進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在該條件下蠶蛹出油率可達(dá)到25.96%，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)篩選出來(lái)的提取條件科學(xué)合理，結(jié)果穩(wěn)定可靠，具有較好的重復(fù)性。

3 結(jié)論

本研究采用正交試驗(yàn)方法對(duì)蠶蛹油正己烷浸提工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。采用正己烷作為浸提溶劑，在降低生產(chǎn)成本、提高時(shí)間效率和工業(yè)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，得到提取蠶蛹油的最佳工藝條件：提取溫度為40 ℃，提取時(shí)間為3 h，料液質(zhì)量濃度為1：6 g/mL，振蕩速率為160 r/min，在該條件下蠶蛹出油率可達(dá)到25.96%。

[1] 商務(wù)部市場(chǎng)運(yùn)行和消費(fèi)促進(jìn)司.商務(wù)部辦公廳、農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于做好2015年度全國(guó)桑蠶種、繭、絲生產(chǎn)指導(dǎo)服務(wù)工作的通知[EB/OL].中華人民共和國(guó)商務(wù)部，(2015-03-31)[2015-04-03].http：//www.mofcom.gov.cn/article/h/redht/201504/20150400934620.shtml.

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2015-08-10;接受日期：2015-11-10

安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(編號(hào) 14A0607)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào) 15B0626)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào) 15C0606)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子工程項(xiàng)目(編號(hào)14D0606)。

信息：范濤(1962—)，男，碩士，研究員。 Tel：0551-66826686，E-mail:fantao1116@163.com

S886.9

B

1007-0982(2016)01-0031-05

第1作者信息：張麗麗(1984—)，女，安徽合肥，博士，助理研究員。 E-mail:llzhang818@163.com