牡丹籽脫皮及其仁油超臨界CO2萃取工藝研究

史闖，王斐，殷鐘意，鄭旭煦，，*（.重慶工商大學環(huán)境與資源學院，重慶400067；.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗室，重慶400067）

牡丹籽脫皮及其仁油超臨界CO2萃取工藝研究

史闖1，王斐1，殷鐘意2，鄭旭煦1，2，*
（1.重慶工商大學環(huán)境與資源學院，重慶400067；2.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗室，重慶400067）

以牡丹籽為原料，以牡丹籽仁的得率和牡丹籽仁油的出油率為指標，采用單因素試驗或正交試驗依次優(yōu)化牡丹籽的超聲輔助堿液脫皮和牡丹籽仁的超臨界CO2萃取的工藝。結(jié)果表明，在NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為7%、超聲溫度為40℃、超聲時間為40 min、超聲功率為200 W的條件下，牡丹籽的脫皮效果最好，牡丹籽仁的得率達50%；在牡丹籽仁粒度為40目、含水率為8%、CO2流量為45 L/h、萃取壓力為35 MPa、萃取溫度為45℃、萃取時間為2 h的條件下，牡丹籽仁油的出油率達30.4%，其中不飽和脂肪酸含量（油酸23.3%、亞油酸24.3%、α-亞麻酸44.4%）達92.0%，且不含反式脂肪酸。

牡丹籽仁；牡丹籽仁油；超聲波；超臨界二氧化碳萃取

牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）是毛茛科、芍藥屬植物，為多年生落葉小灌木。目前我國牡丹的種植面積已經(jīng)達到30萬畝以上，而且還呈增長趨勢，但主要是以生產(chǎn)丹皮為主。牡丹籽作為牡丹生產(chǎn)丹皮的主要副產(chǎn)物，每年的牡丹籽產(chǎn)量可達3萬t［1］。去皮之后的牡丹籽仁含油量高達36%，并且不飽和脂肪酸含量高達90%［2］，尤其是在人體內(nèi)不能自己合成的、只能通過外界獲取的必需脂肪酸（如亞麻酸、亞油酸等）含量豐富。國家衛(wèi)生部已于2011年3月22日批準牡丹籽油作為新資源食品，標志著牡丹籽油可以進行批量化生產(chǎn)，進入食用油行列［3］，為牡丹籽仁油的食用開發(fā)提供了法律基礎。

牡丹籽表皮含油量低（約0.85%），但含有大量色素和少量苷類和單寧物質(zhì)，在萃取過程中容易混入油脂中，使得油脂色澤深且呈苦澀味，從而影響油脂的品質(zhì)，因此牡丹籽在制取油脂前應進行脫皮處理。目前牡丹籽脫皮方法主要有機械脫皮（物理法）和高溫堿煮脫皮（化學法）兩種方法，由于牡丹籽表皮硬度較小，傳統(tǒng)的機械剝殼效果不佳，造成牡丹籽仁中殘留大量細小表皮而影響油脂的品質(zhì)；而高溫堿煮脫皮容易處理過度，不僅將影響牡丹籽仁的得率、質(zhì)地和顏色，造成油脂原料的數(shù)量減少和質(zhì)量降低，對最終產(chǎn)品造成負面影響；而且高溫還容易產(chǎn)生反式脂肪酸，對人體健康造成一定的影響［4］。為此，我們已優(yōu)化出一種能夠在低溫下有效脫皮的方法——超聲輔助堿液脫皮方法。

牡丹籽仁油的制取方法主要有壓榨法和溶劑提取法，但傳統(tǒng)的壓榨法存在機械強度大、出油率低等缺點，傳統(tǒng)的溶劑提取法存在溶劑殘留等不足［5］；而超臨界CO2萃取法因其具有操作簡便、溶解能力強、無毒、無溶劑殘留污染、產(chǎn)品物性好、純度高等優(yōu)點，已廣泛應用于多種植物油脂的制?。?］。盡管超臨界CO2萃取法在牡丹籽油的制取方面已有報道［7］，但有關(guān)牡丹籽表皮的脫除方法的研究報道卻很少［8］，而且目前尚未看到有關(guān)超聲輔助堿液脫皮后的牡丹籽仁制取牡丹籽仁油的研究報道。為此本文將系統(tǒng)研究牡丹籽超聲輔助堿液脫皮和牡丹籽仁超臨界CO2萃取的工藝條件，以期為更好地開發(fā)利用牡丹籽這一新興資源提供技術(shù)和理論支持。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

1.1.1原料

牡丹籽：購于山東菏澤。

1.1.2試劑

CO2：由重慶市九龍坡區(qū)石坪橋天燃氣業(yè)務部提供；氫氧化鈉：天津鵬坤化工有限公司；37種脂肪酸甲酯混合標準品、8組分反式脂肪酸甲酯混合標準品：美國NuChek公司；亞油酸甲酯類十八碳二烯酸順反異構(gòu)混合物標準品、亞麻酸甲酯異構(gòu)體混合標準品：美國Sigma公司；異辛烷（C8H18，色譜純）；無水甲醇、氫氧化鉀、氯化鈉、三氟化硼甲醇溶液（質(zhì)量分數(shù)50%～52%）、冰乙酸、異辛烷、碘化鉀、硫代硫酸鈉、95%乙醇、氫氧化鉀、酚酞、水楊酸、可溶性淀粉均為分析純。

1.2儀器與設備

HA221-40（50）-（10+X）：南通市華安超臨界萃取公司；JA3003電子天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；GZX-GF電熱恒溫鼓風干燥箱：上海龍躍儀器設備有限公司；D-37520高速冷凍離心機：Biofuge Stratos D-37520 Osterode；SB-5200D超聲波清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；GC-14氣相色譜儀（FID檢測器）：日本島津公司；CD-2560氣相毛細管柱（100 m×0.25 mm×0.20 μm）：德國CNW公司。

1.3方法

1.3.1工藝流程

牡丹籽→超聲輔助堿液脫皮→清洗→干燥→粉碎→過篩→稱重→進料密封→升溫升壓至特定條件→超臨界CO2流體萃取→減壓分離→離心除雜→牡丹籽仁油

1.3.2牡丹籽的超聲輔助堿液脫皮方法及工藝

稱取牡丹籽100 g，放入一定溫度且超聲功率為200 W的超聲波清洗器中，再加入一定質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液，超聲處理一段時間；然后將牡丹籽放入清水中浸泡清洗脫皮，得到牡丹籽仁，自然風干，備用。

采用單因素試驗研究其工藝條件。以牡丹籽仁的得率（牡丹籽仁干重/牡丹籽干重）為指標，考察NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)、超聲溫度和超聲時間對脫皮效果的影響。

1）在超聲功率為200 W、超聲溫度為50℃、超聲時間為60min下，考察NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)分別為3%、5%、7%、9%、11%時對牡丹籽仁的得率的影響；

2）在NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為7%、超聲功率為200W、超聲溫度為50℃下，考察超聲時間分別為20、30、40、50、60 min時對牡丹籽的得率的影響；

3）在NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為7%、超聲功率為200W、超聲時間為40 min下，考察超聲溫度分別為20、30、40、50、60℃時對牡丹籽仁的得率的影響。

1.3.3牡丹籽仁的超臨界CO2萃取工藝

1.3.3.1單因素試驗

牡丹籽仁烘干粉碎后稱取350 g，以牡丹籽仁油的出油率作為考察指標，分別以物料粒度、萃取時間、萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和物料含水率作為單因素進行試驗。

1）在萃取時間2 h、萃取壓力為30 MPa、物料含水率為8%、萃取溫度為45℃、CO2流量為40 L/h的條件下，考察物料粒度分別為10、20、40、60、80目時對牡丹籽仁油出油率的影響；

2）在物料粒度為40目、萃取壓力為30 MPa、物料含水率為8%、萃取溫度為45℃、CO2流量為40 L/h的條件下，考察萃取時間分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3 h時對牡丹籽仁油出油率的影響；

3）在物料粒度為40目、萃取時間為2 h、物料含水率為8%、萃取溫度為45℃、CO2為流量40 L/h的條件下，考察萃取壓力分別為20、25、30、35、40 MPa對牡丹籽仁油出油率的影響；

4）在物料粒度為40目、萃取時間為2 h、物料含水率為8%、萃取壓力為30 MPa、CO2流量為40 L/h的條件下，考察萃取溫度分別為35、40、45、50、55℃時對牡丹籽仁油出油率的影響；

5）在物料粒度為40目、萃取時間為2 h、物料含水率為8%、萃取壓力為30 MPa、萃取溫度為45℃的條件下，考察CO2流量分別為25、30、35、40、45 L/h對牡丹籽仁油出油率的影響；

6）在物料粒度為40目、萃取時間為2 h、CO2流量為40 L/h、萃取壓力為30 MPa、萃取溫度為45℃的條件下，考察物料含水率分別為4%、6%、8%、10%、12%時對牡丹籽仁油出油率的影響。

1.3.3.2正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，在物料含水率為8%、萃取溫度45℃下，選擇4個主要因素進行正交試驗，設計四因素三水平的正交試驗方案，其因素水平表見表1。

表1　 試驗因素與水平正交表Table 1　Factors and levels in the orthogonal array design

1.3.3.3牡丹籽仁油的出油率

牡丹籽仁油的出油率按下式計算：

1.4牡丹籽仁油脂肪酸組成檢測

參照GB/T 17376-2008《動植物油脂：脂肪酸甲酯制備》，對油脂進行甲酯化處理。即稱取混合均勻油脂樣品200 mg（精確到0.1 mg）置于25 mL具蓋螺口試管中，加入2 mL氫氧化鉀-甲醇溶液，75℃恒溫水浴反應20 min；取出試管冷卻至室溫，加入2 mL三氟化硼-甲醇溶液，75℃恒溫水浴反應30 min；取出試管，冷卻至室溫，再加入2 mL異辛烷和2 mL飽和氯化鈉溶液，混合搖勻，靜置分成澄清后，取上清液待測。

參照GB/T 17377-2008《動植物油脂：脂肪酸甲酯的氣相色譜分析》檢測油脂的脂肪酸組成。色譜柱：CD-2560氣相毛細管柱（100 m×0.25 mm，0.20 μm）；檢測器：氫火焰離子化檢測器；程序升溫：140℃保持5 min，以4℃/min升至240℃，保持25 min；進樣量：1 μL；進樣口溫度：250℃；檢測器溫度280℃；分流進樣，分流比32∶1，99.999%氮氣為載氣，恒定壓力130 kPa；高純氫氣為燃燒氣，恒定壓力50 kPa；空氣為助燃氣，恒定壓力50kPa，檢測油脂樣品的脂肪酸組成。

2　結(jié)果與分析

2.1牡丹籽的超聲輔助堿液脫皮工藝優(yōu)化

2.1.1NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)對牡丹籽仁的得率的影響

NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)對牡丹籽仁的得率的影響試驗結(jié)果見表2。

表2　NaoH溶液質(zhì)量分數(shù)對牡丹籽仁的得率的影響Table 2　Effects of the mass fraction of NaOH solution on the yield of PSK

由表2可知，NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)越低，脫皮越困難；反之，脫皮越容易；但牡丹籽仁中富含油脂，過剩的NaOH將與籽仁中的油脂發(fā)生皂化反應，因此NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)越高，牡丹籽仁的得率越低，以致于影響牡丹籽仁油的產(chǎn)率。綜合考慮脫皮難易程度和脫皮后的牡丹籽仁的得率，本試驗選擇適宜的NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)為7%。

2.1.2超聲時間對牡丹籽仁的得率的影響

超聲時間對牡丹籽仁的得率的影響試驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知，牡丹籽仁的得率隨著超聲時間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在超聲時間為40 min時，牡丹籽仁的得率最高，脫皮效果最好。這是因為超聲時間過短（如20 min～30 min），堿液對牡丹籽表皮溶解不完全，脫皮不完全，牡丹籽仁的得率較低；但超聲時間過長（如50 min～60 min），牡丹籽仁中的油脂將被堿液皂化，使得牡丹籽仁的得率減小。因此試驗選擇適宜的超聲時間為40 min。

圖1　超聲時間對牡丹籽仁的得率的影響Fig.1　Effects of ultrasonic time on the yield of PSK

2.1.3超聲溫度對牡丹籽仁的得率的影響

超聲溫度對牡丹籽仁的得率的影響試驗結(jié)果見圖2。

圖2　超聲溫度對牡丹籽仁的得率的影響Fig.2　Effects of ultrasonic temperature on the yield of PSK

由圖2可知，牡丹籽仁的得率隨著超聲溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在超聲溫度為40℃時，牡丹籽仁的得率最高，脫皮效果最好。這是因為超聲溫度過低（如20℃～30℃），堿液對牡丹籽的表皮溶解不完全，脫皮不完全，牡丹籽仁的得率較低；但超聲溫度過高（如60℃），牡丹籽仁中的油脂皂化反應嚴重，使得牡丹籽仁的得率減小。因此試驗選擇適宜的超聲溫度為40℃。

綜上所述，在NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為7%，超聲溫度為40℃，超聲時間為40 min，超聲功率為200 W的條件下，牡丹籽的脫皮效果最好，牡丹籽仁的得率達50%。

2.2牡丹籽仁的超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化

2.2.1單因素試驗

2.2.1.1物料粒度對牡丹籽仁油出油率的影響

牡丹籽仁粒度對出油率的影響的試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在物料粒度從10目變到40目時，牡丹籽仁油的出油率逐漸增加；而當物料粒度從40目變到80目時，牡丹籽仁油的出油率反而逐漸減少。這是因為理論上物料目數(shù)越大（物料越細），牡丹籽仁粉末與超臨界CO2流體的接觸面積越大，越有利于破壞細胞壁，減小傳質(zhì)距離和阻力，萃取越完全，出油率越高。但是物料粒度越細的同時使得原料堆積密度增大，在高壓下物料會被壓實結(jié)塊，增加傳質(zhì)阻力，反而影響萃取效果，使得萃取的出油率降低［9］。因此本試驗選取適宜的物料粒度為40目。

圖3　物料粒度對出油率的影響Fig.3　Effects of material size on the yield of PSKO

2.2.1.2萃取時間對牡丹籽仁油出油率的影響

超臨界CO2萃取時間對牡丹籽仁油出油率的影響的試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　 萃取時間對出油率的影響Fig.4　Effects of extraction time on the yield of PSKO

由圖4可知，隨著萃取時間從0.5 h到2 h的增加，出油率也逐漸增加；但在萃取時間超過2 h后，出油率趨于平緩，沒有明顯增加。這是由于牡丹籽仁含油量是固定的，所以在同等條件下，萃取一定時間后的出油率將不再增加［10］。因此，綜合考慮，本試驗選取適宜的萃取時間為2 h。

2.2.1.3萃取壓力對牡丹籽仁油出油率的影響

超臨界CO2的萃取壓力對牡丹籽仁油出油率的影響的試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在20 MPa～30 MPa時，隨著萃取壓力的增大，萃取出油率逐漸增大，但當萃取壓力超過30 MPa時，萃取出油率增加趨于平緩，甚至還略有下降。這是因為萃取初期隨著萃取壓力升高，二氧化碳的密度會隨壓力增大而增大，使得更多的組分被萃取出來，所以出油率增加；但當萃取壓力增大到一定程度（超過30 MPa）后，液體CO2密度增大，可壓縮性減小，致使萃取壓力的增大對溶質(zhì)的溶解度增加的影響變小，出油率趨于穩(wěn)定；而且壓力越高，還會影響油的純度以及增加設備的運行成本［11-12］。因此本試驗選取適宜的萃取壓力為30 MPa。

圖5　萃取壓力對出油率的影響Fig.5　Effects of pressure on the yield of PSKO

2.2.1.4萃取溫度對牡丹籽仁油出油率的影響

超臨界CO2的萃取溫度對牡丹籽仁油出油率的影響的試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　萃取溫度對出油率的影響Fig.6　Effects of temperature on the yield of PSKO

由圖6可以看出，在35℃～45℃時，隨著萃取溫度的增大，出油率逐漸增大；但當萃取溫度超過45℃時，出油率增加趨于平緩，甚至還略有下降。在考察的萃取溫度范圍內(nèi)，總體上溫度對出油率的影響不大。這是因為萃取溫度對流體溶解能力的影響比較復雜，一方面溫度升高可以增加二氧化碳溶質(zhì)的擴散速度和揮發(fā)性，從而使牡丹籽仁的出油率增大；另一方面溫度升高又會導致二氧化碳流體的密度降低，使二氧化碳的溶解能力下降［13-14］。因此本試驗選取適宜的萃取溫度為45℃。

2.2.1.5CO2流量對牡丹籽仁油出油率的影響

CO2流量對牡丹籽仁油出油率的影響的試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7　CO2流量對出油率的影響Fig.7　Effects of carbon dioxide flow on the yield of PSKO

由圖7可以看出，在25 L/h～40 L/h時，隨著CO2流量的增大，出油率逐漸增大；但當CO2流量超過40 L/h時，出油率反而越來越低。這是因為CO2流量的變化對超臨界萃取有兩個方面的影響，一方面是CO2流量增加，可以增大萃取過程的傳質(zhì)推動力，相應的增大傳質(zhì)系數(shù)，使傳質(zhì)速率加快，從而提高超臨界流體的萃取能力［15］；另一方面，CO2流量太大，會造成萃取器內(nèi)CO2流速的增加，CO2停留時間縮短，與被萃取物之間接觸時間減少，從而不利于出油率的提高［16］。所以，合理選擇CO2流量在超臨界流體萃取中也相當重要。綜合考慮，本試驗選擇適宜的CO2流量為40 L/h。2.2.1.6物料含水率對牡丹籽仁油出油率的影響

物料含水率對牡丹籽仁油出油率的影響的試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8　物料含水率對出油率的影響Fig.8　Effects of material moisture content on the yield of PSKO

由圖8可以看出，隨著物料含水率的逐漸增加，出油率呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢；當物料含水率為8%時，出油率達到最高。這是因為當物料含水率低于8%時，牡丹籽仁在超臨界CO2流體中的溶解度較小，造成出油率較低；但當物料含水率過大（超過8%）時，水分容易在物料表面形成水膜，促進受壓物料出現(xiàn)板結(jié)，導致出油率降低［17］。因此本試驗選取適宜的物料含水率為8%。

2.2.2正交試驗

正交試驗結(jié)果及極差分析見表3。

由表3可知，在試驗選擇的因素水平范圍內(nèi)，4個因素對牡丹籽仁油出油率的影響主次順序依次為：物料粒度＞萃取時間＞萃取壓力＞CO2流量。該正交試驗的最佳工藝條件為A2B2C3D3，即物料粒度40目，萃取時間2 h，萃取壓力35 MPa，CO2流量45 L/h。在該條件下，進行驗證性試驗，得到牡丹籽仁油出油率為30.4%。因此，采用超臨界CO2萃取方法提取牡丹籽仁油，在物料粒度40目、物料含水率為8%、CO2流量45 L/h、萃取壓力35 MPa、萃取溫度45℃、萃取時間2 h下，牡丹籽仁油的出油率可達30.4%。

表3　 正交試驗結(jié)果及極差分析Table 3　The results of orthogonal experimental and range analysis

2.3牡丹籽仁油的質(zhì)量檢測

在最佳萃取工藝條件下制得的牡丹籽仁油的脂肪酸組成見表4。

表4　牡丹籽仁油中的脂肪酸含量Table 4　Fatty acid composition of PSKO

由表4可知，牡丹籽仁油中不飽和脂肪酸含量（油酸23.3%、亞油酸24.3%、α-亞麻酸44.4%）達到92.0%，且不含反式脂肪酸，有較高的營養(yǎng)價值［18］。

3　結(jié)論

綜上所述，在NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為7%、超聲溫度為40℃、超聲時間為40 min、超聲功率為200 W的條件下，牡丹籽的脫皮效果最好，牡丹籽仁的得率為50%；超臨界CO2流體萃取牡丹籽仁油的最佳工藝條件為：物料粒度40目、物料含水率8%、CO2流量45L/h、萃取壓力35 MPa、萃取溫度45℃和萃取時間2 h，在該條件下，牡丹籽仁油的出油率達30.4%，其中不飽和脂肪酸含量（油酸23.3%、亞油酸24.3%、α-亞麻酸44.4%）達92.0%，且不含反式脂肪酸，具有較高的營養(yǎng)價值。本文的研究結(jié)果為牡丹籽仁油的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論參考。

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Study on the Peeling Technology of Peony Seed and the Supercritical CO2Extraction Technology of Peony Seed Kernel Oil

SHI Chuang1，WANG Fei1，YIN Zhong-yi2，ZHENG Xu-xu1，2，*
（1.Environmental and Resources Institute，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China；2.Chongqing Key Lab of Catalysis&Functional Organic Molecules，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

The peeling technology of ultrasonic assisted alkali liquor of peony seed and the supercritical CO2extraction technology of peony seed kernel（PSK）were optimized in turn by using single factor or orthogonal array design method when the peony seeds were used as raw material and the yield of PSK or the yield of peony seed kernel oil（PSKO）were used as examine items respectively.The results showed that the peeling effect of peony seed was the best and the yield of PSK reached 50%when the mass fraction of NaOH was 7%，the ultrasonic temperature was 40℃，the ultrasonic time was 40 min and the ultrasonic power was 200 W；and when the particle size of PSK was 40 mesh，the moisture content was 8%，the CO2flow rate was 45 L/h，the extraction pressure was 35 MPa，the extraction temperature was 45℃and the extraction time was 2 h，the yield of PSKO reached 30.4%，which the total contents of unsaturated fatty acids（oleic acid 23.3%，linoleic acid 24.3%，alpha-linolenic acid 44.4%）reached 92.0%，but no trans fatty acid.

peonyseedkernel（PSK）；peonyseedkerneloil（PSKO）；ultrasound；supercriticalcarbondioxide extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.15.016

重慶市科技支撐示范工程項目（cstc2012jcsf-jfzhX0008）；重慶市高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助重大項目（KJZH14105）

史闖（1992—），男（漢），碩士，主要從事環(huán)境生物工程研究。

鄭旭煦（1964—），女（漢），教授，博士，主要從事廢棄生物質(zhì)資源化技術(shù)與天然藥物研究。

2015-08-27