米糠油谷維素提取方法研究進展

王　榮,林親錄,蔣　鵬,黃　萍,李佳佳,梁　盈

(稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室，中南林業(yè)科技大學(xué),湖南長沙 410004)

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米糠油谷維素提取方法研究進展

王榮,林親錄,蔣鵬,黃萍,李佳佳,梁盈*

(稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室，中南林業(yè)科技大學(xué),湖南長沙 410004)

谷維素是從米糠油或胚芽油等谷物油脂中提取的一種天然混合物,是米糠油深加工過程中產(chǎn)生的極有價值的副產(chǎn)品。本文從谷維素的組成、提取和純化方法進行綜述,重點闡述不同提取工藝的特點和優(yōu)缺點,分析實驗中遇到的實際問題并且提出解決的辦法。

谷維素,提取方法,米糠油

谷維素是一種重要的藥物,很多的植物油中都含有γ-谷維素,如小麥胚芽油、玉米胚芽油、稞麥糠油、米糠油、菜籽油等。其中以米糠毛油中γ-谷維素含量最高,在米糠油中的含量一般在1.4%～2.9%[1]。2014年中國稻谷總產(chǎn)量達(dá)到2.05億噸[2]。米糠的年產(chǎn)量幾近1400萬噸。而谷維素是米糠及米糠油深加工過程中極為重要的副產(chǎn)物[3]。1956年日本土屋知太郎申請谷維素提取專利,之后的科研工人員提出了更多的提取方法,本文根據(jù)相關(guān)文獻,總結(jié)對比了近年來谷維素提取的方法,闡述了不同提取工藝的優(yōu)缺點,并且對實驗中遇到的一些實際問題給出了有效的解決方法。

1　谷維素的組成及生理功能

γ-谷維素(γ-oryzanol)又稱米糠素,其主體為環(huán)木菠蘿醇類,是由阿魏酸酯(圖1)混合而成的一種天然化合物。其中,24-亞甲基環(huán)木菠蘿醇阿魏酸酯約占35%,環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯約占30%,甾醇類阿魏酸酯約占18%[4]。其外觀是白色至淡黃色的結(jié)晶粉末,有特異香味,且溶解于苯、二氯乙烯、氯仿、乙醚、丙酮、石油醚、己烷、庚烷、甲醇、乙醇及各種植物油中,但不溶于水[4]。米糠油中γ-谷維素的組成及含量見表1[5]。

圖1　環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1　The chemical structure of cycloartenyl ferulate

表1　米糠油中γ-谷維素的組成及含量(%)

谷維素來源天然,無毒、無刺激、無副作用,較強的抗氧化能力是γ-谷維素的重要生理功能之一,其用途日益廣泛,引起人們的普遍關(guān)注。目前研究發(fā)現(xiàn),谷維素能降血脂、降血糖、預(yù)防動脈粥樣硬化[6],有減少膽固醇吸收、清除自由基、抗氧化、調(diào)節(jié)中樞及心臟自主神經(jīng)、抑制某些癌細(xì)胞生長等功能特性[7-8]。臨床上用于治療植物神經(jīng)功能紊亂[9]、經(jīng)前緊張及更年期綜合征[10]。最新研究表明,γ-谷維素對預(yù)防肥胖、II型糖尿病也有一定的作用[11]。

2　谷維素的提取方法

2.1甲醇萃取法

甲醇萃取法[12-14]提取谷維素有利有弊,具體地,利用谷維素鈉鹽在甲醇堿液中溶解的特性,直接在米糠毛油中加入甲醇和NaOH對谷維素進行萃取,使谷維素鈉鹽有效地從皂化、溶解困難的類脂物中分離出來,而溶解在甲醇堿液中的谷維素鈉鹽可以被弱酸還原為谷維素,利用這一特點,加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH,加溫、攪拌、靜置過夜,得到谷維素精制品。該方法將米糠毛油直接加入堿性甲醇中進行萃取,減少了弱酸取代法中的油脂堿煉和皂腳補充皂化等復(fù)雜工藝,大大簡化縮短了工藝流程,避免了毛油堿煉的高溫對谷維素的破壞和補充皂化過程中谷維素的流失,因而極大提高了谷維素回收率。按其最佳工藝參數(shù)操作,谷維素得率可達(dá)68%[12],比目前國內(nèi)的生產(chǎn)水平提高一倍左右。但該方法酸析過程時間較長,且所得谷維素的純度不高。

2.2物理精煉脫酸加溶劑萃取法

此方法[15-18]是將物理精煉脫酸工藝與溶劑萃取谷維素生產(chǎn)工藝相結(jié)合,先對米糠毛油進行脫蠟、脫膠、脫色處理,再對毛油進行物理精煉處理;接著用甲醇進行多效逆流法萃取谷維素;酸析后可得粗提谷維素,最后經(jīng)洗滌,真空干燥得到精提谷維素。王子涵[16]等人系統(tǒng)地研究了在甲醇溶液中不同pH條件下谷維素的溶解性能,得出的最佳工藝參數(shù)為:萃取溫度40 ℃,萃取用甲醇溶液的pH為11,逆流萃取效數(shù)為2～3,萃取時間為10 min,萃取所用甲醇為油重的1.5～3.5倍。物理精煉的最佳工藝參數(shù)為:溫度250～255 ℃,用時20 min,真空度低于500 Pa。谷維素的總得率可超過70%,純度可達(dá)99%以上,做到了優(yōu)級品的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn),此法精煉的米糠油總得率不僅比傳統(tǒng)的堿溶酸析法提高了將近5%以上,而且不會像堿溶酸析工藝一樣,會排出油腳、類脂物及黑脂酸等廢料,減輕了環(huán)境污染。但米糠毛油預(yù)處理時間長,且工序復(fù)雜,需要的設(shè)備較多。

2.3非極性溶劑萃取法

采用非極性溶劑萃取法[19-22],對米糠毛油經(jīng)過濾、水化、脫膠后進行一道堿煉,除去部分游離脂肪酸,這樣有利于二道堿煉對谷維素的富集。二道堿煉中加入足量的堿,這樣有利于捕集油中更多的谷維素。將等體積的甲醇混合于富含谷維素的皂腳中,室溫攪拌,再用NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH,繼而用非極性溶劑分次萃取至溶劑層變?yōu)闊o色。在脫除中性油及類脂物質(zhì)的堿性甲醇皂液中加入一定量的HCl溶液,并調(diào)節(jié)其pH,使得谷維素鈉鹽有效轉(zhuǎn)化成所需谷維素,最后用等體積的非極性溶劑分三次萃取,真空干燥后即得谷維素成品。魏安池[22]等人研究發(fā)現(xiàn),提取谷維素的最佳工藝條件為:二道堿煉的足量堿為60%,將苯作為溶劑,萃取pH為8.5,頭道堿煉的保留酸值為5。該方法有效減少了如傳統(tǒng)弱酸取代法所產(chǎn)生的高溫濃堿對谷維素的消減作用。最終成品谷維素的得率為64%,純度為91.1%。但是該方法對米糠毛油品質(zhì)的要求較高,只適用于低酸價且谷維素含量較高的米糠毛油。

2.4CO2超臨界萃取法

蔣璧蔚等[23]以米糠為原料,采用CO2超臨界萃取法對米糠中谷維素的萃取工藝進行探究,以單因素實驗數(shù)據(jù)為依據(jù),由正交實驗得出優(yōu)化方案:萃取溫度為50 ℃,萃取時間為100 min,萃取壓力為30 MPa,CO2的流速為1.75 L/min。并進行3次有效平行實驗,得出平均回收率可達(dá)73.34%。

然而,CO2超臨界萃取法也有其不可避免的缺點[24-26],就其過程而言,影響成敗的因素有很多,如萃取壓力、溫度、超臨界流體的極性、超臨界流體的流量、物料顆粒大小以及是否加入夾帶劑等。這些因素都會對萃取效果(包括萃取速率和萃取產(chǎn)品的成分與純度)產(chǎn)生一定的影響,因此,把控這些因素成為科研人員必須思考與掌握的。另外,超臨界萃取法萃取效率雖高,但設(shè)備制造成本也高,并不適用于生產(chǎn)引用。

2.5弱酸取代法

傳統(tǒng)的弱酸取代法[27-29]是以高酸價米糠毛油為原料,進行二次堿煉,一道堿煉可除去大量的游離脂肪酸,二道堿煉則將谷維素有效富集到二道皂腳中,繼而再對皂腳進行皂化補充,改善其物化性能,便于后續(xù)甲醇堿液萃取,然后利用谷維素“堿溶酸析”的特性,加入弱酸溶液使得谷維素鈉鹽轉(zhuǎn)化為谷維素,析出更多的谷維素。該方法不僅簡化了實驗流程,而且縮短了生產(chǎn)周期,使得得率有所提高,一般提取率為6～8 kg/T凈毛油。但是直接以毛米糠油進行堿煉,會使得堿煉中損耗過大,最終導(dǎo)致米糠油精煉得率過低,精煉米糠油得率為50%～55%,米糠油在一道堿煉時,谷維素的損失率也相當(dāng)大,約10%～15%,谷維素得率過低,僅為30%～35%,并且提取所需時間也長,一般為一兩天左右。

表2　五種提取方法優(yōu)缺點對比

劉賀[30]等人對傳統(tǒng)工藝進行了改進。以過濾米糠毛油為原料,加入正己烷,有效地降低了米糠毛油的粘度,使得油皂很容易分離,同時降低堿煉的損耗。之后加入氫氧化鈉進行一道堿煉,除去部分游離脂肪酸及雜質(zhì),離心得一道清油,繼續(xù)堿煉,使谷維素富集到二道皂腳中,離心得二道皂腳。加入適量甲醇,室溫下過濾除去不皂化物,之后加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH,使得谷維素析出,經(jīng)熱甲醇水和石油醚兩次洗滌除去雜質(zhì),真空冷凍干燥即得谷維素精制品。該作者通過單因素實驗優(yōu)化確定了提取谷維素一道和二道堿煉的最佳工藝參數(shù),考察了二道堿煉條件對米糠油基本指標(biāo)的影響,以便工廠在加工時進行參考。對二道堿煉米糠油酸價,色澤等基本指標(biāo)進行了測定,米糠油符合三級米糠油標(biāo)準(zhǔn)。并對谷維素的結(jié)晶條件進行了優(yōu)化,最終測得谷維素得率為64.60%,純度可達(dá)99.60%。本題組對傳統(tǒng)酸析堿溶方法進行改進,減少了堿煉對谷維素的損耗,操作簡便,儀器設(shè)備簡單,且提取用時少,8 h左右即可得到成品谷維素。經(jīng)過改良,課題組還可得到堿煉清油,達(dá)到三級米糠油標(biāo)準(zhǔn),使得谷維素和米糠油的價值得到充分體現(xiàn),經(jīng)濟效益可觀。

3　谷維素提取操作問題及建議

3.1米糠毛油酸價測定干擾

酸價(值)是油脂精煉生產(chǎn)過程中重點監(jiān)控的指標(biāo)之一。根據(jù)GB/T5530-2005用氫氧化鉀對米糠毛油進行滴定,終點的理論顏色應(yīng)該為微紅色,但是在實際操作過程中,由于谷維素的存在,而使得滴定過程中出現(xiàn)黃色,嚴(yán)重干擾了滴定終點的判斷[31-33]。酸值不可靠,就無法指導(dǎo)科研和生產(chǎn)。陳漢卿[34]等提出了利用一級大豆油作為空白,通過添加不同量的谷維素,繪制谷維素含量與酸值的關(guān)系對照曲線,得到回歸方程后,可用于不同谷維素含量下所對應(yīng)酸值的計算,然后在參照GB/T5530-2005測定所得酸值的基礎(chǔ)上,扣除谷維素含量下的酸值,即可得到高谷維素稻米油的真實酸值。金俊[35]等人將飽和NaCl/KCl溶液作為間接顯色劑來測定米糠油的酸值,通過觀察上層溶液的變色程度,從而確定滴定終點,同樣也取得了很好的成效。

本課題組在金俊[35]等人方法的基礎(chǔ)上,將飽和KCl溶液用作間接顯色劑,來滴定米糠油的酸值,加入飽和KCl溶液后,液體呈現(xiàn)乳白色,且無雜色干擾,能取得很好的效果;并結(jié)合GB/T5530-2005,在測得酸值的基礎(chǔ)上,扣除谷維素含量下的酸值,即得米糠毛油下的真實酸值。

3.2谷維素含量測定問題

目前常用的檢測谷維素含量的方法有紫外分光光度法、高效液相色譜法和質(zhì)譜法。其中紫外分光光度法有操作簡便、經(jīng)濟方便等優(yōu)勢,科研和工廠大多采用此方法。但紫外分光光度法適用于谷維素原料純度及谷維素片中有效成分的檢測,當(dāng)谷維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95%以上時,除315 nm外,在紫外光區(qū)無其他吸收峰,然而對于油中微量谷維素成分的檢測,該法的適用性還有待進一步驗證[36-37]。且因樣品中含有除阿魏酸酯外的其它紫外吸收基團[38],導(dǎo)致紫外分光光度法測定結(jié)果略偏高。陳燕飛[39]等采用基于ZORBAX NH2柱的HPLC法檢測米糠油中谷維素,以乙醇為流動相,在324 nm下檢測谷維素含量,并能在10 min內(nèi)完成此檢測,實現(xiàn)谷維素各組分能在同一時間內(nèi)出峰,避免了采用C18鍵合硅膠柱時數(shù)量不定的多峰情況,同時消除了采用紫外分光光度法時油中其他雜質(zhì)的干擾,增加了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

雖然分光光度法測定結(jié)果偏高,但它簡便快捷,在工藝控制方面,可作為一個簡便快速的粗控方法,達(dá)到理想的工藝后再用常用的、精確的HPLC法嚴(yán)格控制質(zhì)量,這樣既節(jié)約成本又省時。因此,本課題組在陳燕飛[39]等人的基礎(chǔ)上,綜合應(yīng)用紫外分光光度法和HPLC法測定米糠油中提取的谷維素含量,比較二者之間的差異,并初步找出二者之間含量差異的比例,從而在不具備HPLC法工藝制備條件下,應(yīng)用分光光度法先進行谷維素含量的粗控,探索到較佳的工藝條件后,再用此比例嚴(yán)格控制提取物谷維素的質(zhì)量,應(yīng)用此法,可以在降低成本的同時嚴(yán)格控制了制劑的質(zhì)量。

4　展望

谷維素是稻谷深加工過程中的重要副產(chǎn)物,我國2014年稻谷的產(chǎn)量已經(jīng)超過2億噸,米糠產(chǎn)量也有1400萬噸左右。谷維素從提取研究至今已有四十年左右,隨著研究的深入,提取的方法和工藝也日趨完善[40-41],提取的谷維素品質(zhì)提高,成本漸降。谷維素有很好的生理保健功能,國內(nèi)谷維素的應(yīng)用一般是在醫(yī)藥上,而國外,如日本則在食品和化妝品等領(lǐng)域?qū)染S素的用途進行了突破。在國內(nèi),谷維素的開發(fā)應(yīng)用前景是相當(dāng)可觀的,同時也可借鑒國外的經(jīng)驗,在很多其他方面對谷維素進行更深層次的開發(fā)研究,為我國的資源利用、科技發(fā)展以及經(jīng)濟建設(shè)等做出更大的貢獻。

另外,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),以米糠油或米糠為原料制取谷維素產(chǎn)品,尚未形成合理、高效、節(jié)能的生產(chǎn)工藝流程,這在一定程度上極大地影響了米糠油工業(yè)及其綜合利用產(chǎn)品的進一步發(fā)展。其次,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),目前工業(yè)生產(chǎn)中就谷維素提取得率,表現(xiàn)為流失嚴(yán)重,若要進一步提高谷維素得率,則必須在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)予以改進和控制。因此,將以上谷維素提取、含量測定的建議作為工業(yè)生產(chǎn)方面的理論指導(dǎo),仍不失為可靠性依據(jù),不但可以在提取方面達(dá)到操作簡便、有效利用資源、綠色提取的目的,而且為谷維素深加工、增加新用途、進入新市場提供了便利與機遇。

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Review of extraction methods of rice bran oil oryzanol

WANG Rong,LIN Qin-lu,JIANG Peng,HUANG Ping,LI Jia-jia,LIANG Ying*

(National Engineering Laboratory For Rice and By-product Deep Processing,Center South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,China)

Oryzanol is a kind of natural compounds extracte from rice bran oil,germ oil or other corn oil. It is a great valuable by-product in the manufacturing process of rice bran and rice bran oil. The compositions of oryzanol,method of extraction and purification were summmarized in this paper. The advantages and disadvantages of different extraction technology were discussed emphatically. The practical problems encountered in the experiment would be analysised and put forward solutions.

oryzanol;extraction metheds;rice bran oil

2015-11-27

王榮(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：稻谷深加工，E-mail:840174458@qq.com。

梁盈(1981-)，女，副教授，研究方向：分子營養(yǎng)學(xué)，E-mail:liangying498@163.com。

國家自然科學(xué)基金(31201348/31571874)；湖南省自然科學(xué)基金(13JJ4086)；長沙市科技計劃項目(K1403039-21)；糧油深加工與品質(zhì)控制2011湖南省協(xié)同創(chuàng)新基金項目。

TS201.1

A

1002-0306(2016)12-0361-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.060