亞臨界萃取白果油的工藝條件研究

周 昊，王成章，葉建中，陳虹霞，陶 冉，戴明明

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

特種油脂

亞臨界萃取白果油的工藝條件研究

周 昊1，2，王成章1，2，葉建中1，陳虹霞1，陶 冉1，戴明明1

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

以白果粉為原料、丁烷為亞臨界萃取溶劑、白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，分別采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化亞臨界萃取白果油的工藝條件。結(jié)果表明: 亞臨界萃取白果油的最佳工藝條件為萃取壓力 0.5 MPa、萃取溫度 40℃、每次萃取時(shí)間 60 min、萃取次數(shù) 3 次、料液比1∶6，在此條件下白果出油率為 96.16%。亞臨界萃取的白果油理化性質(zhì)測定結(jié)果表明，其相對密度為0.922 5，折光指數(shù)為(20℃)1.473 7，酸值(KOH)為1.95 mg/g，碘值(I)為156.62 g/100 g，過氧化值為 1.46 mmol/kg，皂化值(KOH)為181.19 mg/g。利用氣相色譜-質(zhì)譜分析白果油的脂肪酸組成，共鑒定出 6種脂肪酸，主要是油酸(30.25%)、亞油酸(50.04%)、棕櫚酸(8.28%)、5，12-十八碳二烯酸(2.34%)、9-十六碳烯酸(4.41%)和5，11，14-二十碳三烯酸(4.67%)，其中不飽和脂肪酸占91.71%。

白果油；亞臨界萃取；理化指標(biāo)；脂肪酸組成

白果又稱銀杏果，是銀杏科植物銀杏(GinkgobilobaL. ) 的成熟種子[1]。我國是白果的主要生產(chǎn)國，年產(chǎn)白果超過15 000 t，占世界總產(chǎn)量的70%[2]。研究表明白果不僅富含淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和氨基酸等多種營養(yǎng)物質(zhì)，還含有黃酮、內(nèi)酯和類脂等功能成分，具有抗菌消炎、改善腦血管循環(huán)、抗癌、抗病毒、解痙、抗過敏和美容等功效，因此白果極具營養(yǎng)和醫(yī)療價(jià)值，其作為藥食兩用果品在我國已有1 000多年歷史[3]。

白果中含有8%～10%的油脂，白果油是一種營養(yǎng)價(jià)值極高的油脂，其不飽和脂肪酸含量在85%以上，且絕大多數(shù)是油酸和亞油酸，白果油的開發(fā)利用前景廣闊[4]。目前，國內(nèi)外白果油提取方法主要是有機(jī)溶劑浸提法和超臨界CO2萃取法[5-6]。有機(jī)溶劑浸提法提取時(shí)間長，有機(jī)溶劑用量大(料液比通常為1∶10～1∶20)，不僅能耗高，且容易有溶劑殘留，對環(huán)境污染嚴(yán)重；超臨界CO2萃取法需要添加夾帶劑且要求在高壓的條件下提取，設(shè)備較昂貴，生產(chǎn)成本高，工業(yè)化生產(chǎn)困難。亞臨界流體萃取技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型提取分離技術(shù)，在相對較低的溫度下進(jìn)行，可以保護(hù)物料中的熱敏性活性成分不被破壞，與超臨界CO2萃取法相比，具有萃取壓力低、運(yùn)行成本低，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢。目前，亞臨界流體萃取技術(shù)被視為一種綠色環(huán)保、前景廣闊的提油新技術(shù)，其在植物油提取方面已得到很好的應(yīng)用[7-8]；但是，目前國內(nèi)外還未見采用亞臨界技術(shù)萃取白果油的相關(guān)報(bào)道。

本研究采用亞臨界流體萃取技術(shù)對白果油進(jìn)行高效萃取，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)對影響白果出油率的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝條件，并對亞臨界流體萃取的白果油的脂肪酸組成和理化性質(zhì)進(jìn)行檢測，以期為白果資源的高值化開發(fā)利用及工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

白果：購于徐州銀杏源生物工程有限公司，含油率為8.2%；丁烷(食品級(jí)，純度為99.99%);甲醇、石油醚、正己烷、氫氧化鉀、鹽酸、氫氧化鈉、硫代硫酸鈉、冰乙酸、淀粉、一氯化碘、碘化鉀、濃硫酸、酚酞、無水硫酸鈉等，均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

CBE-2L 型亞臨界萃取設(shè)備(河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司) ； WF-130 型粉碎機(jī)；Agilent Technologies 6890/5973 型氣相色譜儀(美國安捷倫公司)； SH-039 型白果全自動(dòng)脫殼機(jī)(揭東三亨食品機(jī)械廠) ；RE-5LC 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器；WYA阿貝折光儀；TG1650-WS型離心機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 亞臨界萃取白果油

將新鮮白果用全自動(dòng)脫殼機(jī)進(jìn)行殼仁分離后，白果仁進(jìn)行冷凍干燥，控制水分為5% 左右，再用粉碎機(jī)將白果仁粉碎為40 目左右的細(xì)粉備用。稱取一定量白果粉用200 目的過濾袋裝好，放進(jìn)萃取罐中，然后抽真空使萃取罐內(nèi)壓力降為-0.09 MPa。將萃取溶劑丁烷由溶劑罐導(dǎo)入萃取罐，按照設(shè)定的條件進(jìn)行萃取。萃取結(jié)束后，使用加壓泵將萃取液導(dǎo)入分離罐，再開啟壓縮機(jī)進(jìn)行萃取溶劑的回收和脫溶，當(dāng)分離罐和萃取罐的壓力降至低于0.15 MPa時(shí)，開啟真空泵直到兩罐壓力降為-0.09 MPa以下。待脫溶結(jié)束后，破真空、打開放油閥收集萃取得到的白果油，經(jīng)離心、過濾后即得成品。亞臨界萃取白果油工藝流程見圖1。

圖1 亞臨界萃取白果油工藝流程

白果出油率=亞臨界萃取得到的白果油質(zhì)量/原料中白果油質(zhì)量×100%。

1.2.2 白果油理化性質(zhì)的測定

相對密度：采用比重瓶法，按GB 5526—1985 測定；折光指數(shù)：采用阿貝折光儀法，按 GB 5527—1985 測定； 酸值： 采用酸堿中和法，按 GB/T 5530—1998 測定；碘值：采用韋氏法，按 GB/T 5532—1995 測定；皂化值：按GB/T 5534—1995 測定；過氧化值：按 GB/T 5538—1995測定。

1.2.3 白果油的脂肪酸組成分析

白果油甲酯化：稱取0.1 g白果油置于試管中，加入5 mL 正己烷、2 mL 0.5%的氫氧化鉀甲醇溶液后，塞住試管搖勻，直至溶液變清，澄清后，分離出含有甲酯的上層清液作為氣相色譜-質(zhì)譜分析試樣。

氣相色譜條件：載氣為純度99.99%的氦氣；HP-5 MS彈性石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度250℃；柱初溫110℃，保持10 min，以10℃/min升溫速率升至220℃，保持18 min；柱前壓90 kPa；分流比 50∶1，進(jìn)樣量1 μL。

質(zhì)譜條件：接口溫度280℃，EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，光電倍增管電壓2 200 V，掃描范圍29.0～450.0，NIST質(zhì)譜庫。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞臨界萃取白果油的單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取次數(shù)對出油率的影響

設(shè)定萃取壓力0.5 MPa，萃取溫度45℃，萃取時(shí)間60 min，料液比1∶6，分別萃取 1、2、3、4、5 次，以白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，探討萃取次數(shù)對白果油萃取效果的影響。結(jié)果見圖2。

圖2 萃取次數(shù)對白果出油率的影響

由圖 2 可知，白果出油率隨著萃取次數(shù)的增多而提高，萃取 3 次之前出油率提高較快，萃取3次時(shí)白果出油率達(dá)到95.56%，但萃取 3次以后白果出油率趨于平緩，繼續(xù)增加萃取次數(shù)對提高白果出油率意義不大。綜合考慮生產(chǎn)成本、出油率和能耗等因素，選擇最佳萃取次數(shù)為3 次。

2.1.2 萃取壓力對出油率的影響

設(shè)定萃取溫度45℃，萃取時(shí)間60 min，料液比1∶6，萃取次數(shù)3次，萃取壓力分別控制為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa，以白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，探討萃取壓力對白果油萃取效果的影響。結(jié)果見圖3。

圖3 萃取壓力對白果出油率的影響

由圖3可知，萃取壓力在0.3～0.5 MPa范圍內(nèi)，出油率隨萃取壓力升高增加較快，這是由于隨著萃取壓力升高，亞臨界流體密度增加，其溶解能力增強(qiáng)，出油率增加較快[9]；當(dāng)萃取壓力為0.5 MPa時(shí)，出油率達(dá)95.86%，但是當(dāng)萃取壓力超過0.5 MPa時(shí)，出油率變化很小，原因在于當(dāng)萃取壓力達(dá)到一定值時(shí)，萃取溶劑丁烷對于白果油的溶解度趨于飽和，繼續(xù)升高壓力，對其傳質(zhì)效率影響很小[10]。故最佳的萃取壓力在0.5 MPa左右。

2.1.3 萃取溫度對出油率的影響

設(shè)定萃取壓力0.5 MPa，萃取時(shí)間 60 min，料液比 1∶6，萃取次數(shù)3次，萃取溫度分別控制為30、35、40、45、50℃，以白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，探討萃取溫度對白果油萃取效果的影響。結(jié)果見圖4。

圖4 萃取溫度對白果出油率的影響

升高萃取溫度能加速溶質(zhì)和溶劑分子的熱運(yùn)動(dòng)，增加溶質(zhì)的擴(kuò)散速度和溶解度，萃取速度和出油率均會(huì)提高，但萃取溫度過高會(huì)使熱敏性活性成分分解破壞[11]。由圖4可知，當(dāng)萃取溫度低于45℃時(shí)，白果出油率隨萃取溫度的升高而急劇增加，當(dāng)萃取溫度為45℃ 時(shí)，出油率升至95.89%，達(dá)到峰值。但是當(dāng)萃取溫度升高至 50℃時(shí)，出油率反而下降，變?yōu)?9.43%。這說明過高的萃取溫度一方面會(huì)引起溶劑加速汽化，密度降低，系統(tǒng)壓力增大；另一方面物料中的熱敏性活性成分會(huì)受到高溫的破壞，從而造成出油率降低。綜合分析，選擇最佳萃取溫度為 45℃。

2.1.4 萃取時(shí)間對出油率的影響

設(shè)定萃取溫度45℃，萃取壓力0.5 MPa，料液比 1∶6，萃取次數(shù)3次，萃取時(shí)間分別控制為 30、45、60、75、90 min，以白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，探討萃取時(shí)間對白果油萃取效果的影響。結(jié)果見圖5。

圖5 萃取時(shí)間對白果出油率的影響

油脂在亞臨界流體中達(dá)到溶解平衡需要一定時(shí)間，但是過長的萃取時(shí)間會(huì)增加能耗。由圖 5可知，當(dāng)萃取時(shí)間在 30 ～ 60 min 時(shí)，白果出油率快速提高，這是因?yàn)閯傞_始萃取時(shí)，溶劑與物料未能得到很好接觸，但隨著萃取時(shí)間的延長，傳質(zhì)效果達(dá)到很好的狀態(tài)，白果出油率增大[12]；萃取時(shí)間為60 min時(shí)，出油率達(dá)到96.01%，當(dāng)超過 60 min 后，隨著萃取時(shí)間延長，白果出油率趨于平衡。這是因?yàn)榘坠驮谳腿∵^程中溶解度趨于飽和，萃取體系的滲透壓也趨于平衡，白果油被繼續(xù)萃取出的量很少，使得白果出油率趨向穩(wěn)定[13]。綜合考慮，選擇最佳萃取時(shí)間為60 min。

2.1.5 料液比對出油率的影響

設(shè)定萃取溫度45℃，萃取時(shí)間 60 min，萃取壓力0.5 MPa，萃取次數(shù)3次，料液比分別控制為 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，以白果出油率為評價(jià)指標(biāo)，探討料液比對白果油萃取效果的影響。結(jié)果見圖6。

圖6 料液比對白果出油率的影響

由圖6可知，當(dāng)料液比從 1∶2增加到 1∶6時(shí)，出油率提高幅度較大，當(dāng)料液比為1∶6時(shí)，出油率達(dá)到95.86%，再繼續(xù)增大溶劑用量，白果出油率增加很少。增大萃取溶劑用量可提高白果出油率，但增加到一定程度后，對白果出油率的影響明顯降低，且溶劑過多不利于回收，會(huì)增加殘溶及生產(chǎn)能耗。綜合考慮，選擇最佳料液比為1∶6。

2.2 亞臨界萃取白果油的正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定萃取次數(shù)3次，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、料液比為因素，出油率為評價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平見表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 方差分析

由表2直觀極差分析R值可知，各考察因素對白果出油率影響大小順序依次為B萃取溫度>C萃取時(shí)間>A萃取壓力>D料液比。由表3可知，萃取壓力、萃取溫度及萃取時(shí)間(P<0.01)對出油率有極顯著影響，而料液比對出油率的影響不顯著。表2直觀分析表明A2B1C3D3為最佳工藝參數(shù)組合，由于料液比對白果出油率影響較小，萃取時(shí)間因素的k2和k3相差極小，從節(jié)約能耗和降低生產(chǎn)成本的角度考慮，選取料液比為1∶6，萃取時(shí)間為60 min，因此最終確定A2B1C2D2即萃取壓力0.5 MPa、萃取溫度40℃、每次萃取時(shí)間60 min、料液比1∶6、萃取次數(shù)3次為最佳工藝條件。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

取同一批白果粉原料3份，每份2 kg，在萃取壓力0.5 MPa、萃取溫度40℃、每次萃取時(shí)間60 min、料液比1∶6、萃取次數(shù)3次的條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，白果出油率平均為96.16%，說明該工藝穩(wěn)定可行。該工藝明顯高于常規(guī)的溶劑浸出法(88.6%[5])和超臨界CO2萃取法(73.1%[5])。

2.4 白果油理化指標(biāo)

亞臨界萃取所得白果油的理化性質(zhì)見表4。由表4可知，白果油的碘值(I)為156.62 g/100 g，碘值偏高，表明白果油不飽和程度高，應(yīng)盡量在避光、低溫、密封的條件下保存，防止白果油發(fā)生氧化酸敗。折光指數(shù)一般隨脂肪酸雙鍵和共軛程度的增大而增大[14]，白果油折光指數(shù)為1.473 7，比一般植物油大，表明白果油含有大量的不飽和雙鍵。白果油過氧化值較低，表明其在亞臨界萃取過程中氧化程度較低。酸值(KOH)小于2.0 mg/g，符合食用植物油的標(biāo)準(zhǔn)。亞臨界萃取得到的白果油為黃色，色澤較深，需進(jìn)行脫色處理。

表4 亞臨界萃取所得白果油的理化性質(zhì)

2.5 白果油脂肪酸組成分析

白果油脂肪酸組成及相對含量見表5。

表5 白果油脂肪酸組成及相對含量

由表5可知，亞臨界流體萃取所得白果油主要檢測出6種脂肪酸，已鑒定組分占總量的99.99%，其中飽和脂肪酸主要為棕櫚酸，含量僅為8.28%，而不飽和脂肪酸含量高達(dá)91.71%，不飽和脂肪酸主要由油酸和亞油酸組成，其二者含量達(dá)到80.29%。油酸和亞油酸是人體必需脂肪酸，具有抗氧化、抗癌、改善血液循環(huán)、促進(jìn)肝細(xì)胞再生、增強(qiáng)記憶、延緩衰老、抑制人體內(nèi)膽固醇合成等多種功效[15]，可見亞臨界萃取得到的白果油不僅營養(yǎng)價(jià)值豐富，還具有獨(dú)特的保健功能。

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定了亞臨界萃取白果油的最佳工藝條件：萃取壓力0.5 MPa，萃取溫度40℃，料液比1∶6，萃取次數(shù)3 次，每次萃取時(shí)間60 min。按照最佳萃取工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，出油率可達(dá)96.16%。

(2)對亞臨界萃取所得白果油的理化指標(biāo)進(jìn)行分析，經(jīng)檢測其相對密度0.922 5，折光指數(shù)(20℃)1.473 7，碘值(I)156.62 g/100 g，酸值(KOH)1.95 mg/g，過氧化值1.46 mmol/kg，皂化值(KOH)181.19 mg/g，各項(xiàng)指標(biāo)符合食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(3)利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析了亞臨界萃取所得白果油的脂肪酸組成，其主要含有油酸、亞油酸、棕櫚酸、5，12-十八碳二烯酸、9-十六碳烯酸和5，11，14-二十碳三烯酸6種脂肪酸，不飽和脂肪酸含量達(dá)91.71%，以油酸和亞油酸為主，其二者含量達(dá)到80.29%。因此，亞臨界萃取所得白果油是一種富含多不飽和脂肪酸的功能性油脂，開發(fā)利用前景廣闊。

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Subcritical extraction of ginkgo seed oil

ZHOU Hao1, 2, WANG Chengzhang1, 2, YE Jianzhong1,CHEN Hongxia1, TAO Ran1, DAI Mingming1

(1.Key Lab of Biomass Energy and Material in Jiangsu Province, Key and Open Lab of Forest Chemical Engineering, State Forestry Administration, National Engineering Lab for Biomass Chemical Utilization, Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry,Nanjing 210042, China; 2. Institute of Forestry New Technology,Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

With ginkgo seed as raw material, subcritical butane as extraction solvent and oil yield of ginkgo seed as evaluation index, the subcritical extraction technology of ginkgo seed oil was optimized by single factor experiment and orthogonal experiment. The results showed that the optimal subcritical extraction conditions of ginkgo seed oil were obtained as follows: extraction pressure 0.5 MPa, extraction temperature 40℃, extraction time 60 min, ratio of material to liquid 1∶6 and extraction times three. Under these conditions, the oil yield of ginkgo seed was 96.16%.The detection results of physicochemical properties of ginkgo seed oil indicated that the relative density, refractive index(20℃), acid value, iodine value, peroxide value, and saponication value were 0.922 5, 1.473 7, 1.95 mgKOH/g, 156.62 gI/100 g, 1.46 mmol/kg and 181.19 mgKOH/g, respectively. The fatty acid composition of ginkgo seed oil was analyzed by GC-MS and six kinds of fatty acids were identified as oleic acid (30.25%), linoleic acid (50.04%), palmitic acid (8.28%), 5, 12-octadecadienoic acid(2.34%), 9-hexadecenoic acid(4.41%)and 5, 11, 14-eicosatrienoic acid (4.67%), in which the content of unsaturated fatty acids was 91.71%.Key words：ginkgo seed oil; subcritical extraction; physicochemical index; fatty acid composition

2016-07-15；

2016-12-23

江蘇省林業(yè)三新工程項(xiàng)目(LYSX[2015]25)

周 昊(1982)，女，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物研究與利用(E-mail)zhouhaolhs@163.com。

王成章，研究員，博士生導(dǎo)師(E-mail)wangczlhs@sina.com。

TS225.1；TQ644.1

A

1003-7969(2017)03-0072-05