γ-環(huán)糊精脫除玉米油中玉米赤霉烯酮的研究與工藝優(yōu)化

趙 洋

豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司 (上海 200137)

γ-環(huán)糊精脫除玉米油中玉米赤霉烯酮的研究與工藝優(yōu)化

趙 洋

豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司 (上海 200137)

以含有玉米赤霉烯酮的毛玉米油為原料，研究了γ-環(huán)糊精在不同條件下對玉米油中玉米赤霉烯酮脫除率的影響。結(jié)果表明，將一定油重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的γ-環(huán)糊精加入到常規(guī)堿煉的堿液中，發(fā)現(xiàn)其γ-環(huán)糊精的堿性溶液，對ZEN的脫除率效果明顯優(yōu)于同等條件下其它物質(zhì)和空白常規(guī)堿煉的脫除率。最優(yōu)工藝條件為：γ-環(huán)糊精添加量為5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，時間為45 min，堿液濃度為15%，玉米赤霉烯酮脫除率可達(dá)96.02%。

玉米油；環(huán)糊精；玉米赤霉烯酮；脫除率

玉米赤霉烯酮(Zearalenone (ZEN))，又稱F-2毒素，是由田間霉菌鐮刀菌產(chǎn)生的一種雌激素類真菌毒素，它首先是從有赤霉病的玉米中分離得到[1-2]。玉米赤霉烯酮能造成動物急慢性中毒，影響動物生長性能及造成生殖疾病等影響。它廣泛分布于小麥等糧食、畜禽飼料和土壤，是世界范圍內(nèi)糧食飼料的污染物之一，真菌毒素污染是植物油存在的重要食品安全隱患，已成為植物油安全的主要問題之一。所以，如何有效降低或者消除玉米赤霉烯酮毒素的危害非常具有現(xiàn)實(shí)意義。

ZEN是一種酚的二羥基苯酸的大環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，類似玉米赤霉烯醇結(jié)構(gòu),是一種白色結(jié)晶化合物，分子式為C18H22O5，相對分子量為318，熔點(diǎn)164 ℃～165 ℃，對熱穩(wěn)定(120 ℃加熱4 h未分解)。ZEN溶于堿性水溶液，在苯、乙腈、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丙酮中的溶解度依次增加。水中溶解度為0.002 g/100 mL，在正己烷中有微弱的溶解性[3-4]。

ZEN的脫除方法大致可分為化學(xué)方法、物理方法和生物學(xué)方法[5-6]。目前工業(yè)化控制油脂中ZEN的方法主要局限于改變傳統(tǒng)工藝的參數(shù)，如大幅增加堿煉時堿的用量，添加活性炭吸附或者提高脫臭溫度等，這些方法都多少帶來了負(fù)面的影響，如損耗、能耗的大幅增高和反式脂肪酸的增加等。通過一些研究資料，發(fā)現(xiàn)一些環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)和一些大分子多糖物質(zhì)可能對ZEN會產(chǎn)生特定的包埋和吸附作用[7-8]，針對此我們進(jìn)行單一因素實(shí)驗設(shè)計，發(fā)現(xiàn)γ-環(huán)糊精對ZEN有特異的包埋作用，且環(huán)糊精是食品中常用的加工助劑，具有無毒，可食用、不易吸潮、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[9]。所以本研究重點(diǎn)篩選了部分ZEN脫除劑以及考察了不同條件下γ-環(huán)糊精在堿煉中對ZEN脫除率的影響，并優(yōu)化了工藝，對玉米油中的ZEN脫除提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗原料

毛玉米油，來自生產(chǎn)工廠；葡聚糖，阿拉丁生產(chǎn)；羧甲基纖維素Ⅱ，阿拉丁生產(chǎn)；β-環(huán)糊精，國藥集團(tuán)生產(chǎn)；γ-環(huán)糊精，阿達(dá)瑪斯生產(chǎn)；氫氧化鈉，國藥集團(tuán)生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

磁力攪拌加熱臺，IKEA C-MAG HS7型；管式離心機(jī)，X3型，賽默飛世爾生產(chǎn)；旋片真空泵，XZ-1B型，溫嶺市真空泵廠。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

因為本研究重點(diǎn)是在堿煉工段，為避免毛玉米油中的膠體雜質(zhì)也被γ-環(huán)糊精所包埋，從而影響ZEN的去除效果，所以對毛玉米油先進(jìn)行水化脫膠處理，脫膠后玉米油測定其ZEN為8 002.73 μg/kg，酸值為5.71 mg/g。

1.3.2 ZEN含量的測定

參照《進(jìn)出口大豆、油菜籽和食用植物油中玉米赤霉烯酮的檢驗方法》SN/T 1745—2006，采用免疫親和層析凈化高效液相色譜法測定，外標(biāo)法定量(儀器型號：Agilent1260系列，配備熒光檢測器)。

1.3.3 主要指標(biāo)的計算

ZEN脫除率(%)=

1.3.4 ZEN脫除劑的篩選實(shí)驗方法

稱取一定量的備選脫除劑等加入到常規(guī)堿煉(超量堿0.1%)的堿液中或空白實(shí)驗的純水中，攪拌加熱至完全溶解，得到完全澄清的溶液。然后將不同配比的上述溶液加入到一定溫度下的脫膠玉米油中，恒溫攪拌反應(yīng)一定時間，以8 000 r/min的速度離心10 min，得到兩層，上層為中和玉米油，下層為混合物層。取上層中和玉米油進(jìn)行水洗工藝：將中和玉米油加熱至85 ℃，然后加入10%油重微沸的純水，恒溫攪拌15 min，然后以8 000 r/min速度離心10 min，取上層水洗中和玉米油，在105 ℃的真空條件下脫水，得到脫除ZEN后的堿煉玉米油。

1.3.5 γ-環(huán)糊精的單因素和正交實(shí)驗方法

稱取一定量的γ-環(huán)糊精添加至配好待用的堿液中，攪拌加熱至γ-環(huán)糊精完全溶于堿液中，得到完全澄清透明的γ-環(huán)糊精堿水溶液。然后將不同配比上述溶液加入到一定溫度下的脫膠玉米油中，恒溫攪拌反應(yīng)一定時間，以8 000 r/min的速度離心10 min，得到兩層，上層為中和玉米油，下層為γ-環(huán)糊精-ZEN包合物-皂角混合物層。取上層中和玉米油進(jìn)行水洗工藝：將中和玉米油加熱至85 ℃，然后加入10%油重微沸的純水，恒溫攪拌15 min，然后以8 000 r/min的速度離心10 min，取上層的水洗中和玉米油，在105 ℃的真空條件下脫水，得到脫除ZEN后的堿煉玉米油。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZEN脫除劑篩選實(shí)驗

2.1.1 γ-環(huán)糊精、β環(huán)糊精、羧甲基纖維素、葡聚糖對ZEN脫除率的對比實(shí)驗

實(shí)驗方法按上1.3.4所述，脫除劑選取γ-環(huán)糊精、β環(huán)糊精、羧甲基纖維素、葡聚糖，添加量為油重的2%，溫度為80 ℃，時間為40 min，堿液濃度為15%，超量堿為0.1%?？疾炱湓诔Ｒ?guī)堿煉體系下的ZEN脫除的效果。實(shí)驗結(jié)果見圖1。

圖1 γ-環(huán)糊精添加量對ZEN脫除率的影響

由圖1可以看出，將不同備選脫除劑添加到堿煉工段的堿液中，其中γ-環(huán)糊精對去ZEN的脫除效果明顯優(yōu)于其他脫除劑，體現(xiàn)出了γ-環(huán)糊精的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)對ZEN有特殊的包埋作用。

2.1.2 γ-環(huán)糊精在堿性、純水溶液體系下和純堿溶液對ZEN脫除率的對比實(shí)驗

實(shí)驗方法按上1.3.4所述，脫除劑選取γ-環(huán)糊精，添加量為油重的2%，溫度為80 ℃，時間為40 min，堿液濃度為15%，超量堿為0.1%?？疾歃?環(huán)糊精在不同體系下對ZEN脫除的效果以及和單獨(dú)堿煉的效果對比。實(shí)驗結(jié)果見圖2。

圖2 γ-環(huán)糊精添加量對ZEN脫除率的影響

圖2體現(xiàn)出了γ-環(huán)糊精無論是在堿性溶液還是純水溶液中，對ZEN的脫除都有明顯的效果，通過本數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了γ-環(huán)糊精對ZEN有著特異包埋性，且優(yōu)于傳統(tǒng)的堿煉工藝。

2.2 γ-環(huán)糊精的單因素實(shí)驗

2.2.1 γ-環(huán)糊精添加量對ZEN脫除率的影響

實(shí)驗方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照一定的油重比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，時間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測ZEN含量。實(shí)驗結(jié)果見圖3。

圖3 γ-環(huán)糊精添加量對ZEN脫除率的影響

由圖3可以看出，γ-環(huán)糊精添加量的與ZEN的脫除率基本呈正相關(guān)關(guān)系。在添加量為2%～5%時，ZEN的脫除效果比較明顯。隨著γ-環(huán)糊精的添加量繼續(xù)增加，去除率的增幅逐漸減弱，主要原因是γ-環(huán)糊精量大時，溶液體系的黏度增高從而導(dǎo)致堿液本身對ZEN脫除的效果減弱，并與γ-環(huán)糊精對ZEN的吸附量達(dá)到一個平衡，使之整體去除效果趨于平緩甚至減弱?？紤]到成本以及油脂回收率的影響，以及堿煉玉米油還需經(jīng)過后續(xù)的脫蠟、脫色和脫臭工段，會進(jìn)一步降低ZEN的含量，所以本工段不需追求最大化的ZEN脫除率。綜合后續(xù)精煉工段ZEN的脫除能力，在此選擇γ-環(huán)糊精的添加量為2%～5%即可滿足不同的需求。

2.2.2 反應(yīng)溫度對ZEN去除率的影響

實(shí)驗方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，在一定的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，時間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測ZEN含量。實(shí)驗結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)溫度對ZEN脫除率的影響

由圖4可以看出，反應(yīng)溫度對γ-環(huán)糊精在該工藝中去除ZEN的影響較大，脫除率隨著溫度的降低而增加，當(dāng)反應(yīng)溫度<60 ℃時，去除ZEN的效果顯著上升，在30 ℃的時候基本達(dá)到頂峰。主要原因是溫度高的條件下，γ-環(huán)糊精容易變性失去效果，其次低溫堿煉也更有助于ZEN的去除，所以反應(yīng)溫度在30 ℃～60 ℃效果較佳。因γ-環(huán)糊精協(xié)同堿煉去除ZEN的效果比單純堿煉效果要好很多，如用于生產(chǎn)中，溫度可根據(jù)實(shí)際的控制水平?jīng)Q定。

2.2.3 反應(yīng)時間對ZEN去除率的影響

實(shí)驗方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，恒溫攪拌一段時間，得到堿煉玉米油并檢測ZEN含量。實(shí)驗結(jié)果見圖5。

由于γ-環(huán)糊精脫除ZEN是融合到了堿煉工段中，所以選取的時間也是常規(guī)堿煉常考察的時間點(diǎn)。根據(jù)圖5數(shù)據(jù)可以看出，隨著時間的延長，ZEN的去除率也在升高，但在40 min之后趨于平緩，時間繼續(xù)延長則會有微小幅度下降的現(xiàn)象，原因應(yīng)該是在40 min時已達(dá)到了吸附平衡，所以綜合考慮，反應(yīng)時間在30～50 min為宜。

圖5 反應(yīng)時間對ZEN脫除率的影響

2.2.4 堿液濃度對ZEN去除率的影響

實(shí)驗方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，不同濃度的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，時間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測ZEN含量。實(shí)驗結(jié)果見圖6。

由圖6數(shù)據(jù)可以看出，在液堿濃度為10%～30%的時候，該體系下γ-環(huán)糊精脫除ZEN的能力最強(qiáng)，同時考慮到脫酸的效果以及油脂回收率，堿液的濃度不易過高和過低，綜合考慮該體系的堿液濃度在10%～30%為宜。

圖6 堿液濃度對ZEN脫除率的影響

2.3 γ-環(huán)糊精的正交試驗的設(shè)計及結(jié)果

依據(jù)以上單因素的范圍和實(shí)驗結(jié)果，以γ-環(huán)糊精添加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、堿液濃度進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗，實(shí)驗設(shè)計表如表1，實(shí)驗結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)表2的正交試驗結(jié)果，各因素影響ZEN脫除率的程度為A>B>D>C，即γ-環(huán)糊精添加量>反應(yīng)溫度>堿液濃度>反應(yīng)時間。根據(jù)正交實(shí)驗結(jié)果，最優(yōu)方案為：A3B1C3D2，即γ-環(huán)糊精添加量5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時間為45 min，堿液濃度為15%。在此最佳條件下，玉米油中ZEN的最終含量為318.50 μg/kg，去除率為96.02%。

3 結(jié)論

本研究以毛玉米油為原料，研究了將脫除劑融合到堿煉工段中一步脫除ZEN，通過對脫除劑的篩選并將最佳脫除劑采取正交實(shí)驗設(shè)計方法對此工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得出本工段最優(yōu)的脫除工藝為γ-環(huán)糊精添加量5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時間為45 min，堿液濃度為15%。在此最佳條件下，玉米油中ZEN的最終含量為318.50μg/kg，去除率為96.02%，能夠滿足歐盟400μg/kg的限量標(biāo)準(zhǔn)。該方法具有高效、易操作等特性，使得以最小的參數(shù)改變最大化的去除玉米油中ZEN的含量，同時不影響玉米油酸價的降低，對符合高標(biāo)準(zhǔn)的低含量ZEN玉米油制備有較大的參考價值。關(guān)于γ-環(huán)糊精對ZEN特有的包埋效果，是否有其他成本更低的物質(zhì)替代還有待繼續(xù)研究。

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Research and optimization for removing zearalenone from maize oil by γ-cyclodextrin

Zhao Yang

Wilmar (Shanghai) Biotechnology Research & Development Center Co., Ltd. (Shanghai 200137)

The crude maize oil was taken as the material which contains zearalenone (ZEN). The influences of different factors on removal rate of ZEN from crude maize oil were studied. The results show that a certain amount of γ-cyclodextrin within lye has a remarkable effect on the removal rate of ZEN which is much better than the other materials and normal neutralization with nothing. The optimized removal conditions are obtained as follows: 5% γ-cyclodextrin of oil weight, lye concentration is 15%, mixing at 35 ℃ for 45 min. Under these conditions, the removal rate of ZEN is 96.02%.

maize oil; cyclodextrin; zearalenone (ZEN); removal rate

2017-02-21

趙 洋，男，1985年出生，助理工程師，主要從事油脂加工工藝的開發(fā)與研究。

TS221

A

1672-5026(2017)03-001-04