蒸汽爆破處理對亞麻籽油脂肪酸組成的影響

易軍鵬 李 冰 張 棋 王 賽 朱文學(xué)(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，洛陽 471023)

蒸汽爆破處理對亞麻籽油脂肪酸組成的影響

易軍鵬 李 冰 張 棋 王 賽 朱文學(xué)
(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，洛陽 471023)

選取爆破壓力1.0、2.0 MPa，維持壓力時間30、60 s(1.0 MPa 30 s、1.0 MPa 60 s、2.0 MPa 30 s)，對亞麻籽進(jìn)行處理。利用超聲波輔助提取亞麻籽油，并對亞麻籽油提取動力學(xué)進(jìn)行研究，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析亞麻籽油脂肪酸的組成。結(jié)果表明：蒸汽爆破預(yù)處理后，亞麻籽油得率得到顯著提高。在較優(yōu)提取工藝條件下,亞麻籽油得率為43.88%，是未經(jīng)處理亞麻籽油得率的1.17倍。掃描電子顯微鏡分析結(jié)果表明，處理后的亞麻籽表面比較粗糙，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，且隨著爆破壓力增大、維持壓力時間的延長，亞麻籽油提取速率增加。氣相色譜-質(zhì)譜結(jié)果顯示亞麻籽油中富含不飽和脂肪酸，處理后油脂中亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.28%，高于未經(jīng)預(yù)處理的77.41%。

亞麻籽 蒸汽爆破 掃描電鏡 動力學(xué) 脂肪酸 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

亞麻籽(flaxseed)又稱胡麻籽，是亞麻科植物亞麻(LinumUsitatissimumL.)的種子，亞麻籽現(xiàn)已成為我國主要的油料作物之一[1-2]。亞麻籽的世界平均年產(chǎn)量240 t，亞麻籽油脂高達(dá)40%以上[3]，屬高含油類經(jīng)濟(jì)作物。亞麻籽中含有豐富的ω-3類必需脂肪酸，是人體細(xì)胞結(jié)構(gòu)中最重要的成份之一。此外，亞麻籽不但是構(gòu)成細(xì)胞膜和生物酶的基礎(chǔ)物質(zhì)，而且在維持脂蛋白平衡、降血脂血糖、降血壓等方面具有重要作用，是一種備受青睞的保健品[4]。亞麻籽作為藥食兩用資源，具有良好的開發(fā)前景。

蒸汽爆破技術(shù)是一種物理化學(xué)預(yù)處理手段，將樣品在高溫、高壓、高蒸汽條件下進(jìn)行預(yù)處理，通過瞬間釋壓過程、將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并實現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化，使植物組織的細(xì)胞破裂、結(jié)構(gòu)破壞，為后續(xù)的加工、處理提供了參考[5-6]。蒸汽爆破技術(shù)最早應(yīng)用于制漿過程，近幾年蒸汽爆破技術(shù)逐漸被應(yīng)用于中草藥提取、油脂提取、農(nóng)副產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。Kurosumi A等[7]利用蒸汽爆破技術(shù)輔助提取干巴菌菌絲中抗腫瘤成分β-1，3-葡聚糖，提取率增加了1.6倍，同時提取時間減至原來的1/4。陳洪章等[8-9]利用蒸汽爆破技術(shù)對鹽膚木果實進(jìn)行預(yù)處理，試驗結(jié)果表明鹽膚木果實表面產(chǎn)生裂縫和微孔，更有利于油脂和黃酮的提取，并且形成了鹽膚木果油、黃酮等一系列產(chǎn)品，為自然界中非單一經(jīng)濟(jì)型野生植物資源的開發(fā)提供了新的模式。張棋等[10]利用蒸汽爆破技術(shù)對粉葛總黃酮及抗氧化性的影響進(jìn)行了研究，總黃酮的提取量是未經(jīng)處理粉葛提取量的2.32倍，且抗氧化能力也得到顯著提高。蒸汽爆破技術(shù)因成本低、能耗少、無污染等優(yōu)點，被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域中。

目前鮮有關(guān)于蒸汽爆破預(yù)處理亞麻籽的相關(guān)研究。因此，選擇不同壓力和維壓時間對亞麻籽進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，通過對亞麻籽油得率、微觀結(jié)構(gòu)、提取動力學(xué)及對脂肪酸組成成分的分析，以及蒸汽爆破提取油脂的可行性進(jìn)行探討，對研究蒸汽爆破技術(shù)在促進(jìn)藥食兩用資源的高值化利用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

亞麻籽：河北省張家口市；石油醚(30～60 ℃)、正己烷、三氟化硼：均為分析純，洛陽奧科化玻公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

QBS-80蒸汽爆破機(jī)：河南省鶴壁正道生物能源有限公司；FA1004電子分析天平：上海上平儀器有限公司；Ymnl-2008DE智能溫控雙頻超聲波萃取儀：南京以馬內(nèi)利儀器設(shè)備有限公司；7890A-5975氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國安捷倫科技有限公司；JSM-5610LV掃描電子顯微鏡：日本電子株式會社。

1.3 方法

1.3.1 亞麻籽蒸汽爆破預(yù)處理

將干燥的亞麻籽用蒸餾水預(yù)浸泡8 h，一部分放入蒸汽爆破機(jī)物料倉中，通入飽和的水蒸汽，壓力選取1.0、2.0 MPa，維壓時間選取30、60 s，在極短時間內(nèi)(0.087 5 s)[11]完成釋壓，實現(xiàn)蒸汽爆破；另一部分為空白對照。將預(yù)處理后的樣品收集，在恒溫干燥箱于60 ℃干燥至恒重，粉碎過40目篩，在粉碎過程中應(yīng)注意防止粉碎機(jī)溫度過高造成亞麻籽油脂氧化，置于避光通風(fēng)處，待分析。

1.3.2 亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)觀察

為直觀的分析蒸汽爆破對亞麻籽結(jié)構(gòu)的影響，利用掃描電鏡對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，將干燥的亞麻籽樣品用導(dǎo)電膠帶固定到樣品臺上，使用離子濺射技術(shù)對亞麻籽表面噴鍍，用掃描電子顯微鏡觀察蒸汽爆破預(yù)處理對亞麻籽樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1.3.3 超聲波輔助提取亞麻籽油

準(zhǔn)確稱粉碎后的亞麻籽粉末2.00 g，置入三角瓶中，按照料液比1:10(m/V)加入相應(yīng)量的石油醚(30～60 ℃)，混勻，放入超聲波處理器中，不斷晃動三角瓶，使亞麻籽與浸提液充分接觸，抽濾，得到提取液。

每組試驗提取3次，合并3次提取液，2 500 r/min離心5 min，取上清液，減壓濃縮，得到亞麻籽油，計算亞麻籽油得率。每組試驗重復(fù)3次，取平均值。

亞麻籽油得率計算式為：

式中：m1為旋轉(zhuǎn)瓶和亞麻籽油的總質(zhì)量/g；m2為旋轉(zhuǎn)瓶的質(zhì)量/g；m為干燥后亞麻籽粉質(zhì)量/g。

1.3.4 亞麻籽提取油動力學(xué)

本研究中亞麻籽油提取過程包括2個階段[12-13]：溶解過程是從破裂的細(xì)胞中提取亞麻籽油；擴(kuò)散過程是從完整的細(xì)胞中提取亞麻籽油。大部分油脂在破裂的細(xì)胞表面被快速提取，而提取完整細(xì)胞內(nèi)油脂的過程需要花費很長時間。因此，在大多數(shù)情況下，油脂提取過程主要是擴(kuò)散階段。

假設(shè)亞麻籽顆粒是球形的，溶劑與溶質(zhì)混合均勻，通過So等[13]提出的模型對油脂的擴(kuò)散過程進(jìn)行擬合。模型主要遵循以下幾點：

1)蒸汽爆破亞麻籽顆粒中油脂最初均勻分布在樣品中。

2)溶劑與樣品混合均勻，在液相中的轉(zhuǎn)移電阻可以忽略，而溶劑中的油脂的濃度僅取決于時間。

3)油脂和其他活性成分的擴(kuò)散是并行進(jìn)行的，且沒有相互作用。

4)為了簡化模型，多孔固體被認(rèn)為是一種均勻介質(zhì)[14]。

Ct=Ca(1-e-bt)

式中：Ct為亞麻籽油在時刻t的得率/wt%；Ca為在平衡狀態(tài)下的亞麻籽油得率/wt%；b為油脂提取過程中的傳質(zhì)系數(shù)/min-1。

1.3.5 亞麻籽油的理化指標(biāo)的測定

提取亞麻籽油的酸值和過氧化值按照GB/T 8235—2008《亞麻籽油》方法測定[15]。

1.3.6 亞麻籽油的甲酯化

取0.4 g油脂于50 mL圓底燒瓶中，加入0.5 mol/L的NaOH甲醇溶液10 mL，60 ℃水浴中加熱，慢慢升溫至70 ℃，至油珠完全溶解(約10～30 min)。冷卻后加入15% BF3甲醇溶液7 mL，70 ℃水浴酯化20 min，慢慢加入4 mL正己烷，振搖，冷卻室溫后，加入少量的飽和NaCl溶液搖勻，繼續(xù)加入飽和NaCl溶液至燒瓶的頸部，靜置，待分層后，取上層(正己烷層)溶液，加入少許無水硫酸鈉去除殘余的水分，進(jìn)行氣相色譜分析。

1.3.7 GC-MS分析條件

GC條件：PEG-20N彈性石英毛細(xì)管柱，30 m×0.25 m×0.25 μm；載氣為高純氦氣，恒定流量為0.8 mL/min；升溫程序：從180 ℃開始(保持2 min)，以3 ℃/min升溫到230 ℃，保持10 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃，出樣口溫度200 ℃；檢測電壓350 V。

MS條件：EI離子源、發(fā)射電流200 μA、電子能量70 eV、掃描范圍20～550 amu。試驗數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫搜索(NIST05庫)結(jié)合手動光譜分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有試驗重復(fù)3次，用Origin 8.0 SR4軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制圖形，并對動力學(xué)曲線進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸汽爆破預(yù)處理對亞麻籽油得率的影響

蒸汽爆破預(yù)處理對亞麻籽油得率的影響如圖1所示。從圖1可以看出蒸汽爆破的亞麻籽油得率比未爆破的亞麻籽油的得率高。最佳提取工藝條件：提取溶劑為石油醚(30～60 ℃)，料液比1∶10，溫度40 ℃，時間15 min，超聲功率315 W。在此條件下，未處理亞麻籽，1.0 MPa 30 s亞麻籽，1.0 MPa 60 s亞麻籽和2.0 MPa 30 s亞麻籽得油率分別為37.63%，40.43%，42.35%和43.88%。這是由于蒸汽爆破預(yù)處理之后，亞麻籽內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，組織斷裂且變得疏松，比表面積增大，抗提取屏障被打破，更有利于油脂的溶出和提取。隨著爆破壓力的增大，維壓時間的延長，亞麻籽結(jié)構(gòu)破壞的越完全，組織間隙越大，細(xì)胞內(nèi)部的油脂釋放的越多，表面附著的油料也越多，因此亞麻籽油的得率也越大。隨著壓力和維壓的時間越長，當(dāng)壓力超過2.0 MPa 30 s時，蒸汽爆破腔體內(nèi)會出現(xiàn)焦糊的味道，爆破出來的樣品色澤氣味不佳，而且對其進(jìn)行提取油脂，得率也無太大的變化，因此再依靠增大壓力和時間來提高得率，會造成能源的浪費。這一結(jié)果與Chen等[8]對蒸汽爆破提取漆樹果油脂的研究的結(jié)論是一致的。

圖1 蒸汽爆破預(yù)處理對亞麻籽油得率的影響

2.2 蒸汽爆破預(yù)處理對亞麻籽微觀結(jié)構(gòu)的影響

亞麻籽掃描電子顯微鏡圖如圖2所示。對未經(jīng)爆破和爆破的亞麻籽進(jìn)行噴鍍處理時，由于亞麻籽富含油脂，不穩(wěn)定，容易掉落，導(dǎo)致亞麻籽導(dǎo)電不均，但整體不影響微觀結(jié)構(gòu)的觀察。圖2a是未處理的亞麻籽的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)排列致密表面比較光滑，細(xì)胞排列比較整齊，組織空隙狹小，這種緊密的結(jié)構(gòu)不利于油脂的溶出。蒸汽爆破后圖片(圖2b～圖2d)可以看出，處理后的物料粒徑分布不均勻，且物料表面結(jié)構(gòu)比較粗糙，細(xì)胞表皮出現(xiàn)解離斷裂，維管束等腔道組織膨脹，孔洞增多增大。亞麻籽組織表面遭到嚴(yán)重的破壞，并且破壞程度隨蒸汽爆破壓力與維壓時間升高而加強，表面有油料附著物，這說明亞麻籽含有大量的油脂。這一現(xiàn)象可能是由于蒸汽爆破在釋壓過程，巨大的壓力使?jié)B透到細(xì)胞內(nèi)及組織中的蒸汽膨脹，瞬間釋放的過程受到化學(xué)分解和機(jī)械剪切力的雙重作用發(fā)生斷裂，組織間隙增加從而導(dǎo)致細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)破壞和細(xì)胞表皮的斷裂。

圖2 亞麻籽掃描電子顯微鏡圖注：a未經(jīng)爆破亞麻籽；b 1.0 MPa 30 s處理亞麻籽；c 1.0 MPa 60 s處理亞麻籽；d 2.0 MPa 30 s處理亞麻籽。

在壓力為1.0 MPa 30 s下，表面出現(xiàn)明顯的裂痕，有少數(shù)的亞麻籽皮脫落，纖維表面不完整，與2.0 MPa 30 s下亞麻籽掃描電子顯微鏡圖相比，其細(xì)胞壁表層破壞嚴(yán)重程度加重，油脂的溶出程度也大大的增大，隨著壓力的增大，可以明顯的看到表面附著的油滴也越來越多。結(jié)構(gòu)的變化引起比表面積的增加，進(jìn)一步影響亞麻籽油的得率。這與王玉等[16]在研究汽爆預(yù)處理對水稻秸稈纖維結(jié)構(gòu)的影響時，發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破處理前后水稻秸稈表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，出現(xiàn)細(xì)絲、碎片斷裂的結(jié)論是一致的。

2.3 亞麻籽油提取動力學(xué)

蒸汽爆破提取亞麻籽油和未處理亞麻籽油動力學(xué)如圖3所示。亞麻籽油提取動力學(xué)模型參數(shù)見表1。由圖3及表1可知：在0～2 min內(nèi)，亞麻籽油得率迅速增加，超過2 min后得率增加緩慢，最終達(dá)到平衡。隨著蒸汽爆破壓力的增加，亞麻籽油得率提高，在處理條件為2.0 MPa 30 s時，得率最高為43.11%，明顯高于未處理的亞麻籽油得率34.81%。通過預(yù)處理試驗發(fā)現(xiàn)，提高蒸汽的壓力或延長時間后也不會大大提高油產(chǎn)量，因此2.0 MPa 30 s被選為蒸汽爆破預(yù)處理亞麻籽油的最佳條件。圖3顯示了蒸汽爆破處理條件對亞麻籽油得率的影響，對各參數(shù)進(jìn)行擬合，在不同處理條件下，試驗數(shù)據(jù)與So模型較吻合，相關(guān)性較好(R2≥0.998)，表明該動力學(xué)模型可以用來描述蒸汽爆破亞麻籽的提取過程。由表1知，隨著蒸汽爆破壓力的增大，亞麻籽油得率增加，未處理樣品、不同處理條件下各樣品在平衡狀態(tài)下的亞麻籽油提取量(Ca)分別為34.81、39.59、41.59、43.11。傳質(zhì)系數(shù)(b)增大，提取速率增加，主要是由于蒸汽爆破之后，樣品表面出現(xiàn)裂縫，細(xì)胞破裂，比表面積增大，有助于提取溶劑與樣品的接觸，加快亞麻籽油的提取過程。

圖3 蒸汽爆破提取亞麻籽油和未處理亞麻籽油動力學(xué)

表1 亞麻籽油提取動力學(xué)模型參數(shù)

2.4 亞麻籽油理化指標(biāo)測定

不同爆破程度的亞麻籽油理化指標(biāo)見表2。

對比蒸汽爆破后的亞麻籽油與未經(jīng)過處理的亞麻籽油，從外觀上可以直接看出，處理后的亞麻籽油顏色較深，顏色加深的主要原因是亞麻籽油的內(nèi)部發(fā)生了美拉德反應(yīng)。隨著蒸汽爆破壓力增大，溫度升高美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物會發(fā)生一系列的重排反應(yīng)、降解反應(yīng)、聚合反應(yīng)，形成類黑精高分子色素，使得亞麻籽油色澤加深[17]。蒸汽爆破的壓力在1.0～2.0 MPa下溫度高達(dá)220 ℃，這會影響提取油脂的物理化學(xué)特征，得到油脂的理化指標(biāo)如表2所示，酸值增加，一是由于亞油酸、亞麻酸含量越高，油脂越不穩(wěn)定，越易氧化變質(zhì)，易發(fā)生酸敗[18]；二是由于購買的亞麻籽不是新鮮的亞麻籽；三是由于蒸汽爆破處理條件溫度較高，引起亞麻籽油發(fā)生部分氧化，都會導(dǎo)致酸價的升高。

表2 不同爆破程度的亞麻籽油理化指標(biāo)

注：aGB/T 8235—2008《亞麻籽油》。

亞麻籽油過氧化值增加其原因可能在于油脂中的不飽和脂肪酸與空氣中的氧發(fā)生自動氧化反應(yīng)，溫度越高，自動氧化的速度也越快，所得油脂的過氧化值也就越大，而蒸汽爆破可以加速這種氧化的程度。油脂的品質(zhì)不僅與不飽和脂肪酸的含量相關(guān)，貯藏時間的長短也是影響其品質(zhì)的關(guān)鍵因素，朱誠等對超干花生種子耐藏性與脂質(zhì)過氧化作用進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)貯藏期長的花生酸價、過氧化值都升高[19]。本試驗中亞麻籽油酸價和過氧化值升高與貯存時間的長短有一定關(guān)聯(lián)。所得亞麻籽油可以通過堿煉或活性土吸附來降低油脂的酸價和過氧化值。

2.5 脂肪酸成分分析

對亞麻籽油脂肪酸甲酯進(jìn)行了GC-MS分析，得到了總離子流圖，按照峰面積歸一化法計算各峰面積的相對百分含量。未處理亞麻籽油的氣相色譜總離子流圖如圖4所示。亞麻籽油甲酯化GC-MS分析組成成分表見表3。

圖4 未處理亞麻籽油的氣相色譜總離子流圖

表3 亞麻籽油甲酯化GC-MS分析組成成分表

注：—表示未檢出。

GC-MS分析結(jié)果表明，亞麻籽油富含不飽和脂肪酸。未爆破的亞麻籽油已鑒定出的組分占總油量的92.04%，亞麻籽油中富含不飽和脂肪酸(約79.33%)，如亞麻酸、二十碳烯酸等，其中亞麻酸的含量達(dá)到77.41%。試驗結(jié)果與李高陽等[20]研究亞麻籽油中脂肪酸成分的GC-MS分析時亞麻酸的含量(49.05%)[20]差異很大，這可能與原料產(chǎn)地、品種等差異有關(guān)。

未處理與蒸汽爆破預(yù)處理的亞麻籽油中脂肪酸的成分沒有太大的變化，最主要是亞麻酸含量有略微的改變，從77.41%到81.28%，其他成分沒有太大的變化。分析其原因，從亞麻籽油得率方面考慮，未處理與處理亞麻籽油得率分別為37.63%，40.43%，42.35%和43.88%，得率明顯增加，因此亞麻籽油里所含成分也會相應(yīng)增加。另外，從表3可以看出，棕櫚酸等的含量也有所變化，這也可能是油脂里的有效成分在高溫高壓高蒸汽的條件下發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論

蒸汽爆破預(yù)處理可提高亞麻籽油的得率，在最佳提取工藝條件1.0 MPa 30 s、1.0 MPa 60 s、2.0 MPa 30 s下得率分別為40.43%、42.35%、43.88%，明顯高于未處理的亞麻籽油得率37.63%。經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理之后，亞麻籽的細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，可促進(jìn)油的擴(kuò)散，進(jìn)而可以縮短提取時間、提高提取效率，得到的亞麻籽油酸價、過氧化值均增加。GC-MS結(jié)果顯示，未爆破的亞麻籽油脂肪酸和蒸汽爆破條件下的脂肪酸不飽和脂肪酸的含量有所改變，主要是亞麻酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從77.41%增加到81.28%。

蒸汽爆破可以提高亞麻籽油的得率，并且可以縮短提取時間、提高提取效率；同時可以增加不飽和脂肪酸亞麻酸的含量，這表明蒸汽爆破是一項有效的預(yù)處理方式。

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Effect of Steam Explosion Treatment on Fatty Acid Composition of Flax Seed Oil

Yi Junpeng Li Bing Zhang Qi Wang Sai Zhu Wenxue
(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023)

Steam explosion pretreatment was employed on flax seed at a steam pressure of 1.0 and 2.0 MPa for 30 s,60 s respectively.Using ultrasonic assisted extraction of flax seed oil,the extraction kinetics of flaxseed oil was studied,and the composition of fatty acid was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry.The results indicated that the yield of flaxseed oil was significantly increased after steam explosion.Under the optimum extraction conditions,the yield of flaxseed oil was 43.88%,which was 1.17 times of that of untreated flaxseed oil.The results of scanning electron microscopy analysis showed that after treatment,the surface of the flax seed was relatively rough,and the structure was damagedseriously,the extraction rate of flax seed oil increased with the increase of pressure and the prolongation of maintaining pressure.The results of gas chromatography-mass spectrometry showed that flax seed oil was rich in unsaturated fatty acids,and the content of linolenic acid in the oil was 81.28%,which was higher than that of untreated 77.41%.

flax seed,steam explosion,scanning electron microscopy,kinetics,fatty acid,GC-MS

TS224

A

1003-0174(2017)09-0088-06

國家自然科學(xué)基金面上項目(31271972)，河南科技大學(xué)博士科研基金(400813480035)

2016-06-24

李冰，女，1989年出生，碩士，食物資源高值化利用

易軍鵬，男，1976年出生，副教授，藥食兩用生物資源高值化利用