稻米胚芽油的超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化

宋玉卿，張 雪，李 釗，劉春華，王俊國，于殿宇，姚 凱

(1.吉林工商學(xué)院，長春 130507； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，哈爾濱 150030；3.湖北天星糧油股份有限公司，湖北 隨州 441300)

稻米胚芽是稻谷加工的副產(chǎn)物，占稻谷的2.0%～2.2%[1]。稻米胚芽中含豐富的脂類、蛋白質(zhì)，還含有多種維生素和人體必需的微量元素，其中脂類、蛋白質(zhì)含量均在20%以上[2]。稻米胚芽油是從稻米胚芽中提取的一種優(yōu)質(zhì)食用油。據(jù)測定，稻米胚芽油中不飽和脂肪酸含量高達(dá)76%左右，其中油酸和亞油酸的含量皆為37%左右，維生素E含量可達(dá)43.18 mg/100 g，還含有植物甾醇、谷維素等生理活性物質(zhì)[3]。這些營養(yǎng)物質(zhì)有利于降低低密度脂蛋白膽固醇[4]以及促進皮膚微血管循環(huán)[5]，因此稻米胚芽油具有很好的保健功能，符合當(dāng)今人們對食品安全、營養(yǎng)、保健功能的需求。長期以來稻米胚芽都是混在米糠中用于米糠油提取，沒有充分發(fā)揮稻米胚芽的營養(yǎng)價值。

目前稻米胚芽油的提取方法有壓榨法、浸出法[3，5-6]和超臨界CO2萃取法[7]。壓榨法出油率低；浸出法在分離溶劑時蒸餾加熱，易引起油脂氧化酸敗，溶劑殘留也不能徹底消除；超臨界CO2萃取法作為綠色化學(xué)技術(shù)具有萃取率高、無溶劑殘留、可避免產(chǎn)物被氧化及操作簡單等優(yōu)點，同時在超臨界CO2萃取過程中，溫度保持在50℃左右，不會使熱敏性的蛋白質(zhì)變性及具有生物活性的物質(zhì)受到破壞[8]。

目前，未發(fā)現(xiàn)采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取稻米胚芽油工藝參數(shù)的研究報道。本研究以碾米生產(chǎn)線得到的米糠為原料，從中分離出稻米胚芽，采用超臨界CO2萃取技術(shù)萃取稻米胚芽油，探究了萃取壓力、萃取時間、萃取溫度對稻米胚芽油萃取率的影響，運用響應(yīng)面法優(yōu)化萃取條件，并對稻米胚芽油的脂肪酸組成及生育酚、生育三烯酚、植物甾醇、γ-谷維 素等營養(yǎng)成分進行測定分析，以期為超臨界CO2萃取稻米胚芽油的工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

米糠，湖北天星糧油股份有限公司；CO2(純度大于99.5%)，市購。

CP214(C)型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；BC-220SE海爾冰箱柜；HA121-50-01 型超臨界CO2流體萃取裝置；e2695高效液相色譜儀，美國Waters公司；6890N氣相色譜儀，美國安捷倫公司；T6新世紀(jì)紫外分光光度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 超臨界CO2萃取稻米胚芽油

將原料米糠用20目篩和30目篩進行兩次篩分，30目篩篩上物經(jīng)手撿得到稻米胚芽。稻米胚芽用真空烘箱加熱干燥30 min，取出后用多功能粉碎機粉碎至50目，備用。稱取稻米胚芽粉300 g裝入萃取釜，打開CO2鋼瓶，同時調(diào)節(jié)萃取溫度至設(shè)定溫度。開啟柱塞往復(fù)泵進行加壓至設(shè)定萃取壓力，調(diào)節(jié)CO2流量至25 kg/h。在此條件下萃取，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的萃取時間時，對稻米胚芽油進行冷凍分離，有效降低稻米胚芽油中蠟含量。

稻米胚芽油萃取率按下式計算。

稻米胚芽油萃取率=萃取所得油脂量/樣品中油脂量×100%

1.2.2 脂肪酸組成分析

根據(jù)Nehdi等[9]的氣相色譜法，對稻米胚芽油的脂肪酸組成進行測定。

1.2.3 營養(yǎng)成分分析

參照文獻[10]采用反相高效液相色譜法分析稻米胚芽油生育酚組成及生育三烯酚含量，γ-谷維素、植物甾醇含量測定采用分光光度法[10]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

實驗指標(biāo)的測定均重復(fù)3次，實驗結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差值”，采用Origin 8.5與Design Expert 8.0.6進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 萃取壓力對稻米胚芽油萃取率的影響

萃取壓力是影響超臨界CO2流體萃取的主要因素之一。超臨界CO2流體萃取時，對每一確定的體系存在著一個體系轉(zhuǎn)變壓，超臨界CO2流體萃取植物油時，體系轉(zhuǎn)變壓在35 MPa左右，如無其他考慮，為了提高生產(chǎn)效率和降低能耗，應(yīng)將操作壓力控制在轉(zhuǎn)變壓以下[11]。為此，本實驗選用萃取壓力分別為20、25、30、35、40 MPa，在萃取溫度40℃、萃取時間120 min，恒定的CO2流量下，考察萃取壓力對稻米胚芽油萃取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取壓力對萃取率的影響

由圖1可知，稻米胚芽油萃取率隨萃取壓力的升高而增大，萃取壓力在20～30 MPa之間的增幅較大，高于30 MPa時增幅減緩，這是因為增加壓力不僅會增加流體密度，還會降低傳質(zhì)阻力和分子間的傳質(zhì)距離[12]，提高溶質(zhì)與溶劑之間的傳質(zhì)效率，提高萃取率，然而萃取壓力繼續(xù)增大，由于高壓下流體的高密度，可壓縮性小并且溶解度受到限制，萃取的選擇性降低，萃取率降低，此結(jié)論與Gaspar[13]、Liu[14]等的研究結(jié)果一致。高壓會增加設(shè)備損耗并降低經(jīng)濟效益，還會使一些色素成分被提取出來，使油色變暗影響質(zhì)量。結(jié)合設(shè)備的投資和操作費用考慮，選擇萃取壓力為30 MPa。

2.1.2 萃取溫度對稻米胚芽油萃取率的影響

在萃取壓力30 MPa、萃取時間120 min、恒定的CO2流量，萃取溫度分別為25、30、35、40、45℃，考察萃取溫度對稻米胚芽油萃取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 萃取溫度對萃取率的影響

由圖2可知，萃取溫度較低時稻米胚芽油萃取率隨著萃取溫度升高而增加，在25～40℃之間上升趨勢明顯，在40℃以后趨于平緩，這是因為溫度升高增加了傳質(zhì)速度和溶質(zhì)的蒸氣壓，加速了油從種子基質(zhì)中解吸并提高了油在超臨界CO2中的溶解度[15]，然而萃取溫度繼續(xù)升高會降低超臨界CO2的密度，導(dǎo)致萃取物在CO2中的溶解度下降，使稻米胚芽油萃取率降低。從提取物的感官性狀看，低溫時所得油脂色澤淺、澄清，萃取溫度過高時油色變深，這是由于溫度升高可萃取物質(zhì)的范圍擴大[16]。因此，選擇萃取溫度為40℃。

2.1.3 萃取時間對稻米胚芽油萃取率的影響

在萃取壓力30 MPa、萃取溫度40℃、恒定的CO2流量，萃取時間分別為60、80、100、120、140 min，考察萃取時間對稻米胚芽油萃取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 萃取時間對萃取率的影響

由圖3可知，稻米胚芽油萃取率隨著萃取時間的延長而增加，在120 min后趨于平穩(wěn)。在開始時萃取率升高較快可能是由于樣品表面含有的油脂較多。隨著表面油脂的減少，超臨界CO2必須用更長的時間滲透到細(xì)胞基質(zhì)中，溶解油脂并隨后從材料中擴散出來，較長的萃取時間對萃取率具有積極影響。然而，120 min后進一步延長萃取時間，萃取率幾乎沒有變化。這是因為處理超過一定時間后，油脂在超臨界CO2中的溶解能力達(dá)到平衡，這與易軍鵬等[17]的研究結(jié)果一致。考慮到過長時間的超臨界CO2萃取還會導(dǎo)致油脂組成成分的改變和增加能耗，因此選擇萃取時間為120 min。

2.2 響應(yīng)面實驗

2.2.1 實驗設(shè)計及模型分析

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，綜合考慮經(jīng)濟效益及稻米胚芽油品質(zhì)，確定各因素的最佳水平值范圍，采用響應(yīng)面中心組合實驗設(shè)計，以萃取時間、萃取壓力、萃取溫度為自變量，以稻米胚芽油萃取率為響應(yīng)值，研究各因素對稻米胚芽油萃取率的影響規(guī)律，得到最佳萃取條件。響應(yīng)面實驗因素與水平見表1，響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面實驗因素與水平

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

實驗號 4、5、13、14、16 為5個中心實驗，用以估計實驗誤差，其余為分析實驗。將實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到回歸方程為：R=89.78+1.69A+2.18B+1.94C-0.58AB+1.80AC+1.63BC-8.64A2-11.72B2-8.99C2。

利用Design Expert 8.0.6軟件對實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 方差分析

注：*為差異顯著(P<0.05)；**為差異極顯著(P<0.01)。

2.2.2 響應(yīng)面分析與最優(yōu)條件的確定

利用Design-Expert 8.0.6軟件對實驗數(shù)據(jù)進一步分析，并對擬合的回歸方程進行計算，預(yù)測超臨界CO2萃取稻米胚芽油的最佳工藝條件為萃取壓力30.49 MPa、萃取時間121.98 min、萃取溫度40.63℃，在此條件下稻米胚芽油萃取率達(dá)到90.126%。考慮實際操作，將上述最佳工藝條件修正為萃取壓力30 MPa、萃取時間120 min、萃取溫度40℃，在此條件下進行3組平行驗證實驗，得到稻米胚芽油萃取率分別為90.4%、90.9%和90.2%，平均萃取率為90.5%，接近預(yù)測值，表明在該實驗?zāi)Ｐ拖碌玫降淖罴演腿l件具有較高的可靠性。

2.3 脂肪酸組成

超臨界CO2萃取得到的稻米胚芽油的脂肪酸組成如表4所示。

由表4可知，稻米胚芽油中主要的不飽和脂肪酸是油酸(38.62%±1.25%)和亞油酸(35.60%±1.66%)，不飽和脂肪酸含量高達(dá)76.08%，這與Bhatnagar等[18]的研究結(jié)果略有差異，可能是由于不同的品種、氣候條件、處理方法等引起的。稻米胚芽油中的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸含量分別為20.62%、38.62%、37.46%，與FAO/WHO推薦的油脂中脂肪酸最佳比例較為接近[19]。

表4 稻米胚芽油的脂肪酸組成

2.4 營養(yǎng)成分

超臨界CO2萃取得到的稻米胚芽油的營養(yǎng)成分如表5所示。

表5 稻米胚芽油的營養(yǎng)成分

γ-谷維素、生育三烯酚和生育酚、植物甾醇是植物油中重要的生物活性成分。由表5可知 ，稻米胚芽油中γ-谷維素和植物甾醇的含量分別為(490.00±5.63)mg/100 g和(352.28±11.52)mg/100 g。稻米胚芽油中生育酚的4種異構(gòu)體齊全，主要為α-生育酚和γ-生育酚，占生育酚總量的88.72%，生育三烯酚含量高達(dá)(53.92±0.64)mg/100 g，生育酚和生育三烯酚總含量為(83.02±1.49)mg/100 g，說明稻米胚芽油有較好的抗氧化活性[20]。

3 結(jié) 論

運用響應(yīng)面法優(yōu)化，確定超臨界CO2萃取稻米胚芽油最佳工藝條件為萃取壓力30 MPa、萃取溫度40℃、萃取時間120 min，在此條件下稻米胚芽油萃取率為90.5%。各因素對稻米胚芽油萃取率的影響大小依次為萃取壓力>萃取溫度>萃取時間。

通過氣相色譜法對稻米胚芽油的脂肪酸組成進行分析，稻米胚芽油中飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸含量分別為20.62%、38.62%、37.46%，而單不飽和脂肪酸與多不飽和脂肪酸含量比例接近1∶1，符合國際衛(wèi)生組織推薦的最佳比例。稻米胚芽油中脂肪酸以不飽和脂肪酸為主，主要為油酸(38.62%±1.25%)和亞油酸(35.60%±1.66%)，另外稻米胚芽油還含有γ-谷維素、生育三烯酚和生育酚、植物甾醇等營養(yǎng)物質(zhì)，生育酚和生育三烯酚總含量高達(dá)(83.02±1.49)mg/100 g，具有很好的抗氧化活性。因此，稻米胚芽油營養(yǎng)豐富，是一種優(yōu)質(zhì)的植物油，可以作為食品、制藥等行業(yè)有價值的產(chǎn)品來源。