超聲波輔助制備梨籽油工藝研究

蔣新龍 蔣益花 沈 瑾 陳思晴 張洋彪 周佳文

(浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，杭州 310015)

梨是我國栽培面積較廣、產(chǎn)量較高的水果，梨可供生食，還可被加工成飲料、釀酒、制梨膏、梨脯以及藥用[1]。梨在果品加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量梨籽，目前基本都將其廢棄，這不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。梨籽中富含油脂，是開發(fā)植物油脂的極好天然資源。孫秀青[2]研究表明，超臨界CO2萃取的雪梨籽油中檢測到7種主要脂肪酸，以亞油酸、亞麻酸、油酸為主，不飽和脂肪酸含量在80%以上，尤其是亞油酸含量可達(dá)44.86%。因此，梨籽油既可作為食用油以滿足人體脂肪酸的攝入需求，也可用于生產(chǎn)藥品、保健食品，還可作為化妝品的油性原料，開發(fā)利用前景廣闊。

本項(xiàng)目利用梨籽這一加工廢棄物進(jìn)行資源化綜合利用研究，采用超聲波輔助技術(shù)，以梨籽為原料，對梨籽中籽油進(jìn)行提取、精煉工藝條件研究及對其理化性質(zhì)進(jìn)行分析檢測，為梨籽資源的綜合開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料試劑

梨籽：市售，選取顆粒飽滿，無霉?fàn)€變質(zhì)的為試材；其他試劑皆為分析純；所用水為蒸餾水。

UV-9100紫外可見光譜儀；AL204電子分析天平；KQ5200DE型超聲波清洗器；MYP11-2A恒溫磁力攪拌器；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.2 方法

1.2.1 梨籽油的超聲提取

梨籽→除雜→烘干→粉碎→過篩→稱重→加入石油醚→超聲波輔助萃取→抽濾→濃縮→梨籽油。準(zhǔn)確稱取3.000 0 g粉碎成40目的梨籽粉，裝入燒瓶中用石油醚于設(shè)置的條件下超聲回流提取，超聲結(jié)束后抽濾分離，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸餾，濃縮物置恒溫鼓風(fēng)干燥箱干燥，直到恒重，得梨籽油毛油，計(jì)算出油率。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2 一步法精煉

油脂精煉是對油脂伴隨物選擇性地發(fā)生物理或化學(xué)作用，使其與甘油三酯的結(jié)合減弱并從油中分離出來。傳統(tǒng)的油脂精制工藝包括脫膠、脫酸、脫色、脫臭等操作工序，但存在精煉工藝復(fù)雜、耗時(shí)長、能耗高、污染大、油脂中微量活性物質(zhì)去除多、反式脂肪酸等食品安全危害因子增加多等問題[3-5]。本項(xiàng)目用食品添加劑碳酸鈉替代氫氧化鈉，用食品加工助劑活性炭替代白土，用超聲波處理整個(gè)精煉過程。先用超聲低溫40 ℃處理至梨籽毛油、碳酸鈉、活性炭混合均勻，后用超聲中高溫60 ℃處理一步完成脫酸、脫色、脫臭，過濾除去固形物，真空脫水，即得精制成品油。以脫酸率為衡量指標(biāo)，平行三次，取平均值。

1.2.3 籽油理化性質(zhì)測定

密度測定參考GB/T 5526—1985；酸價(jià)測定參考GB/T 5530—2005；碘值測定參考GB/T 5532—2008；折光率測定參考GB/T 5527—2008；過氧化值測定參考GB/T 5538—2005；皂化值參考GB/T 5534—2008。平行3次，取平均值。

1.2.4 籽油表觀活化能測定

采用Schaal烘箱法測定籽油在不同溫度、不同時(shí)間下的過氧化值(POV)。具體方法：將梨籽毛油和梨籽精煉油置于碘量瓶中密封，分別置于45、55、65 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，每隔1 d振蕩1次，每次持續(xù)約10 s，并交換油樣在恒溫箱中的位置。每隔2 次(共10 d)取樣，測定籽油過氧化值POV隨儲(chǔ)藏溫度、時(shí)間的變化。根據(jù)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程ln(POV/POV。)=-kt，對不同時(shí)間t的過氧化值POV進(jìn)行擬合，得到回歸方程和相關(guān)系數(shù)，求得反應(yīng)速率常數(shù)k[6-8]。根據(jù)chaal烘箱法實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Arrhenius得出的反應(yīng)速率k與溫度T的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式(lnk=lnk0-Ea/RT)，用lnk對絕對溫度的倒數(shù)1/T作圖，可得到一條斜率為-Ea/R的直線，由斜率可得表觀活化能Ea。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲提取條件優(yōu)化

2.1.1 提取溶劑的選擇

表1為不同有機(jī)溶劑對梨籽油提取的影響，結(jié)果表明極性最小的正己烷提取率最高，符合相似相容規(guī)律。從提取的油脂品質(zhì)考慮，正己烷和石油醚提取的油脂雜質(zhì)少、色澤淺、澄清度高，但正己烷的毒性相對較高[9]。綜合各方面考慮選用石油醚(60～90 ℃)作為提取溶劑。

表1 不同有機(jī)溶劑對提取的比較

2.1.2 單因子實(shí)驗(yàn)

固定初始條件其他量不變，采用控制變量法，在不同液料比(4:1、6:1、8:1、10:1、12:1 mL·g-1)、超聲時(shí)間(5、10、15、20、25、30 min)、超聲溫度(15、20、25、30、35 ℃)、超聲功率(120、140、160、180、200 W)下進(jìn)行單因子實(shí)驗(yàn)。

提取溫度的影響：由圖1可知，隨超聲溫度的升高梨籽油出油率先升高后降低，在20 ℃時(shí)出油率達(dá)到最大值。這是因?yàn)闇囟炔粌H影響溶劑和油脂的分子運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)引起油脂分子結(jié)構(gòu)的改變。在較低的溫度時(shí)，溫度的提高使分子運(yùn)動(dòng)加劇，同時(shí)溶劑和油脂的黏度降低，使出油率增大；但隨溫度的升高，也會(huì)使油的某些性質(zhì)發(fā)生改變，甚至使油發(fā)生分解[10]，從而使出油率下降。因此20 ℃為較理想的提取溫度。

提取時(shí)間的影響：由圖1可知，超聲時(shí)間25 min較為適宜。有效濃度差是超聲波輔助溶劑法提取油脂的主要推動(dòng)力。隨著油脂的不斷溶出，溶劑中的油脂與梨籽粉末中的油脂濃度差不斷減小，達(dá)到平衡后提取率不再提高；其次，提取溶劑的揮發(fā)損耗和油脂夾帶作用也會(huì)造成油脂的損失；另外，超聲波具有較強(qiáng)的機(jī)械剪切作用，長時(shí)間的作用會(huì)使大分子的脂肪斷裂[11]。

超聲波功率的影響：由圖1可知，超聲波功率160 W較為適宜。隨超聲波功率的增加，其產(chǎn)生的空化作用和機(jī)械作用越劇烈，界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散就越快，油脂滲透出來的速度就越快[12]。但超聲波功率過高，超聲波機(jī)械剪切作用加強(qiáng)，大分子的脂肪斷裂現(xiàn)象也會(huì)加劇。

液料比的影響：由圖1可知，液料比6 mL·g-1較為適宜。提取溶劑用量的增加相當(dāng)于降低了油的濃度，增加了溶劑與梨籽粉中油脂的濃度差，增加了傳質(zhì)推動(dòng)力，從而提高了油脂在提取劑中的擴(kuò)散速度。當(dāng)溶劑用量增大到一定程度后，出油率趨向穩(wěn)定，增加不明顯，而且溶劑用量過大，會(huì)造成溶劑回收困難和生產(chǎn)成本增加。

圖1 梨籽油超聲提取單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。采用Designexpert程序?qū)λ脭?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，從回歸分析結(jié)果表3中可以看出，超聲時(shí)間(B)的P值小于0.05，說明液料比對梨油的提取影響顯著；其他3個(gè)因素對梨油的提取影響都不顯著，方差分析說明各個(gè)實(shí)驗(yàn)因子對梨油的提取影響由大到小的順序依次為：超聲時(shí)間(B)、超聲溫度(A)、超聲功率(C)、液料比(D)。方差分析也說明各個(gè)具體實(shí)驗(yàn)因子與響應(yīng)值都不是簡單的線性關(guān)系。

對響應(yīng)面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，確立如下回歸方程：

Y=+27.16+0.30A+0.47B+0.26C+0.13D+0.32AB-0.13AC+0.17AD+0.38BC+5.000E-003BD-0.075CD+0.72A2+0.59B2+0.60C2+0.11D2。由表3可看出，模型的P<0.05(顯著)，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)的P=0.240 8(不顯著)，表明模型充分?jǐn)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該方程是梨籽出油率與提取工藝參數(shù)的合適數(shù)學(xué)模型。

在4個(gè)影響因素中任取兩個(gè)作為X和Y，以出油率作為Z，作出相應(yīng)的三維曲面圖。相比而言，超聲時(shí)間(B)與超聲功率(C)的交互作用較大，如圖2所示，表現(xiàn)為曲線比較陡，這與回歸分析的結(jié)果吻合。利用軟件繪出回歸模型的等值線，并確定模型的極大值點(diǎn)，預(yù)測所得最大油含量為30.55%。利用軟件得出油提取的最優(yōu)條件。根據(jù)預(yù)測最優(yōu)條件超聲溫度(25.00 ℃)、超聲時(shí)間(35.00 min)、超聲功率(200 W)和液固比(4.00 mL·g-1)進(jìn)行最優(yōu)工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在最佳提取條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，油含量分別為30.50%、30.53%、30.51%，得平均總油含量為30.51%，與理論預(yù)測值30.55%高度相符，誤差值僅為0.13%，證實(shí)了該模型的有效性。

表2 4因子3水平響應(yīng)面分析結(jié)果

表3 方差分析

圖2 三維曲面和回歸模型等值線

2.2 一步法精煉條件優(yōu)化

2.2.1 單因子實(shí)驗(yàn)

固定初始條件其他量不變，采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)確稱取500 g梨籽毛油轉(zhuǎn)入容器并置于超聲40 ℃的超聲波清洗機(jī)中，在容器中加入根據(jù)酸價(jià)計(jì)算的碳酸鈉用量和活性炭(添加量為毛油質(zhì)量的百分率，0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%)超聲(5、10、15、20、25)min，再在超聲溫度為60 ℃時(shí)超聲(30、40、50、60、70)min下進(jìn)行單因子實(shí)驗(yàn)。圖3表明，在超聲40 ℃時(shí)超聲時(shí)間20 min、活性炭用量0.6%、60 ℃超聲時(shí)間60 min脫酸率最高。

圖3 一步法精煉梨籽油單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因子實(shí)驗(yàn)，即可確定3因子3水平正交實(shí)驗(yàn)的因子與水平表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4極差R分析，可判定影響脫酸率的因素主次依次排列為：60 ℃超聲時(shí)間(B)>活性炭用量(C)>40 ℃超聲時(shí)間(A)，由表5方差分析可知，60 ℃超聲時(shí)間對脫酸率的影響顯著，其他對脫酸率的影響則都不顯著。直觀分析，實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合為A2B2C3；根據(jù)每個(gè)因素K1、K2、K3，實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合為A2B2C3。所以確定最佳工藝條件為A2B2C3，即超聲溫度為40 ℃超聲時(shí)間20 min，超聲溫度為60 ℃超聲時(shí)間60 min，活性炭用量0.7%。根據(jù)預(yù)測最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得脫酸率的平均值為84.10%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值無顯著差異。所得精煉油為無異味的淡黃色澄清油狀液體。

2.3 精煉前后梨籽油主要理化指標(biāo)測定

精煉前后梨籽油的主要理化指標(biāo)見表6。由表6可知：酸值、過氧化值、顏色在精煉前后有明顯變化，碘值、皂化值、密度、折光度變化不大。這可能是精煉過程中不僅用純堿降低了酸值，用活性炭除去了有色物質(zhì)，同時(shí)也除去了微量促氧化成份，減慢了油脂的氧化。經(jīng)過一步法精煉后，梨籽油的主要理化指標(biāo)符合QB/T 4079—2010《中國人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：按摩基礎(chǔ)油、按摩油》，說明一步法精煉條件適用于梨籽毛油的精煉生產(chǎn)。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 方差分析表

注：D為空白對照；F0.05(2、2)=19.00，“*”表示因素影響顯著。

表6 精煉前后梨籽油主要理化指標(biāo)的變化

注：QB/T 4079—2010標(biāo)準(zhǔn)要求：酸值/(mgKOH/g)≤5；過氧化值/(mmol/kg)≤10；皂化值/(mgKOH/g)≥80。

2.4 精煉前后梨籽油表觀活化能測定

根據(jù)1.2.4方法測定表觀活化能。圖4為梨籽油抗氧化穩(wěn)定性在不同溫度、時(shí)間下的變化。根據(jù)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程ln(POV/POV0)=-kt，對不同時(shí)間的過氧化值進(jìn)行擬合，得到精煉前后梨籽油過氧化值的回歸方程，結(jié)果見表7。由表7可知，在同等的溫度下，一級反應(yīng)速率方程的回歸系數(shù)R>0.96，擬合度高，說明梨籽油的氧化反應(yīng)屬于一級反應(yīng)。隨著溫度升高和加熱時(shí)間的延長，氧化速度加快。精煉油表觀活化能比毛油大，說明精煉油氧化穩(wěn)定性比毛油好。

圖4 梨籽油抗氧化穩(wěn)定性在不同溫度、時(shí)間下的變化

種類t/℃回歸方程相關(guān)系數(shù)Rk/d-1復(fù)相關(guān)系數(shù)R活化能/kJ·mol-1梨籽毛油45y=3.017 5x+0.136 30.970 30.136 355y=3.396 6x+0.195 00.973 50.195 00.984 723.9865y=3.656 1x+0.232 80.976 60.232 8梨籽精煉油45y=0.006 7x+0.024 90.978 00.183 355y=0.009 7x+0.034 60.961 10.281 90.970 926.4465y=0.002 5x-0.005 50.961 20.330 5

注：y為ln(POV/POV)；x為t。

3 結(jié)論

3.1 采用超聲波輔助技術(shù)，以梨籽為原料，研究提取梨籽油的影響因素。響應(yīng)面提取實(shí)驗(yàn)得到最佳條件為：液固比4.00 mL·g-1、超聲溫度25.00 ℃、超聲時(shí)間35.00 min、超聲功率200 W，在此工藝條件下出油率為30.51%，與理論預(yù)測值30.55%高度相符，誤差值僅為0.13%，表明該模型能較好地預(yù)測實(shí)際出油率，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

3.2 采用超聲波輔助技術(shù)，以梨籽毛油為原料，研究精煉梨籽毛油的影響因素。正交一步法精煉實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝為：超聲溫度為40 ℃處理20 min至梨毛油、碳酸鈉、活性炭(添加量為毛油重量的0.7%)混合均勻，再繼續(xù)在超聲溫度為60 ℃時(shí)超聲60 min，經(jīng)固液分離除去固形物，真空脫水，即得精制成品油。所得脫酸率為84.10%。

3.3 精煉前后酸值、過氧化值、表觀活化能、顏色有明顯變化，碘值、皂化值、密度、折光度變化不大。精煉后梨籽油油品有明顯提高，所得梨籽油的主要理化指標(biāo)符合QB/T 4079—2010。