分子蒸餾法富集椰子油中月桂酸工藝條件的優(yōu)化研究

劉 輝，董家和，張 瑩，何東平,2，胡傳榮,2

(1.武漢輕工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430023； 2.國(guó)家糧食局糧油資源綜合開發(fā)工程技術(shù)研究中心，武漢 430023)

椰子油脂肪酸以月桂酸為主，含量占45%左右[1]。此外，還含有己酸、辛酸、癸酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸等飽和脂肪酸及少量油酸等不飽和脂肪酸，是植物界中月桂酸和中短鏈脂肪酸最主要的來源[2]。椰子油中碳鏈長(zhǎng)度在C14以下的脂肪酸具有可快速消化吸收、在體內(nèi)不轉(zhuǎn)化為脂肪、抑菌、抑制病毒、提高人體免疫力等重要的保健功能[3]。

椰子油中的月桂酸具有抗菌和抗病毒的功能性質(zhì)[4]。當(dāng)月桂酸被消化時(shí)，形成的月桂酸單甘酯可以破壞幾種細(xì)菌和病毒，包括單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、幽門螺桿菌和原生動(dòng)物如蘭伯賈第蟲、HIV、麻疹、單純皰疹病毒-1、皰疹性口炎病毒、流行性感冒和細(xì)胞巨化病毒等[5]。月桂酸單甘酯天然存在于母乳和美洲蒲葵中, 為優(yōu)良的食品乳化劑, 同時(shí)又是一種國(guó)際公認(rèn)的安全、高效、廣譜的抑菌劑[6]。月桂酸等中碳鏈脂肪酸單甘酯可以加強(qiáng)嬰兒對(duì)脂肪和Ca2+的吸收，從而促進(jìn)嬰兒骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)也增強(qiáng)嬰兒抵抗各種細(xì)菌和病毒的能力。

南陽等[7]采用尿素包埋法富集椰子油中月桂酸甲酯。為了提升椰子油中月桂酸的含量，使椰子油更具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可采用分子蒸餾技術(shù)富集椰子油中的月桂酸。分子蒸餾法是一種在高真空度下利用混合物組分中分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異進(jìn)行的液液分離操作的過程[8-10]。分子蒸餾技術(shù)具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)便、操作安全可靠、無污染、無溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)[11]。本文采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)椰子油中月桂酸的富集進(jìn)行研究，通過單因素實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)確定分子蒸餾的最佳工藝條件，以期為富含月桂酸的椰子油的生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

椰子油，以新鮮椰子肉為原料，實(shí)驗(yàn)室自制；碳酸鉀、甲醇、無水乙醇、正己烷、氯化鈉、BF3-甲醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；正己烷，色譜純。

分子蒸餾設(shè)備，上海益海嘉里有限公司；安捷倫GC-7890氣相色譜儀，美國(guó)安捷倫公司；DF-101S集熱式磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；PZ-D-5型液體比重天平，上海宜工電子有限公司；TD5A離心機(jī)，湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；DZF-6021真空干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分子蒸餾實(shí)驗(yàn)

打開分子蒸餾冷卻水系統(tǒng)，設(shè)定冷卻水溫度為35℃，打開真空系統(tǒng)，在冷阱中加入液氮，打開加熱器電源進(jìn)行加熱;待真空度和蒸餾溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需條件時(shí)，加入椰子油，在不同的蒸餾溫度、進(jìn)料速率、刮膜轉(zhuǎn)速下進(jìn)行蒸餾分離，收集輕相和重相。

1.2.2 理化指標(biāo)的測(cè)定

水分及揮發(fā)物，GB/T 5528—2008；酸價(jià)，GB/T 5530—2005；過氧化值，GB/T 5538—2005；皂化值，GB/T 5534—2008。

1.2.3 脂肪酸組成分析

甲酯化：取0.1 g(2～3滴)椰子油到10 mL離心管中，加入3 mL 0.5%的NaOH-甲醇溶液，搖勻后在65℃恒溫水浴中皂化30 min，加入2 mL BF3-甲醇(1∶3)溶液，65℃恒溫水浴3 min后冷卻至室溫，加入2 mL正己烷(色譜純)萃取，搖勻后靜置分層，取上層有機(jī)相在10 mL離心管中離心20 min，過膜后移入氣相色譜進(jìn)樣瓶中。

氣相色譜條件：Agilent 19091F-433色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm)；色譜柱升溫條件為50℃初始溫度保持2 min，以5℃/min的速率上升至180℃，保持2 min，以8℃/min的速率上升至200℃，保持5 min；載氣為高純度N2，流量3.00 mL/min；空氣流量50 mL/min；氫氣流量50 mL/min；氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)，檢測(cè)器溫度250℃；進(jìn)樣口溫度200℃；進(jìn)樣量0.6 μL；分流比30∶1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 蒸餾溫度對(duì)富集結(jié)果的影響

在壓力0.1 Pa、刮膜轉(zhuǎn)速250 r/min、進(jìn)料速率0.2 L/h條件下，改變分子蒸餾的蒸餾溫度，研究蒸餾溫度對(duì)富集結(jié)果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 蒸餾溫度對(duì)富集結(jié)果的影響

由圖1可知，輕相中月桂酸含量隨著蒸餾溫度的升高先升高后降低，而重相中月桂酸含量基本隨著蒸餾溫度的升高持續(xù)降低，并且輕相中月桂酸含量明顯高于重相中月桂酸含量，這是因?yàn)樵鹿鹚嵯鄬?duì)分子質(zhì)量較小，在輕相中存在較多。在蒸餾溫度為220℃時(shí)，輕相中月桂酸含量最高，為63.62%。隨著蒸餾溫度的繼續(xù)升高，輕相中月桂酸含量反而降低，這是因?yàn)檎舭l(fā)液膜表面的溫度與濃度決定蒸發(fā)速率，剛開始蒸餾時(shí)，由于液膜表面輕組分的濃度較高，因此蒸發(fā)速率大，并且在較高溫度下，輕組分獲得能量更多，分子運(yùn)動(dòng)加劇，輕組分就會(huì)不斷逸出，導(dǎo)致液膜內(nèi)輕組分的濃度逐漸降低，而在相同條件下輕組分的蒸發(fā)速率大于重組分的蒸發(fā)速率，因此月桂酸含量增加。隨著蒸餾溫度的升高，蒸發(fā)不斷地進(jìn)行，液膜表面的輕組分濃度逐漸下降，重組分的濃度逐漸升高，因此輕組分與重組分的蒸發(fā)速率之比逐漸減小，并且重組分獲得能量增加，導(dǎo)致肉豆蔻酸等重組分也會(huì)被蒸發(fā)出來，所以月桂酸含量逐漸降低[12]。

2.1.2 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)富集結(jié)果的影響

在壓力0.1 Pa、進(jìn)料速率0.2 L/h、蒸餾溫度220℃條件下，改變分子蒸餾的刮膜轉(zhuǎn)速，研究刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)富集結(jié)果的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，椰子油中月桂酸含量隨著刮膜轉(zhuǎn)速的增大先升高后后降低。在輕相和重相中都符合此規(guī)律，輕相中月桂酸含量比重相中高，其中在刮膜轉(zhuǎn)速為270 r/min時(shí)，輕相中月桂酸的含量最高，為65.51%。這是因?yàn)殡S著刮膜轉(zhuǎn)速的提高，縮短了液膜表面的形成和更新時(shí)間，使形成的液膜表面溫度差變小，溫度更加均勻，也使得形成的液膜表面的濃度更加均勻。液膜表面的溫度和濃度分布更加均勻有助于提高月桂酸的蒸發(fā)速率，所以隨著刮膜轉(zhuǎn)速的提高椰子油中月桂酸的含量升高。但是刮膜轉(zhuǎn)速過高，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子上的椰子油甩到冷凝器上，導(dǎo)致椰子油中的脂肪酸分離不開。

圖2 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)富集結(jié)果的影響

2.1.3 進(jìn)料速率對(duì)富集結(jié)果的影響

在壓力0.1 Pa、蒸餾溫度220℃、刮膜轉(zhuǎn)速250 r/min條件下，改變分子蒸餾的進(jìn)料速率，研究進(jìn)料速率對(duì)富集結(jié)果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)料速率對(duì)富集結(jié)果的影響

由圖3可知，隨著進(jìn)料速率的增加，輕相中月桂酸含量先升高后降低，重相中月桂酸含量先降低后升高，輕相中月桂酸的含量明顯高于重相。在進(jìn)料速率為0.2 L/h時(shí)，輕相中月桂酸含量最高，為65.32%。在進(jìn)料速率為0.1～0.2 L/h時(shí)，進(jìn)料速率較低，物料在蒸發(fā)面上停留時(shí)間較長(zhǎng)，充分受熱，蒸發(fā)液膜表面的濃度和溫度變化比較劇烈，導(dǎo)致輕組分大量被蒸出，隨著進(jìn)料速率的增加，月桂酸含量增加；在進(jìn)料速率大于0.2 L/h時(shí)，隨著進(jìn)料速率繼續(xù)增加，物料在蒸發(fā)面上的停留時(shí)間較短，分離不充分，蒸發(fā)液膜表面的濃度和溫度變化比較緩慢，分離效果減弱，導(dǎo)致輕組分不能完全被蒸出，以致月桂酸含量降低。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取蒸餾溫度(A)、進(jìn)料速率(B)、刮膜轉(zhuǎn)速(C)為因素，富集后月桂酸含量為指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表2可知，各因素對(duì)分子蒸餾富集后月桂酸含量的影響大小依次為：A>B>C，即蒸餾溫度>進(jìn)料速率>刮膜轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為A3B3C3，即蒸餾溫度220℃，進(jìn)料速率0.2 L/h，刮膜轉(zhuǎn)速270 r/min。

2.3 優(yōu)化工藝條件驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化工藝條件的可靠性和重現(xiàn)性，對(duì)最優(yōu)工藝條件進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)富集后椰子油中月桂酸平均含量為65.58%，優(yōu)于正交實(shí)驗(yàn)表2中的方案，獲得的優(yōu)化條件較理想和可靠。

2.4 椰子油理化性質(zhì)

對(duì)分子蒸餾后得到的椰子油的理化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表3。

表3 椰子油的理化指標(biāo)

由表3可知，經(jīng)過分子蒸餾，椰子油的各項(xiàng)指標(biāo)都在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)影響椰子油的食用品質(zhì)。

2.5 椰子油脂肪酸組成

選取分子蒸餾富集前后的椰子油進(jìn)行脂肪酸組成的測(cè)定，結(jié)果見表4。

表4 富集前后椰子油脂肪酸組成 %

由表4可知，椰子油通過分子蒸餾技術(shù)富集后，月桂酸含量達(dá)到了65.58%，相比于原樣品油中月桂酸含量為42.71%有了一定的提高。

3 結(jié) 論

通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到各因素對(duì)分子蒸餾富集椰子油月桂酸含量的影響大小依次為蒸餾溫度>進(jìn)料速率>刮膜轉(zhuǎn)速。分子蒸餾法富集椰子油中月桂酸的最優(yōu)工藝條件為：壓力0.1 Pa，蒸餾溫度220℃，進(jìn)料速率0.2 L/h，刮膜轉(zhuǎn)速270 r/min。在最優(yōu)工藝條件下，富集后椰子油中的月桂酸含量為65.58%。