響應(yīng)面法優(yōu)化微波預(yù)處理文冠果冷榨工藝的研究

李 信，鄭 暢，上官慧娟，楊 博，李文林

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 油料作物研究所，油料油脂加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部油料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，油料脂質(zhì)化學(xué)與營養(yǎng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062)

文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge.)又名崖木瓜、文燈果等，是我國北方特有的木本油料樹種，具有很強(qiáng)的耐旱、耐寒以及耐土壤貧瘠的特性，經(jīng)常被種植在環(huán)境條件惡劣的山區(qū)地段，用于綠化山區(qū)、防風(fēng)固沙[1]。近幾年我國大力提倡加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加優(yōu)質(zhì)食用植物油的供給。文冠果種子含油率30%以上，去皮后種仁含油率可達(dá)60%以上，油中不飽和脂肪酸含量高達(dá)90%以上，且含有豐富的亞油酸，被用作中藥“益壽寧”的主要原材料[2]。文冠果油營養(yǎng)豐富，顏色清亮，含有豐富的維生素E、植物甾醇及礦物質(zhì)元素等[3]。文冠果油中含有少量神經(jīng)酸，神經(jīng)酸是大腦神經(jīng)系統(tǒng)生長發(fā)育及修復(fù)的必需物質(zhì)，具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞生長和發(fā)育的功能[4-5]。此外，文冠果油的脂肪酸組成與理想柴油替代品的分子組成相似，適合作為制備生物柴油的原料[6-7]。

目前，文冠果油的提取多采用傳統(tǒng)壓榨法、溶劑提取法、超臨界CO2萃取法等[8]。傳統(tǒng)壓榨法多采用液壓榨油機(jī)壓榨制油，其出油率低，壓榨時(shí)間長，效率低；溶劑提取法出油率高，但溶劑容易污染環(huán)境，且油中存在溶劑殘留等安全問題；超臨界CO2萃取法出油率高，但設(shè)備昂貴，工業(yè)化生產(chǎn)成本高。微波技術(shù)應(yīng)用于油脂加工業(yè)，具有加熱速度快、受熱均勻、操作簡單及節(jié)約能源等特點(diǎn)，可以在一定程度上改變油料作物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張油脂通路，提高出油率，且能鈍化脂肪酶和脂肪氧化酶，提高油的氧化穩(wěn)定性，并對(duì)油脂品質(zhì)有一定影響[9-10]。本文以文冠果種仁為原料，進(jìn)行微波預(yù)處理后，通過螺旋榨油機(jī)壓榨制取文冠果油，探討微波預(yù)處理對(duì)文冠果出油率及油脂品質(zhì)的影響，以期對(duì)文冠果油的加工技術(shù)有一定指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

文冠果種子，產(chǎn)自山西霍州。石油醚(30～60℃)、無水乙醚、異丙醇、氫氧化鉀、三氯甲烷、乙酸、戊二醛、磷酸緩沖溶液、無水乙醇、丙酮均為分析純；鋨酸，SPI-CHEM公司。

密閉式微波消解儀，美國CEM公司；CA59G冷榨機(jī)，德國Komet公司；Avanti J-26XP型落地離心機(jī)，美國Beckman公司；B-811索氏提取/固液萃取儀，瑞士Buchi公司；DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；ME104/02電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司;HCP-2型臨界點(diǎn)干燥儀、SU-8010型掃描電鏡，日本Hitachi公司；7890A氣相色譜儀，美國Agilent公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 文冠果油的制備

將清理挑選好的文冠果種子破殼后分離出種仁，低溫儲(chǔ)藏備用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)文冠果種仁的水分，于4℃冰箱中放置24 h，使水分被充分吸收。取8個(gè)直徑85 mm玻璃平皿，每個(gè)平皿上稱取40 g文冠果種仁，放置于微波消解儀中，在既定微波條件下進(jìn)行微波處理后，置于干燥器中冷卻至室溫，摻入文冠果種殼后用螺旋榨油機(jī)壓榨制油，8 000 r/min 離心15 min去除殘?jiān)蟮玫轿墓诠?，按下式?jì)算出油率。

文冠果出油率=(m1-m2)/m3×100%

式中：m1為文冠果油及油瓶的總質(zhì)量，g；m2為油瓶質(zhì)量，g；m3為文冠果種仁的質(zhì)量，g。

1.2.2 掃描電鏡觀察微波預(yù)處理前后文冠果種仁的結(jié)構(gòu)變化

將樣品在2.5%戊二醛溶液中4℃固定12 h，用0.1 mol/L、pH 7.0的磷酸緩沖溶液漂洗后，再用1%鋨酸溶液固定樣品1 h，磷酸緩沖溶液漂洗樣品; 將固定好的樣品用梯度濃度的乙醇溶液進(jìn)行脫水處理；然后經(jīng)臨界點(diǎn)干燥， 鍍膜后在掃描電鏡中觀察。

1.2.3 文冠果油理化指標(biāo)及脂肪酸組成測(cè)定

文冠果種仁含油率按GB/T 14488.1—2008方法測(cè)定；酸價(jià)按GB 5009.229—2016方法測(cè)定；過氧化值按GB 5009.227—2016方法測(cè)定;脂肪酸組成按GB/T 17376—2008、GB/T 17377—2008方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 文冠果種仁微波預(yù)處理前后微觀結(jié)構(gòu)的變化(見圖1)

注：A.微波預(yù)處理前; B.微波預(yù)處理后。

微波是從原料內(nèi)部開始加熱，使水分從內(nèi)向外擴(kuò)散，增加了油脂溢出的通路。由圖1可以看出，不經(jīng)微波預(yù)處理的文冠果種仁細(xì)胞完整，排列緊密，經(jīng)微波預(yù)處理后文冠果種仁細(xì)胞破裂，結(jié)構(gòu)被破壞，使油更容易被榨出[11-12]。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 原料水分對(duì)文冠果出油率的影響

將清理挑選好的文冠果種仁水分分別調(diào)至7%、8%、9%、10%、11%，在4℃冰箱中放置24 h,使水分被充分吸收。設(shè)置微波消解儀參數(shù)為微波功率800 W、微波時(shí)間5 min，對(duì)不同水分的文冠果種仁進(jìn)行微波預(yù)處理，冷卻后摻入文冠果種殼，使仁殼比為9∶1，充分混勻后壓榨制油，計(jì)算出油率。結(jié)果見圖2。

圖2 原料水分對(duì)文冠果出油率的影響

由圖2可知，隨著原料水分的提高，文冠果出油率先增后減，當(dāng)原料水分為8%時(shí)，出油率最高。當(dāng)原料水分過低時(shí)，微波預(yù)處理后文冠果種仁過于干燥，榨油時(shí)容易被擠壓成粉末，難以出粕，且容易焦化堵膛，影響出油率；而原料水分過高時(shí)，在壓榨時(shí)容易使原料形成團(tuán)塊，降低出油率。因此，文冠果種仁水分適當(dāng)時(shí)，原料流動(dòng)性好，可以保證原料有適當(dāng)?shù)膹椥院退苄?，使榨油機(jī)保持正常的榨膛壓力，從而使出油效果更好。

2.2.2 仁殼比對(duì)文冠果出油率的影響

將文冠果種仁水分調(diào)至8%，4℃冰箱中放置24 h,使水分被充分吸收。設(shè)置微波消解儀參數(shù)為微波功率800 W、微波時(shí)間5 min，對(duì)文冠果種仁進(jìn)行微波預(yù)處理，冷卻后摻入文冠果種殼，調(diào)節(jié)仁殼比為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，充分混勻后壓榨制油，計(jì)算出油率。結(jié)果見圖3。

圖3 仁殼比對(duì)文冠果出油率的影響

由圖3可知，文冠果出油率隨著含殼率的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)仁殼比為9∶1時(shí)，文冠果出油率最高。這是由于榨油過程中，當(dāng)螺桿推動(dòng)物料向前時(shí)，種仁較軟，難以擠壓出粕，加入適當(dāng)?shù)姆N殼后，種殼較硬，可起到增加摩擦力的作用，對(duì)種仁形成推力，同時(shí)增加了油的通路，有利于提高出油率。但是在榨油的過程中，種殼也會(huì)吸收種仁中的部分油脂，當(dāng)加入過多的殼后，出油率反而會(huì)下降，且容易堵塞榨油機(jī)。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)仁殼比調(diào)至6∶4時(shí)，由于加入的殼過多，對(duì)榨油機(jī)造成堵塞，已不能正常出油。

2.2.3 微波功率對(duì)文冠果出油率的影響

將文冠果種仁水分調(diào)至8%，4℃冰箱中放置24 h，使水分被充分吸收。設(shè)置微波消解儀參數(shù)微波功率分別為400、600、800、1 000、1 200 W,微波時(shí)間為5 min,對(duì)文冠果種仁進(jìn)行微波預(yù)處理，冷卻后加入種殼，使仁殼比為9∶1，充分混勻后壓榨制油，計(jì)算出油率。結(jié)果見圖4。

圖4 微波功率對(duì)文冠果出油率的影響

由圖4可知，隨著微波功率的增加，文冠果出油率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)微波功率為1 000 W時(shí)，文冠果出油率最高。這是由于不同微波功率對(duì)文冠果種仁結(jié)構(gòu)的破壞程度不同，其出油效果也不同，較高的微波功率可以更大程度上破壞文冠果種仁的結(jié)構(gòu)，并且在微波輻射下，原料中的水分子逸出，使油脂的通路增多，有利于出油。但微波功率過高容易使原料水分降低過大，原料過于干燥，反而不利于出油[13]。

2.2.4 微波時(shí)間對(duì)文冠果出油率的影響

將文冠果種仁水分調(diào)至8%，4℃冰箱放置24 h，使水分被充分吸收。設(shè)置微波消解儀參數(shù)微波時(shí)間分別為4、4.5、5、5.5、6 min，微波功率為800 W，對(duì)文冠果種仁進(jìn)行微波預(yù)處理，冷卻后加入種殼，使仁殼比為9∶1，充分混勻后壓榨制油，計(jì)算出油率。結(jié)果見圖5。

圖5 微波時(shí)間對(duì)文冠果出油率的影響

由圖5可知，文冠果出油率隨著微波時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)微波時(shí)間為5.5 min時(shí)，出油率最高。微波對(duì)文冠果種仁有一定的破壁作用，隨著微波時(shí)間的延長，物料結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，水分子逐漸逸出，有利于油脂的溢出，增加出油率,而微波時(shí)間過長會(huì)使原料過于干燥，容易破碎，反而不利于出油。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)微波預(yù)處理文冠果冷榨工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以原料水分(A)、仁殼比(B)、微波時(shí)間(C)、微波功率(D)為實(shí)驗(yàn)因素，以文冠果出油率(Y)為響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)因素及水平見表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)因素及水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)表2進(jìn)行回歸擬合，得到文冠果出油率對(duì)原料水分、仁殼比、微波時(shí)間以及微波功率的二次多項(xiàng)式回歸方程為：Y=56.38+2.14A+3.46B-0.97C-0.42D-0.14AB-0.24AC-0.064AD+0.12BC+0.23BD-0.12CD-3.60A2-5.78B2-3.31C2-1.28D2。對(duì)此模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面回歸模型方差分析

2.3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過響應(yīng)面軟件分析，預(yù)測(cè)出微波預(yù)處理冷榨文冠果油的最佳工藝條件為原料水分8.3%、仁殼比9∶1、微波時(shí)間5.42 min、微波功率967.51 W，在此工藝條件下預(yù)測(cè)的出油率為56.82%。為了滿足實(shí)際操作過程中的可行性，將工藝條件修正為原料水分8.3%、仁殼比9∶1、微波時(shí)間5.4 min、微波功率960 W，在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到文冠果平均出油率為56.79%，與模型的預(yù)測(cè)值相近，且與直接冷榨文冠果的出油率(46.37%)相比，提高了10.42個(gè)百分點(diǎn)。因此，此模型可以用來預(yù)測(cè)微波預(yù)處理冷榨文冠果的出油率。

2.4 文冠果油理化指標(biāo)及脂肪酸組成

通過測(cè)定發(fā)現(xiàn)：本實(shí)驗(yàn)中文冠果種仁的含油率為64.76%；微波預(yù)處理前冷榨文冠果油的酸價(jià)(KOH)為0.5 mg/g，微波預(yù)處理后文冠果油的酸價(jià)(KOH)為0.68 mg/g；微波預(yù)處理后文冠果油的過氧化值由0.18 mmol/kg(預(yù)處理前)上升到0.22 mmol/kg?？芍?，微波預(yù)處理可使文冠果油的酸價(jià)、過氧化值略微提高，但遠(yuǎn)低于食用油的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

本實(shí)驗(yàn)從文冠果油中分離鑒定了10種脂肪酸，結(jié)果見表4。

表4 微波預(yù)處理前后文冠果油脂肪酸組成與相對(duì)含量 %

由表4可知，文冠果油中主要脂肪酸為亞油酸和油酸，且含有約2.5%的神經(jīng)酸。文冠果油中的不飽和脂肪酸含量高，屬優(yōu)質(zhì)食用油，微波預(yù)處理對(duì)文冠果油的脂肪酸組成及含量幾乎沒有影響。

3 結(jié) 論

微波預(yù)處理后，對(duì)文冠果進(jìn)行壓榨制油，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以文冠果出油率為響應(yīng)值進(jìn)行了工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，微波預(yù)處理冷榨文冠果油的最佳工藝條件為原料水分8.3%、仁殼比9∶1、微波時(shí)間5.4 min、微波功率960 W，在此工藝條件下文冠果出油率為56.79%，與直接冷榨文冠果出油率(46.37%)相比，提高了10.42個(gè)百分點(diǎn)。

微波預(yù)處理文冠果后，文冠果油的酸價(jià)(KOH)由0.5 mg/g 上升到0.68 mg/g,過氧化值由0.18 mmol/kg上升到0.22 mmol/kg，但遠(yuǎn)低于食用油的國家標(biāo)準(zhǔn)要求限值。從文冠果油中分離鑒定了10種脂肪酸，主要脂肪酸為亞油酸、油酸、花生一烯酸等，且含有約2.5%的神經(jīng)酸，油中的不飽和脂肪酸含量高，屬優(yōu)質(zhì)食用油，微波預(yù)處理對(duì)文冠果油的脂肪酸組成及含量幾乎沒有影響。