尿素包合法富集核桃油不飽和脂肪酸工藝優(yōu)化

李泉岑 龍勇益 夷娜 王瓊瓊 王磊 李勝 白冰瑤 張麗

摘 要：本試驗(yàn)以新疆薄皮核桃油為原料，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化核桃油混合脂肪酸的皂化工藝及響應(yīng)面法優(yōu)化尿素包合法富集不飽和脂肪酸的工藝。得到核桃油混合脂肪酸皂化工藝的最優(yōu)方案為皂化液濃度1 mol·L-1、皂化溫度80 ℃、皂化時(shí)間4.5 h，在此條件下混合脂肪酸得率為75.58%;尿素包合法富集不飽和脂肪酸的最優(yōu)工藝為包合時(shí)間20 h、包合溫度-18 ℃、醇脲比5∶1、脲脂比2∶1，在此條件下不飽和脂肪酸得率為55.26%。

關(guān)鍵詞：核桃油;尿素包合;不飽和脂肪酸

Abstract：In this experiment， the Xinjiang walnut oil as raw material， the saponification process of walnut oil mixed fatty acid was optimized by orthogonal test and response surface method was used to optimize the urea inclusion process of unsaturated fatty acids. The optimal scheme of the walnut oil mixed fatty acid saponification process is the concentration of the saponification solution was 1 mol·L-1， the saponification temperature was 80 ℃， and the saponification time was 4.5 h.

Under these conditions， the yield of mixed fatty acids was 75.58%. The optimal process for enriching unsaturated fatty acids by urea inclusion method is rates of urea and fatty acid was 2∶1， the rates of alcohol and urea was 5∶1， the inclusion temperature was -18 ℃， the inclusion time was 20 h. Under these conditions， the yield of unsaturated fatty acids was 55.26%.

Key words：Walnut oil; Urea inclusion; Unsaturated fatty acids

中圖分類號(hào)：TQ645.6

核桃油中含有大量人體所必需的不飽和脂肪酸[1-3]，

如亞油酸，亞麻酸等。不飽和脂肪酸可以有效降低人體的血壓和血脂[4]、降低血清中膽固醇的含量、抗炎[5]、延緩衰老過(guò)程、預(yù)防疾病[6]、增進(jìn)血液流通、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化[7]、加速新陳代謝，并且對(duì)過(guò)敏反應(yīng)也有一定的抑制作用[8]，具有重要的生理功能[9-10]。核桃油營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，原材料易獲得，且不飽和脂肪酸在保健品以及醫(yī)藥品中的重要作用逐漸顯露出來(lái)，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

不飽和脂肪酸富集方法有很多種[11-15]，其中尿素包合法因操作簡(jiǎn)單、成本較低、便于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[16-18]。本實(shí)驗(yàn)以新疆薄皮核桃油選定為研究對(duì)象，富集方法選用尿素包合法，通過(guò)研究各因素對(duì)尿素包合效果影響的規(guī)律，找出最優(yōu)提取工藝方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

新疆薄皮核桃油（實(shí)驗(yàn)室壓榨法制?。?氫氧化鈉、尿素、甲醇、無(wú)水硫酸鈉、95%乙醇、石油醚（30～60 ℃）、

氯化氫、氯化鈉，以上試劑均為分析純。

SHZ-19 B循環(huán)水真空泵，天津市華興科學(xué)儀器廠生產(chǎn);RE-3000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠生產(chǎn);SG260E1榨油機(jī)，浙江蘇泊爾股份有限公司生產(chǎn);PHS-3E pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);LE-203E電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司生產(chǎn);DZKW-D-2電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器廠生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混合脂肪酸的制備

根據(jù)吳麗雅等的方法，稱取10 g核桃油，緩慢加入到一定濃度的氫氧化鈉乙醇溶液中加熱回流，回流過(guò)程中加入蒸餾水，使皂化液充分溶解，將溶液移入分液漏斗，加入石油醚萃取，使醚層和水層分離，分離出的水層加入鹽酸調(diào)節(jié)pH值至1～2，再次移入分液漏斗加入石油醚萃取，得到油層，加蒸餾水沖洗至中性，加入無(wú)水硫酸鈉干燥過(guò)濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸獲得混合脂肪酸[19]。

1.2.2 不飽和脂肪酸的富集

根據(jù)劉旭等的方法，按一定比例將尿素和乙醇混合，加熱回流至溶解后加入混合脂肪酸，繼續(xù)加熱一定時(shí)間后冷卻，密封放入冰箱冷凍結(jié)晶，結(jié)晶后取出結(jié)晶物抽濾，濾液加蒸餾水多次洗滌，旋蒸除去乙醇，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2～3，加入石油醚萃取出上層液，加蒸餾水于上層液調(diào)節(jié)至中性，用無(wú)水硫酸鈉干燥過(guò)濾，旋蒸后得到不飽和脂肪酸[20]。

1.2.3 不飽和脂肪酸得率的計(jì)算

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行方差分析，采用0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 皂化實(shí)驗(yàn)提取混合脂肪酸

2.1.1 單因素試驗(yàn)

（1）皂化液濃度對(duì)混合脂肪酸得率的影響。在皂化溫度80 ℃、皂化時(shí)間5 h條件下，分別設(shè)置不同皂化溶液濃度，混合脂肪酸得率隨皂化液濃度的變化如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)皂化液濃度小于1 mol·L-1時(shí)，皂化液濃度增高，脂肪酸得率上升，當(dāng)濃度高于1 mol·L-1

時(shí)，脂肪酸得率緩慢下降。這是因?yàn)樵砘嚎梢源龠M(jìn)皂化反應(yīng)正向進(jìn)行，當(dāng)皂化液濃度高于1 mol·L-1時(shí)，會(huì)使溶液堿性增強(qiáng)，后面加入鹽酸調(diào)pH時(shí)，由于溶液堿性太強(qiáng)，加入鹽酸量會(huì)相應(yīng)增大，可能會(huì)造成混合脂肪酸的損耗率增高，從而使混合脂肪酸得率

下降。

（2）皂化溫度對(duì)混合脂肪酸得率的影響。在皂化時(shí)間5 h、皂化溶液濃度1 mol·L-1條件下，分別設(shè)置不同皂化溫度，混合脂肪酸得率隨皂化溫度的變化如圖2所示。

由圖2可知，溫度在80 ℃時(shí)，混合脂肪酸得率最高。隨著溫度升高，反應(yīng)正向進(jìn)行;當(dāng)溫度高于80 ℃

時(shí)，可能會(huì)發(fā)生其他的一些副反應(yīng)，導(dǎo)致混合脂肪酸得率會(huì)降低。因此，皂化溫度在80 ℃時(shí)混合脂肪酸得率最高。

（3）皂化時(shí)間對(duì)混合脂肪酸得率的影響。在皂化溫度80 ℃、皂化溶液濃度1 mol·L-1條件下，分別設(shè)置不同皂化時(shí)間，混合脂肪酸得率隨皂化時(shí)間的變化如圖3所示。

由圖3可知，皂化時(shí)間在5 h時(shí)，混合脂肪酸得率最高。當(dāng)皂化時(shí)間高于5 h，得率下降。原因可能是開(kāi)始反應(yīng)時(shí)核桃油中的脂類物質(zhì)與皂化液充分接觸，使得脂類物質(zhì)充分水解，當(dāng)時(shí)間高于5 h，水解反應(yīng)達(dá)到了一定的程度，繼續(xù)反應(yīng)將會(huì)使生成的皂化物逆向反應(yīng)發(fā)生分解，使混合脂肪酸得率下降。所以最佳皂化時(shí)間為5 h。

2.1.2 正交試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ3.1中的L9（34）正交表，選取皂化液濃度（A）、皂化時(shí)間（B）、皂化溫度（C）3個(gè)因素進(jìn)行考察，選取混合脂肪酸得率為考察指標(biāo)，確定混合脂肪酸的提取工藝的最優(yōu)方案。皂化工藝的正交試驗(yàn)水平見(jiàn)表1，皂化工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，各因素對(duì)混合脂肪酸得率的影響從大到小依次為A>C>B，含量最優(yōu)組合為A2B1C2，即混合脂肪酸得率的最優(yōu)方案為皂化液濃度1 mol·L-1、皂化溫度80 ℃、皂化時(shí)間4.5 h。此條件下，混合脂肪酸的率最高。

2.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)上述正交實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)方案進(jìn)行3次試驗(yàn)，得到混合脂肪酸得率為75.58%，高于正交實(shí)驗(yàn)中的最好實(shí)驗(yàn)4號(hào)得率75.03%，進(jìn)一步確證了皂化工藝的最優(yōu)條件。

2.2 尿素包合實(shí)驗(yàn)提取不飽和脂肪酸

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

（1）包合時(shí)間對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響。在脲脂比（尿素與混合脂肪酸的比值）為2∶1、醇脲比（乙醇與尿素的比值）為5∶1、包合溫度-18 ℃的條件下，考察不同包合時(shí)間對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，包合時(shí)間在20 h時(shí)，不飽和脂肪酸得率最高，高于20 h，得率下降。原因可能是包合時(shí)間少于20 h時(shí)，包合未達(dá)到飽和狀態(tài);反應(yīng)進(jìn)行到

20 h后，體系中的飽和脂肪酸被包合完全，繼續(xù)反應(yīng)，尿素可能包合不飽和脂肪酸，導(dǎo)致不飽和脂肪酸得率降低。所以，當(dāng)包合時(shí)間在20 h時(shí)不飽和脂肪酸得率最高。

（2）包合溫度對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響。在脲脂比為2∶1、醇脲比為5∶1、包合時(shí)間20 h的條件下，分別設(shè)置不同包合溫度，考察包合溫度對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，包合過(guò)程中溫度太低，包合反應(yīng)體系在還未包合完全的情況下就已經(jīng)凝結(jié)，導(dǎo)致不飽和脂肪酸得率低。當(dāng)溫度超過(guò)-18 ℃后，溫度升高會(huì)使尿素晶體的結(jié)晶量減少，不利于尿素結(jié)晶，且晶體的穩(wěn)定性會(huì)變差導(dǎo)致不飽和脂肪酸得率降低。由此得出，在-18 ℃時(shí)，不飽和脂肪酸得率最高。

（3）醇脲比對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響。在脲脂比為2∶1、包合溫度-18 ℃、包合時(shí)間20 h的條件下，分別設(shè)置不同醇脲比，不飽和脂肪酸得率隨醇脲比的變化如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)醇脲比為5∶1時(shí)得率最高。這是由于乙醇用量太少時(shí)，尿素不能溶解充分，反應(yīng)相中尿素濃度太高，不利于包和反應(yīng)的正向進(jìn)行，還有可能是當(dāng)尿素包合完全混合脂肪酸的飽和脂肪酸后，會(huì)繼續(xù)包合不飽和脂肪酸，導(dǎo)致不飽和脂肪酸的得率降低;當(dāng)乙醇用量太多，尿素濃度太低，也不利于包合反應(yīng)的進(jìn)行。綜合考慮，當(dāng)醇脲比為5∶1時(shí)，不飽和脂肪酸得率最高。

（4）脲脂比對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響。在醇脲比為5∶1、包合溫度-18 ℃、包合時(shí)間20 h的條件下，分別設(shè)置不同脲脂比，不飽和脂肪酸得率隨脲脂比的變化如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)脲脂比為2∶1時(shí)得率最高。這是由于當(dāng)尿素用量太大時(shí)，尿素包合完全混合脂肪酸中的飽和脂肪酸后，會(huì)繼續(xù)包合不飽和脂肪酸，導(dǎo)致不飽和脂肪酸的得率降低，在脲脂比未達(dá)2：1時(shí)，由于尿素用量太少，會(huì)導(dǎo)致混合脂肪酸中的飽和脂肪酸未被包合完全，從而使得不飽和脂肪酸得率降低。

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

（1）響應(yīng)面發(fā)優(yōu)化提取工藝模型建立與分析。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取包合時(shí)間、包合溫度、醇脲比、脲脂比為試驗(yàn)因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)為不飽和脂肪酸得率，使用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-behnken進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)。尿素包合反應(yīng)響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3，尿素包合反應(yīng)響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見(jiàn)表4，尿素包合反應(yīng)回歸方程方差分析見(jiàn)表5。

通過(guò)回歸分析，得到各因素與不飽和脂肪酸得率的方程式為：

不飽和脂肪酸得率=55.11+1.40A-1.87B+2.01C+

1.90D-0.19AB+0.25AC-0.024AD+0.037BC+0.094BD-0.005CD-2.26A2-2.95B2-3.15C2-4.42D2。

根據(jù)表5得知，A、B、C、D以及A2、B2、C2、D2對(duì)不飽和脂肪酸得率的影響極顯著，而交互項(xiàng)對(duì)其影響不顯著（P>0.05）。由于其失擬項(xiàng)P值為0.406 2，不顯著，可知該模型擬合度較好;決定系數(shù)R2和RAdj2分別為0.995 8和0.991 6，表明預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間有較高的相關(guān)性。由此可知，該模型可以反映不飽和脂肪酸得率的真實(shí)情況。根據(jù)F值可知，影響不飽和脂肪酸得率的各因素大小排序?yàn)椋捍茧灞?脲脂比>包合溫度>包合時(shí)間。

（2）最佳提取工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證。根據(jù)Design-Expert8.0.6給出的回歸方程，得出包合時(shí)間20.68 h、包合溫度-18.65 ℃、醇脲比5.33∶1、脲脂比2.11∶1為該試驗(yàn)的最優(yōu)提取工藝，在此條件下，得出不飽和脂肪酸最高的率為56.18%。根據(jù)實(shí)際情況，采取包合時(shí)間20 h，包合溫度-18 ℃，醇脲比5∶1，脲脂比2∶1的條件，重復(fù)3次試驗(yàn)，得出不飽和脂肪酸得率為55.26%±0.5%，與理論值（54.99%）較為接近，說(shuō)明響應(yīng)面法優(yōu)化核桃油不飽和脂肪酸的方法較為合理，具有可行性。

3 結(jié)論

本研究以新疆薄皮核桃油為原料，運(yùn)用尿素包合法對(duì)核桃油中不飽和脂肪酸進(jìn)行富集，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出在皂化液濃度為1 mol·L-1，皂化溫度為80 ℃，皂化時(shí)間為4.5 h的條件下，混合脂肪酸得率為75.58%，該工藝為核桃油混合脂肪酸皂化工藝的最優(yōu)方案;通過(guò)響應(yīng)面法得出在包合時(shí)間20 h，包合溫度-18 ℃，醇脲比5∶1，脲脂比2∶1的條件下不飽和脂肪酸得率為55.26%，該工藝為尿素包合核桃油不飽和脂肪酸的最優(yōu)方案。該工藝使用成本較低，設(shè)備簡(jiǎn)單，為日后核桃油不飽和脂肪酸富集的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

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