堅(jiān)果油脂的超聲提取工藝優(yōu)化及其脂肪酸分析

張明霞，龐建光*，蔡冬梅，王秀梅，金玉美，高賢良

1.河北工程大學(xué)（邯鄲 056038）；2.邯鄲市牧漁生物科技中心（邯鄲 056002）

核桃、杏仁和松子均屬于樹(shù)堅(jiān)果，富含脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物和膳食纖維等多種營(yíng)養(yǎng)素，是我國(guó)河北山區(qū)的重要堅(jiān)果資源，年產(chǎn)果仁幾萬(wàn)噸以上。3種堅(jiān)果營(yíng)養(yǎng)成分中脂肪含量均達(dá)50%以上，屬油料堅(jiān)果，且其脂肪主要由不飽和脂肪酸組成[1]。尤其亞油酸、亞麻酸等人體必需脂肪酸的含量，高于其他非堅(jiān)果食用油類(lèi)，經(jīng)常食用具有疏導(dǎo)清理血管、健腦益智等作用。近年來(lái)堅(jiān)果油作為高級(jí)食用油，受到越來(lái)越多人們的關(guān)注[2]。由于不同種類(lèi)堅(jiān)果脂肪酸組成差異很大，即使同一種堅(jiān)果，其成分也因品種和產(chǎn)地的不同而有所區(qū)別。陳逸鵬等[3]對(duì)花生、核桃、葵花籽、西瓜子、南瓜子、巴旦木、開(kāi)心果和腰果8種堅(jiān)果油脂中的脂肪酸進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸含量在78%～92%之間，其中多不飽和脂肪酸（亞油酸和亞麻酸）含量較高，核桃、葵花籽、西瓜子和南瓜子4種堅(jiān)果亞油酸含量均在50%以上，可作為補(bǔ)充多不飽和脂肪酸的良好食材。

目前植物油脂的提取方法多采用傳統(tǒng)壓榨法、冷浸法和超臨界流體CO2萃取法等[4-5]。超臨界CO2萃取技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型分離技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)壓榨法出油率低、精制工藝繁瑣等缺點(diǎn)，也克服了冷浸法在混合油蒸餾分離過(guò)程中油脂氧化酸敗，有機(jī)溶劑殘留和環(huán)境污染等缺點(diǎn)，成為倍受關(guān)注的油脂提取方法。但此法對(duì)設(shè)備要求較高，導(dǎo)致成本升高。近年來(lái)，超聲波技術(shù)在植物油脂提取中的研究應(yīng)用日漸增多，利用超聲波的空化、粉碎和乳化等作用可以提高出油率、減少溶劑用量、縮短提取時(shí)間和提升油的感官品質(zhì)[6-7]。目前，利用超聲波輔助提取堅(jiān)果油脂的研究較少[8-10]。此次研究以河北山區(qū)常見(jiàn)油料堅(jiān)果——核桃、杏仁和松子為原料，將超聲波技術(shù)應(yīng)用到堅(jiān)果油脂的提取中，考察了液固比、超聲時(shí)間、超聲功率和超聲溫度等因素對(duì)堅(jiān)果出油率的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)L9(33)優(yōu)化超聲提取條件，采用GC法對(duì)堅(jiān)果油脂的脂肪酸組成進(jìn)行解析。研究結(jié)果對(duì)堅(jiān)果類(lèi)食品消費(fèi)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的充分利用有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核桃（河北邯鄲山區(qū)）、松子（河北承德山區(qū)）、杏仁（河北張家口和承德山區(qū)）三種堅(jiān)果，取其未經(jīng)任何加工處理的果仁原材料于陰涼干燥處保存、備用。

石油醚（Bp：60～90 ℃）、無(wú)水硫酸鈉（使用前250 ℃烘箱中烘4 h）、甲醇、氫氧化鈉等（均為分析純）；正己烷（色譜純）；脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)品（購(gòu)自百靈威公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ5200DB型數(shù)控超聲清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器RE-52AA（上海榮盛生化儀器廠(chǎng)）；TG16-W臺(tái)式高速離心機(jī)（湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司）；XW-80A型漩渦混合器（上海精密儀器儀表有限公司）；Agilent 6890N氣相色譜儀（美國(guó)安捷倫科技公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超聲輔助提取油脂

堅(jiān)果果仁于研缽中研碎（粒度＜1 mm），準(zhǔn)確稱(chēng)取5 g樣品于100 mL平底燒瓶中，加入不同體積石油醚為提取溶劑，在不同超聲時(shí)間、超聲功率和超聲溫度下提取油脂。取出平底燒瓶，氮?dú)獗Ｗo(hù)下50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去石油醚，以2 500 r/min離心10 min后取上清液，即為堅(jiān)果樣品粗脂肪，稱(chēng)其質(zhì)量，按式（1）計(jì)算堅(jiān)果出油率。

設(shè)計(jì)單因素和正交試驗(yàn)時(shí)，考慮到三種堅(jiān)果中核桃容易獲得且價(jià)格最低，故利用核桃出油率確定最佳超聲提取工藝。粗脂肪轉(zhuǎn)移至具塞玻璃瓶中，室溫下微氮?dú)饬鞔蹈蓺埩羧軇?20 ℃下保存，用于脂肪酸組成測(cè)定。

1.3.2 堅(jiān)果油脂的甲酯化與色譜分析

取60 mg上述粗脂肪樣品于具塞玻璃試管中，加4 mL正己烷和2 mL氫氧化鈉甲醇溶液，渦旋混合10 s，在50 ℃條件下加熱10 min甲酯化。冷卻分層后吸出上層脂肪酸甲酯溶液，無(wú)水硫酸鈉脫水，用針式濾膜過(guò)濾轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，冷藏供氣相色譜分析。

色譜條件：氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）280 ℃，KB-FFAP 脂肪酸色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 mm，美國(guó)Kromat公司）；程序升溫160 ℃（2 min），8 ℃/min至250 ℃（10 min）；進(jìn)樣口溫度250 ℃；載氣為高純氦氣，流速0.8 mL/min；氫氣流量30 mL/min；空氣流量300 mL/min；分流進(jìn)樣，分流比15∶1；進(jìn)樣量1 μL。每個(gè)樣品平行測(cè)3次。

根據(jù)脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間確定待測(cè)樣品中脂肪酸的組成。采用峰面積歸一化方法確定各脂肪酸的相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲提取條件對(duì)出油率的影響

2.1.1 液固比對(duì)出油率的影響

石油醚為提取溶劑，超聲功率 300 W、超聲時(shí)間30 min、超聲溫度30 ℃條件不變，考察液固比對(duì)核桃出油率的影響，結(jié)果如圖1所示。隨著液固比的增大，出油率呈上升趨勢(shì)。原因是對(duì)于固定質(zhì)量的核桃仁，提取溶劑體積增加時(shí)，導(dǎo)致溶劑中脂肪的濃度降低，則核桃仁與溶劑接觸界面處的濃度差增大，從而提高了傳質(zhì)速率，出油率增大。當(dāng)液固比增大到8∶1（mL/g）以后，隨溶劑用量增加，出油率沒(méi)有明顯變化，表明脂肪已基本被提取出來(lái)。繼續(xù)增大液固比，后期溶劑揮發(fā)會(huì)造成少量核桃油的損失。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇液固比8∶1（mL/g），與寧宇等[9]研究結(jié)果一致。

圖1 液固比對(duì)核桃出油率的影響

2.1.2 超聲功率對(duì)出油率的影響

控制液固比8∶1（mL/g）、超聲溫度30 ℃，在功率100～600 W條件下超聲處理30 min，核桃出油率見(jiàn)圖2。從圖2可知，當(dāng)超聲功率從100 W上升到200 W時(shí)，出油率急劇上升，之后速度變慢，400 W時(shí)出油率達(dá)到最大，隨后出油率變化不大略有下降。原因主要為隨超聲功率增大，空化、乳化和粉碎等作用加強(qiáng)，界面層分子擴(kuò)散速度加快，從而核桃仁中的脂肪浸出速度加快。但功率過(guò)大（500 W以上），脂肪分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可能被破壞，導(dǎo)致出油率稍微下降。所以選取400 W為最佳功率條件，高于文獻(xiàn)報(bào)道值[11]。

圖2 超聲功率對(duì)核桃出油率的影響

2.1.3 超聲處理時(shí)間對(duì)出油率的影響

在液固比8∶1（mL/g）、超聲溫度30 ℃、功率400 W條件下處理10～50 min，核桃出油率如圖3所示。由圖3可以看出，20 min前，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，核桃出油率顯著上升，20 min后上升趨勢(shì)變緩。原因是超聲波產(chǎn)生的能量使物料溫度有一定程度的上升，導(dǎo)致脂肪溶出速率增大，但超聲處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致脂肪發(fā)生分解使出油率下降。故選擇20 min為最佳超聲時(shí)間，既節(jié)省時(shí)間又能保證出油率。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)核桃出油率的影響

2.1.4 超聲溫度對(duì)出油率的影響

由于研究所用石油醚的沸點(diǎn)范圍在60～90 ℃，故超聲溫度設(shè)在較低范圍?？刂埔汗瘫?∶1（mL/g）、超聲功率400 W，在溫度20～45 ℃條件下超聲處理20 min，核桃出油率如圖4所示。由圖4可知，隨著溫度升高，核桃出油率上升趨勢(shì)非常小，從經(jīng)濟(jì)效益考慮，升高溫度會(huì)造成成本增加，而出油率變化不大，所以選擇在常溫下進(jìn)行超聲提取。

圖4 超聲溫度對(duì)核桃出油率的影響

2.1.5 超聲輔助提取油脂的工藝條件優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)，溫度對(duì)出油率影響非常小，常溫即可保證高出油率。故試驗(yàn)選擇液固比（A）、超聲功率（B）和超聲時(shí)間（C）設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 超聲輔助提取油脂工藝條件L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表1可知，各因素對(duì)出油率的影響程度為液固比（A）＞超聲波功率（B）＞超聲時(shí)間（C），分析得最優(yōu)組合為A2B2C3，即液固比8∶1（mL/g），超聲功率400 W，超聲時(shí)間25 min。與正交試驗(yàn)表中出油率最高的第4組相符，出油率為65.52%，可確定此為最佳提取工藝條件。結(jié)果稍高于王翔宇等[8]報(bào)道巴塘核桃油產(chǎn)率，可能和核桃產(chǎn)地、浸出溶劑和工藝條件等因素有關(guān)。

2.1.6 三種堅(jiān)果油脂的提取結(jié)果

利用核桃為原料建立的超聲輔助最佳提取條件處理河北山區(qū)三種常見(jiàn)油料堅(jiān)果，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯鶞y(cè)三種堅(jiān)果出油率高低順序?yàn)樗勺樱?9.16%）＞核桃（65.52%）＞杏仁（52.95%）。三種堅(jiān)果含油量均很高，可作為開(kāi)發(fā)功能性保健油脂的重要原料。

表2 三種油料堅(jiān)果中油脂的含量（n=3，a=0.05）

2.2 堅(jiān)果油脂中脂肪酸組成的檢測(cè)結(jié)果與分析

三種堅(jiān)果油脂中脂肪酸（FA）的GC色譜圖見(jiàn)圖5～圖7。各脂肪酸的含量采用峰面積歸一法定量。可以看出，堅(jiān)果中主要含有棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸，不飽和脂肪酸（UFA）含量占90%左右。圖7杏仁油中還檢測(cè)到微量的棕櫚油酸（0.85%），由于其油酸含量太高，導(dǎo)致保留時(shí)間2.8 min處硬脂酸峰被覆蓋。三種堅(jiān)果油中飽和脂肪酸（SFA）含量較低，占FA組成的4%～7%，品種間差異不大。油酸（ω-9單不飽和脂肪酸）含量最高為杏仁油（73.31%），顯著高于松子油（21.51%）和核桃油（14.03%）。油酸和SFA同為非必需脂肪酸，可由人體內(nèi)產(chǎn)生，也可從動(dòng)植物油脂中攝取。研究表明，油酸在代謝過(guò)程中具有降低血壓、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、燃燒脂肪和對(duì)抗感染等多種功效[12]。亞油酸含量以核桃油最高（68.26%），松子油次之（45.94%），杏仁油最低（20.94%）。亞麻酸的含量以松子油最高（17.00%），核桃油偏高（10.18%），杏仁油中僅檢測(cè)到微量亞麻酸（0.09%）存在，不同品種間差異較大。亞油酸（ω-6系列）和亞麻酸（ω-3系列）均為多不飽和脂肪酸（PUFA），屬必需脂肪酸，在體內(nèi)不能合成，必須由食物供給。適量的攝入亞油酸和亞麻酸具有降低血液膽固醇含量、健腦益智、改善視力等功效。在油脂的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，PUFA的含量是評(píng)價(jià)食用油營(yíng)養(yǎng)水平的重要依據(jù)。三種堅(jiān)果油中PUFA含量占FA組成21%～79%，這些堅(jiān)果類(lèi)產(chǎn)品均可作為補(bǔ)充膳食PUFA的優(yōu)質(zhì)食材。

圖5 核桃油脂肪酸色譜圖

圖6 松子油脂肪酸色譜圖

圖7 杏仁油脂肪酸色譜圖

3 結(jié)論

采用超聲波輔助技術(shù)提取堅(jiān)果油脂，通過(guò)單因素試驗(yàn)和L9(33)正交試驗(yàn)，考察了液固比、超聲功率、超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)出油率的影響。結(jié)果表明，各因素對(duì)出油率的影響程度為液固比＞超聲波功率＞超聲時(shí)間＞超聲溫度，超聲波輔助提取堅(jiān)果油脂的最佳工藝條件：液固比8∶1（mL/g），超聲功率400 W，在常溫下超聲處理25 min，核桃出油率可達(dá)到65.52%。在相同條件下松子和杏仁出油率分別為69.16%和52.95%。

GS法分析油脂脂肪酸結(jié)果表明，三種堅(jiān)果油脂主要含有棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸，杏仁油中還檢測(cè)到微量的棕櫚油酸（0.85%）。其中油酸含量以杏仁油最高（73.31%），亞油酸含量以核桃油最高（68.26%），亞麻酸的含量以松子油最高（17.00%）。油脂中UFA含量占90%左右，且PUFA含量豐富，占FA組成的21%～79%，食用這些堅(jiān)果類(lèi)產(chǎn)品是補(bǔ)充膳食PUFA的很好途徑。