正已烷與亞臨界丁烷萃取醬渣中的粗脂肪

黃惠敏，閻杰，譚春遠，鄔子君，周志堅

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 化學化工學院，廣東 廣州，510225)

醬油渣，也稱醬渣，是醬油生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物。在醬油釀造過程中，被利用的主要是蛋白質，絕大多數(shù)粗纖維和脂肪仍留在醬渣中。醬渣極易變質發(fā)臭，處理極為困難[1]。直接作為肥料，會造成植物燒根、枯死，大量鹽分或脂肪進入土壤及地下水，易使水質惡化，土壤鹽化。國內(nèi)，有單位對醬渣進行發(fā)酵，開發(fā)作為生物有機肥[2-4]、生產(chǎn)乙醇[5]、乙酰半纖維素[6]，以及膳食纖維[7]。這些工作為醬渣的綜合利用進行了有益的探索。但是，這些方法工藝復雜，或時間長，或處理量小。尤其是以大豆為原料的醬渣，其中的粗脂肪(crude fat,CF)含量高達30.9%～46%[8]。這些方法沒有很好的利用這一資源。

為了利用粗脂肪，有單位將醬渣熱風干燥、加入大量輔料再壓榨，降低了處理量，且物理吸附使出油率降低，僅為15%～30%[9]；也有采用烘箱干燥，再用正已烷萃取或預壓萃取油脂[10]；有試驗以正己烷、乙醇和水作為雙相溶劑在萃取油脂的同時得到黃酮[11]。受原料、醬油生產(chǎn)方法及生活習慣的影響，國外極少相關報道。LALMAN等[12]從高含水的發(fā)酵體系中用正已烷-甲基叔丁基醚甲醚混合溶劑回收長鏈脂肪酸，試驗量僅為1 mL，過程需加入硫酸及氯化鈉。

為了實現(xiàn)從醬渣中回收粗脂肪，項目組進行了大量工作[8, 13-17]。試驗發(fā)現(xiàn)由于原料水分高達70%～85%，醬體軟，難以直接壓榨。先真空干燥再正已烷萃取，所獲粗脂肪質量好，但處理時間長，處理量有限[15]。項目組也曾用含水量為42.70%的醬渣進行相關試驗[13]，結果顯示，在超聲作用下，以丙酮為溶劑，在室溫條件下達到了理想的萃取效果，同樣條件下，正已烷的效果卻很差。不加超聲，丙酮的萃取效果也較差，加超聲使得設備復雜。目前，正已烷以及亞臨界丁烷萃取[18]在油脂工業(yè)中獲得了廣泛應用，基于易于工業(yè)放大，易于快速處理醬渣的考慮，本文選擇這2種溶劑進行試驗。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗原料：干醬渣，開平粵師傅食品有限公司提供，經(jīng)測定干醬渣含水量為13.01%，粗脂肪含量為34.7%(干基)。

正己烷、丁烷、乙醚、異辛烷、乙酸、碘化鉀、氫氧化鉀、乙醇均為分析純，天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

YLS16A烘干法水份測定儀，上海精密科學儀器有限公司；ST 243脂肪測定儀，福斯分析儀器公司；6 890/5 975氣相色譜-質譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 正己烷萃取

低水分原料制備：醬渣經(jīng)60 ℃真空干燥2 h，經(jīng)測定水分含量為7.10%。

高水分原料制備：原料醬渣經(jīng)噴霧加入不同質量的水，混合均勻，再密封冷藏48 h，經(jīng)測定樣品含水量分別為20.10%，26.05%，32.10%。

萃取操作：將已稱量的醬渣置于萃取釜中(圖1)，加入正己烷，裝好裝置，65 ℃恒溫一定時間，放出溶液-混合油。萃取完畢，升溫至80 ℃，真空回收大量溶劑之后，倒出殘渣，置于80 ℃真空烘箱烘至恒重，取粕測殘油率。

粗脂肪(CF)在正已烷中的溶解性試驗：探索性試驗顯示，25 ℃時，0.5%的水會完全溶于豆油或醬渣粗脂肪。向粗脂肪中加入質量分數(shù)為0.3%的水，搖勻。準確稱量60 g正已烷加入已知質量的容量瓶，滴加含水粗脂肪并搖勻，至體系剛出現(xiàn)混濁為止，稱量并計算粗脂肪在正已烷中的溶解度，平行3次。用豆油代替粗脂肪進行對比試驗。

1.3.2 亞臨界萃取

將稱量后的醬渣置于萃取釜中(圖2)，在常溫下用丁烷萃取(0.3～0.5 MPa)，丁烷用量為醬渣質量的1.2倍，萃取完畢，38 ℃減壓氣化以回收粗脂肪及粕中殘留丁烷，回收的溶劑氣體再經(jīng)過壓縮機壓縮冷凝液化后循環(huán)使用，取粕測殘油率。

1.3.3 測定方法

(1)含油量的測定：采用ST 243脂肪測定儀，按GB 5009.6—2016[19]進行測定。

(2)過氧化值測定：按GB 5009.227—2016[20]進行測定。

(3)酸價測定：按GB 5009.229—2016[21]進行測定。

(4)水分的測定：采用YLS16A水份測定儀105 ℃烘干法。

(5)脂肪酸組成的測定：脂肪酸甲酯化參考文獻[22]略作改進。準確稱取粗脂肪0.100 0 g加入容量瓶，加5 mL 5%(體積分數(shù))的鹽酸-甲醇溶液，10 mL二氯甲烷-甲醇溶液(體積比1∶1)，密封，80 ℃水浴1 h。降至室溫，用甲醇定容至20 mL，得待測液。GC-MS條件參考文獻[23]的方法。

2 結果與分析

2.1 正己烷萃取

2.1.1 溶劑用量的影響

以含水量7.10%的醬渣進行試驗。結果如圖3所示，隨著溶劑用量增加，醬渣殘油率越來越低，當液料比 (mL∶g)超過8時，增加溶劑的效果不明顯。在實際生產(chǎn)中，為減少萃取次數(shù)，可適當增加溶劑用量。下文試驗液料比固定為8 (mL∶g)。

2.1.2 水分對粗脂肪萃取的影響

圖4顯示，含水量7.10%的原料萃取15 min均趨于平衡，而含水量13.01%的原料約20 min趨于平衡，且殘油更低。這似乎表明，水分高對萃取更有利，這顯然有悖于“相似相溶”原理。因此，針對水分的影響進行了系列試驗，如圖5所示，含水量7.10%比13.01%的殘油高，再次證實了圖4的結果，但除了7.10%的原料外，其余樣品均顯示，水分高，殘油率高，多次試驗得到了同樣的結果。圖5同時顯示，含水量13.01%及7.10%，提取5次，粕中殘油降至1%以下。含水量20%，提取5次，粕中殘油降至2.08%。如果對粕中殘油要求不高，醬渣含水量在20%以下，是可以用正已烷進行萃取的。這一點對工業(yè)生產(chǎn)特別有用。新鮮醬渣水分含量70%以上，直接壓榨難以將水分降至20%以下。單獨熱風干燥，時間長，油脂易氧化。真空干燥對設備要求高，處理量有限。而采用預壓，快速將水分降至50%以下，再熱風干燥，將水分快速降低至20%以下是完全可能的?；诖朔治觯椖拷M采用新鮮醬渣進行了多次放大試驗，新鮮醬渣水分含量70%～75%，經(jīng)60 min預壓,水分含量降至42%～45%，再用流化床105 ℃熱風干燥10 min，干醬渣水分含量為13.0%～14.5%。

2.1.3 萃取動力學

從理論上看，水極性強，正已烷與油脂極性弱，水與正已烷或油脂接觸，相溶性差。在萃取中，水分子會嚴重阻礙正已烷與油脂的滲透。為了萃取的需要，在生產(chǎn)中總是盡可能降低原料中的水分含量[24]。然而，圖4、圖5的試驗結果卻顯示，含水量高(13.01%)比含水量低(7.10%)對脂肪的萃取更有利，為進一步驗證，論文對此進行了動力學研究。

從已有報道來看，從天然產(chǎn)物中萃取有效成分的動力學模型均為指數(shù)型。本文所用醬渣為顆粒狀，采用球形模型，內(nèi)擴散是整個過程的速率控制步驟[25]。參考CHU等[26]的研究，從醬渣中萃取粗脂肪的動力學方程可以表示為：

(1)

式中：c，主體溶液油脂的質量濃度，g/mL；c∞，平衡時主體溶液油脂的質量濃度，與顆粒內(nèi)相等，g/mL；t，萃取時間，min；c0，t=0 min時刻主體溶液油脂的質量濃度，即初始質量濃度，g/mL；k，速率常數(shù)，min-1，與原料特性、擴散系數(shù)、原料尺寸等因數(shù)有關。

根據(jù)上式，ln[c∞/(c∞-c)]與t呈線性關系，斜率為速率常數(shù)。

論文將圖4試驗結果進行數(shù)據(jù)處理，以ln[c∞/(c∞-c)] 對t作圖，結果見圖6。根據(jù)圖6，ln[c∞/(c∞-c)]與t線性關系較好，R2均大于0.90，擬合度好。2種原料萃取的速率常數(shù)分別為0.313 4 min-1與0.340 2 min-1，比從油菜籽中萃取油脂的速率常數(shù)大[25]。且水分含量為13.01%的原料比水分含量為7.10%略大。圖6還顯示，2條曲線均有一截距，根據(jù)方程(1)，2種原料萃取的初始質量濃度c0≠0 g/mL，且含水量7.10%的c0更大。這表明，溶劑加入瞬間，部分油脂無需從顆粒內(nèi)向外滲透，直接溶解，或者說，部分油脂存在于顆粒外表面。

將方程(1)變形，并代入模型參數(shù)，可以得到含水量7.10%與13.01%2種原料的萃取動力學模型分別為：c理論=0.046 13-0.046 13e-(0.313 4t+1.105 8)、c理論=0.043 38-0.043 38e-(0.340 2t+0.368 2)。表1為該模型的顯著性分析。由表1可知，實際的c與c理論的2者之間無顯著差異，說明模型可信度高，可以預測實際萃取過程。原料含水量為7.10%與13.01%，2者之間具有顯著性差異，說明原料含水量對醬渣萃取粗脂肪有顯著影響。

表1 動力學模型的顯著性分析Table 1 Significance analysis of kinetic model

前述分析表明,針對試驗的2種原料，含水高(13.01%)的原料萃取速率比含水低(7.10%)的大；2種原料顆粒外表面都存在油脂，含水量7.10%的原料顆粒外表面油脂含量比13.01%的更大。

2.1.4 粗脂肪的溶解性試驗

萃取的本質是溶劑對目標物的溶解過程，為進一步驗證上文試驗與動力學分析，即水分略高對粗脂肪的萃取有利，論文進行了粗脂肪在正已烷中的溶解性試驗。結果如表2所示，含水量0.3%的豆油在正已烷中溶解度為(5.52±0.23)g/100g正已烷；而含水0.3%的粗脂肪為(10.57±0.38)g/100g正已烷。該試驗表明，含相同且量不多的水，正已烷對粗脂肪的溶解度比豆油大得多。這也表明，從含少量水的醬渣中萃取粗脂肪，正已烷是一種較好的溶劑。

表2 含水豆油與含水粗脂肪在正己烷中的溶解度Table 2 Solubility of hydrous soybean oil and hydrous CF in n-hexane

2.2 亞臨界丁烷萃取

圖7顯示，亞臨界丁烷單次萃取適宜時間為20 min，4次已萃取完全。該試驗表明，粕中殘油比正已烷以及丙酮[8]萃取都低。

2.3 兩種方法所獲粗脂肪對比

2.3.1 理化性質對比

亞臨界丁烷與正已烷2種萃取方法所獲產(chǎn)物的對比見表3、表4。根據(jù)表3，2種方法所獲脂肪酸組成無明顯差異。但表4顯示，亞臨界丁烷所獲產(chǎn)物的過氧化值以及酸值均比正已烷低。而且，圖8顯示，亞臨界丁烷所獲得的粕顏色淺很多。這是因為，與丙酮[8]、正已烷相比，亞臨界萃取是常溫萃取，38 ℃脫溶。全過程低溫，對提高蛋白質以及油脂的品質更有利[27]。亞臨界技術不破壞熱敏性物質，工作壓力低，目前已實現(xiàn)日處理物料達200 t[28]。論文試驗顯示，該技術完全可用于從醬渣中萃取粗脂肪。

表3 兩種方法所獲產(chǎn)物的脂肪酸組成Table 3 Fatty acids composition obtained by the two methods

表4 不同方法所獲粗脂肪理化指標Table 4 Physical and chemical indexes of CF obtained by different methods

項目組換不同批次的醬渣進行了多次亞臨界萃取試驗，顯示粗脂肪過氧化值6.00～12.16 mmol/kg，酸價為45.6～74.6 mg KOH/g。這與項目組前期采用真空干燥，再正已烷萃取所獲結果基本相同。

2.3.2 粗脂肪紅外光譜圖

2.4 分析與討論

2.4.1 水分的影響

醬油生產(chǎn)過程，大豆經(jīng)過浸泡、蒸煮，蛋白質變性。而大豆蛋白為球蛋白，其表面有氨基、羧基等極性基團，表現(xiàn)為親水性，內(nèi)部為疏水性空間結構，油脂分子存在于疏水的內(nèi)部空間。在發(fā)酵過程中，當?shù)鞍踪|外殼被微生物分解并溶于水后，油脂分子在疏水作用下聚集成脂肪粒，被截留于醬渣顆粒內(nèi)，該顆粒主要由纖維、殘存蛋白等強極性物質構成，這些強極性物質吸水，形成相對穩(wěn)定、質地柔軟的顆粒結構。干燥時，大量水分子揮發(fā)，形成多孔網(wǎng)絡結構，過大的部分孔洞坍塌，油脂分子聚集外露。因此，溶劑萃取速率快，且加入溶劑瞬間，有大量油脂溶解。

試驗時，為方便對比，水分含量為7.10%與13.01%2種原料質量相同，溶劑用量也相同。原料含水高，則干基質量少，總油脂量少，相對于油脂質量，溶劑用量增大了，客觀上增大了顆粒內(nèi)外的濃度差，所以，萃取速率大，達平衡時殘油也低。也正是由于水分為7.10%的原料中油脂含量高，初始質量濃度大，即c0≠0，且c0更大，即顆粒外表面油脂的量更大。

根據(jù)上文的試驗結果，萃取1次，水分含量7.10%醬渣的殘油為8.00%。如果去除水分，以干基進行計算，達到平衡時，水分含量13.01%醬渣的理論殘油應為7.48%，這與實測值7.60%接近。這說明，水分含量為13.01%的醬渣，達平衡時殘油率更低，主要原因是溶劑用量相對于干基增加所致。這也說明只要水分含量不超過13%，它對粗脂肪萃取的影響都可以忽略。但如果原料水分含量超過20%，如圖5所示，水對萃取的影響非常顯著，可以得出：用正已烷萃取醬渣中的粗脂肪，原料水分含量對萃取效果的影響較復雜，隨著水分含量升高，呈現(xiàn)出先有利，再無影響，最后不利的趨勢，無顯著影響(轉折點)的水分含量約為13%。

醬油在生產(chǎn)過程中，所用含油原料主要為大豆。在發(fā)酵過程中，部分甘三酯水解，生成了游離脂肪酸[29]，這類物質極性較大，使得體系極性增強，根據(jù)相似相溶原理，溶劑中含少量極性物質對萃取更有利。這使得醬渣中含少量水對正已烷萃取其中的粗脂肪有利。

2.4.2 亞臨界丁烷萃取的經(jīng)濟性

單從萃取上看，工業(yè)規(guī)模亞臨界萃取成本比正已烷高，每噸約高幾十元。如果從獲得產(chǎn)品全過程來看，常規(guī)方法，采用真空，設置要求高、處理量小、產(chǎn)業(yè)化難度大。不采用真空，產(chǎn)品顏色深、過氧化值高、產(chǎn)品開發(fā)難度大。采用本文的方法，新鮮醬渣經(jīng)預壓、熱風干燥將水分含量降至13%左右，再正已烷萃取，粗脂肪回收較完全，利于實現(xiàn)工業(yè)化。但是，從粕中以及從混合油(萃取得到的溶液)中回收正已烷，所需溫度高，對粗脂肪以及粕均不利。

亞臨界丁烷萃取效率高、干燥時間短、粗脂肪幾乎不被氧化、粕中粗脂肪的殘留低。丁烷脫除、回收容易，無溶劑殘留，適宜于大批量處理。亞臨界技術工作壓力低，目前相關設備已大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)化無困難。綜合上述分析，與正已烷相比，亞臨界丁烷萃取無疑更具有優(yōu)越性。

3 結論與展望

干醬渣可以用正已烷或者亞臨界丁烷直接萃取，快速將殘油降至1%以下，工業(yè)放大完全可行。2種方法所獲粗脂肪的紅外光譜無顯著差異，且過氧化值均不高，酸值高。但亞臨界法產(chǎn)物的過氧化值以及酸值均比正已烷低，粕顏色更淺，是優(yōu)選方法。

動力學研究顯示，正已烷從醬渣中萃取粗脂肪的速率常數(shù)比普通油料大很多，且初始質量濃度不為0 g/mL。這是由于醬渣顆粒為多孔結構，部分油脂聚集外露。

醬渣粗脂肪酸值高的主要原因是原料大豆在發(fā)酵過程中部分油脂發(fā)生了水解反應。產(chǎn)物極性增強，使得水分對正已烷萃取粗脂肪的影響很大且復雜，水分不是越低越好，適當含水對萃取更有利。