油莎豆油亞臨界丁烷萃取條件優(yōu)化及產(chǎn)品質(zhì)量研究

連四超，劉玉蘭，陳 璐，祁 鯤，朱新亮，馬宇翔

(1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001； 2.河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司，河南 安陽 455000)

我國作為世界第一大食用植物油消費國，食用植物油自給率缺口很大，大力發(fā)展木本油料和小宗油料制油對提高我國食用植物油自給率具有重要意義[1]。油莎豆含油(20%～30%)與大豆(18%～22%)相當(dāng)甚至更高，其干豆畝產(chǎn)500～1 000 kg，畝產(chǎn)油脂量約為大豆的4倍，且油莎豆對生長環(huán)境要求較低，我國適宜種植油莎豆的非可耕地接近0.07億hm2(1億畝)[2]，因此在不與主糧爭地的情況下，發(fā)展油莎豆產(chǎn)業(yè)和油莎豆制油技術(shù)對于提高我國食用植物油產(chǎn)量具有重要意義。2016年原農(nóng)業(yè)部《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020)》中將油莎豆作為我國大力推廣的新型油料作物之一。

近年關(guān)于油莎豆制油的研究多有報道，姚占斌等[3]對單螺桿榨油機制取油莎豆油進行了試驗研究，連四超等[4]對油莎豆榨油條件和工藝效果進行了研究，此外利用水酶凍融技術(shù)[5]、超聲波輔助溶劑提取技術(shù)[6]、超臨界二氧化碳萃取技術(shù)[7]等提取油莎豆油也有研究報道。但上述制油技術(shù)中，壓榨法存在餅殘油率高、出油率較低的問題，其他方法則存在設(shè)備成本高、難以規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)的問題。因此，繼續(xù)尋求和研究開發(fā)更適合于油莎豆制油的工藝技術(shù)對加快油莎豆制油規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)進程很有必要。

亞臨界丁烷萃取技術(shù)是近些年逐漸發(fā)展成熟的一種油脂制取技術(shù)，其基本原理是利用相似相溶原理，以亞臨界狀態(tài)的丁烷為萃取介質(zhì)，利用其擴散性能強、傳質(zhì)速度快、溶解能力高的特點，實現(xiàn)對植物油料中油脂的快速萃取和組分分離[8]。近年來亞臨界萃取因較靈活的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模、較容易更換油料品種、能夠?qū)崿F(xiàn)低溫萃取等優(yōu)勢已較為廣泛地應(yīng)用于小品種油料的油脂制取和加工[9]，如芝麻油[10]、油茶籽油[11]、牡丹籽油[12]、麻瘋樹籽油[13]的制取和加工，但亞臨界萃取油莎豆油的研究卻鮮有報道。本文以亞臨界丁烷萃取技術(shù)對油莎豆中的油脂進行提取，采用單因素試驗結(jié)合響應(yīng)面試驗優(yōu)化工藝條件，并對所提取的油莎豆油品質(zhì)進行分析，以期為油莎豆制油工藝技術(shù)的發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

油莎豆，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，為海南種植基地當(dāng)年(2021年)產(chǎn)油莎豆。

丁烷(99.5%)，濮陽中石油化工有限公司；α-、β-、γ-生育酚標準品(純度≥95.0%)，Sigma-Aldrich公司；β-谷甾醇(純度99.5%)、豆甾醇(純度95.0%)、菜油甾醇(純度99.5%)、5α-膽甾烷醇(純度≥95.0%)，美國Sigma公司；N，O-(雙三甲基硅)三氟乙酰胺(含三甲基氯硅烷)+99%BSTFA+1%TMCS，F(xiàn)luka公司；正己烷、甲醇，色譜級，美國VBS公司；蒸餾水、氫氧化鈉、三氟化硼、氯化鈉、無水硫酸鈉、冰乙酸、異丙醇、三氯甲烷、乙醚、硫代硫酸鈉、淀粉、碘化鉀、韋氏試劑、95%乙醇、氫氧化鉀、鹽酸、酚酞、石油醚，均為分析級，鄭州綠農(nóng)化學(xué)試劑經(jīng)營部。

1.1.2 儀器與設(shè)備

CBE-T-5L型亞臨界流體萃取裝置，河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司；FW-100型高速萬能粉碎機，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；Agilent GC-7890B 型氣相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；Waters e2695型高效液相色譜儀，美國Waters公司；MTN-2008W型氮吹濃縮儀，天津奧特賽恩斯儀器有限公司；Eppendorf Multipette E3x型電動移液器，德國Eppendorf公司；202-2AB型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；PFXi-880/F型羅維朋測色儀，英國Tintometer公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；20、40、60、80、100目方孔集料標準篩。

1.2 試驗方法

1.2.1 油莎豆油的亞臨界丁烷萃取

油莎豆經(jīng)過篩選、除雜、清洗、晾干后，用粉碎機粉碎后過0.425 mm(40目)篩，裝入約0.048 mm(300目)布袋密封后放入萃取罐中，關(guān)閉萃取罐后，抽真空，注入一定體積的液化丁烷，采用0.5 MPa壓力(此壓力值為工廠在對小宗油料進行亞臨界丁烷萃取生產(chǎn)時綜合考慮各因素所確定的)，在一定溫度下萃取一定時間。萃取完成后，打開閥門將混合油從萃取罐壓送至分離罐(萃取罐和分離罐均設(shè)置熱水循環(huán)加熱功能并可實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié))，分離罐中的混合油經(jīng)減壓汽化脫溶后放出得油莎豆油；萃取罐中的油莎豆?jié)衿山?jīng)減壓汽化脫溶后，從萃取罐中取出得油莎豆粕；分離罐和萃取罐中的汽化丁烷經(jīng)壓縮機和冷凝器被液化，流回溶劑罐，循環(huán)使用。

1.2.2 油莎豆油和油莎豆粕的指標測定

油莎豆油酸值測定參照GB 5009.229—2016,過氧化值測定參照GB 5009.227—2016,皂化值測定參照GB/T 5534—2008,碘值測定參照GB/T 5532—2008,色澤測定參照GB/T 22460—2008,脂肪酸組成測定參照GB 5009.168—2016中的三氟化硼法,甾醇組分含量測定參照GB/T 25223—2010及魏佳麗等[14]的方法,VE組分含量測定參照GB/T 26635—2011和溫運啟等[15]的方法。

油莎豆粕殘油測定參照GB 5009.6—2016。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗做3次平行，結(jié)果取平均值，利用Design-Expert V8.0.6軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計與方差分析，試驗結(jié)果用GraphPad Prism 8繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的單因素試驗

2.1.1 萃取溫度對萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取時間40 min，液固比10∶1，萃取次數(shù)1次，萃取溫度分別為25、35、45、55、65℃條件下對油莎豆油進行萃取，考察萃取溫度對油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取溫度對萃取效果的影響

由圖1可知：隨著萃取溫度的升高，油莎豆粕殘油率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；萃取溫度45℃時殘油率降低至3.53%，達到最低值。這是因為隨著萃取溫度升高，溶劑分子和油脂分子的熱運動加劇，加快了組分的擴散速率[16]；但萃取溫度繼續(xù)升高會使處于亞臨界狀態(tài)的丁烷的密度下降，此時油脂在丁烷中的溶解度降低，不利于油脂的萃取[17]；同時萃取溫度過高還會造成油莎豆油中熱敏性成分被分解破壞[18]?？紤]粕殘油率和產(chǎn)品質(zhì)量等因素，選擇萃取溫度45℃為宜。

2.1.2 萃取時間對萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取溫度45℃，液固比10∶1，萃取次數(shù)1次，萃取時間分別為10、20、30、40、50 min的條件下對油莎豆油進行萃取，考察萃取時間對油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 萃取時間對萃取效果的影響

由圖2可知，隨萃取時間延長油莎豆粕殘油率呈降低趨勢，尤其當(dāng)萃取時間由20 min延長至40 min時，降幅明顯，殘油率降低至3.52%，但再延長萃取時間至50 min時，殘油率僅降低0.06百分點，降幅很小。這與楊倩等[19]報道的亞臨界萃取牡丹籽油的規(guī)律基本一致?？紤]萃取時間對生產(chǎn)效率的影響，選擇萃取時間40 min為宜。

2.1.3 液固比對萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取溫度45℃，萃取時間40 min，萃取次數(shù)1次，液固比分別為6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1的條件下對油莎豆油進行萃取，考察液固比對油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 液固比對萃取效果的影響

由圖3可知，液固比從6∶1增加至10∶1時，萃取速率明顯提高，油莎豆粕殘油率從8.60%降低至3.53%，降低了5.07百分點。這是因為液固比的增加使物料與溶劑充分接觸，可以提高油脂向溶劑擴散的速率[20]。但是隨著液固比的繼續(xù)增加，油莎豆粕殘油率略有升高，這是因為傳質(zhì)動力并不會隨著液固比的過度增加而持續(xù)增大，而是達到一定值后微小浮動[21]。同時過量的溶劑用量會降低混合油濃度，加大混合油脫溶的能耗。因此，選擇液固比10∶1為宜。

2.1.4 物料粒度對萃取效果的影響

在萃取時間40 min、萃取溫度45℃、萃取次數(shù)1次、液固比10∶1的條件下，將油莎豆分別粉碎至20、40、60、80、100目進行油脂萃取，考察物料粒度對油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 物料粒度對萃取效果的影響

由圖4可知，油莎豆粉碎至40目時，油莎豆粕殘油率為3.53%，比20目時的油莎豆粕殘油率(5.02%)降低了1.49百分點。這是因為對油莎豆進行適當(dāng)破碎，可以使其與溶劑充分接觸，有利于油脂向溶劑中擴散[22]。但粒度大于40目后，油莎豆粕殘油率反而有所升高，這可能是因為太細的粒度容易發(fā)生結(jié)團現(xiàn)象，在萃取時增大了溶劑-溶質(zhì)間的擴散阻力[23]，也可能是太細的粒度容易粘在萃取罐內(nèi)壁，對萃取效果造成不良影響；同時粒度太細還會加大后期混合油與粕沫的分離難度，致使混合油中粕沫含量增加。綜合考慮對油莎豆粉碎的動力消耗和萃取效果，選擇物料粒度40目為宜。

2.1.5 萃取次數(shù)對萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取時間40 min，萃取溫度45℃，液固比10∶1，萃取次數(shù)分別為1、2、3、4次條件下對油莎豆油進行萃取，考察萃取次數(shù)對油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 萃取次數(shù)對萃取效果的影響

由圖5可知，隨萃取次數(shù)增加，油莎豆粕殘油率持續(xù)降低，與萃取1次3.53%的殘油率相比，萃取2、3、4次的殘油率分別降低了1.33、2.20、2.41百分點。比較萃取次數(shù)對殘油率降幅的影響，萃取3次以后，殘油率已趨于平穩(wěn)，降幅很小，且萃取次數(shù)越多，后續(xù)對濕粕脫溶能耗的不利影響越大。結(jié)合實際工業(yè)生產(chǎn)中亞臨界萃取對其他小品種油料的萃取，選擇萃取次數(shù)3次為宜。

2.2 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，在油莎豆粒度40目、萃取1次(可達到較低殘油且可縮短試驗周期等)的條件下，以萃取溫度(A)、萃取時間(B)、液固比(C)作為自變量，油莎豆粕殘油率(R)為響應(yīng)值設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗。響應(yīng)面試驗因素水平如表1所示，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果如表2所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面試驗分析

對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到的回歸方程為R=4.74+0.18A-0.86B-0.30C-1.11AB-0.89AC+0.46BC+2.23A2+0.14B2-1.23C2。進一步對該回歸模型進行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析

圖6、圖7、圖8分別為通過Design-Expert V8.0.6軟件，在方差分析的基礎(chǔ)上，萃取溫度、萃取時間、液固比3個因素交互作用的三維曲面圖。

圖6 萃取時間和萃取溫度交互作用對油莎豆粕殘油率的影響

圖7 萃取溫度和液固比交互作用對油莎豆粕殘油率的影響

圖8 萃取時間和液固比交互作用對油莎豆粕殘油率的影響

從圖6、圖7、圖8可知：3個因素交互作用的響應(yīng)曲面中均有最低點，說明響應(yīng)值存在最小值；且響應(yīng)面較陡峭，說明萃取溫度、萃取時間、液固比三者的交互作用對萃取效果有顯著影響[24]，這與方差分析結(jié)果相同。

對回歸方程求一階偏導(dǎo)數(shù)，當(dāng)響應(yīng)值最小時，得到亞臨界丁烷萃取油莎豆油最佳條件：萃取溫度45.92℃，萃取時間48.62 min，液固比8.06∶1。為了便于實際操作，將最佳條件調(diào)整為萃取溫度45℃、萃取時間50 min、液固比8∶1，在此條件下油莎豆粕殘油率的預(yù)測值為2.88%。在最佳萃取條件下進行3次平行驗證試驗，油莎豆粕殘油率分別為2.94%、2.91%、2.87%，平均值為2.91%，與預(yù)測值相近，說明響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界丁烷萃取油莎豆油工藝可行，具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的綜合品質(zhì)

亞臨界丁烷萃取油莎豆油的理化指標和脂肪酸組成分別見表4和表5，甾醇和VE組分含量見表6。

表4 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的理化指標

由表4可知，亞臨界丁烷萃取油莎豆油的酸值和過氧化值較低，其質(zhì)量指標均達到LS/T 3259—2018《油莎豆油》規(guī)定。但亞臨界丁烷萃取油莎豆油的色澤較深，若要提高油莎豆油的感官品質(zhì)可進行脫色精煉。

表5 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的主要脂肪酸組成及含量 %

從表5可以看出，油莎豆油不飽和脂肪酸含量高達84.26%，亞臨界丁烷萃取的油莎豆油主要脂肪酸組成及含量均符合LS/T 3259—2018《油莎豆油》規(guī)定，這說明亞臨界丁烷萃取油莎豆油未破壞其脂肪酸成分。

表6 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的甾醇和VE組分含量

從表6可以看出，亞臨界丁烷萃取的油莎豆油甾醇總量達到171.43 mg/100 g，主要甾醇組分是谷甾醇，占比達63.90%。植物甾醇具有抗高脂血癥、預(yù)防心血管疾病等生理功能[25]。亞臨界丁烷萃取的油莎豆油VE總量為201.81 mg/kg，其中α-生育酚含量最高，占比為67.21%。

3 結(jié) 論

本研究通過單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化試驗確定了亞臨界丁烷萃取油莎豆油的最佳工藝條件為：油莎豆粉碎粒度0.425 mm(40目)，萃取溫度45℃，萃取時間50 min，液固比8∶1。在最佳條件下萃取1次，油莎豆粕殘油率為2.91%。在最佳條件下萃取所得油莎豆油的酸值(KOH)、過氧化值、碘值、皂化值等理化指標均符合油莎豆油行業(yè)標準(LS/T 3259—2018)，其油酸、亞油酸、亞麻酸含量分別為73.92%、9.75%、0.59%，甾醇和VE總量分別為171.43 mg/100 g、201.81 mg/kg。亞臨界丁烷萃取油莎豆油的出油效率高，油品質(zhì)量好，是值得推廣應(yīng)用的油莎豆油生產(chǎn)工藝技術(shù)。