亞臨界法提取百香果籽油工藝優(yōu)化及其組分分析

蘆曉芳， 嚴(yán) 強， 王海香， 郭冬冬， 高春艷， 張永坡， 杜維俊， 岳愛琴， 趙晉忠

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，晉中 030801)

百香果籽是果汁主要副產(chǎn)品之一，其占果實質(zhì)量的6%～12%[1]，一般在果實加工后對其進行處理并再利用[2]。百香果籽中富含油脂[3]，因此，從百香果種子中提取油不僅降低了農(nóng)業(yè)廢棄物的排放量，還可增加其經(jīng)濟和食用價值。目前植物油通常采用壓榨法和溶劑提取法[4-7]。為提高植物油的提取效率，相關(guān)提取工藝如超聲輔助提取法[8, 9]、超臨界提取法[8, 10-12]和亞臨界提取法[13]被廣泛應(yīng)用在植物油提取研究中。百香果籽油的質(zhì)量和組分[9, 14-18]與提取工藝如提取用溶劑、提取溫度等因素[19, 20]密切相關(guān)。本實驗研究一種用壓縮丁烷作溶劑的亞臨界法提取百香果籽油，以期為其工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

百香果籽；正丁烷(分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

CBE-5L亞臨界流體萃取實驗室成套設(shè)備、G5氣相色譜、spectrum two紅外光譜儀、VEGA Ⅱ RSU掃描電子顯微鏡、Lab Sys evo熱重分析儀。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

取適量百香果籽置于高速多功能粉碎機中，啟動粉碎機10 s，過篩，得到粒徑為0.180～0.250 mm的百香果籽粉末樣品，備用。

1.3.2 亞臨界提取工藝

準(zhǔn)確稱取粒徑0.180～0.250 mm的百香果籽粉末100 g放入樣品袋，將其置于萃取罐中，通入1.5 L正丁烷，一定溫度下恒溫加熱浸漬，將提取后溶劑放入儲油罐中，打開壓縮機，40 min后打開儲油罐下方的出油口，得到百香果籽油，稱質(zhì)量，計算提取率。亞臨界提取裝置如圖1所示。

圖1 亞臨界提取工藝圖

1.3.2.1 單因素實驗

在優(yōu)化亞臨界提取百香果籽油最佳工藝條件過程中，亞臨界提取器容積(2.0 L)較大，而百香果籽粉末量較少(100 g)，固液比在該提取過程中為固定值(V∶m=1.5 L∶100 g)。為此，本實驗選取的因素為：提取溫度、提取次數(shù)和提取時間。溫度選取為30、40、50 ℃；溫度對應(yīng)壓力分別為0.22、0.27、0.34 MPa；提取次數(shù)為1、2、3次；提取時間為30、40、50 min。

1.3.2.2 正交實驗

基于單因素實驗，選取3個因素，即提取溫度、提取時間和提取次數(shù)，每個因素選取3個水平，進行L9(34)設(shè)計正交實驗。正交實驗選取最佳工藝條件后，重復(fù)3次該條件下的實驗驗證結(jié)果可靠性。

1.3.3 索氏提取工藝

準(zhǔn)確稱取粒徑0.180～0.250 mm的百香果籽粉末樣品5.0 g，將裝有樣品的濾紙包放入索氏提取器中，加入100 mL石油醚，虹吸4～5次，每次虹吸時間約1 h，虹吸管中溶劑無色時停止加熱。將石油醚提取液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中低溫旋蒸，即得百香果籽油，稱質(zhì)量，計算提取率。

1.3.4 超聲輔助提取工藝

準(zhǔn)確稱取粒徑0.180～0.250 mm的百香果籽粉末樣品5.0 g，置于錐形瓶中，加入100 mL石油醚，溫度25 ℃、超聲功率180 W和超聲輔助提取時間30 min，減壓抽濾分離百香果籽殘渣和提取液。將石油醚提取液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中低溫旋蒸，即得百香果籽油，計算提取率。

1.4 表征

1.4.1 SEM表征

掃描電子顯微鏡，用于分析和描述百香果籽細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)在不同方法提取(索氏提取、超聲輔助提取和亞臨界提取)籽油前后的變化。檢測條件為：加速電壓(HV)20.0 kV，放大(MAG)200 kx、工作距離(WD)7.08 mm。

1.4.2 FTIR表征

使用紅外光譜儀對百香果籽油進行中紅外波譜分析，KBr壓片，分辨率 0.01 cm-1，測量頻率范圍4 000～450 cm-1。

1.4.3 GC表征

氣相色譜使用條件：色譜柱HP-88，聚二氰丙基硅氧烷強極性柱(100 m×0.25 mm×0.2 μm)，載氣為高純氦氣。進樣口溫度230 ℃，檢測器溫度250 ℃，程序升溫：初始溫度120 ℃，持續(xù)1 min；120～175 ℃，升溫速率10 ℃/min，保持10 min；175～210 ℃，升溫速率5 ℃/min，保持5min；210～230 ℃，升溫速率5 ℃/min，保持10 min；載氣：氫氣，流量2 mL/min分流比：50∶1，進樣體積：1.0 μL。

1.4.4 TG-DSC表征

熱重分析技術(shù)用于考察百香果籽油在空氣中的熱穩(wěn)定性。樣品質(zhì)量(5.0±0.5)mg，溫度范圍20～650 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮氣氣氛，氣體流速100 mL/min。

1.4.5 統(tǒng)計分析：

本次統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析使用的是SPSS17.0中文版，3次實驗重復(fù)，結(jié)果與平均值和標(biāo)準(zhǔn)差一致。單因素方差分析和Tukey事后分析實驗用于確定考察指標(biāo)，即溫度、時間和次數(shù)與百香果籽油提取率的顯著差異性(P<0.05)。

1.5 提取工藝評價指標(biāo)

百香果籽油提取工藝的評價指標(biāo)為百香果籽油的提取率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方法提取百香果籽油

2.1.1 提取方法對百香果籽油提取率的影響

不同提取方法(索氏提取法、超聲提取法和亞臨界提取法)對百香果籽油提取率的影響如圖2所示，基于傳統(tǒng)索氏提取，為提高百香果籽油提取率，超聲波引入到百香果籽油的提取體系。超聲波空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓效應(yīng)的同時，產(chǎn)生激波和顯著的熱效應(yīng)，導(dǎo)致百香果籽細(xì)胞壁破損程度提高，同時減少了溶質(zhì)傳輸阻力，促進百香果籽油提取率的增加，較索氏提取法增加2.10%。將物質(zhì)置于高于正丁烷沸點且低于其臨界溫度的亞臨界壓力狀態(tài)，物質(zhì)的傳質(zhì)速率快，萃取能力最強。因此，亞臨界法提取百香果籽油的提取率最大，為(23.04±0.046)%，較索氏提取法和超聲輔助提取法所得提取率顯著增加，分別增加了12.30%和2.10%。

圖2 不同方法提取百香果籽油的提取率圖

不同方法提取百香果籽油殘渣及原樣粉末SEM結(jié)果如圖3所示，亞臨界法提取百香果籽油殘渣細(xì)胞壁破損程度較索氏法和超聲輔助法嚴(yán)重。因此，物質(zhì)處于亞臨界壓力狀態(tài)，破壁程度增加，傳質(zhì)速率加快，傳質(zhì)及擴散阻力減小，萃取能力顯著提高，提取率最大。

圖3 不同方法提取百香果籽油殘渣SEM圖

2.1.2 不同方法提取百香果籽油FT-IR表征

不同方法提取百香果籽油FT-IR結(jié)果如圖4所示，雙鍵的紅外特征吸收峰歸屬為3 080、1 662、966、724 cm-1；羧基的紅外特征吸收峰歸屬為1 746 cm-1，羧酸的OH歸屬為3 000～2 600 cm-1，其中2 760～2 465 cm-1之間存在一系列連續(xù)的小峰；酯基的紅外特征吸收峰歸屬為1 300～1 030 cm-1。

圖4 不同方法提取百香果籽油的FT-IR圖

2.1.3 不同方法提取百香果籽油GC表征

不同方法提取所得百香果籽油GC分析結(jié)果如圖5所示。不同方法提取所得百香果籽油組分及其含量如表1所示。

圖5 不同方法提取百香果籽油GC圖

表1 不同方法提取所得百香果籽油組分及其含量/mg/g

由圖5及表1可知，通過將各組分的色譜數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)品比對進行定性分析，采用面積歸一化法確定各組分的含量。經(jīng)檢測，共鑒定出11種主要組分，亞臨界提取法較索氏提取法和超聲提取法所得百香果籽油中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。其中亞臨界提取得到的百香果籽油中分子質(zhì)量較大組分(芥酸、二十四烷酸、神經(jīng)酸和4,7,10,13,16,19-二十二碳五烯酸等)的含量較索氏提取法和超聲提取法低，其與提取過程密切相關(guān)。索氏法提取百香果籽油過程中，由于多次重復(fù)回流，且樣品量少，提取效率較高，尤其有利于分子質(zhì)量較大組分的溶解；超聲法提取百香果籽油過程中，由于超聲波對百香果籽破壁作用的同時，增強了熱質(zhì)傳遞，進一步提高了分子質(zhì)量較大組分的溶解；而亞臨界法提取百香果籽油過程中，僅通過溶劑(極性相似相容)溶解提取，因此分子質(zhì)量較大組分的溶解率較低。在亞臨界提取法所得百香果籽油中，較大分子質(zhì)量組分含量較低。

2.1.4 不同方法提取百香果籽油TG/DTG表征

不同提取方法所得百香果籽油TG及DSC分析結(jié)果如圖6和圖7所示，百香果籽油熱降解溫度及分峰擬合結(jié)果如表2所示。3種不同提取方法所得百香果籽油熱穩(wěn)定溫度在350 ℃以上，其熱分解過程主要發(fā)生在350～460 ℃之間，發(fā)生3個階段的分解，加熱溫度高于460 ℃時的失重率分別為96.2%、96.6%和93.0%?？梢?，亞臨界提取物較索氏和超聲提取所得油的組分更豐富。亞臨界提取所得油的耐高溫(456 ℃)成分含量高，如Diniz等[21]認(rèn)為此熱分解階段代表了甘油三酯降解的初始階段，同時油中的不飽和脂肪酸也發(fā)生分解[22]。氧化產(chǎn)物，如過氧化物和氫過氧化物，是由于與氧和不穩(wěn)定的化合物反應(yīng)而生成的醛、酮、酸和醇[23]。

單不飽和脂肪酸比多不飽和脂肪酸更能抵抗氧化和變質(zhì)[24]。盡管具有很高的不飽和性，但百香果籽油的穩(wěn)定性很高可能是由于天然抗氧化劑如生育酚的大量存在所致。因此，它是食品中最重要的脂溶性抗氧化劑之一，由于它們的抗氧化活性，它們在保護單不飽和脂肪酸(PUFAs)中起主要作用，有助于提高油脂的抗氧化能力[25]。

圖6 提取油的TG/DTG曲線

圖7 提取油的熱流曲線

表2 不同提取方法所得百香籽油熱解溫度

2.2 亞臨界提取單因素實驗

亞臨界法提取百香果籽油中，分別考察了溫度、提取次數(shù)和提取時間對其提取率的影響，結(jié)果如圖8所示，提取1次和提取時間30 min條件下，最佳提取溫度為40 ℃；提取溫度40 ℃和提取時間30 min條件下，最佳提取次數(shù)為2次；提取溫度為40 ℃和提取2次條件下，最佳提取時間為40 min。

圖8 亞臨界不同提取條件對百香果籽油提取率的影響

2.3 亞臨界提取正交實驗

基于亞臨界提取百香果籽油單因素實驗結(jié)果，結(jié)合各因素對百香果籽油提取率的變化范圍等影響，綜合考慮3個因素，即提取溫度(A)、提取次數(shù)(B)和提取時間(C)為變量，百香果籽油提取率為響應(yīng)值，進行亞臨界提取百香果籽油正交實驗設(shè)計，并對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。百香果籽油亞臨界提取的正交實驗因素水平表如表3所示，正交實驗結(jié)果如表4和表5所示。

由表4可知，以百香果籽油提取率為考察指標(biāo)，各因素影響程度大小依次為B>A>C，其中提取時間對結(jié)果影響最小。由表5方差分析結(jié)果可知，提取溫度和提取次數(shù)均為顯著性因素，顯著性關(guān)系為B>A，而提取時間C對結(jié)果(提取率)無顯著影響。亞臨界提取百香果籽油最佳工藝條件為A2B3C2，即提取溫度40 ℃，提取2次和提取時間40 min。

表3 百香果籽油亞臨界提取的正交實驗因素水平表

以亞臨界提取百香果籽油最佳工藝條件進行重復(fù)實驗，百香果籽油平均提取率為(20.84±0.022)%(n=3)，提取率穩(wěn)定，重現(xiàn)性好。

表4 亞臨界提取百香果籽油正交實驗結(jié)果

表5 方差分析表

2.4 亞臨界提取SPSS分析結(jié)果

提取時間30 min，提取溫度和提取次數(shù)對百香果籽油提取率影響顯著(F=2.587，P=0.045)，溫度40 ℃下提取3次的提取率明顯高于其他提取條件下所得提取率；提取溫度40 ℃，提取次數(shù)和提取時間對百香果籽油提取率影響顯著(F=3.309,P=0.017)，百香果籽油提取率與提取次數(shù)與提取時間呈正相關(guān)，且增加提取次數(shù)促進百香果籽油提取率的提高；提取次數(shù)2次，提取時間對百香果籽油提取率無顯著影響(F=0.646,P=0.730)，提取溫度為40 ℃時，提取率最大。

提取溫度、提取次數(shù)和提取時間三因素分別對亞臨界提取百香果籽油提取率的影響及三因素協(xié)同作用對其的影響結(jié)果如表6和表7所示。溫度、次數(shù)及時間單因素分別對百香果籽油提取率有顯著影響，百香果籽油提取率隨溫度、次數(shù)和時間的增加成正相關(guān)；溫度和次數(shù)、溫度和時間及次數(shù)和時間二因素作用對百香果籽油提取率可見顯著正協(xié)同效應(yīng)；溫度、次數(shù)和時間三因素的正協(xié)同效應(yīng)促進百香果籽油提取率顯著增加，由此可知，50 ℃、3次、50 min/次，百香果籽油提取率最大，為(23.78±0.178)%。

表6 三因素三水平表

表7 主旨間效果檢定

3 結(jié)論

采用亞臨界法提取百香果籽油，基于單因素實驗(提取溫度、提取次數(shù)和提取時間等)，通過正交實驗及統(tǒng)計方法優(yōu)化亞臨界法提取百香果籽油工藝參數(shù)及獲得影響提取率因素的主次順序，結(jié)合百香果籽粉末SEM表征及最優(yōu)提取工藝條件下的重復(fù)實驗結(jié)果，驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明，亞臨界法提取百香果籽油最佳工藝條件為：提取溫度50 ℃、提取3次、50 min/次，該工藝條件下百香果籽油提取率(23.78±0.178)%最大。亞臨界提取中的溫度和次數(shù)、溫度和時間及次數(shù)和時間二因素作用對百香果籽油提取率可見顯著正協(xié)同效應(yīng)；溫度、次數(shù)和時間三因素的正協(xié)同效應(yīng)促進百香果籽油提取率顯著增加。百香果籽油的FT-IR和GC表征結(jié)果表明：亞臨界法提取所得油的不飽和脂肪酸含量(88.88%)更高。百香果籽油TG/DSC表征結(jié)果表明：百香果籽油在氮氣氣氛下熱穩(wěn)定好，超過347 ℃發(fā)生熱分解反應(yīng)。