微波-索氏聯(lián)合工藝整仁提取瓜蔞籽油

彭 鋼, 張凱文, 胡海駿, 郭夢雪, 張 旭, 鄭術(shù)琳, 朱儀雯

(安徽科技學(xué)院 食品工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

瓜蔞籽別名栝蔞實或瓜蔞仁[1]。主要含蛋白質(zhì)、氨基酸、甾醇化合物以及其它有效成分[2]。對瓜蔞籽各組分藥理研究表明:瓜蔞籽中的甾醇化合物對炎癥有一定的抑制作用,瓜蔞注射液在臨床治療心血管系統(tǒng)疾病等多方面均體現(xiàn)出較高的藥用價值[3]。瓜蔞籽經(jīng)炒制后亦可作為一種休閑炒貨食品,其香氣濃郁、風味獨特、不易上火,是深受消費者喜愛的天然綠色保健食品[4]。

瓜蔞籽含有大量的瓜蔞籽油,但瓜蔞籽油在提取過程中溫度超過(61±1) ℃過氧化值便會急劇升高,不飽和雙鍵斷裂及過氧化物的分解,產(chǎn)生醛、酸等具有特殊氣味的物質(zhì),影響瓜蔞籽的風味[5]。目前對提油工藝展開的研究多是在低溫冷榨以及外置設(shè)備輔助溶劑萃取等方面。壓榨法因工藝簡單,應(yīng)用最為廣泛,其中冷榨工藝將瓜蔞籽作為油料來源,提取的瓜蔞籽油保留了瓜蔞籽中絕大部分的營養(yǎng)物質(zhì)[6]。溶劑萃取法是利用合適的有機溶劑針對性地提取其中的有效物質(zhì),但影響因素波動范圍較大且出油率較低[7]。在此基礎(chǔ)上,張建群等[8]采用超聲波輔助的方法優(yōu)化了瓜蔞籽油的提取工藝,將粉碎后的瓜蔞籽出油率提高至43.95%,并且極大地縮短提取時間。張玲玲等[9]通過超聲協(xié)同微波共同作用提高油脂的溶出效率,以更短的工作時間將粉碎至40目的瓜蔞籽出油率提高到53.38%。

當前市面上的提油工藝都是將瓜蔞籽作為油料來源將瓜蔞籽破碎后進行提取,余下的瓜蔞籽餅或瓜蔞籽粕得不到很好的利用,生產(chǎn)出的瓜蔞籽油成本很高。因此,有必要開發(fā)一種整仁提油的工藝,以保留瓜蔞籽仁的生產(chǎn)價值,提高生產(chǎn)效益。

1 材料與方法

1.1 供試材料和儀器

瓜蔞籽由安徽省安慶市岳西縣徽記農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供。正己烷、石油醚、無水乙醚、過氧化氫、冰醋酸均購于阿拉丁試劑(上海)有限公司;碘化鉀、硫代硫酸鈉、氫氧化鉀、磷酸氫二鈉、亞硫酸氫鈉、酚酞、無水乙醇、三氯甲烷、鄰苯二胺鹽酸鹽、硫酸亞鐵、氯化鐵均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司;2,4,6-三吡啶基三嗪(TPTZ)、2,2-聯(lián)苯基-1-苦基肼基(DPPH)購于上海麥克林生化科技股份有限公司,均為分析純。

HZK-FA210S型電子天平(潁上星源科技發(fā)展有限公司);HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋(拓赫機電科技(上海)有限公司);舒美KQ5200ES型超聲波清洗器(上海測博生物科技發(fā)展中心);美的EG7KCH3-NA1型微波爐(澳潤微波有限公司);GG-17型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海市坎昆儀器設(shè)備有限公司);752型紫外分光光度計(潁上卓越電子商務(wù)有限公司);DHG-9030A型電熱恒溫鼓風干燥箱(浙江恒岳儀器有限公司);RJ-TDL-50A型低速臺式大容量離心機(廣東佛衡儀器有限公司);K9860型全自動凱氏定氮儀(山東德瑞克儀器股份有限公司);RHP-600型高速多功能粉碎機(揭陽市揭東區(qū)港美吳哲食品機械廠);500 mL索氏抽提器(江都市紅旗玻璃廠)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗工藝流程 瓜蔞籽整仁提油工藝流程見圖1。

圖1 瓜蔞籽整仁提油工藝流程Fig.1 Process of extracting fructus trichosanthesseed oil from whole kernel

1.2.2 索氏提取法 精選清洗后的瓜蔞籽放入電熱恒溫鼓風干燥箱中,45 ℃下干燥至水分含量3%以下備用。稱取各品種瓜蔞籽10 g,分別以無水乙醚、石油醚(Ⅱ)以及正己烷為萃取劑,料液比(m∶V)為1∶5,提取溶劑回流速率為每小時6～8次,抽提8～10 h。

1.2.3 超聲-索氏聯(lián)合工藝 超聲時通過高頻聲波在物質(zhì)中促使分子加速運動,使介質(zhì)被撕裂成很多空穴,空穴的瞬時生成和崩潰產(chǎn)生巨大壓力,從而使油脂加速滲透出來[10]。這種方法雖然能大幅度提高出油率,但同時也破壞了細胞的完整結(jié)構(gòu),在油脂提取過程中會提出其他成分。本試驗首先在優(yōu)選的微波條件下對瓜蔞籽整仁進行預(yù)處理,之后采用索氏提取法優(yōu)選的試驗條件對瓜蔞籽油進行充分提取。

1.2.3.1 單因素試驗 稱取干燥后各品種瓜蔞籽10 g至錐形瓶中,提取溶劑為正己烷。將錐形瓶用浮板固定在超聲波清洗器中,待溫度升至設(shè)定溫度后進行超聲。分別以瓜蔞籽仁與溶劑料液比(m∶V)、超聲時間和溫度為單因素,測定不同條件下瓜蔞籽出油率的變化[11]。

1.2.3.2 正交試驗 通過單因素試驗結(jié)果設(shè)計正交試驗,其因素及水平通過各單因素對瓜蔞籽出油率的影響中的最大值來設(shè)定。每組試驗重復(fù)3次,以瓜蔞籽仁出油率為評價指標,根據(jù)試驗結(jié)果選出最佳試驗條件。

1.2.4 微波-索氏聯(lián)合工藝 微波被作用在萃取有效物質(zhì)上最早是由Ganzler等[12]于1986年提出,此后廣大學(xué)者認為微波萃取機制是在高頻電磁波的作用下,細胞內(nèi)的有效物質(zhì)隨著細胞內(nèi)外壓力差的增大自由流出[13]。對此,馬素換等[14]采用透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理后瓜蔞籽細胞壁部分斷裂增加了其間隙,胞內(nèi)物質(zhì)伴隨有質(zhì)壁分離現(xiàn)象。本試驗首先在優(yōu)選的微波條件下對瓜蔞籽整仁進行預(yù)處理,之后采用索氏提取法優(yōu)選的試驗條件對瓜蔞籽油進行充分提取。

1.2.4.1 單因素試驗 稱取干燥后各品種瓜蔞籽10 g至錐形瓶中,提取溶劑為正己烷。由于正己烷揮發(fā)性強、閃點低且易爆,因此微波時間每次60 s,以分別加熱次數(shù)記微波總時間,記為60 s×n次,每次加熱后需自然冷卻至室溫。分別以微波時間60 s×12次、微波功率350 W為固定值,考察不同料液比(m∶V)下瓜蔞籽仁出油率的變化;以料液比1∶6、微波功率350 W為固定值,考察不同微波時間下瓜蔞籽仁出油率變化;以微波時間60 s×12次、料液比1∶6為固定值,考察不同微波功率下瓜蔞籽仁出油率的變化。

1.2.4.2 正交試驗 通過單因素試驗結(jié)果設(shè)計正交試驗,其因素及水平通過各單因素對瓜蔞籽出油率的影響中的最大值來設(shè)定。每組試驗重復(fù)3次,以瓜蔞籽仁出油率為評價指標,根據(jù)試驗選出最佳試驗條件。

1.2.5 瓜蔞籽油的理化性質(zhì) 為了對比2種前處理方法提取出的瓜蔞籽油中的游離脂肪酸含量和抗氧化活性[15],分別進行酸值和過氧化值的測定,并通過鐵原子還原力(FRAP)測定方法[16]對過氧化物酶活力進行驗證。

1.2.5.1 酸值和過氧化值的測定 根據(jù)GB 2716—2018《食品安全國家標準 植物油》中對瓜蔞籽原油的酸值指標≤4 mg/g,過氧化值指標≤0.25(g/100 g)進行判定。酸值和過氧化值的測定方法分別按照GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》和GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》進行滴定操作計算。

1.2.5.2 鐵原子還原力(FRAP)測定 將100 mL醋酸緩沖溶液(0.3 mol/L,pH=3.6),10 mL TPTZ(10 mmol/L)和10 mL FeCl3(10 mmol/L)混合得到FRAP試劑。以FeSO4為標準物質(zhì)繪制標準曲線,取40 μL FeSO4(300 μmol/L)溶液與200 μL FRAP溶液滴入96孔板,充分混勻后37 ℃反應(yīng)10 min,于593 nm處測定吸光度。以同樣的方法測定不同濃度樣品吸光度A1,代入標準曲線計算得出瓜蔞籽油的FRAP值,維生素C為陽性對照。

1.2.6 瓜蔞籽仁的理化性質(zhì) 瓜蔞籽仁中蛋白質(zhì)含量以GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》中規(guī)定的方法進行測定。瓜蔞籽仁中過氧化物酶殘余活力的測定方法參照左鋒等[17]并進行一定改進。2 mg樣品與50 mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液(0.1 mol/L,pH=6.5)混合,25 ℃下攪拌30 min,離心,取5 mL上清液用緩沖溶液稀釋至200 mL,取稀釋液2份,每份25 mL,其中1份加入0.5 mL鄰苯二胺(1%)和0.5 mL過氧化氫(0.3%)溶液,25 ℃下反應(yīng)5 min,立即加入1 mL飽和亞硫酸氫鈉溶液終止反應(yīng),于430 nm處測定吸光度。另一份加入0.5 mL鄰苯二胺(1%)和1 mL飽和亞硫酸氫鈉,再加入0.5 mL過氧化氫(0.3%)溶液,作為空白對照。過氧化物酶活力按下列公式計算:

(1)

其中,A為吸光度,W為樣品重量(g)。過氧化物酶殘余活力以壓榨提取的瓜蔞籽油為100%對照。

1.2.7 出油率和提取率計算 瓜蔞籽的含油率以GB/T 14488.1—2008《食品安全國家標準 植物油料含油量測定》中規(guī)定的方法進行測定,結(jié)果為54.91%±1.435%。瓜蔞籽油的出油率和提取率按下列公式[18]計算:

(2)

(3)

其中,M1為提取前瓜蔞籽質(zhì)量(g),M2為提取后瓜蔞籽質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 索氏提取法結(jié)果分析

采用3種有機溶劑對瓜蔞籽油進行提取,如表1所示。使用正己烷作為提取溶劑時,整仁提取瓜蔞籽油出油率最高,達到14.86%。石油醚(Ⅱ)為己烷和戊烷混合物,與正己烷極性相當,作為瓜蔞籽油的提取溶劑出油率可達到14.40%。由于石油醚沸程(30～60 ℃、60～90 ℃、90～120 ℃)比正己烷沸程(67.8～79.2 ℃)寬,會導(dǎo)致溶于低沸點的有效成分流失,正己烷沸程較低提取效果更加平穩(wěn),可以保護油脂中的有效成分[19]。同時正己烷提取出的油脂顏色透亮品質(zhì)更佳。乙醚作為瓜蔞籽油的提取溶劑出油率最高,可達到9.63%,但沸程低、極性大導(dǎo)致提取物中的溶劑殘留很難除盡且實際生產(chǎn)中危險性大。正己烷極性比乙醚小、沸程高極易揮發(fā)可以通過負壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法除去混合油中的正己烷。因此本試驗選用正己烷為瓜蔞籽的提取溶劑。

表1 不同溶劑對出油率和提取率的影響

2.2 超聲-索氏結(jié)果分析

2.2.1 超聲條件與瓜蔞籽出油率變化關(guān)系 通過圖2可以看出,當超聲時間在30 min時瓜蔞籽出油率達到最大值,為19.771%±0.084%,隨著超聲時間的延長出油率略有下降,可能是超聲時間過長導(dǎo)致油脂分解[20]。同時在超聲的空化作用下導(dǎo)致溶出的油脂中長鏈脂肪酸更多,提取出的油會有少許凝結(jié)成塊狀的沉淀,影響油脂的品質(zhì)。當超聲溫度低于60 ℃時,隨著溫度上升瓜蔞籽出油率顯著提高,因為在超聲作用下,溫度的升高提高了溶劑分子和油脂分子的動能,促進了空化作用進行[21];當超聲溫度達到60 ℃時出油率達到最大值,為19.296%±0.075%,隨后出油率變化趨勢較為平緩,在70 ℃時出現(xiàn)下降,此時溫度超過了正己烷的沸點,正己烷揮發(fā)速率加快導(dǎo)致部分油脂被帶走。同時隨著料液比增加瓜蔞籽出油率明顯提高,當料液比為1∶7時達到最大值,為18.906%±0.048%,隨后出油率出現(xiàn)降低趨勢,可能因為過高的料液比使預(yù)處理時溶劑的蒸發(fā)回流過程變慢,導(dǎo)致空化作用發(fā)生的不充分降低了油脂的溶出效果,不僅出油率下降,同時造成了生產(chǎn)效能的浪費。

圖2 超聲條件對瓜蔞籽出油率的影響Fig.2 Effects of ultrasound conditions on oil yield oftrichosanthis seeds

2.2.2 正交試驗結(jié)果分析 以瓜蔞籽出油率為指標,根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選用L9(34)正交表進行試驗優(yōu)選方案設(shè)計,其中因素水平見表2,結(jié)果見表3～4。根據(jù)表3的正交結(jié)果可知,RA>RB>RC,說明各單因素對瓜蔞籽出油率的影響大小順序為超聲時間>超聲溫度>料液比,根據(jù)R值的大小可以發(fā)現(xiàn)超聲時間對瓜蔞籽出油率的影響最為顯著,各因素的K值大小表明超聲預(yù)處理的最佳組合為A3B3C2,即超聲時間為32 min、超聲溫度為55 ℃、料液比為1∶7。結(jié)合表4中方差分析結(jié)果,因素A的P小于0.05表明超聲時間對瓜蔞籽出油率的影響顯著,因此,在提取工藝中因素A應(yīng)該選擇A3水平,B和C可以根據(jù)實際需要選取任意水平。

表2 L9(34)正交試驗各因素及其水平表

表3 超聲-索氏聯(lián)合工藝正交結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

2.3 微波-索氏結(jié)果分析

2.3.1 微波條件與瓜蔞籽出油率變化關(guān)系 由圖3可見,在微波時間達到12 min(即60 s×12次)時出油率達到最大值,為20.761%±0.053%,隨著時間延長瓜蔞籽出油率略有降低,可能是在每次微波結(jié)束后自然冷卻至室溫的降溫過程時間較長,溶液中的物質(zhì)發(fā)生氧化導(dǎo)致出油率下降[22]。當微波功率為350 W時出油率達到最大值,為21.379%±0.081%,因為在高頻電磁波作用下,短時間內(nèi)提高了瓜蔞籽中油脂分子的熱運動,當功率達到350 W后,60 s的微波時間內(nèi)熱運動程度已達到最大值,功率的提高并不能提高熱運動程度,因此瓜蔞籽出油率出現(xiàn)降低趨勢[23]。在料液比為1∶7時瓜蔞籽出油率達到最大值,為21.648%±0.072%,隨著料液比增加出油率略有下降,可能因為微波的加熱過程是在細胞內(nèi)發(fā)生,溶劑與樣品壓力差的作用體現(xiàn)的不明顯。

圖3 微波條件對瓜蔞籽出油率變化的影響Fig.3 Effects of microwave conditions on oil yield of trichosanthis seeds

2.3.2 正交試驗結(jié)果分析 以瓜蔞籽出油率為指標,根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選用L9(34)正交表進行試驗優(yōu)選方案設(shè)計,其中因素水平見表5,結(jié)果見表6～7。根據(jù)表6的正交結(jié)果可知,RA>RB>RC,說明各單因素對瓜蔞籽出油率的影響大小順序為:微波時間>微波功率>料液比,根據(jù)R值的大小可以發(fā)現(xiàn)微波時間對瓜蔞籽出油率的影響最為顯著,各因素的K值大小表明微波預(yù)處理的最佳組合為A3B3C1,即微波時間為14 min、微波功率為560 W、料液比為1∶6。表7中P為檢驗顯著性指標,結(jié)果表明微波時間和功率均對瓜蔞籽仁出油率有顯著影響,結(jié)合正交試驗結(jié)果,提取工藝中因素A和B應(yīng)該選擇A3和B3水平,C可以根據(jù)實際需要選取任意水平。根據(jù)K值得到最佳組合為A3B3C1,在此條件下進行重復(fù)試驗5次(圖4),取平均值,最終出油率為21.35%±0.32%,與組合A3B3C2相差0.04%,結(jié)合溶劑成本與方差分析結(jié)果認為A3B3C1為最佳組合。

表5 L9(34)正交試驗各因素及其水平表

表6 微波-索氏聯(lián)合工藝正交結(jié)果

表7 方差分析結(jié)果

圖4 A3B3C1條件平行試驗Fig.4 Parallel experiments of A3B3C1

2.4 理化性質(zhì)

從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出,通過微波-索氏聯(lián)合工藝極大的開發(fā)了瓜蔞籽的利用率,微波預(yù)處理后瓜蔞籽整仁出油率達到21.71%,相較于索氏提取和超聲-索氏聯(lián)合工藝分別提高了6.85%和1.09%。瓜蔞籽油的抗氧化活性顯著性提高,酸值和過氧化值也表明本工藝提取的油脂品質(zhì)好,油脂飽和度更高(表8)。微波作用對細胞壁的破壞程度小,從而保留在瓜蔞籽仁內(nèi)的蛋白質(zhì)含量更高,同時能有效的鈍化過氧化物酶活性,瓜蔞籽仁中過氧化物酶殘余活力低至5%,極大的延長了貨架期。通過短時蒸脫、真空干燥以及旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法除去殘留溶劑,瓜蔞籽仁以及瓜蔞籽油中溶劑殘留量符合GB 5009.262—2016《食品安全國家標準 食品中溶劑殘留量的測定》中規(guī)定的殘留溶劑的限定值。

表8 瓜蔞籽仁及瓜蔞籽油理化性質(zhì)

3 結(jié)論

本試驗分別以超聲和微波聯(lián)合索氏提取工藝對整仁條件下瓜蔞籽出油率進行研究。結(jié)果顯示,微波和超聲波預(yù)處理后都能在極短的時間內(nèi)有效提高瓜蔞籽出油率,但超聲波預(yù)處理后,由于超聲波高頻的穿透力會導(dǎo)致瓜蔞籽中細胞壁破裂,大部分營養(yǎng)成分和瓜蔞籽油一同被提取出來降低了瓜蔞籽仁的食用藥用價值。綜上,可以采用微波-索氏聯(lián)合工藝對瓜蔞籽油進行提取,既保留了瓜蔞籽仁的大部分營養(yǎng)成分,又改善了瓜蔞籽仁中含油量較高容易氧化破壞風味的缺點,同時瓜蔞籽整仁出油率達到21.71%,具有一定的生產(chǎn)效益。