沙棘籽油脫色參數(shù)優(yōu)化及效果的評價

馮麗丹, 郝 明, 張 威, 李 捷, 魏 娟, 畢 陽,柴守環(huán)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院1,蘭州 730070)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院2,蘭州 730070)

(甘肅梓園生物工程有限責任公司3,蘭州 730070)

沙棘籽油是從沙棘籽中提取的油脂,具有抗氧化[1]、抗炎[2]、治療多種皮膚損傷[3, 4]等功能,現(xiàn)已廣泛應用于食品、藥品及化妝品等行業(yè)。未經(jīng)精制的沙棘籽油顏色較深,其中含有水分、色素、部分游離脂肪酸及呈味物質(zhì)等[5],影響籽油的商品性及后期儲存的穩(wěn)定性。吸附脫色法在植物油的脫色中應用最為廣泛,常用的脫色劑有凹凸棒土、活性炭、活性白土及硅藻土等。質(zhì)量分數(shù)3%的凹凸棒土可以有效吸附大豆油中的色素[6],炭/凹凸棒土復合材料對棕櫚油進行脫色漂白,脫色后紅色值、過氧化物質(zhì)量分數(shù)分別降低了57.36%和76.34%[7]。使用活性炭對芝麻油進行脫色,脫色率可達23.27%,并且可較好保留油脂中木酚素和維生素E[8]。添加質(zhì)量分數(shù)17%的活性白土于94 ℃下脫色94 min,山桐子油的脫色率可達91.07%[9]。復合硅藻土能有效脫除菜籽油中天然色素[10]。盡管有諸多植物油脂脫色研究,但有關沙棘籽油的脫色工藝參數(shù)優(yōu)化及對主要品質(zhì)指標的影響鮮見報道。

本研究以沙棘籽原油為原料,選用4種常用脫色劑,以脫色率為關鍵參數(shù),優(yōu)選1種脫色劑;并對優(yōu)選脫色劑的添加量、脫色溫度及時間進行的單因素實驗和正交優(yōu)化實驗,獲得最佳脫色參數(shù);以沙棘籽原油為對照,分析2種沙棘籽油的常規(guī)理化指標、脂肪酸種類及相對含量、體外抗氧化活性的差異,評估凹凸棒土的脫色效果。為沙棘籽油脫色工藝參數(shù)優(yōu)化,合理開發(fā)利用沙棘籽油提供一定的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

超臨界CO2萃取沙棘籽原油,以蒸餾水作為參比,在500 nm處有最大吸收峰。

活性炭、凹凸棒土、活性白土、硅藻土均為食品級;甲醇,色譜純;DPPH、硫酸亞鐵、水楊酸、過氧化氫、磷酸氫二鈉、無水硫酸鈉、鐵氰化鉀、無水乙醇、三氯乙酸、三氯化鐵、正己烷、氫氧化鉀、硫酸氫鈉等試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器與設備

Agilent 7000D氣相色譜三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀,Multiskan Go全波長酶標儀,UV752N紫外可見分光光度計,SHZ-D真空泵,L550離心機,RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 方法

1.2.1 沙棘籽油脫色工藝

參考劉瑞花等[8]的方法并做適當調(diào)整。準確稱取沙棘籽油5.0 mL置于容器中,加入一定比例脫色劑與籽油混勻,在真空度為0.06～0.09 MPa,旋轉(zhuǎn)速度為100 r/min,于一定溫度脫色一定時間,脫色結(jié)束后,3 500 r/min離心20 min,收集上清液。

1.2.2 脫色劑的篩選

稱取活性炭、凹凸棒土、硅藻土、活性白土各0.10 g,分別置于50 mL 心形瓶中,分別加入沙棘籽油5.0 mL,按照1.2.1的操作,40 ℃脫色20 min,檢測OD500值,并按照式(1)計算脫色率。

1.2.3 脫色工藝參數(shù)優(yōu)化

針對1.2.2優(yōu)選的脫色劑,進行單因素實驗和正交實驗。單因素實驗在1.2.2的初始條件下分別設置脫色劑質(zhì)量分數(shù)(1%、2%、3%、4%、5%)、脫色溫度(25、40、50、60、70 ℃)、脫色時間(10、20、30、40 min) ,檢測脫色率的變化。在單因素實驗的基礎上,在最優(yōu)值附近設置水平,進行L9(34) 正交優(yōu)化實驗。

1.2.4 脫色效果評價

1.2.4.1 脫色率的測定

參照葉展等[11]的方法,并作適當調(diào)整。以蒸餾水作為參比,于500 nm處測定籽油吸光度,根據(jù)吸光值按式(1)計算脫色率。

(1)

式中:A1為沙棘籽原油的吸光度;A2為沙棘籽油脫色后的吸光度。

1.2.4.2 沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標測定

酸價參照GB 5009.229—2016;過氧化值參照 GB 5009.227—2016;碘值參照 GB/T 5532—2008;水分、揮發(fā)物參照 GB 5009.236—2016進行測定。

1.2.4.3 沙棘籽油脂肪酸種類及相對含量測定

甲酯化:參照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測定》中5.2.2.2酯交換法。

色譜條件:色譜柱為 Agilent DB-23(30 m× 250 μm×0.25 μm);柱流速1 mL/min;升溫程序:50 ℃保持4 min,以 10.0 ℃/min升溫至 150 ℃,保持 3 min,以 4.0 ℃/min升溫至 230 ℃,保持 5 min,進樣口加熱溫度 250 ℃;高純氦氣(He),分流進樣,分流比為20∶1。

質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源(EI),離子源溫度230 ℃,接口溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃;離子源能量 70 eV,質(zhì)譜掃描范圍 35～600m/z。

定性定量分析:各組分經(jīng)過NIST標準譜庫檢索相匹配,再結(jié)合有關文獻進行人工譜圖解析,按面積歸一化法計算脂肪酸相對含量。

1.2.4.4 體外抗氧化活性測定

用無水乙醇溶液將脫色沙棘籽油及沙棘籽原油分別稀釋為一定濃度,用于DPPH自由基、羥自由基清除能力及還原能力的測定。

DPPH自由基清除率的測定:參考邢麗杰等[12]的方法略有改進,準確吸取樣品溶液1.0 mL,加入0.2 mmoL/L DPPH乙醇溶液1.0 mL,搖勻,密封,避光30 min,采用全波長酶標儀,以無水乙醇調(diào)零,在波長517 nm處測定吸光值。以平均值繪圖,按式(2)計算清除率。

(2)

式中:A0為1.0 mL無水乙醇+1.0 mL DPPH溶液;A1為1.0 mL樣品溶液+1.0 mL DPPH溶液;A2為1.0 mL樣品溶液+1.0 mL 無水乙醇。

羥自由基清除率的測定:參照趙統(tǒng)超等[13]的方法進行測定。

總還原能力的測定:參考鄭滿榮等[14]的方法并略有改動。取1.0 mL籽油樣品溶液加入2.5 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽溶液(pH=6.6)和2.5mL 1%鐵氰化鉀溶液,50 ℃水浴30 min,加入 2.5 mL 10% 三氯乙酸溶液,3 500 r/min 離心 30 min,取上清液2.5 mL,依次加入 2.5 mL 蒸餾水,0.5 mL 0.1% 三氯化鐵溶液,靜置30 min,在700 nm 處測定吸光度,蒸餾水做空白。以A700平均值繪圖。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理方式

各項測定至少重復3 次,實驗數(shù)據(jù)用Excel 2016 軟件計算平均值及標準差,利用SPSS 24.0軟件進行 Duncan′s 多重差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。利用GraphPad Prism 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 4種脫色劑對沙棘籽油脫色率的影響

脫色劑種類對沙棘籽油脫色率的影響如圖1所示,4種脫色劑對沙棘籽油均有一定脫色能力,脫色率由高到低依次為:凹凸棒土(12.99%)>硅藻土(11.46%)>活性炭(6.57%)>活性白土(4.06%)。凹凸棒土的脫色率分別高出活性白土219.87%、活性炭97.77%和硅藻土13.29%,且均呈現(xiàn)顯著水平。故選擇凹凸棒土為沙棘籽油脫色劑用于后續(xù)脫色工藝參數(shù)優(yōu)化及評價研究。

圖1 脫色劑種類對沙棘籽油脫色率的影響

油脂吸附脫色效果受吸附劑的孔徑、極性和吸附質(zhì)的尺寸、吸附劑表面基團、吸附質(zhì)、溶劑的化學特性等多種因素共同作用[15]。研究顯示凹凸棒土對沙棘籽油呈現(xiàn)較好的脫色率,與Liu等[6]的研究結(jié)果相似。凹凸棒土具有特殊的礦物形態(tài)和針狀、纖維狀或纖維集合狀的晶體結(jié)構[16, 17],4種脫色劑中凹凸棒土對沙棘籽油的脫色率最高,可能與其孔徑及特殊構造等因素有關。

2.2 沙棘籽油脫色參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 凹凸棒土添加量、脫色溫度、脫色時間對沙棘籽油脫色率的影響

凹凸棒土添加量、脫色溫度和時間對沙棘籽油脫色率的影響如圖2所示。隨著凹凸棒土添加量增加,脫色率呈單峰型變化。當質(zhì)量分數(shù)為3%時,脫色率達到最大,較質(zhì)量分數(shù)1%、2%、4%、5%分別高出了72.40%、43.13%、177.94%、327.40%,差異均顯著(P<0.05)。脫色劑添加量較少時,不能完全吸附油脂中的色素,隨著添加量增加,脫色率呈上升趨勢,添加量繼續(xù)增加,脫色劑逐漸聚集,造成脫色率下降[9]。因此,選擇3%為凹凸棒土的最適質(zhì)量分數(shù)。

圖2 凹凸棒土添加量、脫色溫度和時間對沙棘籽油脫色率的影響

隨著脫色溫度升高,脫色率呈上升趨勢。當溫度升至60℃時,脫色率趨于穩(wěn)定,較25、40、50 ℃分別高出285.16%、45.36%、23.55%,差異均顯著。溫度繼續(xù)升高至 70 ℃時,脫色率較60 ℃時提高了4.29%,但差異不顯著。隨著溫度升高,脫色劑的活性位點被不斷激活[18],脫色劑與油脂體系中分子間的運動加強,籽油脫色率上升[6, 19],當溫度繼續(xù)升高,吸附劑與油脂中的色素逐漸達到最大吸附平衡,脫色率上升不顯著[9]。因此,選擇60 ℃為最佳脫色溫度。

隨著脫色時間的延長,脫色率呈上升趨勢。脫色時間達到30 min時,脫色率趨于穩(wěn)定,較10、20 min分別高出77.62%、14.14%,差異均顯著;脫色40 min時,脫色率較30 min提高了0.43%,但差異不顯著。脫色時間過短時,凹凸棒土對油脂中色素的吸附未能達到飽和狀態(tài),隨著脫色時間的延長,凹凸棒土與油脂中色素接觸越來越充分,脫色率逐漸增加,逐漸到平衡狀態(tài),脫色率趨于穩(wěn)定[20]。因此,選擇30 min為最佳脫色時間。

2.2.2 沙棘籽油脫色正交實驗結(jié)果與分析

沙棘籽油脫色正交實驗結(jié)果及方差分析分別見表1、表2,極差R值表明影響脫色率的因素順序為:A>C>B,由k值得到最佳實驗組合為A3B2C1,方差分析顯示:A因素對脫色率影響顯著,B因素和C因素對實驗結(jié)果影響不顯著,結(jié)合實驗成本、效率及對沙棘籽油中活性成分的綜合考慮,實驗最佳組合為A3B1C1,即脫色劑質(zhì)量分數(shù)為4%,脫色溫度為50 ℃,脫色時間為10 min,經(jīng)3次重復驗證,在此條件下脫色率為(26.93±0.11)%,與表1正交實驗的第8組A3B2C1的脫色率(27.12%)無顯著差異,說明A3B1C1可以作為最終優(yōu)化脫色條件。

表2 沙棘籽油脫色正交實驗方差分析

凹凸棒土的最佳質(zhì)量分數(shù)為4%,該結(jié)果低于凹凸棒土對米糠油[21]、蠶蛹油[22]的脫色添加量,但高于大豆油的脫色添加量[6],導致用量差異的主要原因與油脂的種類密切相關。此外,沙棘籽油的最高脫色率僅為26.93%,該結(jié)果與凹凸棒土對米糠油脫色率90%以上[21]差距較大。其主要原因是米糠油的脫色溫度達到了110 ℃,沙棘籽油含有大量的活性成分[23],不宜使用過高的脫色溫度。

2.3 沙棘籽油脫色前后感官品質(zhì)及常規(guī)理化指標變化

脫色對沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標的影響見表3,沙棘籽油經(jīng)脫色處理后,顏色由橙紅色脫色至橙黃色,脫色后水分和揮發(fā)物質(zhì)量分數(shù)下降了64.28%,表現(xiàn)為籽油的固有氣味變淡。其原因可能是脫色過程中系統(tǒng)負壓與脫色劑的共同作用下,水分、揮發(fā)物和游離脂肪酸被不斷抽離及吸附引起。酸價、過氧化值和碘值是衡量油脂氧化酸敗的重要指標。脫色沙棘籽油酸價較原油下降了2.92%,過氧化值提高了9.41%,碘值下降了2.36%,這與劉元法等[24]報道的結(jié)果不一致,可能是脫色體系在加熱及旋轉(zhuǎn)的條件下,一定程度促進了油脂的部分氧化,導致籽油的碘值下降,過氧化值上升。經(jīng)比較,表3中各指標均符合國際沙棘協(xié)會頒布的T/ISAS 003—2021《沙棘籽油》。

表3 脫色對沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標的影響

2.4 脫色沙棘籽油脂肪酸種類及相對含量分析

沙棘籽油脫色前后脂肪酸總離子流色譜圖及脂肪酸組成與相對含量分別如圖3、圖4所示,沙棘籽油脫色前后均檢出7種脂肪酸(圖3),脫色后2種必需脂肪酸的質(zhì)量分數(shù)變化顯著,亞油酸提高1.3%,α-亞麻酸下降了2.9%(圖4),這與吸附劑的吸附作用有關[25],部分油脂會被吸附,造成脂肪酸組成的改變[26],但脫色對籽油多不飽和脂肪酸相對總含量影響不顯著。研究檢出脂肪酸較T/ISAS 003—2021多一種,為花生酸,其余6種脂肪酸的質(zhì)量分數(shù)均符合T/ISAS 003—2021。

注:1～7分別為棕櫚酸、棕櫚油酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、α-亞麻酸、花生酸。圖3 沙棘籽油脫色前后脂肪酸總離子流色譜圖

注:C1為棕櫚酸;C2為棕櫚油酸;C3為硬脂酸;C4為油酸;C5為亞油酸;C6為α-亞麻酸;C7為花生酸圖4 沙棘籽油脫色前后脂肪酸組成與質(zhì)量分數(shù)

2.5 脫色沙棘籽油的抗氧化能力分析

沙棘籽油脫色對DPPH自由基、羥自由基清除率及總還原能力的影響見圖5,脫色沙棘籽油對DPPH自由基的清除率隨其濃度的增加而增強(圖5a),質(zhì)量濃度為2、4、6 mg/mL時,脫色沙棘籽油相應清除率較原油分別低37.21%、31.61%、13.21%,差異均顯著;8 mg/mL時,較原油差異不顯著;10 mg/mL時,高出原油5.07%,差異顯著。脫色籽油對羥自由基清除率隨濃度的增加呈單峰型變化趨勢(圖5b),質(zhì)量濃度高于0.6 mg/mL時,清除率略下降。清除率峰值較原油略有后移,質(zhì)量濃度在0.2～1.0 mg/mL范圍內(nèi),相應清除率較原油差異不顯著。吸光值越大說明樣品的總還原能力越強[12],脫色籽油質(zhì)量濃度為2～10 mg/mL的吸光值A700在1.05～1.08之間,呈輕微的上升趨勢(圖5c),較原油變化趨勢更為平緩,但相應濃度的清除率較原油差異不顯著。結(jié)果表明,脫色對沙棘籽油清除羥自由基能力和還原能力無顯著影響。籽油質(zhì)量濃度低于8 mg/mL時,脫色處理降低了沙棘籽油對DPPH自由基的清除能力。

注:大寫字母不同表示組內(nèi)不同濃度清除率差異顯著;小寫字母不同代表組間同濃度清除率差異顯著。圖5 沙棘籽油脫色對DPPH自由基、羥自由基清除率及總還原能力的影響

自由基清除率和總還原能力是衡量抗氧化能力的重要指標。植物油中不飽和脂肪酸與脂質(zhì)伴隨物,如生育酚[27,28]、植物甾醇和酚類化合物[29]等共同構成內(nèi)源性抗氧化體系,成分間存在相加、協(xié)同及拮抗作用等關系,從而影響油脂的氧化穩(wěn)定性[30]。本研究顯示,籽油質(zhì)量濃度低于8 mg/mL時,脫色處理降低了沙棘籽油對DPPH自由基的清除能力。這與油茶籽油采用白土活性炭粒復合脫色對DPPH自由基清除能力影響規(guī)律[31]類似,凹凸棒土脫色過程中,可能是吸附了酚類化合物,導致 DPPH自由基清除能力的變化。此外,沙棘籽油脫色前后羥自由基清除率和總還原能力差異不顯著,可能與籽油中不飽和脂肪酸的含量變化不顯著相關[30]。

3 結(jié)論

沙棘籽油最佳脫色劑為凹凸棒土,在單因素基礎上通過正交優(yōu)化實驗得到最佳脫色參數(shù)為:凹凸棒土質(zhì)量分數(shù)4%,脫色溫度50 ℃,脫色時間10 min,在此條件下脫色率可達26.93%。脫色處理未改變籽油中脂肪酸的種類及多不飽和脂肪酸的相對含量,脫色對羥自由基清除率及總還原能力無顯著影響。因此,可以采用凹凸棒土作為沙棘籽油的良好脫色劑進行開發(fā)。