亞臨界萃取小麥胚芽油工藝研究

宋國輝，孫 強，張麗霞，蘆 鑫，黃紀念

(河南省農科院農副產品加工研究所/河南省農產品生物活性物質工程技術研發中心，鄭州 450002)

小麥胚芽是小麥制粉加工的副產物，我國每年制粉工業可產生3萬—5萬t［1］小麥胚芽。小麥胚芽是小麥籽粒的精華部分，富含優質蛋白質、碳水化合物、脂肪、多種維生素及礦物質、微量元素等，有“人類天然的營養寶庫”［2-6］的美稱。特別是其脂中含有8%—13%的小麥胚芽油。小麥胚芽油富含維生素E、亞油酸、亞麻酸、二十八碳醇及多種生理活性組分，特別是天然維生素E 含量為植物油之冠，對調節人體內電解質平衡、調節血壓、降低膽固醇、預防心腦血管疾病有重要作用。已被公認為一種頗具營養保健作用的功能性油脂，素有“油黃金”的美譽。

目前小麥胚芽油的生產工藝主要有超臨界CO2流體萃取法、常壓浸出法和低溫壓榨法，但這些方法都存在較多不足［7-11］。超臨界CO2流體萃取法對設備要求高，設備處理量小，難易適應油脂工業的大規模生產;常壓浸出法是以正己烷(又稱“六號”溶劑)為溶劑在常壓下從油料中萃取油脂的工藝，其萃取、油脂脫溶和餅粕脫溶工序所需溫度較高，能耗大，且餅粕長時間處于高溫狀態，餅粕蛋白變性率高;低溫壓榨法生產工藝簡單，直接壓榨即可，但餅粕殘油高，不適合小麥胚芽這一低含油率油料的油脂生產，且毛油雜質較多、含水量大。

亞臨界萃取技術是一種加壓流體萃取技術，用于油脂萃取時，其工作是在常溫和一定壓力下 (0.3—0.8MPa)進行，所用的萃取劑在常溫常壓下是以氣體形式存在，在加壓狀態下以流體狀態存在。在亞臨界加壓狀態下，萃取劑的分子擴散能力增強，傳質速率加快，對物料中的油脂等弱極性物質的滲透性和溶解能力顯著提高。同時萃取過程采用低溫或常溫，充分保留了萃取物料的天然活性成分，萃取過程與空氣隔絕，不會使特殊物料發生氧化等反應，目標物保留完全。萃取壓力低，對設備要求較超臨界萃取低的多，易于實現工業化規模生產。因此，亞臨界萃取被視為一項綠色環保、前景廣闊的制油新技術［12-18］。基于亞臨界萃取技術的上述優勢，對小麥胚芽油的亞臨界萃取技術進行了工藝優化，并設計了適合工業化生產的三級罐組逆流萃取工藝，為亞臨界萃取技術在小麥胚油制取中的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

小麥胚芽(含油量11.5%)，外形為片狀顆粒，厚度0.1—0.2mm，直徑約3mm，由安陽漫天雪食品制造有限公司提供;液化石油氣(丙烷和丁烷混合物)，濮陽市液化石油氣有限公司提供;其余分析檢測試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

脂肪快速測定儀、CEB-5L 型亞臨界流體萃取設備，由河南省農科院農副產品加工研究所與安陽漫天雪食品制造有限公司聯合設計制造;日處理30t 原料亞臨界萃取成套裝備，安陽漫天雪食品制造有限公司制造;電子天平，METTLER PM200 上海電子天平廠;SH10A 型快速水分測定儀，上海民橋精密科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝路線

亞臨界萃取小麥胚芽油試驗工藝流程:

1.2.2 小麥胚芽油出油率計算

采用植物油脂含量測定法(GB/T14488.1—2008)測定油脂含量。出油率采用(1)式計算:

(1)式中，m1為萃取出的小麥胚芽油的質量，單位為g;m 為小麥胚芽油原料中的含油量，單位為g。

2 結果與分析

2.1 亞臨界萃取工藝優化

2.1.1 料液比對小麥胚芽出油率的影響

萃取溫度為50℃、萃取時間為60min 的條件下，作料液比分別為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 的單因素試驗，結果表明，出油率隨溶劑用量的增加而升高，當料液比從1∶2 增到1∶8 時，出油率提高幅度較大，但料液比增加到1∶8 以后，出油率增加緩慢。由此可見，對于一定量的物料，增大溶劑用量可增大油脂在溶劑中的含量，提高出油率。但增加到一定程度后，該因素對出油率的影響明顯減小，且溶劑過多不利于溶劑的回收，會增加殘溶及溶劑溶劑回收的能耗。綜合考慮，試驗條件下選擇料液比為1∶8 最佳。

2.1.2 萃取溫度對小麥胚芽出油率的影響

在料液比為1∶8、萃取時間為60min 的條件下，作萃取溫度分別為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃的單因素研究。由圖1 可知，在試驗條件下，出油率隨著溫度的提高呈現先升高后降低的趨勢，45℃時，出油率最高。溫度對油脂萃取過程有兩方面的影響:一方面，由于溫度的升高，溶質擴散系數增大，油脂萃取效率增加，出油率增加，顯示出正效應;另一方面，溫度的升高引起溶劑密度變小，對甘油三酯的溶解度下降，顯示出負效應，當負效應的影響增大到一定程度時出油率增加緩慢，當負效應的影響大于正效應時出油率開始下降［19］。從而萃取溫度升高到一定程度以后，出油率增加緩慢甚至下降。并且萃取溫度過高會導致能耗過大、且不易操作，綜合考慮，選擇最佳萃取溫度為45℃。

圖1 萃取溫度對出油率的影響

2.1.3 萃取時間對出油率的影響

在料液比為1∶8、萃取溫度為45℃的條件下，作萃取時間分別為30min、40min、50min、60min、70min和80min 的單因素研究，萃取時間對小麥胚芽油出油率的影響見圖2。油脂在亞臨界流體中達到溶解平衡需要一定的時間，但過長的萃取時間會增加能耗。萃取時間的延長，小麥胚芽油出油率會增加，于70 min時達到最大值87.55%，當超過70 min 后，提取率趨向穩定。萃取時間的增加會造成能耗的增加以及工序時間的延長，綜合考慮，萃取時間在60—70 min為宜。

圖2 萃取時間對出油率的影響

2.1.4 亞臨界萃取正交試驗

在單因素試驗結果的基礎上，采用3 因素3 水平的L9(3)3正交試驗設計對小麥胚芽油萃取工藝中的料液比、萃取溫度和萃取時間進行優化，正交試驗設計與結果見表1。

表1 正交試驗設計及結果

由表1 可知，亞臨界萃取小麥胚芽油時各因素對出油率影響的主次順序為萃取時間＞料液比＞萃取溫度;亞臨界萃取小麥胚芽油的最佳工藝組合為C3A2B2，即萃取時間65min、料液比1∶8、萃取溫度45℃，與正交試驗表中的試驗5 的組合一致，最大出油率為88.68%。

2.2 亞臨界萃取小麥胚芽油中試研究

2.2.1 萃取次數對小麥胚芽出油率的影響

考慮到工業化生產的實際情況，若按1∶8 的料液比進行工業生產時，每罐裝入的物料有限。同時過多的溶劑使用也會增加后期溶劑回收的能耗。為了充分利用萃取罐的容積、擴大處理量、減少能耗，針對性地開展了少量溶劑多次提取的中試試驗，考察萃取次數對小麥胚芽出油率的影響。萃取溫度為45℃，每次的萃取時間為20min。分別考察了料液比為1∶1，1∶1.5 和1∶2，分別萃取2 次、3 次、4 次的組合研究。

在相同的萃取次數下，料液比越大，出油率越高。同一料液比條件下，萃取次數越大，出油率越高。但在料液比為1∶1.5 和1∶2 的條件下，萃取3 次和4 次的4 個萃取工藝之間的出油率相差較小。綜合出油率和生產成本、效率三方面考慮，選擇料液比為1∶1.5，萃取次數為3 次，此工藝下出油率為92.3%。

2.2.2 三級罐組逆流萃取工藝

在進行2.2.1 中的料液比為1∶1.5、萃取次數為3 次的試驗時，我們發現，第1 次萃取時的出油率為69.6%，第2 次萃取時的出油率為14.05%，第3 次萃取時的出油率為8.65%，即隨萃取次數的增加，溶劑中芝麻油的含量越來越低，造成第2 次和第3 次萃取的溶劑利用效率低。為此我們設想采用如圖4 所示的三級罐組逆流萃取工藝，即新鮮溶劑A 先用于含油量最低的需第3 次萃取的小麥胚芽粕g 的萃取，經粕溶分離后，溶劑與油的混合液D 再與需第2 次萃取的小麥胚芽粕d 接觸萃取，再經粕溶分離后，最后與新鮮小麥胚芽原料接觸a 進行萃取，得到接近飽和的溶劑與混合油J，混合油J經脫溶得到小麥胚芽毛油I，溶劑經壓縮液化后回收后重復利用。

采用圖3 所示的亞臨界萃取罐組逆流萃取工藝，每罐加料300kg，按照料液比1 ∶1.5，萃取溫度45℃，每罐萃取20min 的工藝參數進行了生產試驗。所萃小麥胚芽油的出油率見表2。由表2 可知，三級罐組逆流萃取所得小麥胚芽油的出油率為90.7%，接近于2.3.1 萃取3 次后的出油率。每一批物料經過3 次萃取實際所用的溶劑量為物料的1.5 倍，與小試工藝的料液比1∶8 相比，每周期節省溶劑消耗80%，可大幅降低混合油脫溶的能耗，溶劑的利用率也大幅提高。

圖3 亞臨界萃取三級罐組逆流流程示意

表2 三級罐組逆流萃取生產試驗結果

3 結論

通過單因素和正交試驗，進行了小麥胚芽油亞臨界萃取小試工藝參數優化，最佳工藝參數為萃取時間65min、料液比1∶8、萃取溫度45℃，出油率為88.68%。在小試工藝優化的基礎上，開展了工業化的適用性試驗，設計了三級罐組逆流萃取工藝，所得小麥胚芽油的出油率為90.7%，每一批物料經過3 次萃取實際所用的溶劑量為物料的1.5 倍，與小試工藝的料溶比1∶8 相比，每周期節省溶劑消耗80%，可大幅降低混合油脫溶的能耗，溶劑的利用率也大幅提高。

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