加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量綜合研究型實驗

陶　佳, 杭義萍, 龔華清

(華南理工大學 化學與化工學院, 廣東 廣州　510640)

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加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量綜合研究型實驗

陶佳, 杭義萍, 龔華清

(華南理工大學 化學與化工學院, 廣東 廣州510640)

從研究型教學的理念出發,開設了“加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量”綜合研究型實驗。闡述了實驗選題的目的和意義、實驗設計的原理、內容以及實驗結果。該實驗選題新穎、具有較強的實用性,學生的參與熱情較高,能夠幫助學生全方位學習實際樣品的前處理的原理與分析方法,拓寬學生的視野,培養學生的工程意識。該實驗樣品成本較低、安全性較高,可作為大學綜合化學實驗進行推廣。

谷物; 油脂含量; 綜合性實驗； 加速溶劑萃取

借鑒國內外高校開放實驗教學的實踐經驗,在傳統的實驗內容以及學生所掌握的萃取實驗理論知識基礎上,設計了“加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量”綜合研究型實驗。本實驗利用常見的谷物如花生、芝麻、大豆等作為原料,幫助學生掌握一種新型的植物油萃取技術——加速溶劑萃取,將經典實驗與現代化技術結合,將實驗內容與激發學生興趣相結合,目的在于讓學生掌握解決實際問題的一般方法,同時嚴謹的數據處理過程也有利于培養學生的科學素養。

1　實驗的目的和意義

化學專業如何改革和調整,以適應新型人才培養的要求,成為了各大高校相關教育工作者的工作重點[1]。實驗教學作為化學專業本科教學中的重要內容,是將理論知識與實踐過程聯系起來的重要紐帶[2]。因此,著眼于解決問題、巧妙地設計實驗教學內容對于培養兼具科學理論基礎與實驗技能的化學專業人才十分重要[3]。本實驗主要意義如下:

(1) 分析對象貼近生活。本實驗的檢測對象為花生、芝麻和大豆,均為日常生活中最常見的食物。在眾多的谷類食品中,這三者的油脂含量較高,而人如果在日常飲食中攝入過多的油脂,會給身體健康帶來嚴重的負擔,因而其油脂含量是人們關注的重要指標之一[4-5]。通過介紹,引起學生的好奇和興趣,激發學生的主觀能動性。

(2) 經典實驗結合現代技術。萃取實驗理論是化學專業學生需掌握的重要知識點之一,然而以往的實驗內容較為單一,通常只選取幾種不同的溶劑對于目標物進行萃取。加速溶劑萃取技術(ASE)是在升高溫度和增大壓力的條件下,用有機溶劑進行萃取的一種全新的萃取方法[6-8]。在綜合實驗中加入加速溶劑萃取儀的使用，讓學生更全面學習儀器分析的基礎技能,對今后在相關領域進一步學習或在工作中應用都是非常實用的技能儲備。

(3) 鍛煉學生綜合能力。在學習了分析化學及實驗與儀器分析及實驗兩門課程的基礎之上,將理論運用于解決實際樣品的分析測試,有助于學生加深對基本知識理論的理解。本實驗通過一個完整的實際問題的解決過程：掌握基本理論與知識、樣品處理、加速溶劑萃取、數據處理等步驟,可以充分培養學生的創新意識和動手能力,鍛煉學生的綜合能力。

2　實驗要求與安排

2.1實驗要求

本實驗主要要求學生掌握以下幾點基本知識與技能:

(1) 實際樣品花生、芝麻與大豆的處理方法；

(2) 加速溶劑萃取儀預熱與實驗準備；

(3) 利用加速溶劑萃取技術萃取花生、芝麻與大豆中的油脂；

(4) 利用重量法對實驗結果進行分析。

2.2實驗安排

我校的本科“綜合分析化學實驗”共48個學時,6個實驗,平均每個實驗8學時。“加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量”實驗內容包括加速溶劑萃取植物油和重量法分析油脂含量。平均每次參加實驗的學生為8人,共分為4組,每2人一組。本實驗使用加速溶劑萃取儀(APLE1000)提取花生、芝麻和大豆的油脂,利用分析天平對油脂含量進行分析與統計并得出結論。具體實驗安排見表1。

3　實驗原理

圖1為加速溶劑萃取系統示意圖。具體萃取路線：在高溫(50～200 ℃)和高壓(3.44～21MPa)下,用有機溶劑在較短的時間內(5～10min)萃取樣品。

表1　實驗安排

壓縮氣體的作用是吹洗萃取池,使萃取液進入收集瓶中。目前,加速溶劑萃取法適用于固體或可以保留在萃取池中的半固態樣品的萃取。溫度和壓力升高后的液相萃取能比常溫常壓下的萃取效率更高的原因主要有兩個:增加溶解度和擴散系數及降低表面張力。

圖1　加速溶劑萃取系統示意圖

提高溫度能夠增加待萃取物在溶劑中的溶解度[9-11]。例如,在理想條件下,溫度從50 ℃升高到150 ℃能使蒽的溶解度提高約15倍；而烴類的溶解度,如正十五烷可以提高數百倍。萃取溫度越高擴散速率越快,然而在一定濃度的多組分系統里,溫度和擴散速率的確切關系其實很難確定。一般而言,溫度從25 ℃增至150 ℃,體系的擴散系數大約增加2～10倍。另外,如果靜態的萃取過程中加入和傳統索氏萃取法類似新的萃取溶劑的步驟,則可增加溶劑進入樣品基體的擴散,從而提高萃取率。增加新的萃取溶劑將會增加萃取池內溶液的濃度梯度,新補充的萃取溶劑可保證在部分萃取液進入收集瓶后萃取池內的溶液被及時稀釋。根據菲克第一定律,濃度梯度越大,擴散速率越快。

在降低表面張力方面,溫度和壓力都有著非常重要的影響[12-14]。提高溫度能極大地減弱了由范德華力與溶質分子和樣品基體活性位置的偶極吸引力引起的溶質與基體之間的強相互作用力，溶質分子的解析動力學過程被加速了,解析過程中所需的活化能被減小。另外,升高溫度可降低溶劑的黏度,溶劑進入樣品基體的阻力從而被減小,同時溶劑更易擴散進入樣品基體,更有利于萃取。增加足夠的壓力能使溶劑在較高的溫度下仍保持液態，同時,高壓有利于對分散于基質間隙的樣品的萃取,使萃取液在機制中擴散。

4　實驗

4.1儀器與試劑

儀器:APLE1000加速溶劑萃取儀(見圖2),配有33mL萃取池、60mL收集瓶；電子分析天平；循環真空水泵；恒溫水浴鍋；旋轉蒸發儀；研杵和研缽；烘箱；通風櫥；100mL圓底燒瓶；移液槍。

試劑:硅藻土；無水硫酸鈉；石英砂；帶皮熟花生；生黑芝麻；大豆粉；正己烷。

圖2　APLE1000加速溶劑萃取儀

4.2實驗步驟

(1) 實驗樣品的制備。用分析天平分別稱取8g熟花生、生芝麻、大豆粉,3g硅藻土,稱量精確到0.1mg,放入研缽中研磨,至再無粗大顆粒且樣品與硅藻土混合均勻,將研磨均勻的樣品移入33mL萃取池,樣品與萃取池的空隙盡量用硅藻土填滿。

(2) 植物油收集瓶的準備。取干凈的100mL圓底燒瓶,放入烘箱中,烘箱溫度調至102 ℃±2 ℃,干燥1h；然后取出燒瓶,使其冷卻(防塵)至天平室溫度,將收集瓶放到分析天平上稱量,精確至0.1mg,備用。

(3)APLE1000加速溶劑萃取儀的準備。先開機預熱,按照實驗的APLE萃取條件設置萃取參數,連接好實驗所需的萃取溶劑；預置好方法后對儀器進行預熱；先將樣品全部在萃取池中填充好,然后將萃取池放入儀器樣品盤上,調至萃取位,運行之前保存好的方法文件,進行萃取。

(4) 二因素二水平實驗考察加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油的結果。預實驗中以植物油的提取率為指標,首先采用二因素(萃取時間、萃取溫度)二水平正交試驗方案研究加熱溫度和靜態萃取時間對提取過程的影響。其他實驗條件：萃取溶劑為100%正己烷，加熱時間為5min，淋洗體積為40%，吹掃時間為60s，循環次數2次，萃取壓力為10mpa。萃取率是植物油與谷物的質量比,每組萃取方案做3組平行實驗，取平均值。根據預實驗得到的最佳結果確定最佳的萃取條件。今后的實驗中,每組學生只需在最佳條件下重復實驗即可。正交設計因素和水平見表2。表中A為加熱溫度，B為靜態萃取時間。

表2　加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油

(5) 三因素二水平實驗考察加速溶劑萃取花生油的結果。壓力特性是加速溶劑萃取技術中的最重要特性之一,因此以花生油為例,加入壓力因素,采用三因素(萃取時間、萃取溫度、萃取壓力)二水平正交試驗方案研究加速溶劑萃取對花生油的提取過程。其他實驗條件：萃取溶劑為100%正己烷，加熱時間為5min，淋洗體積為40%，吹掃時間為60s，循環次數2次。萃取率是植物油與谷物的質量比,每組萃取方案做三組平行實驗取平均值。正交設計三因素二水平見表3，表中C為萃取壓力。

表3　加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油正交設計三因素和二水平表

(6) 溶劑蒸發。萃取完成后,將收集瓶中的萃取液緩緩倒入油脂收集瓶中,然后用萃取溶劑小心沖洗收集瓶內壁,并將沖洗液收集到油脂收集瓶中(要小心操作,以防溶劑濺到油脂收集瓶外壁)，然后利用旋轉蒸發儀除掉溶劑,在70 ℃水浴中加熱。

(7) 烘干稱量。將油脂收集瓶放入烘箱中,在100 ℃條件下加熱1h,取出油脂收集瓶冷卻至天平室的溫度；稱量,精確至0.1mg。通過比較萃取率,獲得最優實驗條件。得出花生、大豆食品中油脂的含量。萃取率的計算公式為

其中:m0為萃取池中樣品的質量(g)，m1為脂肪收集瓶空瓶的質量(g)，m2為萃取液蒸干后含脂肪的收集瓶質量(g)。

4.3結果與討論

4.3.1二因素二水平實驗考察加速溶劑萃取植物油的實驗結果

從表4中數據可看出:萃取溫度和靜態萃取時間對植物油萃取率的影響較大，在溫度一定時,增加靜態萃取時間對萃取率提高的效果顯著；在靜態萃取時間不變時,提高萃取溫度,則花生油的萃取率升高。從萃取率可得出植物油的最佳萃取條件均為:萃取溶劑為100%正己烷，加熱溫度為130 ℃，萃取壓力為10mpa，加熱時間為5min，靜態時間為10min，淋洗體積為40%，吹掃時間為60s，循環次數2次。

表4　加速溶劑萃取谷物二因素二水平正交實驗結果

4.3.2三因素二水平實驗考察加速溶劑萃取花生油的實驗結果

從表5的結果可知,萃取溫度和靜態萃取時間一定時,增加萃取壓力可以提高植物油的萃取率。但是在較高的壓力條件下,會降低儀器的使用壽命,因此在學生實驗過程中仍然使用10mPa的萃取壓力。

表5　加速溶劑萃取花生油三因素二水平正交實驗結果

4.3.3分析谷物中的油脂含量

從表6中的結果可知,3組實驗測定結果的相對標準偏差RSD較小,表明該實驗方法具有較高的穩定性。花生、芝麻、大豆中油脂的測定結果的平均值與已發表的文獻報道的結果較為接近,表明該方法有較高的準確性。因學生之間存在的個體差異性,對于誤差較大的實驗結果,可以安排學生設置1～2個課外學時進行多次重復實驗。

表6　花生、芝麻、大豆中的油脂含量及對比

5　結語

“基于問題解決的分析化學實驗課程教學改革”項目一直是我校教改過程中的一個重要環節,可以使充分調動學生的動手操作的興趣,發揮學生的主觀能動性、積極性和創造性。“加速溶劑萃取技術分析谷物中的油脂含量”的綜合型研究實驗有利于學生理論聯系實際,增強感性認識,培養了學生獨立思考、善于創造、綜合運用知識的能力。研究型實驗項目的建設和實踐,使我校的實驗教學和人才培養的質量得到很大的提高。

References)

[1] 馬大中,崔瑾,梁軍勝,等. 基于創新型人才培養的創新實驗項目探索與實踐[J]. 實驗技術與管理,2014,31(9):33-36.

[2] 呂淑平,馬忠麗,王科俊,等. 基于創新型工程科技人才培養的實驗教學體系建設與實踐[J]. 實驗技術與管理,2012,29(7):133-135.

[3] 潘涌璋,唐啟紅,張秋明,等. 大學生創新性實驗計劃項目管理模式探討[J]. 實驗技術與管理,2012,29(6):146-149.

[4]LlopisM,SnchezJ,PriegoT,etal.Maternalfatsupplementationduringlatepregnancyandlactationinfluencesthedevelopmentofhepaticsteatosisinoffspringdependingonthefatsource[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2014,62(7):1590-1601.

[5]RosaNN,PekkinenJ,ZavalaK,etal.Impactofwheataleuronestructureonmetabolicdisorderscausedbyahigh-fatdietinmice[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2014,62(41):10101-10109.

[6]KleinAP,BeachES,EmersonJW,etal.AcceleratedsolventextractionofligninfromAleuritesmoluccana(candlenut)nutshells[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2010,58(18):10045-10048.

[7]RichterBE,JonesBA,EzzellJL,etal.Acceleratedsolventextraction:atechniqueforsamplepreparation[J].AnalyticalChemistry,1996,68(6):1033-1039.

[8]HeffelsP,WeberF,SchieberA.Influenceofacceleratedsolventextractionandultrasound-assistedextractionontheanthocyaninprofileofdifferentvacciniumspeciesinthecontextofstatisticalmodelsforauthentication[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2015,63(34):7532-7538.

[9] 牟世芬,劉勇建. 加速溶劑萃取的原理及應用[J]. 現代科學儀器,2001(3):18-20.

[10] 邵海洋,徐剛,吳明紅,等. 加速溶劑萃取-氣相色譜串聯質譜法檢測沉積物中痕量增塑劑[J]. 分析化學,2013,41(9):1315-1321.

[11] 陳軍輝,楊佰娟,李文龍,等. 加速溶劑萃取技術在中藥有效成分分析中的應用[J]. 色譜,2007,25(5):628-632.

[12]LiH,PordesimoL,WeissJ.Highintensityultrasound-assistedextractionofoilfromsoybeans[J].FoodResearchInternational,2004,37(7):731-738.

[13]WangL,WellerCL.Recentadvancesinextractionofnutraceuticalsfromplants[J].TrendsinFoodScience&Technology,2006,17(6):300-312.

[14]JuZY,HowardLR.Effectsofsolventandtemperatureonpressurizedliquidextractionofanthocyaninsandtotalphenolicsfromdriedredgrapeskin[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2003,51(18):5207-5213.

[15] 姚云游,喬玉蘭. 花生功能成分及營養價值的研究進展[J]. 中國油脂,2005,30(9):31-33.

[16] 鞠陽,汪學德,馬素換. 微波處理對芝麻出油率及油脂品質的影響[J]. 糧油食品科技,2015,23(4),40-43.

[17] 韓宗元,李曉靜,江連州. 水酶法提取大豆油脂的中試研究[J]. 農業工程學報,2015,31(8):283-289.

Acomprehensiveexperimentofanalysingoilcontentinsoyfoodbasedonacceleratedsolventextractiontechnique

TaoJia,HangYiping,GongHuaqing

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Consideringtherequirementsofhighqualityfoodinmodernlifeandtheconceptofresearch-basedteaching,thispaperproposesacomprehensiveresearchexperimentfocusedon“Theanalysisofoilcontentinsoyfoodbasedontheacceleratedsolventextractiontechnique,”thedesignedmechanism,contentandresultsarediscussedindetail.Theteachingpracticeshowsthatthisnovelexperimentshavenotonlyastrongpracticability,butalsoagreatappealforstudents.Thislessoncouldassistthestudentsinstudyingthepre-treatmentofrealsamples,analyticalmethodsanddataprocessingsoftwarecomprehensively.Inaddition,itcouldbroadenstudents’horizonsandcultivatesthestudents’engineeringconsciousness.Thesampleinexperimentsislowcostandhighsafety,itissuitabletobeusedastheteachingcontentofcomprehensiveanalyticalchemistryexperiment.

soyfood;oilcontent;comprehensiveexperiments;acceleratedsolventextraction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.016

2016-01-24修改日期：2016-03-07

中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015ZM055)

陶佳(1988—)，女，湖南株洲，博士，講師，主要從事分析化學的理論與實驗教學及研究工作.

E-mail：cejtao@scut.edu.cn

O6-3;O658.2

A

1002-4956(2016)7-0063-04