鹽藻油超聲波提取工藝優(yōu)化及理化性質分析

孫協(xié)軍 李秀霞 馮彥博 劉雪飛 畢海燕

(渤海大學化學化工與食品安全學院，錦州 121013)

鹽藻油超聲波提取工藝優(yōu)化及理化性質分析

孫協(xié)軍 李秀霞 馮彥博 劉雪飛 畢海燕

(渤海大學化學化工與食品安全學院，錦州 121013)

以丙酮為提取溶劑，考察了超聲波功率、液固比、提取溫度、提取時間和提取次數(shù)對鹽藻油得率的影響，并對不同方法所得鹽藻油的理化性質進行了分析。結果表明，超聲波功率和提取次數(shù)對鹽藻油得率沒有顯著影響(P>0.05)，其余各因素影響的主次順序為：超聲溫度>液固比>超聲時間，超聲波輔助提取鹽藻中油脂的最佳工藝參數(shù)為：液固比29 mL/g、超聲時間47 min、超聲溫度48 ℃，在優(yōu)化條件下，鹽藻油的得率最高為16.20%。常規(guī)回流提取、微波提取和超聲波提取對鹽藻油的理化性質沒有顯著影響，鹽藻油的黏度(40 ℃運動黏度>80 mm2/s)和酸值(>10 mgKOH/g)較高，需要經(jīng)過降酸降黏處理后才能被加工利用。

鹽藻油 超聲波 提取 理化性質

鹽藻，即鹽生杜氏藻(DunalselalSalina)，是單細胞的浮游植物，屬于綠藻門、真綠藻綱、團藻目、鹽藻科，其藻體為卵圓形、橢圓形或梨形，長18～28 μm，寬9.5～14 μm，沒有細胞壁，在不同的鹽度、光照、溫度等環(huán)境下其形態(tài)變化較大[1]。具有不消耗淡水、倍增周期短、單位面積產(chǎn)量大等優(yōu)點，并且可以在鹽堿地、黏土地、灘涂以及淺海、湖泊養(yǎng)殖。商業(yè)鹽藻粉含有30%左右蛋白質、15%～20%的油脂、10%～20%鹽類及10%左右水分等成分[2]，鹽藻油脂含量較高且鹽藻油富含棕櫚酸、油酸和亞油酸等不飽和脂肪酸和類胡蘿卜素等活性成分，具有很好的營養(yǎng)價值和保健功能。微藻油由于富含類胡蘿卜素等抗氧化物質，氧化穩(wěn)定性較好，在食品、醫(yī)藥和飼料等領域有良好的應用前景[3]。

油脂提取常用的方法主要有壓榨法、有機溶劑浸提法[4]、超臨界CO2萃取法[5]、微波萃取[6]及超聲波輔助溶劑萃取[7]等。由于微藻細胞在十幾個微米左右，不能采用壓榨法提取油脂，常用有機溶劑或植物油作為溶劑提取微藻油脂，超聲波輔助技術常用在油脂溶劑萃取過程，具有短時高效的特點[7]，本研究采用超聲波輔助溶劑萃取的方法提取鹽藻油，并對得到的鹽藻油的理化性質進行分析，為鹽藻油的進一步開發(fā)利用奠定理論研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

鹽藻粉由大連豐源達餌料有限公司提供。

1.2 主要試劑和儀器

37種脂肪酸甲酯標品(30 mg/mL)：美國Restek公司；三氟化硼乙醚溶液、乙酸乙酯、石油醚等均為分析純。

2014C氣相色譜儀：島津儀器蘇州有限公司；HGT-300E氮、氫、空氣發(fā)生器：北京匯龍公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 回流提取方法

稱取一定量鹽藻粉于100 mL平底燒瓶中，按液固比為25 mL/g加入一定的提取溶劑，連接冷凝管，在水浴溫度為65 ℃條件下回流提取10 h后，提取液減壓抽濾，抽濾液置于已于105 ℃恒重的磨口平底燒瓶中，旋轉蒸發(fā)回收溶劑，然后將盛提取物的燒瓶放入105 ℃烘箱干燥至恒重，計算鹽藻油含量。

1.3.2 微波提取方法

稱取一定量鹽藻粉于微波樣品罐中，按設計加入一定量的提取溶液，設定合適的提取溫度、攪拌速度100 r/min和風冷時間10 min，在不同的微波功率下提取一定時間, 到設定風冷時間結束后，取出樣品罐，將提取液減壓抽濾，濾液置于已恒重的磨口平底燒瓶中，旋轉蒸發(fā)回收溶劑，然后將盛提取物的燒瓶放入105 ℃烘箱干燥至恒重，計算鹽藻油得率。

1.3.3 超聲波輔助提取方法

稱取鹽藻粉樣品1 g于100 mL具塞錐形瓶中，按要求加入一定的提取溶劑，超聲處理一定時間后減壓抽濾，旋轉蒸發(fā)回收溶劑，將提取物放入105 ℃烘箱干燥至恒重，計算鹽藻油得率。

1.3.4 脂肪酸分析方法

色譜條件：Rt-2560色譜柱(100 m×0.25 mm×0.2 μm)，升溫程序：初始溫度100 ℃，以4 ℃/min升至240 ℃，保持35 min；入口壓力135.5 kPa，載氣氮氣，總流量28.1 mL/min，柱流量0.49 mL/min，線速度11.9 mL/min，進樣量1 μL，分流比50∶1，汽化室溫度225 ℃，檢測器溫度250 ℃。

定量方法：采用外標法定量，將37種脂肪酸甲酯標準品稀釋至適當倍數(shù)后，進樣1 μL，采用色譜工作站處理得到的數(shù)據(jù)，以各脂肪酸甲酯峰面積x(×105)為橫坐標，相應的質量濃度y(mg/mL)為縱坐標，繪制標準曲線。鹽藻油脂肪酸含量按下式計算：脂肪酸含量=[脂肪酸甲酯濃度(mg/mL)×定容體積(mL)/樣品質量(mg)]×100%。

甲酯化方法：精確稱取微藻油脂樣品100 mg于20 mL具塞試管中，加入1 mL 0.5 mol/L氫氧化鉀甲醇溶液3 mL，60 ℃恒溫水浴保持10 min，冷后加入1 mL 12.5%三氟化硼乙醚溶液2 mL，恒溫水浴煮沸2 min，放冷后加入適量石油醚震蕩，試管中溶液全部轉移至50 mL分液漏斗中，并加入適量飽和氯化鈉溶液分層，取上層醚層，水浴蒸干大部分溶劑后，石油醚定容至5 mL。

1.3.5 微藻油脂理化性質分析方法

水分含量測定：參照 GB/T 5528—2008《動植物油脂水分及揮發(fā)物含量測定》；運動黏度測定：參照GB/T 265—1988《石油產(chǎn)品運動粘度測定法和動力粘度計算法》；酸值測定：參照 GB/T 5530—2005《動植物油脂酸值和酸度測定》；皂化值測定：參照 GB/T 5534—2008《動植物油脂皂化值的測定》；過氧化值測定：參照 GB/T 5538—2005《動植物油脂過氧化值測定》；熱值：全自動氧彈式量熱儀測定方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS11.0及Matlab7.0數(shù)學軟件進行分析，以鹽藻油得率為考查指標。

2 結果與分析

2.1 不同提取方法的比較

采用丙酮作為提取溶劑，以油脂得率為衡量指標，在液固比5 mL/g和提取溫度同為50 ℃條件下，對鹽藻油脂的回流提取(提取時間1 h)和超聲波輔助提取方法(超聲功率360 W、提取時間10 min)進行了比較，油脂得率分別為(12.33±0.29)%和(13.25±0.34)%，超聲波提取效率顯著高于回流提取(P<0.05)，以下對超聲波輔助提取鹽藻油脂工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究。

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1 超聲波功率的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，固定超聲溫度30 ℃和液固比5 mL/g，在不同的超聲波功率下超聲提取10 min，比較不同超聲波功率對鹽藻油得率的影響，結果見圖1。鹽藻油提取的最佳超聲波功率低于以山核桃為原料的最適超聲波功率，而與花椒籽油和桑葚子油的試驗結果近似[7-9]，由此推斷，超聲波功率對油脂提取效率的影響與物料的大小有關，杜雙奎等[10]報道在300 W的超聲波功率下，在一定粒度范圍內(<50目)，粒度大小對亞麻籽油出油率有顯著影響。從圖1看出，較低的超聲波功率就可以達到很好的提取效果，這應該是由鹽藻細胞較小所決定的，因此，出現(xiàn)超聲波功率增加對鹽藻油萃取效率影響較小的試驗結果。在本試驗中，350 W功率下鹽藻油的得率較高(13.32%)，而高功率的超聲波引起的熱效應較大，相應的溶劑損失增加，提取效率降低，因此，選擇超聲波功率為350 W進行下一步試驗。

圖1 不同超聲波功率對鹽藻油得率的影響

2.2.2 提取溫度的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5 mL/g，在不同溫度下提取10 min，比較不同提取溫度對鹽藻油得率的影響。在超聲波清洗器初始水溫從20 ℃增加到40 ℃過程中，鹽藻油得率從12.89%增加到13.96%，而在初始水溫超過40 ℃后，鹽藻油得率有下降的趨勢，在初始水溫為50 ℃時，鹽藻油得率降為13.92%，這與丙酮沸點(56.48 ℃)較低有關。超聲波是一種機械波，350 W下超聲波清洗器工作10 min后，清洗器里的水溫會升高5 ℃左右，鹽藻油的浸出效率隨著溶劑溫度的增加而增加，而超聲波清洗器水溫超過40 ℃時，在超聲波機械作用下，溶劑的損失增加，提高提取溫度所帶來的有益作用不能抵消溶劑揮發(fā)的副作用，鹽藻油得率逐漸降低，因此，選擇40 ℃的提取溫度進行下一步試驗。

圖2 超聲浸提溫度對鹽藻油得率的影響

2.2.3 提取時間的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，選擇液固比為5 mL/g進行超聲波輔助提取試驗，比較不同提取時間對鹽藻油得率的影響。從圖3中可見，超聲波作用時間在15～35 min范圍內的鹽藻油得率顯著高于超聲5 min時(P<0.05)，鹽藻油得率在30 min時達到最高值(14.32%)，說明此時油脂的提取已經(jīng)基本完成，而此后隨著提取時間的增加，鹽藻油得率反而呈現(xiàn)出下降的趨勢，可能是長時間的超聲波作用導致溶劑溫度過高，一方面溶劑損失過大，造成鹽藻油得率下降，另一方面較高的溫度下，富含不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素和葉綠素等成分的鹽藻油發(fā)生氧化分解，導致鹽藻油的提取效率反而隨著時間的增加而降低的現(xiàn)象，因此，選擇30 min為適合的提取時間進行下一步試驗。

圖3 超聲作用時間對鹽藻油得率的影響

2.2.4 液固比的影響

精確稱取1 g鹽藻粉，在不同液固比下超聲波輔助提取30 min，比較不同液固比對鹽藻油得率的影響。從圖4中可以看出，當液固比從5 mL/g增加到20 mL/g時，鹽藻油得率從14.32%升高到15.31%，而后隨著液固比的增加而逐漸降低，在液固比為30 mL/g時液固比降為14.97%，但不同液固比對鹽藻油得率均沒有顯著影響(P>0.05)，液固比增加對提取效率的提高有一定有益影響，這得益于油脂在物料和溶劑間的滲透壓隨著液固比的增加而加大，提高了傳質效率，而增加提取次數(shù)則逐漸抵消了這一影響[11]。因此，液固比對油脂提取效率的影響是很有限的，在一定范圍內，液固比的增加不但有利于油脂提取效率的提高，也使得后繼的抽濾等步驟更容易進行，因此，本試驗選擇液固比為20 mL/g進行下一步試驗。

圖4 液固比對鹽藻油得率的影響

2.2.5 提取次數(shù)的影響

在超聲波功率350 W、提取溫度40 ℃、提取時間30 min、液固比20 mL/g條件下，超聲波輔助提取鹽藻油，考查提取次數(shù)對鹽藻油得率的影響，結果見圖5，提取次數(shù)對鹽藻油得率沒有顯著影響(P>0.05)，考慮到提取2次時得率升高幅度較大，而此時提油后的鹽藻渣顏色為淡黃綠色，比第1次提取后的鹽藻渣顏色要淺很多，在進一步對鹽藻渣利用時無需再脫脂處理，因此，選擇提取次數(shù)2次進行下一步正交試驗。

圖5 提取次數(shù)對鹽藻油得率的影響

2.3 正交試驗

通過單因素試驗，發(fā)現(xiàn)超聲波功率和提取次數(shù)對鹽藻油脂得率影響不大，因此固定超聲波功率為350 W，提取次數(shù)確定為2次，選取液固比(X1)、超聲時間(X2)和超聲溫度(X3)進行三因素三水平的二次通用旋轉組合試驗，試驗設計的因素、水平和試驗結果見表1。用Excel 2003對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到鹽藻油脂得率的回歸方程如下：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3-0.01X1X2-0.03X1X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.01X2X2-0.09X3X3。

表1 正交試驗設計與結果分析

對回歸方程做顯著性檢驗與方差分析，結果見表2。回歸方程的復相關指數(shù)為R2=0.94，說明回歸方程適合用于超聲波輔助提取鹽藻油脂的理論預測。

表2 回歸方程的方差分析

對回歸方程一次項和二次項系數(shù)的t檢驗結果見表3，由表3可知，除X1X2、X1X3和X2X2項不顯著外，其他各項都有不同程度的顯著性，剔除不顯著項后的回歸方程如下：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.09X3X3。

各因素對鹽藻油得率影響的主次順序為：超聲溫度>液固比>超聲時間。

表3 回歸系數(shù)的t檢驗結果

2.3.1 交互作用分析

超聲時間和超聲溫度間存在交互作用(見圖6)。由圖6可知，超聲時間和超聲溫度對油脂得率均有較大影響，隨著超聲溫度的增加，油脂得率逐漸增加；超聲溫度越高，油脂得率達到最大值所需的時間越短。隨超聲溫度的提高，油脂得率先提高后降低，低溫長時間可起到與高溫短時間相同的作用。

圖6 超聲時間和超聲溫度對鹽藻油得率的影響

2.3.2 最優(yōu)提取工藝參數(shù)的優(yōu)化

將得到的回歸方程進行局部尋優(yōu)分析，利用數(shù)學極值的方法，通過最優(yōu)解得到最佳工藝參數(shù)為：液固比29 mL/g、超聲時間47 min、超聲溫度48 ℃，在此組合條件下鹽藻油的得率最高為16.20%(預測值為16.36%)，相對誤差為1%，與預測結果相符。

2.4 不同提取方法對鹽藻油理化性質的影響

對回流提取(提取溫度60 ℃、提取時間5 h)、微波輔助提取(微波功率600 W，浸提溫度54 ℃，液固比10 mL/g，浸提時間9.7 min)和超聲波輔助提取(2.3.2優(yōu)化條件下)的鹽藻油理化性質分析結果見表4。由表4可見，不同提取方式對鹽藻油理化性質沒有顯著影響(P>0.05)，鹽藻油水分含量較低(<1%)，酸值較高，這可能與鹽藻油中游離脂肪酸和脂溶性色素能成分含量較高有關，鹽藻油40 ℃運動黏度也較高，大約為大豆色拉油(30 mm2/s左右)的2～3倍，因此，提取后的鹽藻油需經(jīng)過降酸降黏后才能被加工利用。

表4 不同提取方式鹽藻油理化性質的影響

3 結論

在以丙酮為提取溶劑的條件下，對鹽藻油超聲波提取工藝進行了優(yōu)化，建立了鹽藻油超聲波輔助提取的數(shù)學模型。以鹽藻油得率為衡量指標，各因素影響的主次順序為：超聲溫度(X3)>液固比(X1)>超聲時間(X2)。提取的回歸方程為：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.09X3X3。通過matlab7.0軟件尋優(yōu)得到最佳工藝參數(shù)為：液固比29 mL/g、超聲時間47 min、超聲溫度48 ℃，在優(yōu)化條件下，鹽藻油的得率最高為16.20%，與預測結果相符。常規(guī)回流提取、微波提取和超聲波提取對鹽藻油的理化性質沒有顯著影響，鹽藻油的黏度和酸值較高，需要經(jīng)過降酸降黏處理后才能被加工利用。

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Optimization of Ultrasound Assisted Extraction Technique of Oil from Dunaliella Salina and Its Physical and Chemical Properties

Sun Xiejun Li Xiuxia Feng Yanbo Liu Xuefei Bi Haiyan

(College of Chemistry, Chemical engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013)

Effects of ultrasonic power, L/S ratio, extracting temperature, extracting time and extracting frequency on oil yield produced fromDunaliellasalinawere studied when acetone was applied as extracting solvent; the physical and chemical properties ofsalinaoil had been analyzed. The results showed that ultrasonic power and frequency of extraction had no effect on the oil yield significantly (P>0.05); the order exhibited of factors on oil yield

was as follows: extracting temperature>ratio of liquid to solid>extracting time; optimal conditions could be obtained as follows: L/S ratio of 29 mL/g, extracting time of 47 min, extracting temperature at 48 ℃; oil yield was predicted to be 16.20% when powder was extracted on the optimal condition. Different extracting methods as conventional reflux extraction, microwave extraction, and ultrasound-assisted extraction had no effect on physical and chemical properties of oil significantly, the viscosity (dynamic viscosity in 40 ℃ was more than 80 mm/s) and acid value of oil (>10 mgKOH/g) was too high to be applied in food processing without deacidification process and viscosity reduction.

oil, ultrasound, extracting method, physical and chemical properties

TS219

A

1003-0174(2016)02-093-06

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD29B06)，中國博士后科學基金面上資助項目(20090460422)，遼寧省食品安全重點實驗室開放課題(LNSAKF2011015)

2014-06-20

孫協(xié)軍，男，1969年出生，實驗師，水產(chǎn)品貯藏加工

李秀霞，女，1973年出生，副教授，水產(chǎn)品貯藏加工