超聲波輔助提取新疆打瓜籽油脂的工藝研究

王芳梅 谷盼盼 張 鑫 許若男 張紅玉 張修珂 希力阿扎提·阿不力米提 王英美

(新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830046)

打瓜[Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.etNakai]，又名籽瓜，葫蘆科，一年生草本植物，是西瓜的一個(gè)栽培變種，形狀與西瓜相似， 但比西瓜小[1]。打瓜瓜肉清甜，含有18種氨基酸和多種微量元素，能清肺潤肺、養(yǎng)脾健脾[2]，因含籽多而得名，主要是取其籽食之。目前，中國是世界上打瓜的主要種植區(qū)，其次是泰國。無論是打瓜的種植還是打瓜籽的產(chǎn)量，中國均居世界之首[3]。打瓜盛產(chǎn)于我國西北地區(qū)，產(chǎn)地主要在新疆、甘肅，在吉林和內(nèi)蒙古等地也有種植，年產(chǎn)量達(dá)數(shù)百萬噸。其中新疆生產(chǎn)的打瓜籽以因其籽片大、板平、飽滿、肉厚、色澤黑亮、品質(zhì)優(yōu)良而深受客戶青睞。

打瓜籽含有多種人體所需的營養(yǎng)成分，打瓜籽中含有大量的蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸和鉀、鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)以及人體所必需的不飽和脂肪酸，其中亞油酸含量極為豐富[4]。打瓜籽中的不飽和脂肪酸含量非常高，因此高血壓及心腦血管病人也可以食用，打瓜籽中的固醇類物質(zhì)還可以降低血液里的低密度膽固醇的作用[5]。

目前的研究報(bào)道涉及西瓜籽油[6-8]，打瓜籽蛋白的提取及其功能特性[3,9-11]，打瓜籽油的脂肪酸分析[4,1-15]等。本研究利用新疆阜康打瓜籽為原材料，采用超聲波輔助石油醚法提取打瓜籽油脂，并利用氣相色譜對打瓜籽油的脂肪酸成分進(jìn)行分析。這不僅可以提高新疆打瓜籽的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且對西部地區(qū)優(yōu)勢特色植物資源開發(fā)有著積極的促進(jìn)作用，為以后打瓜的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新疆打瓜籽：新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州阜康市。

1.2 試驗(yàn)儀器

RHP-1000A型高速多功能粉碎機(jī)；分析天平FA1004；超聲波清洗機(jī)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RE-52A；高速冷凍離心機(jī)；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵。

1.3 試驗(yàn)方法

將干燥的打瓜籽用萬能粉碎機(jī)粉碎，過40目篩。準(zhǔn)確稱取一定量經(jīng)粉碎過篩的打瓜籽于錐形瓶中，按一定比例加入石油醚，將超聲清洗機(jī)儀加熱至所需溫度后，在設(shè)定功率、時(shí)間、溫度條件下進(jìn)行超聲提取。超聲結(jié)束后靜置一段時(shí)間，在轉(zhuǎn)速為4 800 r/min離心分離10 min，取上清液并用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器回收溶劑。回收完畢后稱重。按下式計(jì)算打瓜籽油提取率:

打瓜籽油提取率=打瓜籽油質(zhì)量/打瓜籽粉質(zhì)量×100%

1.4 單因素試驗(yàn)

1.4.1 液料比(mL∶g ) 對打瓜籽提油率的影響

固定超聲波功率180 W，超聲溫度 40 ℃，超聲時(shí)間30 min，浸提時(shí)間4 h的條件下，改變石油醚與打瓜籽的比例(mL∶g)為 5∶1、6∶1、7∶1、8∶1 、9∶1分別進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算打瓜籽出油率，以研究不同料液比對超聲波提取打瓜籽油的影響。

1.4.2 超聲波功率對打瓜籽提油率的影響

固定液料比為 7∶1，超聲處理時(shí)間為 30 min，處理溫度為 40 ℃，浸提時(shí)間4 h的條件下，設(shè)置不同的超聲功率為0、90、120、150、180、210、240 W分別進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算打瓜籽出油率，以研究不同超聲功率對超聲波提取打瓜籽油過程的影響。

1.4.3 超聲波處理時(shí)間對打瓜籽提油率的影響

固定液料比為 7∶1，超聲功率為 180 W，超聲溫度為 40 ℃，浸提時(shí)間4 h的條件下，設(shè)置超聲波處理時(shí)間為 10、20、30、40、50 min 分別進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算打瓜籽出油率，以研究不同超聲處理時(shí)間對超聲波提取打瓜籽油的影響。

1.4.4 超聲波處理溫度對打瓜籽提油率的影響

固定液料比為7∶1，超聲功率為 180 W，超聲處理時(shí)間為 30 min，浸提時(shí)間4 h的條件下，設(shè)置處不同的超聲溫度為20、30、40、50、60 ℃ 分別進(jìn)行試驗(yàn)，測計(jì)算打瓜籽出油率，以研究不同超聲處理溫度對超聲波提取打瓜籽油的影響。

1.4.5 浸提時(shí)間對打瓜籽提油率的影響

固定液料比為 7∶1，超聲功率為 180 W，超聲處理溫度為40 ℃，超聲處理時(shí)間為 30 min的條件下，設(shè)置不同的浸提時(shí)間為2、3、4、5、6 h分別進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算打瓜籽出油率，以研究不同浸提時(shí)間對超聲波提取打瓜籽油的影響。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

表1 因素水平編碼表

1.6 打瓜籽基本成分的測定

含仁率的測定GB/T 5499—2008；粗蛋白的測定GB/T 14489.2—2008；粗脂肪的測定GB 5009.6—2016；總灰分的測定GB 5009.4—2016；水分的測定GB 5009.3—2016。

1.7 打瓜籽油理化指標(biāo)的測定

酸價(jià)的測定采用GB 5009.229—2016；碘值的測定采用GB/T 5532—2008；皂化值的測定采用GB/T 5534—2008；過氧化值的測定采用GB/T 5009.227—2016；透明度的鑒定GB/T 5525—2008；色澤的鑒定GB/T 5492—2008；水分及揮發(fā)物的測定GB 5009.236—2016。

1.8 數(shù)據(jù)處理方法

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果用平均值±偏差來表示。運(yùn)用 Graphpad Prism 5進(jìn)行繪圖。采用 Design Expert 8.0軟件中的Box-Benhnken進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合以及方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 打瓜籽的基本成分

打瓜籽的主要成分分析結(jié)果如表2所示。

表2 打瓜籽的基本成分

2.2 超聲波提取打瓜籽油的單因素試驗(yàn)

2.2.1 浸提時(shí)間

從圖1a可知，隨著浸提時(shí)間的增加，打瓜籽油脂的提取率先增大后減小；當(dāng)浸提時(shí)間為 4 h 時(shí)，打瓜籽油脂的提取率達(dá)到最大。這是因?yàn)橛椭_始萃取時(shí)，從打瓜籽到溶劑中擴(kuò)散速度較快，油脂溶出增多，提取率增大；之后浸提時(shí)間繼續(xù)延長，溶劑中油脂的濃度逐漸增大，最終油脂在打瓜籽和溶劑中的濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[17]，此外，時(shí)間延長會(huì)使溶劑揮發(fā)損失有所增加，造成提取率下降。因此，考慮提取效率，選取適宜的浸提時(shí)間為4 h。

2.2.2 超聲溫度

超聲溫度對打瓜籽油提油率的影響如圖1b所示，由圖1b中可知，隨著超聲溫度的增加，出提油率在開始時(shí)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。這是因?yàn)橐话闱闆r下，加熱溫度升高，會(huì)降低油脂的粘度變小，使得油脂擴(kuò)散萃取速率較快，有利于油脂的提取。但是，當(dāng)超聲溫度達(dá)到50℃以后，出油率開始驟減，這可能是因?yàn)榧訜釡囟忍撸兔逊悬c(diǎn)低，且在超聲波作用下?lián)]發(fā)作用會(huì)增強(qiáng)，使液料比降低，不利于打瓜籽油脂的提取。因此，當(dāng)其他條件一定時(shí)，超聲溫度為50 ℃時(shí)，提取效果最佳。

2.2.3 超聲時(shí)間

由圖1c可知，隨提取時(shí)間的增加，打瓜籽油脂的出油率呈上升趨勢，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min后，出油率增加較慢。這是因?yàn)槌晻r(shí)間增加，打瓜籽與溶劑的接觸時(shí)間和相互作用時(shí)間增加，油脂溶出增加，提取率增大；但當(dāng)超聲時(shí)間過長，超聲波產(chǎn)生的空化作用和機(jī)械效應(yīng)使大分子的脂肪裂解，可能會(huì)使局部過熱而造成某些揮發(fā)性成分的損失，從而導(dǎo)致油脂提取率減小。因此，當(dāng)其他條件一定時(shí)，選取超聲時(shí)間為30 min時(shí)，提取效果最佳。

圖1 單因素對打瓜籽提油率的影響

2.2.4 液料比

液料比對打瓜籽油出油率的影響如圖1d所示，從圖1d中可以看出，隨著液料比的增加，出油率在開始時(shí)呈現(xiàn)出逐漸增大的變趨勢。這是由于打瓜籽質(zhì)量一定，溶劑增加，打瓜籽油在溶劑中的濃度會(huì)降低，從而使打瓜籽與溶劑接觸面的濃度差增加，從而提高了傳質(zhì)速率，在一定時(shí)間內(nèi)出油率增大[16]。當(dāng)溶劑用量增大到7∶1時(shí)，由于大部分的打瓜籽油已被提取出來，繼續(xù)增加溶劑的量，出油率基本保持不變。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，溶劑用量不宜太大。因此，當(dāng)其他條件一定時(shí)，液料比為7∶1時(shí)，提取效果最佳。

2.2.5 超聲功率

由圖1e可知，在沒有超聲輔助提取，直接采取溶劑浸提時(shí)，打瓜籽油的出油率很低。當(dāng)進(jìn)行超聲波處理時(shí)，隨著超聲功率的增大，出油率逐漸成上升趨勢。當(dāng)超聲功率小于180 W時(shí)，出油率較大，這是因?yàn)槌暡▽?xì)胞壁的破碎作用會(huì)隨著超聲功率的上升而變強(qiáng)，超聲波功率增大時(shí)，空化強(qiáng)度增大，大大加快了粒子的運(yùn)動(dòng)速度，油脂分子和溶劑間相互碰撞的概率增加，進(jìn)而加快化學(xué)反應(yīng)速率、提高出油率。當(dāng)超聲波功率超過180 W 時(shí)，隨著超聲功率的繼續(xù)上升，打瓜油提取率突降，因?yàn)槌暪β侍螅觿×巳軇┑倪\(yùn)動(dòng)，減少了溶劑和物料的接觸率。因此，當(dāng)其他條件一定時(shí)，超聲功率選取180 W時(shí)，提取效率最佳。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

打瓜籽油脂提取的實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，回歸模型方差分析見表4。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 回歸模型的方差分析

表4(續(xù))

注：*P<0.05，差異顯著；**P<0.001，差異極顯著。

2.3.2 結(jié)果分析及模型方程的建立

對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到自變量與提油率(Y)的二次多項(xiàng)回歸方程為：

Y=27.68+0.21A-0.27B+0.98C-0.73D-0.39AB-0.76AC-1.38AD+0.51BC-0.54BD+0.21CD-2.05A2-1.60B2-1.01C2-2.59D2

響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)最終確定了最佳工藝條件，結(jié)果見表5，提取率為27.95%在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得打瓜籽油脂的提取率為 27.88%，與預(yù)測值接近。

表5 響應(yīng)面軟件預(yù)測最佳反應(yīng)條件

2.4 理化指標(biāo)測定結(jié)果

打瓜籽油脂的理化指標(biāo)見表6。

表6 打瓜籽油脂的理化指標(biāo)

2.5 脂肪酸成分分析結(jié)果

圖2為超聲波提取法提取的打瓜籽油脂肪酸成分 GC 圖譜，由圖2和表7可知，打瓜籽中主要有豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸，且出峰順序?yàn)槎罐⑺帷⒆貦八帷⒂仓帷⒂退帷営退帷４蚬献延椭兄舅嵋圆伙柡椭舅釣橹鳎渲衼営退?C18∶2) 含量最高，達(dá)71.51%，其次是棕櫚酸(C16∶0)10.81%、油酸(C18∶1)8.39%，飽和脂肪酸主要為硬脂酸為5.60%。據(jù)報(bào)道，劉程惠等[11]研究發(fā)現(xiàn)吉林打瓜籽油的亞油酸含為18.44%。羅鵬等[18]研究發(fā)現(xiàn)的新疆石河子的殘次打瓜籽的亞油酸含量為49.87%。而本研究利用新疆阜康縣的打瓜籽為原材料，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)打瓜籽油的亞油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)71.51%，可能是地區(qū)與品種差異所致。

圖2 打瓜籽油脂肪酸氣相色譜分析

峰號名稱類型保留時(shí)間峰面積質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%3棕櫚酸C16∶013.9851 046.099 3710.8066硬脂酸C18∶017.320542.580 635.6057油酸C18∶118.439812.036 878.3888亞油酸C18∶220.3397 116.328 6173.511

3 結(jié)論

本研究采用超聲波輔助石油醚提取新疆打瓜籽中的油脂，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面 Box-Benhnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明提取打瓜籽油脂的最佳工藝條件為：浸提時(shí)間 4 h、超聲功率180 W、超聲溫度 40 ℃、液料比7∶1。在此條件下實(shí)際出油率可達(dá)到27.88%，所得值與模型預(yù)測值27.95% 高度相符。