適溫壓榨牡丹籽油工藝優(yōu)化及理化性質(zhì)分析

李汶罡 孫曉莉 祖元剛 趙修華*

(1.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室，哈爾濱 150040； 2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院，哈爾濱 150040； 3.廈門涌泉集團有限公司，廈門 361023； 4.哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱 150025)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)被譽為中國的國花，栽培歷史悠久、地域廣泛，具有豐富的藥用價值，是我國特有的木本花卉[1]。經(jīng)過千余年的培育，牡丹形成了眾多栽培品種，其中鳳丹牡丹(Paeoniaostii)和紫斑牡丹(PaeoniarockiiT.Hong et J.J.Li)是經(jīng)國家衛(wèi)生部批準(zhǔn)可以作為牡丹籽油制備原料的油用牡丹[2～3]。隨著油用牡丹產(chǎn)業(yè)的備受關(guān)注關(guān)于牡丹籽油提取技術(shù)的研究也顯得尤為重要，提取方法對牡丹籽油產(chǎn)品質(zhì)量，如外觀、營養(yǎng)成分、風(fēng)味物質(zhì)以及有毒有害雜質(zhì)含量等具有重要的影響作用，因此采取正確的提取方法是提高牡丹籽油產(chǎn)品質(zhì)量安全水平的一個重要方面[4]。

壓榨法是通過物理手段打開植物細(xì)胞壁，然后采用加壓法將油脂從加工原料中提取出來的方法[5]。按照壓榨時采用不同的壓榨原理分為液壓榨取法和螺旋榨取法。螺旋榨取法相較于液壓榨取法的主要優(yōu)點是工藝簡單，生產(chǎn)設(shè)備投資較小，同時能夠最大程度的保持油脂的營養(yǎng)成分和天然風(fēng)味。牡丹籽油提取中采用螺旋壓榨法既不會有溶劑法的溶劑殘留問題，也不會像微波輔助提取法和超臨界CO2提取法增加大量的能耗成本[6～7]。而壓榨牡丹籽油酸價高是目前壓榨牡丹籽油存在的突出問題，通過適溫壓榨牡丹籽油工藝可以很好的解決酸價高的問題。適溫壓榨牡丹籽油是將壓榨過程的溫度控制在80℃以下所得牡丹籽油。相較于傳統(tǒng)壓榨其優(yōu)勢有：工藝簡單、出油率高、出油品質(zhì)高等[8]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

牡丹種子為2017年7月采收于山東省菏澤市的鳳丹牡丹種子，恒溫4℃保存；正己烷為Thermo Fisher Scientific(HPLC級)；石油醚、乙醇、乙酸乙酯等均為Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co.(分析純)；去離子水為實驗室自制。

1.1.2 儀器與設(shè)備

螺旋壓榨機為長春市長白山榨油機廠6yl-95型榨油機；溫度和壓力檢測設(shè)備為上海繹捷自動化科技有限公司生產(chǎn)的R2100E-A04記錄儀與蘇州合泉儀表科技有限公司生產(chǎn)的PT124G-111高溫熔體壓力傳感器自組裝裝置；7890A-5975C氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀；UV-5500PC紫外可見分光光度計；DENVER型電子分析天平；B-491熱水浴鍋；MODEL 7049-50真空泵等。

1.2 實驗方法

1.2.1 牡丹種子預(yù)處理

牡丹種子通過多級篩、去雜將雜質(zhì)和癟種去除，分為不同大小等級的牡丹種子進(jìn)行脫殼，這樣可以保證脫殼率，脫殼的牡丹種仁粉碎過1目篩備用[9]。

1.2.2 適溫壓榨牡丹籽油工藝

將一定含水率的牡丹種仁粉加入進(jìn)料器中設(shè)定進(jìn)料速度，調(diào)節(jié)螺旋壓榨機的壓榨壓力、設(shè)定壓榨溫度，同時啟動榨油機和進(jìn)料器，壓榨提取結(jié)束后將收集瓶中的毛油進(jìn)行過濾即得到牡丹籽油，每組試驗重復(fù)4次計算平均出油率[10]。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化

為探索適溫壓榨牡丹籽油過程中多個因素之間的交互影響，我們總結(jié)關(guān)于適溫壓榨牡丹籽油單因素實驗結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計原理選取種仁含水率、壓榨溫度、壓力與進(jìn)料速度4個因素3個水平應(yīng)用響應(yīng)面分析方法進(jìn)行單次工藝參數(shù)的優(yōu)化實驗，最大程度的對牡丹籽中的牡丹籽油進(jìn)行提取[11]。

表1 實驗因素水平表

1.3 適溫壓榨牡丹籽油理化性質(zhì)分析

1.3.1 組成成分檢測

采用GC-MS對提取的牡丹籽油進(jìn)行組成成分分析。由于油脂中的脂肪酸的沸點較高因此不宜直接進(jìn)行GC-MS分析，故需要對脂肪酸進(jìn)行甲酯化。脂肪酸的甲酯化方法一般分為兩類：酸催化和堿催化。本文采用酸催化法對牡丹籽油進(jìn)行甲酯化后進(jìn)行GC-MS檢測，取油脂樣品100 μL放入50 mL塑料離心管中，向其中依次加入10 mL正己烷以及10 mL 2% H2SO4甲醇溶液，搖勻3 min，于常溫下放置2 h或60℃加熱30 min，然后再加10 mL蒸餾水，搖勻2 min，等分層清晰后取上清液定溶至25 mL再稀釋10倍過濾后作為色譜分析試樣[12～13]。

GC檢測條件:HP-5MS型石英毛細(xì)管柱(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)；柱溫150～240℃，以5 ℃·min-1程序升溫；進(jìn)樣口溫度250℃；柱前壓13.332 psi；進(jìn)樣量0.1 μL；載氣為高純氦氣。MS條件:電離方式EI；電子能量70 eV；傳輸線溫度250℃；離子源溫度230℃；四級桿溫度150℃；質(zhì)量掃描范圍35～450 amu；采用wiley7n.1譜庫檢索。

1.3.2 過氧化值檢測

過氧化值檢測方法：過氧化值的測定參照GB/T 5538-2005/ISO 3960國家及國際通用檢測方法反應(yīng)原理如下：RCHOOCHR’+2KI→K2I+I2+RCHOCHR’；I2+2NaS2O3→NaS4O6+2NaI。具體步驟稱取10 g的牡丹籽油于250 mL的碘量瓶中，緩慢加入30 mL三氯甲烷—冰乙酸混合溶液體積比為2∶3后加入1 mL飽和KI溶液，加塞、搖勻后于暗處反應(yīng)3～5 min，反應(yīng)結(jié)束后加100 mL冷卻水，搖勻后立即用0.001 mol·L-1NaS2O3滴定，滴定至淺黃色后利用淀粉指示劑滴定至藍(lán)色完全消失，同時做空白對照試驗[14]。

計算公式如下：

(1)

式中：P為過氧化值(mmol·kg-1)；V為牡丹籽油所耗NaS2O3的體積(mL)；V0為空白樣所耗NaS2O3的體積(mL)；c為NaS2O3實際濃度(mol·L-1)；m為牡丹籽油的質(zhì)量(g)。

1.3.3 酸價檢測

酸價測定參照GB/T 5530-2005執(zhí)行：稱取均勻試樣3～5 g注入錐形瓶中，加入50 mL用0.1 mol·L-1NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液新滴定至中性的乙醚—乙醇混合溶劑(v/v=2/1)，搖動使試樣溶解，再加三滴酚酞指示劑，用0.1 mol·L-1NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至出現(xiàn)微紅色且30 s內(nèi)不消失，記下消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積[15]。油脂酸值按下列公式計算:

酸值(mg NaOH·g-1)=V×N×40/W×1 000

(2)

式中：V為滴定消耗NaOH溶液的體積(mL)；N為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度(mol·L-1)；W為牡丹籽油質(zhì)量(g)；40為NaOH的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化

通過單因素實驗最終確定Box-Behnken優(yōu)化實驗的4個中心實驗條件是含水率為6.5%、壓榨溫度為70℃、壓力為4.5 MPa、進(jìn)料速度1 600 g·min-1，用以估計實驗誤差，最終優(yōu)化實驗結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken法實驗方案及實驗結(jié)果

Table 2 Design matrix and responses of Box-Behnken design

實驗序號Batch No.變量水平編碼Coded variables levelsABCD出油率Oil yield(%)1001-121.8320-10120.79300-1121.864-100-120.795-110018.486000023.937000023.098-10-1022.099000023.0710-1-10017.7111110018.48120-10-121.4413001122.0714011022.8115010-123.28160-11020.1317-101019.981810-1021.1419000024.8520000023.2221101022.1522010122.572301-1021.98240-1-1016.50251-10017.4326100122.132700-1-121.3228100-122.1029-100117.43

通過二階經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ψ兞康捻憫?yīng)行為進(jìn)行表征，進(jìn)行回歸擬合分析后可以得到牡丹籽油出油率與牡丹籽油壓榨中的各個主要影響因素變量的二階方程如下：

Y(%)=-137.090 17+9.020 34A+1.671 54B+36.634 08C-0.016 689D+3.190 46E-003AB+0.374 48AC+2.820 96E-003AD-0.026 471BC-5.077 32E-006BD+8.488 61E-004CD-1.166 81A2-0.010 719B2-4.198 80C2-2.020 78E-006D2

從表3中SAS RSREG回歸分析結(jié)果可知，方程回歸顯著，說明實驗方法可靠，使用該方程模擬分析可行。表明實驗因子對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，交互作用也有很大的關(guān)系，二次項對響應(yīng)值的影響相對較小。這和模型回歸中的線性和平方項影響顯著相對應(yīng)。

表3 Box-Behnken法得率結(jié)果實驗?zāi)Ｐ头讲罘治?/p>

從圖1B可知出油率隨壓力和含水率的提升呈先提高后下降的趨勢，且二者有明顯的交互作用。含水量一定時，在高壓區(qū)和低壓區(qū)的出油率較低，這主要是因為壓力的升高可以有效地打開細(xì)胞壁和纖維結(jié)構(gòu)讓油脂得到有效的釋放，而壓力過高使得物料固液界面吸附作用增加，從而使出油率降低。

從圖1D可知，壓榨溫度和壓力之間有較明顯的交互作用。種子中的油脂隨溫度的升高粘度降低，使其更容易從種子細(xì)胞中釋放出來，但溫度過高在壓力和溫度的雙重作用下會使物料在榨膛內(nèi)流動性增加，降低出油率。

通過Design Expert 8.0軟件進(jìn)行多元非線性回歸分析得到壓榨制備牡丹籽油最佳制備工藝條件為：壓力4.6 MPa、進(jìn)料速度1 600 g·min-1、壓榨溫度73℃、含水率4.6%，理論最大出油率為23%。本實驗針對優(yōu)化制備條件進(jìn)行了3次平行試驗，出油率為23.11%，平均殘油率為7.02%，與優(yōu)化結(jié)果基本保持一致，符合優(yōu)化實驗要求。以下實驗所用牡丹籽油均為最佳制備條件下制備所得。

2.2 適溫壓榨牡丹籽油理化性質(zhì)分析

2.2.1 組成成分檢測

牡丹籽油進(jìn)行甲酯化處理后采用GC-MS對其主要成分進(jìn)行分析，結(jié)合人工圖譜解析，在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上確定了牡丹籽油中主要飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸各組成成分及其相對含量見表4。

表4 氣質(zhì)聯(lián)用分析牡丹籽油主要成分及相對含量

Table 4 Composition and relative content of the peony seed oil by GC-MS analysis

分子式Molecular formula分子量Molecular weight牡丹籽油Peony seed oilC16H32O2256.427.23%C18H36O2284.481.60%C18H34O2282.4722.40%C18H32O2280.4427.25%C18H30O2278.4340.71%

經(jīng)檢測適溫壓榨提取的牡丹籽油不飽和脂肪酸的含量為90.36%，其中亞麻酸含量為40.71%、亞油酸含量為27.25%、油酸含量為22.40%；飽和脂肪酸中棕櫚酸含量為7.23%、硬脂酸為1.60%。經(jīng)檢測各組分含量均符合《中華人民共和國糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3242-2014》牡丹籽油中相應(yīng)組分含量的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 過氧化值檢測

過氧化值檢測主要檢測油脂自動氧化反應(yīng)中生成的一級反應(yīng)產(chǎn)物即過氧化物的積累量。以1 kg油脂樣品中自動氧化產(chǎn)生的過氧化物的物質(zhì)的量來表示(mmol·kg-1)。通常情況下過氧化值是評價優(yōu)質(zhì)品質(zhì)的最重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。《中華人民共和國糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3242-2014》牡丹籽油為1.56 mmol·kg-1，過氧化值不得高于7.5 mmol·kg-1。經(jīng)檢測，經(jīng)壓榨提取的牡丹籽油過氧化值符合牡丹籽油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 酸價檢測

油脂的酸價為中和1 g油脂中游離脂肪酸(FFA)所需要的氫氧化鉀(KOH)的質(zhì)量(mg)。酸價是評價油脂的精煉程度、品質(zhì)好壞甚至FFA含量的主要檢測指標(biāo)。如果食用油中FFA含量越高則油脂的品質(zhì)越差，且越容易氧化和燃燒。因此，《中華人民共和國糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3242-2014》中規(guī)定牡丹籽油中的酸值不得高于3.0 mg KOH·g-1。從中不難看出，經(jīng)檢測適溫壓榨提取的牡丹籽油酸價為2.61 mg·g-1符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

利用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行適溫壓榨牡丹籽油提取工藝條件的多元非線性回歸分析。結(jié)果表明，模型擬合程度高，實驗誤差小，最終得到適溫壓榨制備牡丹籽油最佳制備工藝為：壓力4.6 MPa、進(jìn)料速度1 600 g·min-1、壓榨溫度73℃、含水率4.6%；所得最大出油率為23.11%，殘油率為7.02%。經(jīng)檢測最佳制備條件提取的牡丹籽油不飽和脂肪酸的含量為90.36%，其中亞麻酸含量為40.71%、亞油酸含量為27.25%、油酸含量為22.40%、飽和脂肪酸中棕櫚酸含量為7.23%、硬脂酸為1.60%。牡丹籽油酸價為2.61 mg·g-1、過氧化值為1.56 mmol·kg-1。所有檢測結(jié)果均高于《中華人民共和國糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3242-2014》牡丹籽油中質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，在保證出油率的前提下壓榨牡丹籽油可以將溫度控制在80℃以下，而且各理化指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這種方法能有效地保證牡丹籽油中營養(yǎng)成分及伴隨物不被破壞，為進(jìn)一步探索低溫壓榨牡丹籽油工藝奠定了基礎(chǔ)。