超聲波輔助乙醇提取平歐雜交榛榛子油工藝優化

蔡可心,倪佳潔,秦文文,張衛東

(佳木斯大學生命科學學院,黑龍江佳木斯 154007)

引文格式:蔡可心,倪佳潔,秦文文,等. 超聲波輔助乙醇提取平歐雜交榛榛子油工藝優化[J].食品工業科技,2020,41(6):180-184,203.

榛子為樺木科榛屬植物,與核桃、腰果還有扁桃并稱世界四大堅果,并享有堅果之王的美譽,是一種營養價值較高的堅果,也是木本油料,主要分布在我國東北、華北和內蒙古等地區[1]。榛子營養豐富,果仁中富含維生素B1、維生素B2、人體必須氨基酸、多種礦質元素、高含量蛋白質和豐富的脂肪等營養成分[2],為現代營養學青睞的林產食品[3]。榛子仁可用于生產榛子油,榛子油富含油酸、亞油酸、亞麻酸和棕櫚酸等。不飽和脂肪酸有降低血液中低密度脂蛋白和血膽固醇、防治心血管疾病、提高抗氧化能力、改善視神經系統功能、修復腎臟和骨骼肌的功效[2,4-6]。

土耳其是世界榛子主要生產國,榛子產量占全球總產量的三分之二,榛子產品占該國外貿銷售額的12%,其次意大利、西班牙和美國也是主要的榛子生產國[7]。而目前,我國對榛子產品的加工利用較少,尤其對榛子油的開發,傳統的油脂提取方法主要有壓榨法和浸出法,新興的油脂提取方法有超臨界CO2萃取法[8]、水代法[9]、微波法、水酶法等[10]。田寶江[11]先將榛子仁壓榨制油,再對榛子仁餅用超臨界CO2萃取制油,但需要控制CO2壓力,操作較繁瑣;王勝男等[12]采用響應面法優化水酶法提取榛子油,采用酶水解法都需要控制pH以保證酶正常發揮活性,條件不易控制;Uquiche等[13]研究了微波輔助液壓壓榨提取榛子油,但不能保證所有物料經受同等微波照射,不同的提取方法提油率都有待提高,也可能存在對榛子油中的脂肪酸有一定破壞、提取時間較長、前期投入成本較高且少量溶劑殘留等問題。超聲波法提取油脂是一個物理破碎過程,利用超聲波特有的熱效應、機械效應、空化效應,同時伴隨化學效應、生物效應、乳化及擴散等,使介質分子的運動速度加快,增強介質的穿透力,加快了油脂分子向溶劑中擴散,從而加速了溶劑和油脂分子混合,適于油脂的提取[14]。它的最大特點是運用了超聲波強化提取分離過程,從而縮短提取時間,增強提取效率,節約成本,提高產品質量。

本研究將用超聲波輔助無水乙醇提取平歐雜交榛的榛子油,無水乙醇做提取劑減少了有害物質殘留,同時對油脂成分破壞較小,操作簡便,條件易于控制,通過單因素分析及響應面實驗探索最佳工藝,為榛子油的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

榛子 佳木斯大學生命科學學院培育平歐雜交榛品系,榛子果實采集時間為2018年9月,將果實曬干、去殼、粉碎并過20目篩,105 ℃烘干備用;無水乙醇(分析純) 天津市凱通化學試劑有限公司;37種脂肪酸混合標準品、內標十九烷酸甲酯 Sigma公司。

DZF-6090真空干燥箱 上海申賢恒溫設備廠;RE-52A旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠;SHB-(III)循環水多用真空泵 河南予華儀器設備有限公司;SG8200HE超聲波清洗器 上海冠特超聲儀器有限公司;Trace1310 ISQ氣相色譜質譜聯用儀 Thermo Fisher;HH-4數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 榛子仁營養成分的測定 脂肪的測定:按照GB/T 5009.6-2016(食品中脂肪的測定),采用酸水解法進行測定;水分的測定:按照GB/T 5009.3-2016,采用減壓干燥法測定;蛋白質的測定:采用考馬斯亮藍法測定[15];可溶性糖的測定:采用3,5-二硝基水楊酸分光光度法測定[16],每組實驗重復三次。

1.2.2 榛子油提取工藝 稱取5 g榛子粉,裝入規格一致的潔凈的燒杯中,加入無水乙醇至設定值,以500 W超聲波為輔助技術在一定溫度、一定液料比條件下萃取一定時間,萃取后采用抽濾的方法將殘渣與溶劑混合物分離,并用30 mL無水乙醇分兩次洗滌殘渣,濾液在旋轉蒸發器上減壓蒸餾,將得到的榛子油在真空干燥箱內105 ℃烘干至恒重之后稱重,實驗重復三次,計算提油率。

提油率(%)=(榛子油質量/榛子粉質量)×100

1.2.3 單因素實驗 固定超聲波功率500 W,提取時間60 min,提取溫度60 ℃,探究液料比5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1 mL/g中的最佳料液比;固定超聲波功率500 W,提取時間60 min,液料比15∶1 mL/g,探究提取溫度30、40、50、60、70 ℃中的最佳溫度;固定超聲波功率500 W,提取溫度60 ℃,液料比15∶1 mL/g,探究提取時間30、40、50、60、70 min中的最佳提取時間,以提油率為考察指標,重復三次。

1.2.4 響應面實驗 在單因素實驗基礎上,選取液料比、提取溫度和提取時間為自變量,以提油率為響應值,按Box-behnken Design(BBD)原理設計響應面試驗,如表1所示,根據試驗結果進行優化分析,再進行驗證試驗以得到最優提取工藝。

表1 響應面試驗因素水平編碼值表Table 1 Factors and levels of response surface test

1.2.5 脂肪酸組成分析 榛子油中脂肪酸GC分析條件:色譜柱:TG-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)升溫程序:80 ℃保持1 min,以10 ℃/min的速率升至200 ℃,繼續以5 ℃/min的速率升溫至250 ℃,最后以2 ℃/min的速率升到270 ℃,保持3 min;進樣口溫度:290 ℃；載氣流速:1.2 mL/min，不分流進樣,開閥時間1 min;質譜條件:離子源溫度:280 ℃;傳輸線溫度:280 ℃;溶劑延遲時間:5 min;掃描范圍:30～400 amu;離子源:EI源70 eV。取適量樣品加入到15 mL離心管中,2 mL NaOH甲醇溶液,100 μL十九烷酸甲酯內標,于85 ℃水浴鍋中水浴30 min,水浴完成后,待溫度降到室溫,在離心管中加入3 mL三氟化硼甲醇溶液,85 ℃水浴30 min,冷卻后用適量正己烷萃取,取正己烷層過膜上機。

1.3 數據處理

實驗共重復3次,試驗結果取3次平均值±標準差,數據處理采用WPS 2019及Design-Expert.V 8.0.6.1.軟件設計響應面實驗。

2 結果與分析

2.1 榛子仁營養成分含量

榛子仁的一個樣本部分營養成分進行測定結果如表2所示,脂肪的含量為60.02%,高于花生的49%、大豆的18%和芝麻的52%等[17],水分的含量為7.15%,高于核桃的2.64%～3.61%[18]和紫蘇籽的4.99%[19],蛋白質的含量為19.12%,可溶性糖的含量為9.03%,具有良好的開發前景。

表2 榛子仁的主要營養成分(%)Table 2 Main nutritional components of hazelnut kernel(%)

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 液料比對榛子油提取率的影響 不同液料比榛子油提取率如圖1所示。

圖1 液料比對提油率的影響Fig.1 Effect of liquid-to-materialratio on oil extraction rate

由圖1可知,在實驗所選液料比范圍內,5∶1 mL/g時提油率最低,隨著有機溶劑的增加提油率逐漸上升,尤其在液料比10∶1 mL/g升高到15∶1 mL/g過程中,提油率上升速率較其他實驗組快,這是由于在溶劑充足情況下,超聲波在液體介質中傳播,液體微粒劇烈振動會在液體內部形成小空洞,隨著這些小空洞的脹大與閉合,液體微粒之間發生激烈的碰撞,從而產生高壓,液體溫度升高起到攪拌作用,使兩種不相容的液體發生乳化,加速溶質的溶解速度[20-21],但當液料比在15∶1～25∶1 mL/g時提油率幾乎不再增加,充分考慮節約成本原則,在實驗范圍內確定最佳液料比為15∶1 mL/g。

2.2.2 提取溫度對提油率的影響 不同溫度對提油率的影響如圖2所示。

圖2 提取溫度對提油率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on oil extraction rate

由圖2可知,隨著提取溫度的升高,榛子油的提油率先升高后下降,可能由于提取溫度升高反應體系中油脂分子和溶劑分子獲得的動能變大從而有利于油脂的浸出[22],溫度達到60 ℃時,提油率達到最大值為52.20%,當溫度超過60 ℃提油率反而下降,原因可能是溫度過高使油脂中的部分有效成分揮發導致提油率下降,因此在實驗所選范圍內確定最佳溫度為60 ℃。

2.2.3 提取時間對提油率的影響 不同提取時間對提油率的影響如圖3所示。

圖3 時間對提油率的影響Fig.3 Effect of extraction time on oil extraction rate

由圖3可知,隨著提取時間的延長,提油率逐漸增加,60 min時提油率為52.20%,在60 min后繼續延長提取時間提油率增加趨勢并不明顯,而提取時間與原料本身性質、超聲波功率和提取劑的用量密切相關[23],因此在試驗所選范圍內確定最佳提取時間為60 min。

2.3 榛子油提油率優化

2.3.1 響應面模型的建立 在單因素實驗基礎上,選取液料比、提取溫度和提取時間為自變量,以提油率為響應值,按Box-behnken Design(BBD)原理設計響應面試驗,試驗結果如表3所示。

表3 響應面實驗方案及結果Table 3 Test program and results of response surface

表4 響應面方差分析結果Table 4 Response surface variance analysis results

圖4 液料比和提取溫度對榛子油提取率交互作用等高線圖和響應面圖Fig.4 Interaction contour diagram and response surface diagram of liquid-to-materialratio and extraction temperature on extraction rate of hazelnut oil

注：“**”表示P<0.01,差異極顯著,“*”表示P<0.05,差異顯著。

采用響應面軟件對表3數據進行分析,得到提油率(Y)與液料比(A)、提取溫度(B)和提取時間(C)的回歸方程模型如下:

Y=58.08+0.86A+2.49B+0.52C+0.65AB+1.45AC+0.14BC-1.46A2-2.58B2-2.02C2

2.3.2 響應面模型的顯著性檢驗 對回歸方程模型進行方差分析和可信度分析,結果如表4。

2.3.3 兩因子交互作用的響應面分析 根據回歸分析結果作響應曲面圖,結果如圖4～圖6。響應面的圖形是凸起開口向下的曲面,說明提油率存在最大值,該值為響應面的最高點,響應曲面的坡度越陡說明變化越快,對實驗結果影響越顯著;等高線的形狀可以表示交互效應的強弱,橢圓形表示交互作用顯著,而圓形則為不顯著。由圖4和圖5可知,等高線呈橢圓形,說明液料比和提取溫度、液料比和提取時間的交互作用對提油率的影響具有顯著性;由圖6可知,等高線呈圓形,說明提取溫度和提取時間的交互作用對提油率的影響不顯著。等高線的疏密程度可判定各因素對提油率的大小,等高線越密影響越大,反之則越小,故提取溫度對提油率的影響比液料比和提取時間的影響大,液料比對提油率的影響比提取時間大。

圖5 液料比和提取時間對榛子油提取率交互作用等高線圖和響應面圖Fig.5 Interaction contour diagram and response surface diagram of liquid-to-materialratio and extraction time on extraction rate of hazelnut oil

圖6 提取溫度和提取時間對榛子油提取率交互作用等高線圖和響應面圖Fig.6 Interaction contour diagram and response surface diagram ofextraction temperature and extraction time on extraction rate of hazelnut oil

2.3.4 驗證試驗 采用Design expert 8.0軟件求解方程,得到理想的提取條件為液料比16.80∶1 mL/g,提取溫度65.68 ℃,提取時間63.62 min,此時的提取率為59.14%。考慮到試驗室條件以及實際操作的可能性,將提取條件修正為液料比17∶1 mL/g,提取溫度66 ℃,提取時間64 min。進行三次重復實驗,平均提油率為58.99%。與預測值基本吻合,表明該提取條件參數可靠,具有實際應用價值。

2.4 榛子油的脂肪酸組成

對實驗所提取榛子油進行GC分析,得到的總離子流色譜圖如圖7所示。

圖7 榛子油GC的總離子流圖Fig.7 Total ion flow diagram of hazelnut oil GC

氣相色譜分析榛子油的脂肪酸組成,采用面積歸一化法得到不同脂肪酸的相對含量如表5所示。

表5 榛子油的主要脂肪酸組成Table 5 Main fatty acid composition of hazelnut oil

由表5可知,榛子油的脂肪酸主要以不飽和脂肪酸為主,占脂肪酸總量的96%以上,其中尤以油酸為主,含量高達82.59%,油酸是一種單不飽和脂肪酸,能調節人體血漿中高低密度脂蛋白和膽固醇的濃度比例;亞油酸是必需脂肪酸,含量為12.58%,亞油酸具有降低血脂、軟化血管、降低血壓、促進微循環的作用,可預防或減少心血管疾病的發病率,特別是對高血壓、高血脂、心絞痛、冠心病、動脈粥樣硬化、老年性肥胖癥等的防治有明顯的效果,防止人體血清膽固醇在血管壁的沉積,有“血管清道夫”的美譽[24];DHA含量為0.05%。Turana等[25]認為榛子油中脂肪酸的含量為油酸73.6%～82.6%,亞油酸9.8%～16.6%,王明清[26]對分析索氏提取法得到的榛子油的脂肪酸組成,表明油酸為82.1%,亞油酸12.7%,棕櫚酸2.5%,還含有少量硬脂酸、亞麻酸。胡濱等[3]通過對微波輔助提取的榛子油進行脂肪酸組成分析表明,其中油酸含量為77.28%,亞油酸含量13.93%,棕櫚酸5.14%,以及少量硬脂酸、亞麻酸。楊青珍等[22]對超聲波輔助提取的榛子油進行脂肪酸組成分析,表明榛子油中油酸含量為76.2%、亞油酸17.3%、棕櫚酸2.7%,以及少量硬脂酸、亞麻酸等,其中不飽和脂肪酸含量達到90%以上。Ozkal等[27]將超臨界CO2萃取的榛子油進行脂肪酸組成分析,其中油酸含量為79.38%、亞油酸11.44%、棕櫚酸5.91%,硬脂酸2.14%,以及少量的亞麻酸等。以上數據表明,榛子油具有一定的保健作用,是一種優質的油脂,可以將其開發為保健油以提高其市場應用價值。

3 結論

通過單因素試驗和響應面試驗,采用超聲波輔助無水乙醇提取平歐雜交榛子油,原料過20目篩,液料比17∶1 mL/g,提取溫度66 ℃,提取時間64 min,提取率可達58.99%,其中液料比和提取溫度存在顯著交互作用;液料比和提取時間存在顯著交互作用;提取溫度和提取時間不存在顯著交互作用;通過驗證試驗,證實了該提取工藝可靠性較高,實際可行性較高,具有較強的實際應用價值;本研究對榛子油產品進行GC分析結果顯示:榛子油的脂肪酸主要以不飽和脂肪酸為主,占脂肪酸總量的96%以上,其中油酸含量高達82.59%,亞油酸含量為12.58%,同時還含有少量DHA等,不僅可供食用還有一定的醫療保健作用,具有較多的潛在開發價值。