超臨界CO2萃取聯合超聲處理對凡納濱對蝦蝦頭油脂提取效果的影響

魏 帥，唐崟珺，馬嘉億，劉穎琳，劉振洋，劉書成,2,*

（1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東省水產品加工與安全重點實驗室，廣東省海洋生物制品工程實驗室，廣東省海洋食品工程技術研究中心，水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東 湛江 524088；2.大連工業大學海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 大連 116034）

凡納濱對蝦占據了中國對蝦養殖市場的主要份額，2021 年蝦海水養殖量約157 萬t，比2020 年增長5.7%，凡納濱對蝦海水養殖量占蝦海水養殖總量的81%，而廣東地區凡納濱對蝦海水養殖產量為52萬t，占我國凡納濱對蝦海水養殖產量的41%[1]。大部分的對蝦原料在被取下蝦肉后便失去了利用價值，蝦頭、蝦殼等副產物除小部分用于加工調味基料、生產飼料和制備甲殼素外，大部分作為廢棄物丟棄，造成資源浪費和環境污染。凡納濱對蝦的蝦頭、蝦殼和蝦尾約占蝦總質量的44%[2]。廣東湛江是全國凡納濱對蝦產量和出口量最大的地區，在湛江每年對蝦加工過程中產生的下腳料就達3 萬t。蝦頭、蝦殼副產物中包含多種營養成分，如蛋白質、甲殼素、類胡蘿卜素等[3-4]，這些資源的有效提取和利用對豐富對蝦產業具有重要意義。

目前國內外對于凡納濱對蝦副產物的利用多集中在蛋白質和蝦青素這兩類產品上，對于脂類的提取工藝研究較少。研究顯示，蝦頭中含有人體所需的不飽和脂肪酸，其中對人體心血管功能有很好保護作用的DHA 和EPA 含量分別為10.54%和6.47%，均高于蝦肉中的含量[5]。目前蝦類研究采用的提取方法中，溶劑萃取法簡便易行，成本低，但使用的溶劑極易對產物造成污染，還會破壞其他營養成分[6]。超臨界CO2萃取技術利用超臨界流體的溶解能力，已用于植物油脂的提取[7]和南極磷蝦油的提取[8]等，但存在提取率不高的問題。采用適合的夾帶劑種類與劑量可提高超臨界的提取率，乙醇作為較清潔的有機溶劑，容易與提取物分離，且可以提高油脂提取率，其已被用作夾帶劑添加到超臨界萃取中[9]。超聲波輔助提取技術利用超聲在振蕩過程中產生的空化、高剪切、攪拌等增強目標物質以固相到萃取溶劑的傳質，從而有效提升提取效果，具有無毒、無污染等優點，有利于促進可持續發展[10]。超聲聯合超臨界CO2萃取可顯著提高香根草油的提取率，油產量比未處理組增加28%，聯合處理提高了油品質量，小幅提升了單不飽和脂肪酸選擇性，提高植物化合物的含量和抗氧化活性[11]。因此，為更好地利用對蝦加工副產物蝦頭，本文探究了超臨界萃取的壓力、時間和溫度及超聲聯合處理對蝦頭中油脂提取率的影響，并測定其揮發性成分，以期為對蝦副產物中蝦頭油脂的提取工藝和風味特征分析提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

凡納濱對蝦：購于廣東省湛江市霞山區東風市場，加冰運送至實驗室，清洗后取下蝦頭，在熱泵干燥機中進行干制，采用高速萬能粉碎機進行制粉，4 ℃保存備用；無水乙醇和石油醚（沸程30～60 ℃）：購于佛山西隴化工有限公司。

1.1.2 儀器與設備

超聲波-超臨界聚合反應裝置，南京先歐儀器制造有限公司；L3.5TB1 型熱泵干燥機，廣東威而信實業有限公司；LD-Y500型高速萬能粉碎機，上海頂帥電器有限公司；HH-4型數顯恒溫水浴鍋，上海梅香儀器有限公司；JIDI-21R型離心機，廣州吉迪儀器有限公司；BSA224S型電子天平，北京賽多利斯公司；PEN3型電子鼻分析系統，德國Airsense 公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相萃取頭，美國Supelco 公司；GCMS-TQ8050NX型氣相色譜-質譜聯用儀，Rtx-5MS石英毛細管分析柱（30 m×0.25 mm×0.25μm），日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2提取油脂單因素試驗設計

1.2.1.1 萃取壓力的篩選

稱取10.0 g 蝦頭樣品粉末，按照質量比1∶1 加入乙醇，萃取壓力分別設置為：15、20、25、30、35 MPa，于50 ℃萃取60 min，每組做兩次重復試驗，研究不同萃取壓力對蝦頭油脂提取率的影響。

1.2.1.2 萃取溫度的篩選

稱取10.0 g 蝦頭樣品粉末，按照質量比1∶1 加入乙醇，萃取溫度分別設置為：35、40、45、50、55 ℃，采用試驗優化的壓力萃取60 min，研究不同萃取溫度對蝦頭油脂提取率的影響。

1.2.1.3 萃取時間的篩選

稱取10.0 g 蝦頭樣品粉末，按照質量比1∶1 加入乙醇，萃取時間分別設置為：30、60、90、120、150 min，采用試驗優化的壓力和溫度進行萃取，研究不同萃取時間對蝦頭油脂提取率的影響。

1.2.2 超臨界CO2聯合超聲提取油脂方法

在經優化的超臨界萃取條件下進行超聲波處理，當萃取釜內壓力達到設定條件開始萃取時，打開超聲波處理設備，處理時間為每次10 s、間隔5 s，持續20 min，功率2.5 kW，頻率35 kHz，研究超臨界萃取結合超聲波處理對蝦頭油脂提取率的影響。

1.2.3 測定項目與方法

1.2.3.1 蝦頭中脂肪含量

參照GB 5009.6—2016[12]中第一法索氏抽提法測定脂肪含量（單位：g/100 g），稱取2.0 g蝦頭粉末樣品，放進抽提管，使用沸程30～60 ℃的石油醚作抽提溶劑。

1.2.3.2 蝦頭中油脂提取率

采用以下公式計算：

1.2.3.3 揮發性成分測定

將提取的蝦油3 mL 與3.0 g 氯化鈉混合后置于15 mL 的頂空瓶中，40 ℃水浴鍋中加熱10 min，使用50/30μm DVB/CAR/PDMS的萃取針吸附30 min。萃取針在GC-MS進樣口解吸5 min，不分流進樣。揮發性物質檢測采用GC-MS-TQ8050NX（配毛細血管柱Rtx-5 MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣是純度99.999%的氦氣，流速為1.0 mL/min；柱溫程序為：30 ℃保持1 min，以4 ℃/min加熱到92 ℃，保持2 min，以5 ℃/min加熱到200 ℃，以6 ℃/min加熱至240 ℃，保持4 min。電離能設置為70 eV，接口溫度為250 ℃，離子源溫度為250 ℃，質量掃描范圍為40～450 amu。所檢測成分的質譜與NIST14數據庫進行比對匹配和定性分析，根據相對峰面積計算各揮發性成分相對含量。

1.2.4 數據處理

采用Excel 軟件分析處理數據，采用SPSS 26 軟件進行顯著性分析，所有試驗均重復3次，結果以表示。

2 結果與分析

2.1 萃取壓力對蝦頭油脂提取率的影響

由圖1 可見，在50 ℃下萃取60 min，增加壓力可提高蝦油提取率，壓力在15～30 MPa范圍內無顯著差異；35 MPa 時蝦油提取率最高，為28.75%，是15 MPa時提取率的近5倍，顯著高于15～25 MPa時的提取率（P＜0.05）。超臨界萃取壓力增大時，會增強分子間作用力，使被提取物在性質上更接近于脂類狀態[13]。此時蝦頭粉末中油脂會溶于其中，達到萃取效果，即在15～30 MPa 壓力范圍內，提取率隨壓力增大而升高。雖然35 MPa 壓力下提取率高于其他水平，但與30 MPa下提取率無顯著差異。綜合考慮能耗和升壓時間，確定蝦頭油脂提取的最優萃取壓力為30 MPa。

圖1 萃取壓力對蝦頭油脂提取率的影響Fig.1 Effects of extraction pressures on the extraction rates of shrimp head oil

2.2 萃取溫度對蝦頭油脂提取率的影響

由圖2 可見，30 MPa 萃取60 min 時，隨著萃取溫度的升高，蝦頭油脂提取率降低。提取率在35～50 ℃范圍內無顯著差異，35 ℃條件下提取率最高，為40.59%，顯著高于55 ℃時的提取率（P＜0.05）。超臨界萃取溫度升高會降低超臨界CO2的密度，一定溫度范圍內會增加溶質的擴散和解離速率，但溫度過高會影響油類品質并引起油脂溶解能力下降，導致萃取率降低[14]。劉鴻雁等[15]探究了超臨界萃取溫度對玉米胚芽油提取率的影響，發現在萃取溫度30～40 ℃范圍內，提取率隨溫度升高而升高，但當萃取溫度處于40～50 ℃時，提取率隨溫度升高而降低。綜合考慮能耗及溫度對提取率的影響，確定蝦頭油脂提取的最佳萃取溫度為35 ℃。

圖2 萃取溫度對蝦頭油脂提取率的影響Fig.2 Effects of extraction temperatures on the extraction rates of shrimp head oil

2.3 萃取時間對蝦頭油脂提取率的影響

由圖3可見，在30 MPa、35 ℃條件下，隨著萃取時間的延長，蝦頭油脂提取率逐漸升高。在30～90 min范圍內蝦油提取率無顯著差異，繼續增加萃取時間，提取率顯著增加。萃取150 min 時蝦油提取率最高，為43.02%，顯著高于其他各組（P＜0.05）。隨著萃取時間的延長，超臨界流體在物料中浸提作用增加，油脂得到充分浸提，從而使提取率升高[14]。當萃取時間為120 min 時，蝦油提取率為38.03%，顯著高于30、60、90 min 萃取組（P＜0.05）。考慮到能耗以及時間成本，確定蝦頭油脂提取的萃取時間為120 min。

圖3 萃取時間對蝦頭油脂提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on the extraction rates of shrimp head oil

2.4 超聲波聯合超臨界處理對蝦頭油脂提取率的影響

超聲波在萃取工藝中可產生空化效應，在高功率的超聲波作用下會促進超臨界CO2流體中產生細小空泡，在空泡破裂的瞬間產生極高壓力，蝦頭粉末中油脂被快速揮發出來，溶解于超臨界流體中，從而提高提取率[11，16]。因此采用超聲波結合超臨界處理提取蝦油，設置超聲條件為處理10 s、間隔5 s，總處理時長20 min，功率2.5 kW，頻率35 kHz。超聲波聯合超臨界處理后，蝦油提取率提升至52.97%±0.95%，顯著高于單獨超臨界提取（P＜0.05）。

2.5 揮發性成分分析

水產品中報道的揮發性物質主要有醇類、醛類、酮類、酸類、酚類和含氮、硫及雜環類化合物[17]。由表1 可見，蝦油中共檢測出22 種揮發性物質，包括烷烴類（5種）、醛類（6種）、酯類（2種）、酸類（3種）、苯類（5種）和醚類（1種）。蝦油中醛類物質占比26.62%。醛類具有刺激性氣味，主要來源于脂肪酸降解、氨基酸降解等，微量的醛在蝦油中可起到調節的作用[18]。酯類物質通常源于短鏈酸和醇的酯化反應，可以提高和改善香味[19-20]。酸類可以通過氨基酸脫氨作用、糖類降解等產生。蝦油中酸類物質相對含量較低，為3.94%，有刺激性氣味，可起到調和作用。凡納濱對蝦蝦油中共檢測出烷烴類化合物5 種，占比45.28%，在南極磷蝦油中也檢測出辛烷、17-烷烯、庚烷等烷烴類物質[21]，但蝦油烷烴類揮發性物質不同，比例也有差異，可能由于原料差異和提取方法不同所致。

表1 蝦油中揮發性物質相對含量Table 1 The relative contents of volatile components of shrimp head oil 單位：%

3 結論

本研究以凡納濱對蝦加工副產物蝦頭為原料，采用超臨界CO2聯合超聲提取蝦油。結果表明，采用30 MPa、35 ℃超臨界CO2提取120 min，在壓力達到30 MPa 時開啟超聲處理，得到蝦油提取率為52.97%±0.95%。聯合超聲處理可顯著提高蝦頭中油脂提取率，后續可以進一步研究超聲聯合方式以及超聲工作參數，如功率、作用時間等，對蝦油提取效果的影響和作用規律。采用GC-MS 分析超臨界CO2聯合超聲提取蝦油中揮發性成分，共檢測出烷烴類、醛類、酯類、酸類等共22 種成分，后期可進一步分析其主要風味貢獻物質，并進行定量分析，確定超臨界CO2聯合超聲提取蝦頭中油脂的風味特征標志物。