超声波辅助提取鸭肝卵磷脂的工艺研究

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(江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014)

超声波辅助提取鸭肝卵磷脂的工艺研究

王道营,张牧晗,程秋菊,卞欢,耿志明,刘芳,诸永志,吴海虹,徐为民*

(江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014)

本文以鸭肝为实验原料,以超声波辅助提取鸭肝中的卵磷脂。通过控制超声温度、超声时间、乙醇浓度、乙醇用量和超声功率来进行单因素实验,并以卵磷脂提取率为依据,对鸭肝卵磷脂的提取工艺进行响应面优化。实验结果显示,响应面优化得到鸭肝卵磷脂提取的最佳参数为:超声温度35℃,超声时间43min,乙醇浓度95%,乙醇用量17mL。验证实验鸭肝卵磷脂提取率为76.34%。在该工艺条件下鸭肝卵磷脂的提取率达到较高,可以作为工业化生产的加工条件。

鸭肝,卵磷脂,超声波,响应面

卵磷脂(PC)对机体的正常代谢有重要的调节功能,同时它是重要的乳化剂和抗氧化剂,广泛用于食品、医药、化妆品等行业[1]。目前,卵磷脂的来源主要有2大类:一是从蛋黄中提取,其产率低；二是从大豆中提取,其工艺复杂,纯度低[2]。鸭肝中不仅富含多种维生素、微量元素,而且卵磷脂也非常丰富,但目前从鸭肝中提取卵磷脂的工艺尚未见报道。

本研究以鸭肝为主要原料,进行超声辅助粗提卵磷脂。超声提取利用超声的机械振动、空化效应、热效应等多重作用[3],破坏细胞壁,使溶剂易于渗透到细胞中去,缩短卵磷脂提取的时间,加速卵磷脂的溶出,提高卵磷脂的提取率。超声波萃取设备简单、应用范围广、效率高,可减少有效成分的破坏、流失[3]。采用超声的方法从鸭肝中提取卵磷脂,克服了传统溶剂提取法(溶剂残留比较多,且具有一定的毒性)和超临界CO2萃取法(生产成本相对偏高)的不足之处,对超声辅助提取的最优工艺进行了探索。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

鸭肝 购自徐州福润禽业食品有限公司；乙酸乙酯、95%/无水乙醇 南京宁试化学试剂有限公司；30%过氧化氢、抗坏血酸 西陇化工股份有限公司；硫酸 成都市克隆化工试剂厂；钼酸铵 上海苏懿化学试剂有限公司；磷酸二氢钾 杭州达瑞尔仪器有限公司；酒石酸锑钾 上海炎晨化工实验有限公司。

M124A电子天平 意大利BEL公司；HH-8数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；T-25数显匀浆机 德国IKA公司；K3 Series冷冻离心机 英国Centurion Scientific公司；UV-6100紫外可见光分光光度计 上海元析仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；KQ-300GVDV型三频恒温数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 鸭肝中总卵磷脂的提取 取5g鸭肝,置于80mL离心管中,加入30mL氯仿-甲醇(v/v=2∶1)匀浆。匀浆后倒入100mL三角瓶,再加入50mL氯仿-甲醇(v/v=2∶1)混匀,静置1h后过滤。加入0.2倍体积的生理盐水,混匀后3000r/min离心15min。取下层液体,44℃水浴真空旋转蒸发,蒸干后剩余物质即为卵磷脂粗品,经消化后,采用钼蓝比色法测定总磷(本方法参考GB 11893-89,水质总磷的测定钼酸铵分光光度法)[4],得到鸭肝含的卵磷脂(记作C0,%),C=P×1250,P指由标准曲线计算出的试样消化液中磷浓度(mg/mL)。

1.2.2 卵磷脂提取率的测定 用超声波方法提取的卵磷脂粗品经消化后,采用钼蓝比色法测定总磷[4],得到卵磷脂含量(记作C,%),C=(P×6250)/m,P指由标准曲线计算出的试样消化液中磷浓度(mg/mL),m为鸭肝质量(g),与鸭肝含的卵磷脂相对比,计算出卵磷脂提取率(%)=(C/C0)×100。

1.2.3 超声辅助提取鸭肝中卵磷脂的工艺

1.2.3.1 提取方法 取一定量鸭肝,剪碎匀浆后准确称量5g,置于50mL离心管中,加20mL乙酸乙酯,搅拌,静置15 min,4000r/min离心,弃上清液。再加入一定量一定浓度的乙醇溶液,搅拌均匀后,置入210W的超声波清洗器中,在一定温度下超声处理混合液,超声结束后4000r/min离心15min,将上清液用3层滤纸过滤,滤液滤入称量好质量的圆底烧瓶。滤液在旋转蒸发器中浓缩近干燥,将所得卵磷脂置于60℃真空干燥箱中干燥12h,即得淡黄色的卵磷脂粗品。称取0.05g左右卵磷脂,消化后,采用钼蓝比色法在700nm下测定吸光度,计算卵磷脂提取率。

1.2.3.2 单因素实验 以鸭肝卵磷脂的提取率为指标,分别以超声时间(按照20、30、40、50、60min,超声功率210W,超声频率28Hz,超声温度35℃,乙醇浓度95%,乙醇用量20mL)、超声温度(按照15、25、35、45、55℃,超声功率210W,超声频率28Hz,超声时间30min,乙醇浓度95%,乙醇用量20mL)、超声功率(按照210、240、270、300W,超声频率28Hz,超声温度35℃,超声时间40min,乙醇浓度95%,乙醇用量15mL)、乙醇浓度(按照85%、90%、95%、100%,超声功率210W,超声频率28Hz,超声温度35℃,超声时间40min,乙醇用量20mL)、乙醇用量(按照5、10、15、20、25mL,超声功率210W,超声频率28Hz,超声温度35℃,超声时间40min,乙醇浓度95%)的不同水平进行单因素实验,考察这5个因素对鸭肝卵磷脂提取率的影响,选择各因素最佳水平。

1.2.3.3 响应曲面设计 在单因素实验的基础上,采用响应曲面对提取鸭肝卵磷脂工艺进行优化[5-6]。实验因素与水平编码见表1。

1.3数据处理

所有数据以平均值±标准误表示,所得数据使用SPSS 18.0进行单因素方差分析；不同处理组间差异分析采用One-way ANOVA,用Duncan’s 多重比较,α=0.05。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Factors and levels of response surface design

2 结果与分析

2.1单因素实验结果

2.1.1 超声温度对鸭肝卵磷脂提取率的影响 不同温度对卵磷脂提取率的影响如图1所示。鸭肝卵磷脂的提取率随着超声温度的升高而增加,当温度为35℃时提取率达到最高,超过35℃时随着温度的升高提取率又逐渐下降。

图1 超声温度对鸭肝卵磷脂提取率的影响Fig.1 Effect of the ultrasonic temperature on duck liver lecithin extraction注:标有不同字母的处理有显著性差异 (p<0.05),图2～图5同。

由此可见,温度对卵磷脂的提取有显著的影响。国外研究发现温度越高,磷脂分子中非极性基团越易伸展开来,导致磷脂的极性头之间及游离脂肪酸间的作用加强,促使磷脂结块[7]。温度对PC提取率的影响取决于其对传质和结块的平衡。从实验结果看,低于35℃,温度对传质作用的影响大,随着温度增加,磷脂在溶剂中的溶解度增加,磷脂分子扩散加快,磷脂提取率增加。而高于35℃后,温度对结块作用影响较大,结块后的磷脂,乙醇溶液很难扩散到磷脂内部,影响了传质作用,故提取率不断下降；另外,PC在高温下容易被氧化,且PC在乙醇中的溶解是放热过程,溶解度会随温度的上升而减少[8],最佳超声温度取为35℃。

2.1.2 超声时间对鸭肝卵磷脂提取率的影响 超声时间对卵磷脂提取率的影响如图2所示。随着超声时间的延长,鸭肝卵磷脂的提取率不断增加,但萃取时间超过40min后,提取率增加趋势不再显著。因此,选择最佳提取时间为40min。

图2 超声时间对鸭肝卵磷脂提取率的影响Fig.2 Effect of the ultrasonic time on duck liver lecithin extraction

2.1.3 乙醇浓度对鸭肝卵磷脂提取率的影响 乙醇浓度对鸭肝卵磷脂提取率的影响如图3所示。由图3可知,随着乙醇浓度的增加,卵磷脂的提取率不断提高,在乙醇浓度为95%时,提取率达到最高。用85%、90%的乙醇萃取时,溶剂含水量较高,磷脂在溶剂中易吸水结成团块,黏结成胶体,使磷脂无法与乙醇充分接触,在乙醇中的分散效果不好,阻碍萃取传质过程,从而使得提取率较低。而用无水乙醇萃取时,卵磷脂的提取率反而下降,这是因为无水乙醇没有含水乙醇极性大,而卵磷脂又是偏极性物质,当磷脂中存在微量水时,磷脂可以与水形成亲油基向外亲水基向内的反胶团,磷脂的无机性增强,使磷脂的I/O值与乙醇的I/O值更接近,增加了卵磷脂在乙醇中的溶解度。因此,选择95%乙醇为最佳提取的乙醇浓度。

图3 乙醇浓度对鸭肝卵磷脂提取率的影响Fig.3 Effect of the ethanol consistency on duck liver lecithin extraction

2.1.4 乙醇用量对鸭肝卵磷脂提取率的影响 乙醇用量对鸭肝卵磷脂提取率的影响如图4所示。由图4可知,随着溶剂用量的增加,卵磷脂提取率升高,乙醇用量达到15mL后增加趋势趋于平缓。由实验结果可见,提取用乙醇溶剂用量越大,被提取的卵磷脂的分散性越好,有利于卵磷脂在乙醇中的溶解,故提取率提高。从选择高的提取率和降低溶剂成本的角度看,选择最佳的乙醇用量为15mL。

图4 乙醇用量对鸭肝卵磷脂提取率的影响Fig.4 Effect of the ethanol volume on duck liver lecithin extraction

2.1.5 超声功率对鸭肝卵磷脂提取率的影响 超声功率对鸭肝卵磷脂提取率的影响如图5所示。由图5可知,超声功率在200～300W之间时,PC提取率变化不明显,故以后实验均采用210W作为超声提取鸭肝卵磷脂的功率。

图5 超声功率对鸭肝卵磷脂提取率的影响Fig.5 Effect of the ultrasonic power on duck liver lecithin extraction

2.2响应曲面实验结果与分析

利用Design-Expert 8 Trial 120软件对表2.3数据进行多元回归拟合,得到多元二次回归模型方程(1):Y=76.35+0.32A+0.21B+0.076C+0.41D-0.79AB+0.075AC-0.16AD-0.12BC+0.16BD-0.26CD-0.86A2-0.46B2-0.77C2-0.51D2。方程(1)中Y为鸭肝卵磷脂的提取率,A、B、C、D分别代表超声温度、超声时间、乙醇浓度、乙醇用量。由回归方程可知,方程(1)中D的系数最大,其次是A、B的系数,最小的是C的系数,表明D(乙醇用量)对卵磷脂提取率的影响作用最大。

2.2.1 超声温度与时间的影响及其交互作用分析 超声温度和超声时间对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图如图6所示。对模型进行回归方程系数显著性检验结果显示,超声温度和时间的交互作用极显著(p<0.0001),卵磷脂提取率主要受温度和时间的共同影响。由图6可知,随着温度的升高提取率快速增大,当温度为36.34℃时,提取率达到最大值。当超声温度为36.34℃时,很短的超声提取时间就可以达到较高的提取率；在超声提取温度为25℃时,需要44min才能得到较高的提取率。可以看出,适当升高超声温度有利于卵磷脂的提取。由图6可以看出,超声温度为36.34℃,超声时间为41.13min时,提取率可达到最大值为76.38%。

表2 超声波辅助提取鸭肝卵磷脂 工艺响应曲面设计方案与结果Table 2 Results of the response surface design of ultrasonic-assisted extraction of duck liver lecithin

图6 超声温度和超声时间 对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图Fig.6 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic temperature and time on duck liver lecithin extraction

2.2.2 超声温度与乙醇用量的影响及其交互作用分析 超声温度和乙醇用量的交互作用显著(p<0.05),如图7所示。卵磷脂提取率受温度和乙醇用量的共同影响,当超声温度为40℃,乙醇用量为12.5mL时提取率可达到较高水平。当超声温度为35℃时,适当增加乙醇用量,提取率可以显著上升,而当温度为30℃时,不论怎样增大乙醇用量,提取率也未能达到较高水平。由此可得出,当超声温度较低时,鸭肝卵磷脂不能被完全提出。由图可得,超声温度为36.59℃,乙醇用量为16.88mL时,提取率可达到最大值76.45%。

图7 超声温度和乙醇用量 对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图Fig.7 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic temperature and ethanol volume on duck liver lecithin extraction

2.2.3 超声时间与乙醇用量的影响及其交互作用分析 超声时间和乙醇用量对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图如图8所示。超声时间和乙醇用量交互作用显著(p<0.05),提取率受超声时间和乙醇用量的共同影响,当超声时间为30min时,适当增加乙醇用量,提取率可以迅速提高。由图8可得,超声时间为43.12min,乙醇用量17.27mL时,提取率可达到最大值为76.47%。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of regression and variance

图8 超声时间和乙醇用量 对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图Fig.8 Response surface plot of the combined effects of ultrasonic time and ethanol volume on duck liver lecithin extraction

注:***差异极显著(p<0.001),*差异显著(p<0.05)水平。2.2.4 乙醇浓度与乙醇用量的影响及其交互作用分析 乙醇浓度和乙醇用量对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图如图9所示。

图9 乙醇浓度和乙醇用量 对鸭肝卵磷脂提取率影响的响应面图Fig.9 Response surface plot of the combined effects of the ethanol concentration and ethanol level on duck liver lecithin extraction

乙醇浓度与乙醇用量交互作用显著(p<0.05),提取率受乙醇浓度和乙醇用量的共同影响,提取率随着乙醇用量的增大,而迅速增大,当乙醇用量为10mL时,乙醇浓度增大而提取率没有明显提升,当乙醇用量为12.5mL时,增大乙醇浓度提取率迅速增大,当乙醇用量为15mL时,94%浓度的乙醇就能达到比较高的提取率。可以得知,适当增大乙醇用量有利于提取率的增大。由图9可得,乙醇浓度为95.01%,乙醇用量为17.11mL时,提取率可达到最大值76.43%。乙醇浓度与超声温度(p>0.05)及乙醇浓度与超声时间(p>0.05)的交互作用均不显著,乙醇浓度对提取率的影响不大,由图7～图10的响应面图可看出,影响超声波辅助提取鸭肝卵磷脂提取率的最显著因素是超声温度和乙醇用量,超声时间、乙醇浓度次之。

为了方便实验操作,最佳提取条件为:超声温度35℃,超声时间43min,乙醇浓度95%,乙醇用量17mL。在该条件下进行验证实验,得到鸭肝卵磷脂提取率为76.34%,相对误差0.17%,说明采用响应曲面优化得到的鸭肝卵磷脂提取工艺条件参数准确可靠,利用本实验建立的模型在实践中进行预测是可行的。

3 结论

超声辅助提取鸭肝卵磷脂的最优工艺条件:超声温度34.91℃,超声时间43.25min,乙醇浓度94.72%,乙醇用量17.34mL。鸭肝中卵磷脂提取率可达到76.47%。验证实验显示,在该优化条件下,鸭肝卵磷脂的提取率达到较好值,可以作为工业化生产的基本加工条件,为鸭肝卵磷脂的快速、充分提取提供了理论保障。

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Study on ultrasonic-assisted extraction of lecithin from duck liver

WANGDao-ying,ZHANGMu-han,CHENGQiu-ju,BIANHuan,GENGZhi-ming,LIUFang,ZHUYong-zhi,WUHai-hong,XUWei-min*

(Institute of Agricultural Products Processing,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China)

Duck liver was selected as raw material,and lecithin was extracted with ultrasound-assisted method. The ultrasonic temperature,ultrasonic time,ethanol concentration,ethanol level and ultrasonic power were controlled by single factor experiment,and subsequently response surface methodology was conducted to optimize ultrasonic assisted extraction based on lecithin extraction ratio. The experiment results showed that the optimum condition of ultrasonic-assisted extraction of lecithin from duck liver was achieved at the ultrasonic temperature of 35℃,ultrasonic time of 43 min,ethanol concentration of 95% and ethanol volume of 17mL. The validation experiment showed that the duck lecithin extraction ratio was 76.34%,which indicated a high extraction ratio of lecithin could be obtained,and these extraction conditions could be used for industrial application.

duck liver;lecithin;ultrasonic;response surface method

2014-01-13 *通讯联系人

王道营(1979-)，男，博士研究生，副研究员，研究方向：肉品加工与质量控制。

国家自然科学基金资助项目(31271891)；国家农业科技成果转化资金(2012GB2C100165)。

TS251.6+8

B

1002-0306(2014)17-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2014.17.001