超临界CO2萃取双低油菜籽中油脂及其品质研究

万楚筠 胡双喜 钮琰星 李文林 黄凤洪

（中国农业科学院油料作物研究所1，武汉 430062）

（油料脂质化学与营养湖北省重点实验室2，武汉 430062）

超临界CO2萃取双低油菜籽中油脂及其品质研究

万楚筠1胡双喜2钮琰星1李文林1黄凤洪1

（中国农业科学院油料作物研究所1，武汉 430062）

（油料脂质化学与营养湖北省重点实验室2，武汉 430062）

为解决双低菜籽优质后的优用问题，提高双低菜籽油和饼粕的副加值，采用超临界CO2萃取双低油菜籽中油脂，并对该工艺得到的油和脱脂菜粕品质进行了研究。通过单因素试验研究了萃取压力、萃取温度、萃取时间，萃取流量和原料粒径对油脂提取率的影响。根据单因素试验的结果设计四因素三水平的正交试验得最优工艺参数：萃取温度35℃、压力30 MPa、时间120 min，原料粒度80目，在此条件下油脂提取率可达97.15%。经超临界CO2萃取得到的双低菜籽油色泽浅，酸价与过氧化值都优于正已烷工艺，磷脂含量0.021 mg／g，为正已烷工艺的3.82%；维生素E含量17.26μg／g约是正已烷工艺的2倍，总酚与甾醇含量比正已烷工艺略低。采用超临界CO2萃取得到的“双低”菜粕植酸含量低，蛋白溶解度高，颜色浅，其品质明显优于正已烷萃取的脱脂粕。研究结果可为双低油菜的高值化利用提供数据参考。

超临界CO2萃取 双低油菜 油脂品质 脱脂粕品质

油菜是我国第一大油料作物，也是我国食用油和植物蛋白的重要来源，其菜籽年产量约1 200万t，居于世界首位［1-2］。传统的油菜多为“双高”油菜（芥酸40%～50%，硫苷100～200μmol／g饼）。芥酸是一种长链脂肪酸，人体难以消化吸收，营养价值低；而硫苷在芥子酶作用下降解为异硫氰酸酯、噁唑烷硫酮和腈类等毒素，会引起动物甲状腺肿大，导致动物发育迟缓，影响生长。近20年来，已实现了油菜品种的“双低”（芥酸质量分数多在1%以下，硫苷含量多在25μmol／g饼以下）化。目前，全国“双低”油菜品种的种植面积达90%以上［2］，而且还在逐年递增，基本上从源头解决了芥酸、硫苷对人体和动物的不良影响。采用“双低”菜籽制得的油脂中油酸质量分数在60%以上，亚油酸质量分数为20%左右，总不饱和脂肪酸质量分数高达90%以上［3］，其中ω6和ω3脂肪酸组成比例符合世界卫生组织（WHO）和中国营养学会推荐的标准［2］，而且富含植物甾醇和维生素E，其营养品质能与油茶籽油和橄榄油相媲美。“双低”菜籽取油后的副产物菜籽粕中蛋白质量分数高达40%，其蛋白氨基酸组成合理，除赖氨酸含量略低于豆粕外，含硫氨基酸和组氨酸的含量较高，且含有丰富的硒和磷，是一种潜在的营养价值较高的植物蛋白资源。

传统的菜籽油制取采用“预榨—浸出”工艺，压榨前需高温蒸炒，且压榨后饼中残油还需有机溶剂萃取，所得油脂品质较差，需经复杂的精炼过程才能达到标准，菜籽粕中蛋白变性严重，有效氨基酸破坏显著，导致饼粕饲用效价不高。传统的“预榨—浸出”工艺没有实现菜籽优质后的优用，造成资源的深层次浪费，已不适用于“双低”菜籽的加工［4］。近年来，油料低温压榨成为新的趋势，虽然菜籽直接低温压榨后油脂品质较好，但是菜籽饼中残油较高（10%～16%）［4］。为充分提取油脂，菜籽低温压榨饼还是要经有机溶剂萃取，其中的“高温脱溶”工艺仍然会造成饼粕中蛋白品质的劣变和热敏性营养素的损失。超临界CO2萃取是一项新兴的提取技术，它同有机溶剂如正已烷萃取相比具有很多优点［5］：萃取剂为超临界 CO2，无毒、无味、不可燃，萃取后的残余物无有机溶剂残留；CO2临界温度（31.06℃）和临界压力（7.38 MPa）较低，萃取条件较为温和，能最大限度地保留天然有效成分，产品质量和提取效率较高。目前，超临界CO2萃取已经广泛应用于山核桃、胡麻籽、紫苏籽和油茶籽等植物油脂的提取［6］，然而将之应用于“双低”菜籽油的提取却鲜见报道。

本试验采用超临界CO2萃取“双低”菜籽中的油脂，探索最佳工艺参数，并对萃取得到的油脂和饼粕的品质进行对比研究，以期为“双低”油菜高值化利用提供技术支持和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料、仪器

1.1.1 试验材料

“双低”油菜籽：中双11号，中国农业科学院油料作物研究所种子库提供。CO2纯度≥99.99%。

1.1.2 主要仪器设备

HA221-50-06型超临界萃取设备：江苏南通市华安超临界萃取有限公司；FossKjeltec 2300型凯氏定氮自动分析仪：丹麦／瑞典福斯分析有限公司；Agilent 6890型气相色谱：安捷伦科技有限公司；Avanti J-25型高速冷冻离心机：德国BECKMAN COULTER公司；FZ102型微型植物粉碎机：天津梅斯特仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 超临界CO2萃取流程

将菜籽粉碎后筛分，收集过规定目数的筛下物。称取筛分好的菜籽粉80 g，置于超临界装置的1 L萃取筒中。按超临界萃取的标准步骤操作装置，并按照试验计划设定好萃取温度、萃取流量、萃取压力等相关参数；分离Ⅰ压力8 MPa，温度50℃；分离Ⅱ压力5 MPa，温度35℃；待各项指标稳定后，开始计时，进行油脂萃取，萃取过程完成后，用已恒重的50 mL烧杯分别收集分离Ⅰ和分离Ⅱ中的萃取物，称重记录，然后离心取上层油脂4℃保存待用。萃取筒中的脱脂菜籽粉，用已知质量的样品袋全部收集后，密封称重并记录，4℃保存待分析。

1.2.2 试验设计

1.2.2.1 单因素试验

选取萃取压力、萃取温度、萃取时间，萃取流量和原料粒径。进行单因素试验。根据设备的实际工况，设定各项参数变动范围为：萃取压力15～30 MPa，CO2流量6～18 L／h，萃取温度35～55℃，萃取时间30～180 min；原料粒径设定为40～120目。每组试验变动1个因素的参数，其他因素则固定在合适值。

油脂提取率＝［（菜籽粉油脂质量-脱脂粉油脂质量）／菜籽粉油脂质量］×100%

1.2.2.2 工艺优化试验

根据单因素的试验结果，选择萃取压力、萃取温度、萃取时间和原料粒径为影响因素，以油脂提取率为评价指标，进行超临界CO2萃取工艺条件的优化，选用正交表进行试验设计，并进行重复试验。利用Design Expert软件对试验结果进行数据统计分析。

1.2.3 分析测试

水分含量的测定：常压烘干法，参照 GB／T 14489.1—2008；粗脂肪含量的测定：索氏抽提法，参照GB／T 14488.1—2008；粗蛋白含量的测定：凯氏定氮法，参照 GB／T 14489.2—2008；脂肪酸组成的测定：参照欧洲标准EN14103脂肪酸测定方法；色泽的测定：GB／T 5525—2008；酸价的测定：GB／T 5530—2005；过氧化值的测定：GB／T 5538—2005；蛋白溶解度：参照刘桂宾等［7］的方法。

2 结果与分析

2.1 超临界萃取压力和温度对“双低”菜籽油提取率的影响

萃取CO2温度和压力都超过其临界温度31.06℃和临界压力7.38 MPa的状态称为超临界状态，这时CO2的溶解能力完全依赖于温度和压力［8］，因此温度和压力是影响油脂提取率的关键因素。为了研究超临界萃取温度和压力对“双低”菜籽油脂提取率的影响，设定萃取压力为15、20、25和30 MPa，萃取温度为35、40、45、50和55℃，其他条件固定为CO2流量6 L／h，萃取时间90 min，原料粒径为80目时进行油脂提取试验，试验结果如图1所示。

图1 萃取压力和温度对油脂提取率的影响

从图1可以看出，萃取温度一定时，油脂提取率随着萃取压力的升高而增加；萃取压力为15 MPa时，油脂提取率随着萃取温度的升高而逐渐降低；萃取压力为20 MPa和30 MPa时，油脂提取率先升高，然后逐渐下降，20 MPa时这种趋势最为明显；萃取压力为25 MPa时，油脂提取率在35℃时最高，然后随着温度的升高略有下降，在40～50℃时油脂提取率趋于平稳，超过50℃时则下降迅速。超临界CO2的溶解能力与其密度密切相关，密度增加，溶质溶解度相应增大［8-10］。有研究表明：在近临界区，CO2有极大的压缩性，其密度可以从气体密度0.1 g／cm3变到液体密度2 g／cm3，压力和温度的微小变化，将大大改变流体的密度［11］。这就是在15 MPa和20 MPa时，温度的变化导致油脂提取率变化明显的主要原因。随着压力的增加，超临界CO2流体的密度增加，溶质溶解度相应增大，因此油脂提取率随即提高。而温度的变化对油脂提取率的影响则较为复杂，存在两个方面的效应［12］：一方面，随着温度的增加，溶剂与溶质之间的传质作用增强，有助于萃取；另一方面，温度与压力具有耦合作用，较高的温度会使CO2密度下降，使油脂在CO2中的溶解度降低，不利于萃取。不同压力，不同的温度范围内，这2个效应所占主导地位不同，从而导致增温后，油脂提取率时而上升，时而稳定，时而下降。杨庆利等［12］、魏贞伟等［13］的研究也发现了此类现象。

2.2 超临界CO2流量对“双低”菜籽油提取率的影响

设定 CO2流量为6、12和18 L／h，其他条件固定为萃取压力15 MPa，萃取温度 35℃，萃取时间90 min，原料粒径为80目时进行油脂提取试验，研究超临界CO2流量对“双低”菜籽油脂提取率的影响，试验结果如图2所示。

图2 CO2流量对油脂提取率的影响

由图2可知，随着CO2流量增加，“双低”菜籽油的提取率逐渐增加，当CO2流量达到18 L／h时，油脂提取率达到了46.56%，是流量为6 L／h时的1.64倍，与流量的增长不成比例。这主要是由于一定压力和温度条件下，CO2流量增加使CO2与物料的接触时间变短，不利于油脂的提取；但同时流量增加也加速了流体的扰动，增加了溶质与溶剂分子间碰撞，从而加强了传质，使提取效率提升。

2.3 超临界萃取时间对“双低”菜籽油提取率的影响

从油料中萃取油的过程是一个不稳定的过程，油料中的含油量随时间的变化而减少，萃取剂中油的浓度也随时间而改变，不同的压力下，萃取相同量油脂所需时间也不同。为了研究超临界萃取时间对“双低”菜籽油脂提取率的影响，设定萃取压力15 MPa，温度35℃时，萃取时间持续60～180 min；萃取压力30 MPa，温度40℃时，萃取时间持续30～150 min；其他条件固定为 CO2流量18 L／h，原料粒径为80目时进行油脂提取试验，试验结果如图3所示。

图3 萃取时间对油脂提取率的影响

图3显示，随着萃取时间增加，油脂提取率逐渐升高，油脂提取率达到90%左右时，油脂提取率的增长趋于平缓；在萃取压力30 MPa，温度40℃时，油脂提取率在萃取60 min后就已经达到90%以上，而在压力15 MPa，温度35℃时，需要持续萃取150min油脂提取率才能达到此值；在萃取压力30 MPa，温度40℃时，萃取90 min时，“双低”菜籽油脂提取率达到95.73%，萃取150 min，“双低”菜籽油脂提取率可达96.10%。目前报道的超临界油脂提取时间一般为1.5～3 h［8-9，12-13］，与本研究相符。

2.4 原料粒度对“双低”菜籽油提取率的影响

在油脂萃取时，萃取原料的粒度大小，影响溶剂与溶质之间的接触面积，从而影响油脂的提取率。设定原料粒度在40、60、80、100和120目时，其他条件固定为萃取压力30 MPa，温度40℃，CO2流量18 L／h，萃取时间90 min时进行油脂提取试验，研究原料粒径大小对“双低”菜籽油脂提取率的影响，试验结果如图4所示。

从图4可以看出，原料粒度在40～80目时，油脂提取率与原料粒度呈线性关系，随着原料粒度的降低，油脂提取率逐渐增加；当原料粒度达到80目以后，油脂提取率基本不再随粒度的增加而增大，保持平稳状态。物料的粉碎使其粒径变小可以促进物料与CO2的接触和渗透，提高萃取效率，但过度粉碎，会使物料中的活性组分，如蛋白等变性或活性丧失，同时也增加了能耗；物料太细也易于穿透筛网，导致气路阻塞，降低萃取效率。

图4 菜籽粉粒度对油脂提取率的影响

2.5 “双低”菜籽油超临界萃取工艺的优化

根据上面单因素试验的结果，CO2流量固定为18 L／h，选择萃取压力、温度、时间和原料粒径为影响因素，以油脂提取率为评价指标，设计四因素三水平的正交试验对超临界萃取工艺进行优化，试验安排与结果如表1所示。采用Design Expert软件对正交试验结果进行统计分析，方差分析结果如表2所示。

表1 超临界CO2萃取工艺优化正交试验安排与结果

表2 油脂提取率方差分析表

由方差分析表2可知，试验选用的模型显著，4个因素对油脂提取率都有显著的影响，影响的主次顺序为：萃取压力（B）＞萃取温度（A）＞原料粒度（D）＞萃取时间（C）。通过Design Expert软件对试验模型进行模拟寻优，根据计算得到的各因素对应的油脂提取率的均值和极差分析得到超临界CO2提取“双低”菜籽油的最佳工艺参数：A1B3C3D2，即萃取温度为35℃，萃取压力为 30 MPa，萃取时间为120 min，原料粒度为80目。对软件寻优得到的最佳条件进行试验验证，结果表明在最优条件下超临界CO2萃取“双低”菜籽油的提取率可达97.15%。

2.6 超临界萃取“双低”菜籽油及其脱脂粕的品质分析

对超临界CO2与正已烷萃取得到的“双低”菜籽油和相应的脱脂粕主要品质指标进行测定和对比。

从表3可以看出，超临界CO2萃取得到的油色泽较浅，酸价与过氧化值都优于正已烷工艺，特别是磷脂含量只有0.021 mg／g，为正已烷工艺的3.82%。由此可见，超临界CO2萃取得到的“双低”菜油无需精炼已经达到菜籽油国家三级标准。另外一个值得注意的是维生素E含量，超临界工艺中油的维生素E含量约为正已烷工艺的2倍，达到了17.26μg／g；而总酚与甾醇含量只比正已烷工艺略低。

对于脱脂粕的品质，由表4可知：超临界CO2萃取的脱脂粕植酸含量低，蛋白溶解度高，颜色较浅，品质明显优于正已烷萃取的脱脂粕。

表3 不同工艺“双低”菜籽油主要品质指标

表4 不同工艺脱脂“双低”菜粕品质指标

3 结论

3.1 对超临界CO2萃取“双低”菜籽油的工艺以及油和脱脂粕的品质进行了系统研究，通过单因素和正交试验得到最优工艺参数：萃取温度35℃，萃取压力30 MPa，萃取时间120 min，原料粒度80目，在此条件下超临界CO2萃取“双低”菜籽油的提取率可达97.15%。

3.2 经超临界CO2萃取得到的“双低”菜籽油色泽较浅，酸价与过氧化值都优于正已烷工艺，磷脂含量为0.021 mg／g，只有正已烷工艺的3.82%；维生素E含量约为正已烷工艺的2倍，达到17.26μg／g；总酚与甾醇含量比正已烷工艺略低。超临界CO2萃取得到的“双低”菜粕植酸含量低，蛋白溶解度高，颜色较浅，品质明显优于正已烷萃取的脱脂粕。

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Oil Extrated from Double Low Rapeseed and Its Quality by Using Supercritical CO2Extraction

Wan Chuyun1Hu Shuangxi2Niu Yanxing1LiWenlin1Huang Fenghong1
（Oil Crops Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences1，Wuhan 430062）
（Hubei Key Laboratory of Oil crops Lipid Chemistry and Nutrition2，Wuhan 430062）

For high-value utilization of double-low rapeseed with excellent quality and improving additional value of double-low rapeseed oil and rapeseed meals，supercritical CO2was used to extract double-low rapeseed oil.Meanwhile the quality of oil and rapeseed meal obtained by supercritical CO2extraction was studied.The factors including extraction pressure，temperature，time，CO2quantity of flow and particle size ofmaterials effecting on oil extraction efficiency were investigated by single factor experimentswith supercritical CO2.The orthogonal experiment of four factors and three levelswas used to optimize the operation parameters.According to results of the experiments，optimal operation parameterswere extraction temperature of35℃，pressure of30 MPa，time of120 min，and particle size ofmaterials of80 mesh.In this optimal condition，the oil yield was97.15%by supercritical CO2extraction.The double low rapeseed oils obtained by supercritical CO2extraction had light color，better acid value and peroxide value compared with the oil extracted with n-hexane.The phospholipid content of oil extracted with supercritical CO2was 0.021 mg／g，which was3.82%to n-hexane process.The vitamin E contentwas17.26μg／g，which was about twice than that of n-hexane process.And total phenolic and sterol content were slightly lower than the nhexane process.The rapeseed meal of double low rapeseed obtained by supercritical CO2extraction was superior to themeal obtained by n-hexane extraction.It had low phytic acid content，high protein solubility and better color.These study results could help to utilize double low rapeseed for high-value products.

supercritical CO2extraction，double low rapeseed，oil quality，defatted meal quality

TS224

A

1003-0174（2015）07-0032-05

国家科技支撑计划（2012BAD49G00）

2014-01-23

万楚筠，男，1980年出生，博士，粮油加工与利用

黄凤洪，男，1965年出生，研究员，农产品加工利用