米糠油谷维素提取方法研究进展

王　荣,林亲录,蒋　鹏,黄　萍,李佳佳,梁　盈

(稻谷及副产物深加工国家工程实验室，中南林业科技大学,湖南长沙 410004)



米糠油谷维素提取方法研究进展

王荣,林亲录,蒋鹏,黄萍,李佳佳,梁盈*

(稻谷及副产物深加工国家工程实验室，中南林业科技大学,湖南长沙 410004)

谷维素是从米糠油或胚芽油等谷物油脂中提取的一种天然混合物,是米糠油深加工过程中产生的极有价值的副产品。本文从谷维素的组成、提取和纯化方法进行综述,重点阐述不同提取工艺的特点和优缺点,分析实验中遇到的实际问题并且提出解决的办法。

谷维素,提取方法,米糠油

谷维素是一种重要的药物,很多的植物油中都含有γ-谷维素,如小麦胚芽油、玉米胚芽油、稞麦糠油、米糠油、菜籽油等。其中以米糠毛油中γ-谷维素含量最高,在米糠油中的含量一般在1.4%～2.9%[1]。2014年中国稻谷总产量达到2.05亿吨[2]。米糠的年产量几近1400万吨。而谷维素是米糠及米糠油深加工过程中极为重要的副产物[3]。1956年日本土屋知太郎申请谷维素提取专利,之后的科研工人员提出了更多的提取方法,本文根据相关文献,总结对比了近年来谷维素提取的方法,阐述了不同提取工艺的优缺点,并且对实验中遇到的一些实际问题给出了有效的解决方法。

1　谷维素的组成及生理功能

γ-谷维素(γ-oryzanol)又称米糠素,其主体为环木菠萝醇类,是由阿魏酸酯(图1)混合而成的一种天然化合物。其中,24-亚甲基环木菠萝醇阿魏酸酯约占35%,环木菠萝烯醇阿魏酸酯约占30%,甾醇类阿魏酸酯约占18%[4]。其外观是白色至淡黄色的结晶粉末,有特异香味,且溶解于苯、二氯乙烯、氯仿、乙醚、丙酮、石油醚、己烷、庚烷、甲醇、乙醇及各种植物油中,但不溶于水[4]。米糠油中γ-谷维素的组成及含量见表1[5]。

图1　环木菠萝烯醇阿魏酸酯化学结构式Fig.1　The chemical structure of cycloartenyl ferulate

表1　米糠油中γ-谷维素的组成及含量(%)

谷维素来源天然,无毒、无刺激、无副作用,较强的抗氧化能力是γ-谷维素的重要生理功能之一,其用途日益广泛,引起人们的普遍关注。目前研究发现,谷维素能降血脂、降血糖、预防动脉粥样硬化[6],有减少胆固醇吸收、清除自由基、抗氧化、调节中枢及心脏自主神经、抑制某些癌细胞生长等功能特性[7-8]。临床上用于治疗植物神经功能紊乱[9]、经前紧张及更年期综合征[10]。最新研究表明,γ-谷维素对预防肥胖、II型糖尿病也有一定的作用[11]。

2　谷维素的提取方法

2.1甲醇萃取法

甲醇萃取法[12-14]提取谷维素有利有弊,具体地,利用谷维素钠盐在甲醇碱液中溶解的特性,直接在米糠毛油中加入甲醇和NaOH对谷维素进行萃取,使谷维素钠盐有效地从皂化、溶解困难的类脂物中分离出来,而溶解在甲醇碱液中的谷维素钠盐可以被弱酸还原为谷维素,利用这一特点,加入柠檬酸调节pH,加温、搅拌、静置过夜,得到谷维素精制品。该方法将米糠毛油直接加入碱性甲醇中进行萃取,减少了弱酸取代法中的油脂碱炼和皂脚补充皂化等复杂工艺,大大简化缩短了工艺流程,避免了毛油碱炼的高温对谷维素的破坏和补充皂化过程中谷维素的流失,因而极大提高了谷维素回收率。按其最佳工艺参数操作,谷维素得率可达68%[12],比目前国内的生产水平提高一倍左右。但该方法酸析过程时间较长,且所得谷维素的纯度不高。

2.2物理精炼脱酸加溶剂萃取法

此方法[15-18]是将物理精炼脱酸工艺与溶剂萃取谷维素生产工艺相结合,先对米糠毛油进行脱蜡、脱胶、脱色处理,再对毛油进行物理精炼处理;接着用甲醇进行多效逆流法萃取谷维素;酸析后可得粗提谷维素,最后经洗涤,真空干燥得到精提谷维素。王子涵[16]等人系统地研究了在甲醇溶液中不同pH条件下谷维素的溶解性能,得出的最佳工艺参数为:萃取温度40 ℃,萃取用甲醇溶液的pH为11,逆流萃取效数为2～3,萃取时间为10 min,萃取所用甲醇为油重的1.5～3.5倍。物理精炼的最佳工艺参数为:温度250～255 ℃,用时20 min,真空度低于500 Pa。谷维素的总得率可超过70%,纯度可达99%以上,做到了优级品的认定标准,此法精炼的米糠油总得率不仅比传统的碱溶酸析法提高了将近5%以上,而且不会像碱溶酸析工艺一样,会排出油脚、类脂物及黑脂酸等废料,减轻了环境污染。但米糠毛油预处理时间长,且工序复杂,需要的设备较多。

2.3非极性溶剂萃取法

采用非极性溶剂萃取法[19-22],对米糠毛油经过滤、水化、脱胶后进行一道碱炼,除去部分游离脂肪酸,这样有利于二道碱炼对谷维素的富集。二道碱炼中加入足量的碱,这样有利于捕集油中更多的谷维素。将等体积的甲醇混合于富含谷维素的皂脚中,室温搅拌,再用NaOH溶液调节其pH,继而用非极性溶剂分次萃取至溶剂层变为无色。在脱除中性油及类脂物质的碱性甲醇皂液中加入一定量的HCl溶液,并调节其pH,使得谷维素钠盐有效转化成所需谷维素,最后用等体积的非极性溶剂分三次萃取,真空干燥后即得谷维素成品。魏安池[22]等人研究发现,提取谷维素的最佳工艺条件为:二道碱炼的足量碱为60%,将苯作为溶剂,萃取pH为8.5,头道碱炼的保留酸值为5。该方法有效减少了如传统弱酸取代法所产生的高温浓碱对谷维素的消减作用。最终成品谷维素的得率为64%,纯度为91.1%。但是该方法对米糠毛油品质的要求较高,只适用于低酸价且谷维素含量较高的米糠毛油。

2.4CO2超临界萃取法

蒋璧蔚等[23]以米糠为原料,采用CO2超临界萃取法对米糠中谷维素的萃取工艺进行探究,以单因素实验数据为依据,由正交实验得出优化方案:萃取温度为50 ℃,萃取时间为100 min,萃取压力为30 MPa,CO2的流速为1.75 L/min。并进行3次有效平行实验,得出平均回收率可达73.34%。

然而,CO2超临界萃取法也有其不可避免的缺点[24-26],就其过程而言,影响成败的因素有很多,如萃取压力、温度、超临界流体的极性、超临界流体的流量、物料颗粒大小以及是否加入夹带剂等。这些因素都会对萃取效果(包括萃取速率和萃取产品的成分与纯度)产生一定的影响,因此,把控这些因素成为科研人员必须思考与掌握的。另外,超临界萃取法萃取效率虽高,但设备制造成本也高,并不适用于生产引用。

2.5弱酸取代法

传统的弱酸取代法[27-29]是以高酸价米糠毛油为原料,进行二次碱炼,一道碱炼可除去大量的游离脂肪酸,二道碱炼则将谷维素有效富集到二道皂脚中,继而再对皂脚进行皂化补充,改善其物化性能,便于后续甲醇碱液萃取,然后利用谷维素“碱溶酸析”的特性,加入弱酸溶液使得谷维素钠盐转化为谷维素,析出更多的谷维素。该方法不仅简化了实验流程,而且缩短了生产周期,使得得率有所提高,一般提取率为6～8 kg/T净毛油。但是直接以毛米糠油进行碱炼,会使得碱炼中损耗过大,最终导致米糠油精炼得率过低,精炼米糠油得率为50%～55%,米糠油在一道碱炼时,谷维素的损失率也相当大,约10%～15%,谷维素得率过低,仅为30%～35%,并且提取所需时间也长,一般为一两天左右。

表2　五种提取方法优缺点对比

刘贺[30]等人对传统工艺进行了改进。以过滤米糠毛油为原料,加入正己烷,有效地降低了米糠毛油的粘度,使得油皂很容易分离,同时降低碱炼的损耗。之后加入氢氧化钠进行一道碱炼,除去部分游离脂肪酸及杂质,离心得一道清油,继续碱炼,使谷维素富集到二道皂脚中,离心得二道皂脚。加入适量甲醇,室温下过滤除去不皂化物,之后加入柠檬酸调节pH,使得谷维素析出,经热甲醇水和石油醚两次洗涤除去杂质,真空冷冻干燥即得谷维素精制品。该作者通过单因素实验优化确定了提取谷维素一道和二道碱炼的最佳工艺参数,考察了二道碱炼条件对米糠油基本指标的影响,以便工厂在加工时进行参考。对二道碱炼米糠油酸价,色泽等基本指标进行了测定,米糠油符合三级米糠油标准。并对谷维素的结晶条件进行了优化,最终测得谷维素得率为64.60%,纯度可达99.60%。本题组对传统酸析碱溶方法进行改进,减少了碱炼对谷维素的损耗,操作简便,仪器设备简单,且提取用时少,8 h左右即可得到成品谷维素。经过改良,课题组还可得到碱炼清油,达到三级米糠油标准,使得谷维素和米糠油的价值得到充分体现,经济效益可观。

3　谷维素提取操作问题及建议

3.1米糠毛油酸价测定干扰

酸价(值)是油脂精炼生产过程中重点监控的指标之一。根据GB/T5530-2005用氢氧化钾对米糠毛油进行滴定,终点的理论颜色应该为微红色,但是在实际操作过程中,由于谷维素的存在,而使得滴定过程中出现黄色,严重干扰了滴定终点的判断[31-33]。酸值不可靠,就无法指导科研和生产。陈汉卿[34]等提出了利用一级大豆油作为空白,通过添加不同量的谷维素,绘制谷维素含量与酸值的关系对照曲线,得到回归方程后,可用于不同谷维素含量下所对应酸值的计算,然后在参照GB/T5530-2005测定所得酸值的基础上,扣除谷维素含量下的酸值,即可得到高谷维素稻米油的真实酸值。金俊[35]等人将饱和NaCl/KCl溶液作为间接显色剂来测定米糠油的酸值,通过观察上层溶液的变色程度,从而确定滴定终点,同样也取得了很好的成效。

本课题组在金俊[35]等人方法的基础上,将饱和KCl溶液用作间接显色剂,来滴定米糠油的酸值,加入饱和KCl溶液后,液体呈现乳白色,且无杂色干扰,能取得很好的效果;并结合GB/T5530-2005,在测得酸值的基础上,扣除谷维素含量下的酸值,即得米糠毛油下的真实酸值。

3.2谷维素含量测定问题

目前常用的检测谷维素含量的方法有紫外分光光度法、高效液相色谱法和质谱法。其中紫外分光光度法有操作简便、经济方便等优势,科研和工厂大多采用此方法。但紫外分光光度法适用于谷维素原料纯度及谷维素片中有效成分的检测,当谷维素质量分数达95%以上时,除315 nm外,在紫外光区无其他吸收峰,然而对于油中微量谷维素成分的检测,该法的适用性还有待进一步验证[36-37]。且因样品中含有除阿魏酸酯外的其它紫外吸收基团[38],导致紫外分光光度法测定结果略偏高。陈燕飞[39]等采用基于ZORBAX NH2柱的HPLC法检测米糠油中谷维素,以乙醇为流动相,在324 nm下检测谷维素含量,并能在10 min内完成此检测,实现谷维素各组分能在同一时间内出峰,避免了采用C18键合硅胶柱时数量不定的多峰情况,同时消除了采用紫外分光光度法时油中其他杂质的干扰,增加了检测结果的准确性。

虽然分光光度法测定结果偏高,但它简便快捷,在工艺控制方面,可作为一个简便快速的粗控方法,达到理想的工艺后再用常用的、精确的HPLC法严格控制质量,这样既节约成本又省时。因此,本课题组在陈燕飞[39]等人的基础上,综合应用紫外分光光度法和HPLC法测定米糠油中提取的谷维素含量,比较二者之间的差异,并初步找出二者之间含量差异的比例,从而在不具备HPLC法工艺制备条件下,应用分光光度法先进行谷维素含量的粗控,探索到较佳的工艺条件后,再用此比例严格控制提取物谷维素的质量,应用此法,可以在降低成本的同时严格控制了制剂的质量。

4　展望

谷维素是稻谷深加工过程中的重要副产物,我国2014年稻谷的产量已经超过2亿吨,米糠产量也有1400万吨左右。谷维素从提取研究至今已有四十年左右,随着研究的深入,提取的方法和工艺也日趋完善[40-41],提取的谷维素品质提高,成本渐降。谷维素有很好的生理保健功能,国内谷维素的应用一般是在医药上,而国外,如日本则在食品和化妆品等领域对谷维素的用途进行了突破。在国内,谷维素的开发应用前景是相当可观的,同时也可借鉴国外的经验,在很多其他方面对谷维素进行更深层次的开发研究,为我国的资源利用、科技发展以及经济建设等做出更大的贡献。

另外,经调查发现,以米糠油或米糠为原料制取谷维素产品,尚未形成合理、高效、节能的生产工艺流程,这在一定程度上极大地影响了米糠油工业及其综合利用产品的进一步发展。其次,经研究发现,目前工业生产中就谷维素提取得率,表现为流失严重,若要进一步提高谷维素得率,则必须在各个生产环节予以改进和控制。因此,将以上谷维素提取、含量测定的建议作为工业生产方面的理论指导,仍不失为可靠性依据,不但可以在提取方面达到操作简便、有效利用资源、绿色提取的目的,而且为谷维素深加工、增加新用途、进入新市场提供了便利与机遇。

[1]徐冉,薛雅琳. 米糠油中γ-谷维素分析检测技术研究现状[J]. 中国油脂,2014,39(4):96-99.

[2]焦善伟. 2014年国内稻米市场形势回顾与后期展望[J]. 种业导刊,2014(12):5-7.

[3]Yoshie A,Kanda A,Nakamura T,et al. Comparison of γ-oryzanol contents in crude rice bran oils from different sources by various determination methods[J]. J Oleo Sci,2009,58(10):511-518.

[4]田媛媛. 谷维素抑制小鼠结肠炎症及其分子机理研究[D].长沙:中南林业科技大学,2014.

[5]徐冉,薛雅琳. 米糠油中γ-谷维素分析检测技术研究现状[J]. 中国油脂,2014,39(4):96-99.

[6]Sakai S,Murata T,Tsubosaka Y,et al. γ-oryzanol reduces adhesion molecule expression in vascular endothelial cells via suppression of nuclear factor-κB activation[J]. J Agric Food Chem,2012,60(13):3367-3372.

[7]Juliano C,Cossu,MAlamanni,et al. Antioxidant activity of gamma-oryzanol:mechanism of action and its effect on oxidative stability of pharmaceutical oils[J]. lnt J Pharm,2010,299(1):146-154.

[8]Christianne E C Rodrigues,Márcia M Onoyama,Antonio J A Meirelles,et al. Optimization of the rice bran oil dcacidification process by liquid-liquid extraction[J]. J Food Eng,2011,73(4):370-378.

[9]吴素萍. 谷维素的生理功能及提取方法的研究现状[J]. 食品工业科技,2009,30(8):365-368.

[10]Yoshiea,Kanda A,Nakamura T,et al. Comparison of γ-oryzanol contents in crude rice bran oils from differ-ent sources by various determination methods[J]. J Oleo Sci,2009,58(10):511-518.

[11]Kozuka C,Yabiku K,Takayama C,et al. Natural food science based novel approach toward prevention andtreatment of obesity and type 2 diabetes:recent studies on brown rice and γ-oryzanol[J]. Obes Res & Clin Pract,2013(7):165-172.

[12]刘瑞菊,褚建波,陈启云. 谷维素的研究进展[J]. 河南科技大学学报:医学版,2015,33(3):237-240.

[13]李艳波. 低品质米糠原位提油制备脂肪酸甲酯及谷维素联产提取的研究[D]. 吉林:吉林大学,2011.

[14]Ji-Soo Lee,Jong Soo Kim,Hyeon Gyu Lee. T-oryzanol-loaded calcium pectinnate microparticles reinforced tll chitosan:Optimization and release characteristics[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2009(70):213-217.

[15]王亚东. 米糠油物理脱酸工艺条件对谷维素含量的影响[D]. 河南:河南工业大学,2013.

[16]王子涵. 溶剂法萃取谷维素生产新工艺的研究[D]. 陕西:西北农林科技大学,2007.

[17]张西宁,许培雅. 从米糠油提取谷维素新工艺的研究[J].粮食与饲料工业,1997(9):36-37.

[18]沈密. 米糠油化学脱酸工艺条件对谷维素含量的影响[D]. 河南:河南工业大学,2014.

[19]戴永东,刘晓庚. 从米糠油皂脚中非极性溶剂提取谷维素研究[J]. 粮食与油脂,2001(3):8-9.

[20]梁少华,林敏刚,赵西周,等. 米糠油物理精炼过程中脱臭对其谷维素含量的影响[J]. 中国粮油学报,2008,23(2):77-79.

[21]刘军海. 米糠谷维素提取纯化方法研究进展[J]. 粮食与油脂,2007(11):1-6.

[22]魏安池. 萃取法提取谷维素的研究[J]. 中国油脂,2000(5):49-50.

[23]蒋璧蔚,林文,王志祥,等. 超临界CO2萃取谷维素的工艺研究[J]. 西北药学杂志,2015,30(3):228-230.

[24]马传国,潘思轶,王高林,等. 米糠油酶法酯化脱酸的研究[J]. 中国粮油学报,2011,26(3):41-46.

[25]李磊,单良,金青哲,等. 高酸值米糠油酶法酯化脱酸工艺研究[J]. 中国油脂,2010,35(10):34-37.

[26]Lerma-García M J,Herrero-Martínez J M,Simó-Alfonso E F,et al. Composition,industrial processing and applications of rice bran γ-oryzanol[J]. Food Chemistry,2009,115(2):389-404.

[27]张明,李桂华,许晓瑞. 酶催化高酸价米糠油酯化脱酸工艺的研究[J]. 河南工业大学学报:自然科学版,2010,31(5):18-21.

[28]Ji-Soo Lee,Jong Soo Kim,Hyeon Gyu Lee. γ-oryzanol-loaded calcium pectinnate microparticles reinforced with chitosan:Optimization and release characteristics[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2009,70(2):213-217.

[29]Patel M,Naik S N. γ-Oryzanol from Rice Bran Oil-A review[J]. Journal of Scientific and Industrial Research,2008(63):569-578.

[30]刘贺. 米糠混合油中谷维素的提取工艺研究[D]. 无锡:江南大学,2009.

[31]双杨. 米糠稳定化研究[D]. 武汉:武汉轻工大学,2014.

[32]李吉. 精炼工艺对糠油中功能因子的影响[D]. 武汉:武汉轻工大学,2014.

[33]邹陶. 米糠综合利用技术研究[D]. 福建:福建农林大学,2014.

[34]Chen Hanqing,Tao Changding,Chen Fengxing. Discussion on the determination methods of acid value of high-oryzanol rice oil[J]. Poster Presentation 4:Oils & Fats Processing and Utilization,2012,439-441.

[35]金俊,谢丹,陈燕飞. 利用饱和NaCl/KCl溶液间接滴定米糠油酸值的研究[J]. 中国油脂,2013(10):80-83.

[36]王瑞元. 植物油料加工产业学(下册)[M].北京:化学工业出版社,2009:18-37.

[37]李素梅,贾梅林,牟永利. 紫外分光光度法测定更辰胶囊中谷维素的含量[J]. 黑龙江医药,2009,22(6):763-764.

[38]徐冉,薛雅琳. 米糠油中γ-谷维素分析检测技术研究现状[J]. 中国油脂,2014,(4):96-99.

[39]陈燕飞,金俊,郑苏卫. 高效液相色谱法测定米糠油中谷维素含量的研究[J]. 粮食与食品工业,2013,20(6):88-91.

[40]王琰. 米糠副产物的高附加值利用[D]. 北京:北京化工大学,2013.

[41]谢莹. 米糠油制取及精炼工艺的研究[D]. 长沙:中南林业科技大学,2013.

Review of extraction methods of rice bran oil oryzanol

WANG Rong,LIN Qin-lu,JIANG Peng,HUANG Ping,LI Jia-jia,LIANG Ying*

(National Engineering Laboratory For Rice and By-product Deep Processing,Center South University of Forestry & Technology,Changsha 410004,China)

Oryzanol is a kind of natural compounds extracte from rice bran oil,germ oil or other corn oil. It is a great valuable by-product in the manufacturing process of rice bran and rice bran oil. The compositions of oryzanol,method of extraction and purification were summmarized in this paper. The advantages and disadvantages of different extraction technology were discussed emphatically. The practical problems encountered in the experiment would be analysised and put forward solutions.

oryzanol;extraction metheds;rice bran oil

2015-11-27

王荣(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：稻谷深加工，E-mail:840174458@qq.com。

梁盈(1981-)，女，副教授，研究方向：分子营养学，E-mail:liangying498@163.com。

国家自然科学基金(31201348/31571874)；湖南省自然科学基金(13JJ4086)；长沙市科技计划项目(K1403039-21)；粮油深加工与品质控制2011湖南省协同创新基金项目。

TS201.1

A

1002-0306(2016)12-0361-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.060