γ-环糊精脱除玉米油中玉米赤霉烯酮的研究与工艺优化

赵 洋

丰益(上海)生物技术研发中心有限公司 (上海 200137)

γ-环糊精脱除玉米油中玉米赤霉烯酮的研究与工艺优化

赵 洋

丰益(上海)生物技术研发中心有限公司 (上海 200137)

以含有玉米赤霉烯酮的毛玉米油为原料，研究了γ-环糊精在不同条件下对玉米油中玉米赤霉烯酮脱除率的影响。结果表明，将一定油重质量分数的γ-环糊精加入到常规碱炼的碱液中，发现其γ-环糊精的碱性溶液，对ZEN的脱除率效果明显优于同等条件下其它物质和空白常规碱炼的脱除率。最优工艺条件为：γ-环糊精添加量为5%，反应温度为35 ℃，时间为45 min，碱液浓度为15%，玉米赤霉烯酮脱除率可达96.02%。

玉米油；环糊精；玉米赤霉烯酮；脱除率

玉米赤霉烯酮(Zearalenone (ZEN))，又称F-2毒素，是由田间霉菌镰刀菌产生的一种雌激素类真菌毒素，它首先是从有赤霉病的玉米中分离得到[1-2]。玉米赤霉烯酮能造成动物急慢性中毒，影响动物生长性能及造成生殖疾病等影响。它广泛分布于小麦等粮食、畜禽饲料和土壤，是世界范围内粮食饲料的污染物之一，真菌毒素污染是植物油存在的重要食品安全隐患，已成为植物油安全的主要问题之一。所以，如何有效降低或者消除玉米赤霉烯酮毒素的危害非常具有现实意义。

ZEN是一种酚的二羟基苯酸的大环内酯结构，类似玉米赤霉烯醇结构,是一种白色结晶化合物，分子式为C18H22O5，相对分子量为318，熔点164 ℃～165 ℃，对热稳定(120 ℃加热4 h未分解)。ZEN溶于碱性水溶液，在苯、乙腈、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丙酮中的溶解度依次增加。水中溶解度为0.002 g/100 mL，在正己烷中有微弱的溶解性[3-4]。

ZEN的脱除方法大致可分为化学方法、物理方法和生物学方法[5-6]。目前工业化控制油脂中ZEN的方法主要局限于改变传统工艺的参数，如大幅增加碱炼时碱的用量，添加活性炭吸附或者提高脱臭温度等，这些方法都多少带来了负面的影响，如损耗、能耗的大幅增高和反式脂肪酸的增加等。通过一些研究资料，发现一些环状分子结构物质和一些大分子多糖物质可能对ZEN会产生特定的包埋和吸附作用[7-8]，针对此我们进行单一因素实验设计，发现γ-环糊精对ZEN有特异的包埋作用，且环糊精是食品中常用的加工助剂，具有无毒，可食用、不易吸潮、化学性质稳定等优点[9]。所以本研究重点筛选了部分ZEN脱除剂以及考察了不同条件下γ-环糊精在碱炼中对ZEN脱除率的影响，并优化了工艺，对玉米油中的ZEN脱除提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验原料

毛玉米油，来自生产工厂；葡聚糖，阿拉丁生产；羧甲基纤维素Ⅱ，阿拉丁生产；β-环糊精，国药集团生产；γ-环糊精，阿达玛斯生产；氢氧化钠，国药集团生产。

1.2 仪器设备

磁力搅拌加热台，IKEA C-MAG HS7型；管式离心机，X3型，赛默飞世尔生产；旋片真空泵，XZ-1B型，温岭市真空泵厂。

1.3 实验方法

1.3.1 样品预处理

因为本研究重点是在碱炼工段，为避免毛玉米油中的胶体杂质也被γ-环糊精所包埋，从而影响ZEN的去除效果，所以对毛玉米油先进行水化脱胶处理，脱胶后玉米油测定其ZEN为8 002.73 μg/kg，酸值为5.71 mg/g。

1.3.2 ZEN含量的测定

参照《进出口大豆、油菜籽和食用植物油中玉米赤霉烯酮的检验方法》SN/T 1745—2006，采用免疫亲和层析净化高效液相色谱法测定，外标法定量(仪器型号：Agilent1260系列，配备荧光检测器)。

1.3.3 主要指标的计算

ZEN脱除率(%)=

1.3.4 ZEN脱除剂的筛选实验方法

称取一定量的备选脱除剂等加入到常规碱炼(超量碱0.1%)的碱液中或空白实验的纯水中，搅拌加热至完全溶解，得到完全澄清的溶液。然后将不同配比的上述溶液加入到一定温度下的脱胶玉米油中，恒温搅拌反应一定时间，以8 000 r/min的速度离心10 min，得到两层，上层为中和玉米油，下层为混合物层。取上层中和玉米油进行水洗工艺：将中和玉米油加热至85 ℃，然后加入10%油重微沸的纯水，恒温搅拌15 min，然后以8 000 r/min速度离心10 min，取上层水洗中和玉米油，在105 ℃的真空条件下脱水，得到脱除ZEN后的碱炼玉米油。

1.3.5 γ-环糊精的单因素和正交实验方法

称取一定量的γ-环糊精添加至配好待用的碱液中，搅拌加热至γ-环糊精完全溶于碱液中，得到完全澄清透明的γ-环糊精碱水溶液。然后将不同配比上述溶液加入到一定温度下的脱胶玉米油中，恒温搅拌反应一定时间，以8 000 r/min的速度离心10 min，得到两层，上层为中和玉米油，下层为γ-环糊精-ZEN包合物-皂角混合物层。取上层中和玉米油进行水洗工艺：将中和玉米油加热至85 ℃，然后加入10%油重微沸的纯水，恒温搅拌15 min，然后以8 000 r/min的速度离心10 min，取上层的水洗中和玉米油，在105 ℃的真空条件下脱水，得到脱除ZEN后的碱炼玉米油。

2 结果与讨论

2.1 ZEN脱除剂筛选实验

2.1.1 γ-环糊精、β环糊精、羧甲基纤维素、葡聚糖对ZEN脱除率的对比实验

实验方法按上1.3.4所述，脱除剂选取γ-环糊精、β环糊精、羧甲基纤维素、葡聚糖，添加量为油重的2%，温度为80 ℃，时间为40 min，碱液浓度为15%，超量碱为0.1%。考察其在常规碱炼体系下的ZEN脱除的效果。实验结果见图1。

图1 γ-环糊精添加量对ZEN脱除率的影响

由图1可以看出，将不同备选脱除剂添加到碱炼工段的碱液中，其中γ-环糊精对去ZEN的脱除效果明显优于其他脱除剂，体现出了γ-环糊精的环状分子结构对ZEN有特殊的包埋作用。

2.1.2 γ-环糊精在碱性、纯水溶液体系下和纯碱溶液对ZEN脱除率的对比实验

实验方法按上1.3.4所述，脱除剂选取γ-环糊精，添加量为油重的2%，温度为80 ℃，时间为40 min，碱液浓度为15%，超量碱为0.1%。考察γ-环糊精在不同体系下对ZEN脱除的效果以及和单独碱炼的效果对比。实验结果见图2。

图2 γ-环糊精添加量对ZEN脱除率的影响

图2体现出了γ-环糊精无论是在碱性溶液还是纯水溶液中，对ZEN的脱除都有明显的效果，通过本数据进一步证明了γ-环糊精对ZEN有着特异包埋性，且优于传统的碱炼工艺。

2.2 γ-环糊精的单因素实验

2.2.1 γ-环糊精添加量对ZEN脱除率的影响

实验方法按上1.3.5所述，将γ-环糊精按照一定的油重比例添加至超量碱0.1%，浓度15%的碱液中，反应温度为80 ℃，时间为40 min，得到碱炼玉米油并检测ZEN含量。实验结果见图3。

图3 γ-环糊精添加量对ZEN脱除率的影响

由图3可以看出，γ-环糊精添加量的与ZEN的脱除率基本呈正相关关系。在添加量为2%～5%时，ZEN的脱除效果比较明显。随着γ-环糊精的添加量继续增加，去除率的增幅逐渐减弱，主要原因是γ-环糊精量大时，溶液体系的黏度增高从而导致碱液本身对ZEN脱除的效果减弱，并与γ-环糊精对ZEN的吸附量达到一个平衡，使之整体去除效果趋于平缓甚至减弱。考虑到成本以及油脂回收率的影响，以及碱炼玉米油还需经过后续的脱蜡、脱色和脱臭工段，会进一步降低ZEN的含量，所以本工段不需追求最大化的ZEN脱除率。综合后续精炼工段ZEN的脱除能力，在此选择γ-环糊精的添加量为2%～5%即可满足不同的需求。

2.2.2 反应温度对ZEN去除率的影响

实验方法按上1.3.5所述，将γ-环糊精按照2%油重的比例添加至超量碱0.1%，浓度15%的碱液中，在一定的温度下进行反应，时间为40 min，得到碱炼玉米油并检测ZEN含量。实验结果见图4。

图4 反应温度对ZEN脱除率的影响

由图4可以看出，反应温度对γ-环糊精在该工艺中去除ZEN的影响较大，脱除率随着温度的降低而增加，当反应温度<60 ℃时，去除ZEN的效果显著上升，在30 ℃的时候基本达到顶峰。主要原因是温度高的条件下，γ-环糊精容易变性失去效果，其次低温碱炼也更有助于ZEN的去除，所以反应温度在30 ℃～60 ℃效果较佳。因γ-环糊精协同碱炼去除ZEN的效果比单纯碱炼效果要好很多，如用于生产中，温度可根据实际的控制水平决定。

2.2.3 反应时间对ZEN去除率的影响

实验方法按上1.3.5所述，将γ-环糊精按照2%油重的比例添加至超量碱0.1%，浓度15%的碱液中，反应温度为80 ℃，恒温搅拌一段时间，得到碱炼玉米油并检测ZEN含量。实验结果见图5。

由于γ-环糊精脱除ZEN是融合到了碱炼工段中，所以选取的时间也是常规碱炼常考察的时间点。根据图5数据可以看出，随着时间的延长，ZEN的去除率也在升高，但在40 min之后趋于平缓，时间继续延长则会有微小幅度下降的现象，原因应该是在40 min时已达到了吸附平衡，所以综合考虑，反应时间在30～50 min为宜。

图5 反应时间对ZEN脱除率的影响

2.2.4 碱液浓度对ZEN去除率的影响

实验方法按上1.3.5所述，将γ-环糊精按照2%油重的比例添加至超量碱0.1%，不同浓度的碱液中，反应温度为80 ℃，时间为40 min，得到碱炼玉米油并检测ZEN含量。实验结果见图6。

由图6数据可以看出，在液碱浓度为10%～30%的时候，该体系下γ-环糊精脱除ZEN的能力最强，同时考虑到脱酸的效果以及油脂回收率，碱液的浓度不易过高和过低，综合考虑该体系的碱液浓度在10%～30%为宜。

图6 碱液浓度对ZEN脱除率的影响

2.3 γ-环糊精的正交试验的设计及结果

依据以上单因素的范围和实验结果，以γ-环糊精添加量、反应温度、反应时间、碱液浓度进行四因素三水平正交实验，实验设计表如表1，实验结果如表2所示。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验结果

根据表2的正交试验结果，各因素影响ZEN脱除率的程度为A>B>D>C，即γ-环糊精添加量>反应温度>碱液浓度>反应时间。根据正交实验结果，最优方案为：A3B1C3D2，即γ-环糊精添加量5%，反应温度为35 ℃，反应时间为45 min，碱液浓度为15%。在此最佳条件下，玉米油中ZEN的最终含量为318.50 μg/kg，去除率为96.02%。

3 结论

本研究以毛玉米油为原料，研究了将脱除剂融合到碱炼工段中一步脱除ZEN，通过对脱除剂的筛选并将最佳脱除剂采取正交实验设计方法对此工艺进行了优化，得出本工段最优的脱除工艺为γ-环糊精添加量5%，反应温度为35 ℃，反应时间为45 min，碱液浓度为15%。在此最佳条件下，玉米油中ZEN的最终含量为318.50μg/kg，去除率为96.02%，能够满足欧盟400μg/kg的限量标准。该方法具有高效、易操作等特性，使得以最小的参数改变最大化的去除玉米油中ZEN的含量，同时不影响玉米油酸价的降低，对符合高标准的低含量ZEN玉米油制备有较大的参考价值。关于γ-环糊精对ZEN特有的包埋效果，是否有其他成本更低的物质替代还有待继续研究。

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Research and optimization for removing zearalenone from maize oil by γ-cyclodextrin

Zhao Yang

Wilmar (Shanghai) Biotechnology Research & Development Center Co., Ltd. (Shanghai 200137)

The crude maize oil was taken as the material which contains zearalenone (ZEN). The influences of different factors on removal rate of ZEN from crude maize oil were studied. The results show that a certain amount of γ-cyclodextrin within lye has a remarkable effect on the removal rate of ZEN which is much better than the other materials and normal neutralization with nothing. The optimized removal conditions are obtained as follows: 5% γ-cyclodextrin of oil weight, lye concentration is 15%, mixing at 35 ℃ for 45 min. Under these conditions, the removal rate of ZEN is 96.02%.

maize oil; cyclodextrin; zearalenone (ZEN); removal rate

2017-02-21

赵 洋，男，1985年出生，助理工程师，主要从事油脂加工工艺的开发与研究。

TS221

A

1672-5026(2017)03-001-04