超临界CO2萃取藜麦油脂的工艺优化及其脂肪酸成分分析

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(1.河北工程大学生命科学与食品工程学院,河北邯郸 056000;2.河南科技大学食品与生物工程学院,河南洛阳 471000)

藜麦(Chenopodiumquinoa)为藜属(Chenopodium)藜科(Chenopodiaceae)的一年生草本植物,原产于南美洲的安第斯山脉,是当地人们的主要传统食品,已有5000多年的栽种和食用历史[1]。藜麦是一种全营养类谷物,被联合国粮农组织认为是唯一一种可满足人体基本营养需求的单体植物[2]。藜麦中含有丰富的营养物质,如蛋白质、类胡萝卜素和维生素C,其中蛋白质含量非常高,是普通谷物的两倍[3]。藜麦籽粒中膳食纤维含量高达7.1%,胆固醇为0,不含麸质,低脂、低热量、低糖,尤其可以满足减肥人士的需求[4-6]。藜麦油脂中富含不饱和脂肪酸,而不饱和脂肪酸对高血压、高血糖以及高血脂等疾病均具有保健作用。

关于藜麦营养物质的分析研究已有相关报道,如魏爱春[2]等对藜麦营养功能成分和生物活性进行研究,王黎明[7]等人对藜麦的营养价值及其应用前景做了相关研究。关于植物油脂萃取方法的研究,传统的有压榨法、浸出法等,压榨法操作过程简单,但提取效果不理想,提取效率低,且劳动强度大[8];浸出法是一种提取相对完全的方法,但提取时间长,且浪费有机溶剂,污染环境[9]。超临界CO2萃取技术具有萃取效率高,工艺技术简单方便、萃取溶剂CO2无毒无害等优点,已经广泛用于天然产物的提取和纯化[10-11]。

目前国内外暂时还没有关于藜麦油脂萃取及其脂肪酸成分分析的公开报道,因此,对藜麦油脂的萃取及其脂肪酸的成分分析,将有效地提高藜麦油脂的利用率,推动藜麦种植业的发展,具有重要的理论和实际意义。本文采用超临界CO2萃取技术萃取藜麦油脂,通过单因素实验和正交试验来优化萃取条件,并用气相色谱(GC)对萃取得到的藜麦油脂进行脂肪酸成分分析,以期获得超临界CO2萃取藜麦油脂的最佳工艺条件,为藜麦油脂的提取利用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

稼祺藜麦 山西稼祺藜麦开发有限公司;37种脂肪酸甲酯混合标准品 ANPEL科学仪器(上海)有限公司;CO2(纯度>99.99%) 洛阳斯科商贸有限公司;石油醚(沸程30～60 ℃)、氢氧化钠、甲醇、三氯化硼、正己烷、氯化钠 天津德恩化学试剂有限公司;所用其他试剂均为分析纯。

HA220-50-06型超临界二氧化碳萃取设备 江苏南通市华安超临界萃取有限公司;FW177型万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器厂;101-0型电热恒温鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;FA1004B型电子分析天平 上海菁海仪器有限公司;RE-52A型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;HH-S6型恒温水浴锅 常州普天仪器制造有限公司;7890A型气相色谱仪 美国安捷伦科技有限公司;H1850型高速离心机 湘仪集团。

1.2 实验方法

1.2.1 原材料的预处理 将藜麦手工除杂,得到干净的藜麦,用粉碎机将其粉碎,并将粉碎过后的藜麦用20～40目筛网过筛,目的是防止较细的粉末流出萃取缸而使超临界萃取管道堵塞,以及避免颗粒较粗导致反应不充分[12]。将过筛后的藜麦放入温度设定为65 ℃的电热恒温鼓风干燥箱中,料层厚度2～3 cm的条件下干燥24 h。

1.2.2 藜麦油萃取条件的优化

1.2.2.1 单因素实验 称取225 g干燥后的藜麦粉置于萃取釜中,打开CO2气瓶,CO2流量为25 L/h。固定萃取温度50 ℃,萃取压力30 MPa,萃取时间120 min的其中两个因素,分别考察萃取温度(35、40、45、50、55 ℃)、萃取压力(15、20、25、30、35 MPa)、萃取时间(60、90、120、150、180 min)对萃取率的影响。

1.2.2.2 正交试验 在单因素实验的基础上,以藜麦油脂的萃取率为考察指标,选取萃取温度、萃取压强、萃取时间作为试验因素[13],每个因素设计三个水平,进行正交试验。利用Design-Expert 8.06 Trial软件对试验因素进行编码组合,如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table

1.2.3 藜麦油萃取率的计算

式[14]中:W为藜麦种子的出油率,%;m1为锥形瓶质量,g;m2为锥形瓶与油的质量和,g;M为藜麦粉的质量,g。

1.2.4 藜麦油的脂肪酸成分分析

1.2.4.1 待测样品的前处理 配制饱和NaCl溶液120 mL和NaOH-甲醇溶液30 mL,其中NaOH-甲醇溶液用棕色瓶定容。用电子分析天平称取藜麦油0.5 g于圆底烧瓶中,加入0.5 mol/L的NaOH-甲醇溶液10 mL,在70 ℃的恒温水浴锅中进行水浴加热,并冷凝回流30 min,观察油珠是否完全溶解,若油珠已经完全溶解,则从冷凝管上方加入三氯化硼7 mL后,再加热回流10 min,然后向烧瓶中加入4 mL正己烷,继续加热回流5 min,取出冷却至室温,加入饱和氯化钠50 mL,静置一段时间,吸取上清液,加入少量无水硫酸钠以除去微量的水分,经0.22 μm有机相针式滤器过滤后保存于气相进样瓶中,以备气相色谱分析用[15]。

1.2.4.2 气相色谱检测条件 采用安捷伦7890A型气相色谱仪。仪器条件:安捷伦CP-Si188熔融石英毛细管柱(100 m×1.25 mm,0.2 μm);程序升温140 ℃保持10 min,以5 ℃/min速率升温至215 ℃,保持15 min;载气He,流速1 mL/min;进样口温度为250 ℃,进样方式为20∶1,进样量为1 μL[16-18]。

定性采用标准品对照法,定量采用面积归一化法。

1.3 数据统计分析

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 萃取温度对藜麦油脂萃取率的影响 由图1可知,随着萃取温度升高,藜麦油脂的萃取率逐渐增大,当温度达到50 ℃时,萃取率达到最大值,为3.92%,当温度高于50 ℃时,萃取率开始逐渐下降。这是因为,萃取温度对萃取率的影响主要体现在两个方面,一方面,随着萃取温度逐渐升高,萃取缸中的蒸汽压增大,那么物料在CO2流体中的溶解度也会相应的增大,萃取率提高;另一方面,温度升高会造成CO2的密度降低,这对油脂的萃取是不利的,综合作用后,随着萃取温度的升高,藜麦油脂的萃取率呈现先上升后下降的变化趋势。因此,确定萃取温度为50 ℃。

图1 不同萃取温度对藜麦油脂萃取率的影响Fig.1 Effect of different extraction temperature on extraction rate of quinoa oil

2.1.2 萃取压力对藜麦油脂萃取率的影响 萃取压力是超临界CO2萃取过程中另一个重要的操作参数,萃取过程中各项指标的压力情况对萃取率都有重要的影响,萃取压力对目标萃取物,即藜麦在超临界流体中的溶解度也有非常重要的影响。理论上,随着萃取压力的增大,藜麦在超临界流体中的溶解度就越大,则相应的藜麦油脂的萃取率也应该增大[14]。但由图2可知,萃取压力与藜麦油脂的萃取率并不是呈线性关系,随着萃取压力的增大,萃取率会逐渐提高,当萃取压力达到30 MPa时,萃取率达到最大值,为3.90%,压力继续增大,萃取率反而开始减小。当萃取压力过高时,萃取出来的藜麦油颜色会加深,这会对油脂的质量产生一定的影响。因此,确定萃取压力为30 MPa。

图2 不同萃取压力对藜麦油脂萃取率的影响Fig.2 Effect of different extraction pressure on extraction rate of quinoa oil

2.1.3 萃取时间对藜麦油脂萃取率的影响 由图3可知,随着萃取时间的延长,藜麦油脂的萃取率逐渐增加,尤其在60～120 min时,曲线呈明显的上升趋势。但是当萃取时间超过120 min时,萃取率增加缓慢。分析可能原因是,在萃取60～120 min之间时,溶剂CO2由物料表面进入物料内,并将物料内溶质溶解,然后由内而外扩散至物料表面,进而扩散到溶剂中,逐渐完成藜麦油脂的萃取。当萃取时间高于120 min时,藜麦油脂基本萃取完全,萃取率几乎不变。因此,从控制生产成本的角度考虑,确定萃取时间为120 min。

图3 不同萃取时间对藜麦油脂萃取率的影响Fig.3 Effect of different extraction time on extraction rate of quinoa oil

2.2 正交试验结果

由表2分析可知,根据K1、K2、K3可以确定出萃取藜麦油的最优组合为A2B3C3,即萃取温度为50 ℃,萃取时间为120 min,萃取压力为30 MPa。这三个因素对藜麦油萃取率的影响大小依次为:A>C>B,即萃取温度对油脂萃取率的影响最大,其次为萃取压力,萃取时间对藜麦油萃取率的影响最小。按最优的工艺进行验证试验,当各项参数达设定值时开始萃取,平行操作3次,藜麦油的平均萃取率为4.134%,SD为3.86×10-5,此时藜麦油的萃取率达到最高,与正交试验结果相符,表明该工艺稳定可行。

表2 正交试验设计及结果Table 2 The design and results of orthogonal experiment

2.3 藜麦油脂的脂肪酸组成分析

由表3可知,通过气相色谱检测到藜麦油脂中有26种脂肪酸,其中饱和脂肪酸的相对含量为15.63%,不饱和脂肪酸的相对含量为84.37%,单不饱和脂肪酸相对含量为16.21%,多不饱和脂肪酸的相对含量为68.16%。藜麦油脂中,脂肪酸含量最多的是亚麻酸,属于ω-3系列,其相对含量为30.96%,是公认的一种人体必需的营养素。亚麻酸是当今世界上最优良的降脂、降压产品,在减轻心脑血管发病率和降低血脂方面的疗效比一般的防治药物高出5倍[19-20]。亚油酸相对含量为21.94%,位居第二,属于ω-6系列,也是公认的一种人体必需的营养素。亚油酸能够有效地降低人体内的胆固醇含量,从而防止动脉粥样硬化的发生,而且也对高血压、高血脂等疾病有显著的治疗效果[21],是一种较为健康且有效的方法。

表3 藜麦油的GC成分分析表Table 3 GC analysis of components of quinoa oil

3 结论

通过单因素实验和正交试验,得到超临界CO2萃取藜麦油脂的最佳工艺条件,即萃取压力为30 MPa,萃取温度为50 ℃,萃取时间为120 min,在此条件下,藜麦油脂的萃取率达到最大值,为4.134%,SD为3.86×10-5。通过气相色谱分析得出,从藜麦油中共分离鉴定出26种化合物,不饱和脂肪酸含量约占总脂肪酸的84.37%,其中ω-3系列的亚麻酸相对含量为30.96%,ω-6系列的亚油酸相对含量为21.94%,位居不饱和脂肪酸的前两位,两者都是公认的人体必需的营养素,对降压降脂以及防止动脉粥样硬化都有良好的效果,因此极具开发价值。