棠梨籽油的超声波-微波协同提取及其脂肪酸组成

蒋新龙 蒋益花 陈思晴 沈 瑾 张洋彪 周佳文

(浙江树人大学生物与环境工程学院，杭州 310015)

棠梨(PyrusbetulaefoliaBunge)属蔷薇科(Rosaceae)梨属(PyrusL.)乔木，又称杜梨、豆梨。棠梨原产我国，广泛分布在我国的北部、东北部和中部各省，储量丰富。棠梨为梨属较为原始类型，其综合利用价值较高，集嫁接繁殖砧木、材用、药用和园林绿化于一身[1]。关于棠梨的研究主要集中在种子萌发与幼苗生长的研究、幼苗根系生长状况的研究以及作为砧木嫁接梨树等方面[2]。棠梨果实未成熟时很涩，无法食用，完全成熟后全果为黑色，鲜食口感香甜；另外成熟棠梨果实中矿物元素含量普遍较高，特别是 P、K、Ca、Mn、Mg 含量较多[3]，可以被开发生产野生棠梨果露酒[3]及棠梨果醋[4]。棠梨籽是棠梨在果品加工过程中产生的废弃物，目前基本废弃。目前对于棠梨籽油的提取及脂肪酸组成分析的研究鲜见相关报道。本实验在单因素实验基础上，运用响应面法研究超声波-微波协同提取棠梨籽油的最优工艺参数，通过GC分析其脂肪酸组成及含量，以期为棠梨籽油的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

棠梨籽市售，选取颗粒饱满，无霉烂变质的为试材。37种脂肪酸混合标准品(Sigma Aldrich)；所用试剂均为国产分析纯。

FW80高速万能粉碎机；格兰仕微波炉D80D20EP-A3型(中火对应60%，功率480 W)；KQ5200DE超声波清洗机；RE-52AA旋转蒸发器；101A-3B电热恒温鼓风干燥箱；Agilent 7890A气相色谱仪。

1.2 方法

1.2.1 超声波-微波协同提取

超声波提取法利用超声波空化作用伴随的热效应和机械效应，加速溶剂萃取过程，但超声波提取技术无法完全破坏细胞壁的束缚[5]。微波萃取根据不同物质吸收微波能力的不同，呈现出选择性加热特点[6]。极性越大，对微波能的吸收越大，升温越快，越有利于细胞壁的完全破裂，提取速度也就越快[6-7]。理论上，用先超声波提取技术进行提取，可使细胞组织结构疏松，将细胞中极性成分释放出来，再用微波提取技术，使棠梨籽细胞完全破壁，将明显提高提取效果。本研究根据理论预测进行预实验，先微波后超声、先微波后超声再微波、先超声后微波这3种方案，发现先超声后微波这种方案提取效果比较好，与原先预测一致。

具体流程：棠梨籽→除杂→烘干→粉碎→过筛→称重→加入石油醚→超声波辅助提取→微波辅助提取→抽滤→浓缩→棠梨籽油。

将3.000 0 g粉碎成40目的的棠梨籽粉装入烧瓶中，按一定料液比加入石油醚，于一定条件下先进行超声辅助提取，再调节微波功率继续进行微波辐射提取，结束后进行减压抽滤，滤液用旋转蒸发器蒸馏浓缩得到提取物，将提取物放恒温鼓风干燥箱干燥，直至恒重，每组实验重复3次，取平均值。按公式计算棠梨籽油的出油率Y。

式中：m为棠梨籽质量/g；m1为空瓶质量/g；m2为空瓶和棠梨籽油的质量/g。

1.2.2 提取优化实验

单因素实验：超声提取时间固定10 min[8-9]，采用1.2.1的提取操作方法，提取条件为：液料比4 mL·g-1，超声功率160 W，超声提取10 min，再放入微波炉中，在中火功率下加热40 s，考察超声温度为(30、40、50、60、70 ℃)对出油率的影响；液料比4 mL·g-1，超声50 ℃以功率160 W提取10 min，再放入微波炉中，在中火功率下，考察微波时间(20、30、40、50、60 s)对出油率的影响；液料比6 mL·g-1，超声50 ℃，超声时间10 min，再放入微波炉中，在中火功率下，加热40 s，考察超声功率(120、140、160、180、200 W)对出油率的影响；超声50 ℃，超声时间10 min超声功率为160 W，再放入微波炉中，在中火功率下，加热40 s，考察料液比(2、3、4、5、6 mL·g-1)对出油率的影响。

响应面优化实验：根据微波时间、超声功率、料液比、超声温度4个单因素平行实验的结果，采用响应面分析，以出油率为响应值，对这四因子在三水平进行优选。表1为响应面实验因素水平表。

表1 Box-Behnken 响应面设计实验因素与水平

1.2.3 棠梨籽油理化性质测定

酸价测定采用GB/T 5530—2005法；过氧化值测定采用GB/T 5538—2005法；碘值测定采用GB/T 5532—2008法；皂化值采用GB/T 5534—2008法；密度测定采用GB/T 5526—1985法；折光率测定采用GB/T 5527—2008法。平行3次，取平均值。

1.2.4 棠梨籽油的GC成分分析

脂肪酸组成测定参照 GB/T 5009.168—2016的内标法气相色谱分析。

色谱条件：色谱柱：CNW CD-2560(100 m×0.25 mm×0.20 μm)；进样口温度：250 ℃；检测器类型：FID；检测器温度：260 ℃；进样量：1 μL；分流比：10∶1；载气流速：0.5 mL/min；升温程序：130 ℃保持5 min，以4 ℃/min的速率升温至240 ℃，在240 ℃保持30 min。

1.3 统计方法及分析软件

指标均重复测定3次并取平均值，利用Origin8软件作图；应用SPSS20.0软件进行数据统计，并用Duncan多重比较(SSR法)检验各处理平均数之间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

超声温度的影响：温度不仅影响溶剂和油脂的分子热运动，同时温度过高会造成石油醚挥发，还会引起油脂分子结构的改变。由图1可知，随着超声温度的升高，棠梨籽出油率逐渐增大，在60 ℃时出油率达到最大值。在较低的温度时，提高温度使分子运动加剧，溶剂和油脂的黏度同时降低，使出油率增大；当温度接近石油醚的沸点时，石油醚挥发加快，减少了石油醚与棠梨籽粉的有效接触面积，另外温度升高还使棠梨籽油脂分子的结构发生改变，从而使出油率下降。因此60 ℃为较理想的提取温度。

微波时间的影响：由图1可知，随着微波时间的延长，棠梨籽出油率逐渐增大，在40 s时出油率达到最大值。出油率上升较快的原因可能是随着微波时间延长，微波辐射在短时间内对细胞壁的破碎作用较大，加速了被萃取出的籽油向棠梨籽表面的扩散速度。但当溶解度达到饱和时，油脂溶出减少，出油率不再明显提高[10]。因此，本实验较适微波时间为40 s。

超声功率的影响：超声波功率越大，其产生的机械作用和空化作用越剧烈，油脂渗透出来的速度就越快[11]。当超声功率太大时，超声波的传播出现衰减，导致出油率增加缓慢甚至下降[12]。由图1可知，超声波功率160 W较为适宜。

液料比的影响：有效浓度差是超声波-微波协同法提取油脂的主要推动力。石油醚用量的增加相当于降低了油的浓度，增加了石油醚与棠梨籽细胞中油脂的浓度差，油料细胞内外渗透压越大，增加了传质推动力，从而提高了油脂在石油醚中的扩散速度，油脂越容易浸出[13]。当石油醚增大到一定程度后出油率反而降低，主要原因可能是棠梨籽中油脂含量逐渐减少，渗透压的改变对棠梨籽油的提取不再起较大作用，再增加溶剂用量反而起到稀释作用[14]；另外溶剂体积过多，提取溶剂对微波能的吸收增加，导致细胞对微波能吸收减少，细胞壁破裂不完全，油脂不能从细胞中充分溶出[15-16]。当然溶剂体积过多还会造成溶剂和能源的浪费，并给后续的浓缩工作带来困难。由图1可知，液料比4 mL/g较为适宜。

图1 不同处理对棠梨籽油出油率的影响

2.2 响应面实验结果

2.2.1 响应面实验设计结果与分析

响应面实验设计与结果见表2。采用Designexpert软件对所得表2实验数据进行多项拟合回归，得到棠梨籽出油率对超声温度(A)、微波时间(B)、超声功率(C)、液料比(D)的二次多项回归模型方程：

Y=+34.07+1.73A+0.2B+0.10C+0.68D-0.17AB-0.45AC-0.23AD+0.4BC-0.11BD-0.35CD-1.08A2-0.91B2-0.78C2-1.27D2

表2 响应面实验设计与结果

表3 回归模型方程方差分析

注：* 表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

2.2.2 双因素交互作用分析

在超声温度、液料比、超声功率、微波时间4个因素中任取2个作为X和Y，以出油率作为Z，由Design-Expert.V8.0软件处理作出相应的各因素交互作用的三维曲面图。表现为曲线越陡，说明交互作用对棠梨籽油出油率的影响越显著。三维曲面图分析可知，棠梨籽油出油率随任意2个变量的增加都呈现上升趋势，达到某一极大值后，曲面下降或趋向于平缓，且A(超声温度)与C(超声功率)的交互作用对棠梨籽油出油率影响最显著，这与回归分析的结果吻合。

2.2.3 提取工艺优化及验证

利用软件预测模型的极大值，并得出提取棠梨籽油的最优条件为：超声温度(70.00 ℃)、微波时间(39.22 s)、超声功率(142.79 W)和液料比(4.57 mL·g-1)，在此优化条件下预测棠梨籽油出油率最大值为34.80%。结合生产实际的可操作性，将响应面优化分析所得到的各因素理论最优值修正为：超声温度为70.00 ℃、组合时间为超声10 min-微波40.00 s、组合功率为超声140 W-微波480 W、液料比为4.57 mL·g-1。在修正条件下进行验证实验，棠梨籽油出油率均达到34.78%以上，与预测值基本相符，验证了模型的有效性，可用于超声波-微波协同提取棠梨籽油工艺条件的优化和预测。

2.3 棠梨籽油主要理化指标测定

由表4知，棠梨籽油的过氧化值为5.02 mmol/kg，过氧化值是衡量油脂被氧化的程度，数值越高，油品越差，棠梨籽油的过氧化值低于食用植物油国家标准。棠梨籽油的酸值为 2.74 mgKOH/g，低于3.00 mgKOH/g，符合食用植物油国家标准。碘值是判断油脂脂肪酸不饱和程度的指标，碘值越高，不饱和脂肪酸含量越高，棠梨籽油的碘值为 117.22 gI/100 g，属于半干性油。皂化值表示油脂中脂肪酸相对分子质量的大小，皂化值越大，脂肪酸的相对分子质量越小，棠梨籽油的皂化值为 163.75 mgKOH/g。此外，棠梨籽油相对密度为 0.882 6、所制棠梨籽油为澄清透明的浅黄色液体。因此，以测定的理化指标判断，棠梨籽油达到食用植物油国家标准。

表4 棠梨籽油的主要理化性质

注：GB /T 2716—2005标准要求酸值/mgKOH/g ≤3；过氧化值/g/100≤0.25，1 mmol/kg=39.4 g/100 g。

2.4 棠梨籽油脂肪酸组成分析

根据1.2.4方法，对棠梨籽油进行GC分析，棠梨籽油的脂肪酸组成分析结果见表5和图2。张钰斌[19]研究表明，加热温度为150 ℃时顺反异构化开始转化反应，油酸样品中开始有反式油酸生成。所以表5棠梨籽油的第6个组分是反油酸，应该是由GC分析预处理过程中油酸转变成的反油酸，该组分实际为油酸，这与郑联合等[20]的研究结果一致。由表5可知，从棠梨籽油中共鉴定出15种脂肪酸，主要脂肪酸为反油酸(24.29%)、亚油酸(60.94%)、顺-10-十五烯酸(7.69%)、花生酸(1.40%)、硬脂酸(2.21%)，5种主要脂肪酸质量分数占96.53%。其中不饱和脂肪酸质量分数为94.84%，尤其以不饱和脂肪酸亚油酸为主，高于一般植物油中亚油酸的含量，如油茶油7.08%、菜籽油23.57%、花生油31.36%、芝麻油42.75%[21]。亚油酸是人体必需脂肪酸，具有营养保健和药疗功效[22]，可作为高血脂、冠状动脉粥样硬化、心血管病人的长期食疗保健油品，具有很好的开发应用前景。

表5 棠梨籽油脂肪酸种类及其相对含量

图2 棠梨籽油脂组份分析色谱图

3 结论

在单因素实验的基础上，运用响应面方法，确定了超声波-微波协同提取法的最佳提取工艺：将40目的棠梨籽粉按3.45 mL·g-1料液比加入石油醚，超声温度70.00 ℃、超声功率120 W、超声辅助提取10 min，再调节微波功率480 W微波辐射提取30.00 s。此条件下, 出油率为 34.78%。响应面设计结果较为准确可靠，可用于超声提取棠梨籽油工艺条件的优化。

以测定的理化指标判断，所提取的棠梨籽油达到了食用植物油国家标准。GC分析得到棠梨籽油主要成分有油酸、亚油酸、顺-10-十五烯酸、硬脂酸、花生酸，尤其以不饱和脂肪酸亚油酸为主。棠梨籽油可作为优质食用油源和功能性食用油开发利用。