澳洲坚果油超声波辅助提取工艺优化及其理化性质

2019-12-19 02:13涂行浩孙丽群唐景华张明帅希祥陈洪杜丽清
热带作物学报 2019年11期
关键词:理化性质

涂行浩 孙丽群 唐景华 张明 帅希祥 陈洪 杜丽清

摘  要  为提高澳洲坚果油提取得率并获得高品质油脂,采用超声波辅助法提取澳洲坚果油,并分析提取油脂的理化性质。首先通过单因素实验考察了提取溶剂、超声功率、超声时间以及液料比对提取率的影响,然后通过响应面法优化了提取工艺参数。结果表明,正己烷对澳洲坚果油提取率较高;适当增加超声波功率、超声时间以及溶剂量,澳洲坚果油得率均随之增加;通过响应面优化,超声波辅助提取澳洲坚果油的最佳提取条件为:液料比为9.6∶1(mL/g),超声功率为520 W,超声时间为32 min,澳洲坚果油得率达69.1%,2次提取总得率达96.3%。研究结果表明超声波辅助提取是一种有效的油脂提取方法,从脂肪酸成分比例及理化性质来看,澳洲坚果油营养价值较高。

关键词  澳洲坚果油;超声辅助提取;响应面优化;理化性质

中图分类号  TS225.1; TQ646      文献标识码  A

Abstract  In order to improve the extraction rate of macadamia oil and obtain high quality oil, an ultrasonic assisted method was used to extract macadamia oil, and the physicochemical properties of the extracted oil were analyzed. The effects of extraction solvent, ultrasonic power, ultrasonic time and ratio of liquid to material on the extraction rate were investigated by single factor experiments, and then the extraction process parameters were optimized by response surface methodology (RSM). The results showed that the extraction rate of macadamia oil was higher with n-hexane, and the yield of macadamia oil increased with the proper increase of ultrasonic power, ultrasonic time and solvent content. The optimum extraction conditions of macadamia oil were as follows: the ratio of liquid to material 9.6∶1 (mL/g), the ultrasonic power 520 W, the ultrasonic time 32 min, and the yield of macadamia oil was 69.1% under the conditons. The total yield extracted twice reached 96.3%. The results showed that ultrasonic assisted extraction was an effective method for macadamia oil extraction. In terms of fatty acid composition and physicochemical properties, macadamia oil is a kind of natural vegetable oil with high nutritional value.

Keywords  macadamia (Macadamia integrifolia) oil; ultrasound-assisted extraction; response surface optimization; physicochemical properties

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.017

澳洲堅果(Macadamia integrifolia)又名夏威夷果,属山龙眼科澳洲坚果属[1],原产于澳大利亚东海岸布里斯班地区的天然林中,中国热带农业科学院南亚热带作物研究所1979年首次从澳大利亚引进种植澳洲坚果,经过几十年的发展,已在我国云南、广西、广东、四川以及贵州等边远贫困地区广泛种植,截至2017年底,种植面积已达200万公顷,占世界总种植面积的56%以上,位居世界第一,已成为世界上规模最大、最成功的种植区之一[2-3]。澳洲坚果果仁营养成分极其丰富,含油率高达70%~80%,且是唯一大量含有棕榈油酸(palmitoleic acid,POA)的木本坚果[4-5];此外,其果仁还含有丰富的维生素E、甾醇和多酚等天然活性物质[6]。目前,澳洲坚果主要供鲜食,作为一种木本油料,国内外关于其油脂的研究和开发利用还较少[7-8]。

目前,传统油脂提取工艺多采用机械压榨法和溶剂浸出法。根据本课题组的前期研究表明,若不经高温加热压榨澳洲坚果果仁,则产油率较低;而加热压榨,油脂得率虽有所改善,但坚果油色泽较深,过氧化值和酸值等指标上升明显,活性物质损失严重,严重影响了坚果油这一高档油脂的品质;另外,有机溶剂浸提法提取时间较长,不借助辅助手段提取率也不十分理想。而超声波辅助提取油脂,可有效缩短提取时间,提高提取效率,在提取热不稳定活性物质和要求低温提取的天然油脂方面具有广阔的应用前景,并能保证油脂的品质。目前已在核桃油、亚麻籽油以及枇杷仁油等特色油脂提取方面取得了较好的应用效果[9-11]。本研究针对传统压榨得油率低、油脂色泽不理想以及溶剂浸出时间长、溶剂使用量大等不足之处,采用超声波强化溶剂浸出提取澳洲坚果仁油,希望能够提高油脂提取率、缩短提取时间,以及减少萃取溶剂的用量,改善传统油脂提取工艺的不足。目前,澳洲坚果油还未纳入国家新资源食品目录,也需要对澳洲坚果油的组分及理化性质进一步分析,以期对澳洲坚果油作为食用油脂的营养价值进行评价和展望,为澳洲坚果仁进一步研究和开发保健型食用油提供参考依据。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  植物材料  澳洲坚果:由国家重要热带作物工程技术研究中心澳洲坚果研发部提供,品种为南亚1号。

1.1.2  试剂  石油醚(沸程60~90 ℃)、正己烷、无水乙醇、三氯甲烷、丙酮、冰乙酸、乙醚、酚酞、盐酸、碘化钾、可溶性淀粉、氢氧化钾,国药集团化学试剂有限公司;硫代硫酸钠,天津市风船化学试剂有限公司。上述试剂均为分析纯。

1.1.3  仪器与设备  JY92-ⅡN超声波细胞粉碎仪,宁波新芝生物科技股份有限公司;UV2700型紫外可见光分光光度计,岛津企业管理(中国)有限公司;YF3-1流水式中药粉碎机,浙江永历制药机械有限公司;食品温度计106型,Testo中国有限公司;ME-104精密型电子天平,Mettler Toledo中国有限公司;ST40高速冷冻离心机,赛默飞世尔科技公司;HB-43快速水分测定仪,梅特勒-托利多上海公司;TY742X2A纯水机,美国Barnstead公司;Hei-VAP Precision ML型旋转蒸发仪,德国Heidolph集团;Thermo Science ITQ900气相色谱质谱联用仪,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;892Rancimat专业油脂氧化稳定性分析仪,瑞士万通中国有限公司。

1.2  方法

1.2.1  澳洲坚果仁组成成分测定  水分及挥发物参照GB/T 5528-2008方法测定;粗脂肪参照GB/T 14772-2008方法测定;粗蛋白参照GB/T 14489.2- 2008方法测定。

1.2.2  超声波提取工艺流程  澳洲坚果仁→破壳取仁→粉碎混匀→称重→溶剂混匀→超声提取→离心取上清液→旋转蒸发→澳洲坚果毛油

1.2.3  提取溶剂的筛选  选用无水乙醇、石油醚、乙醚、丙酮、正己烷以及三氯甲烷分别提取澳洲坚果果仁中的油脂,操作参数为:准确称量已破碎的澳洲坚果仁10.00 g,液料比为10∶1(mL/g),提取时间30 min,超声波功率500 W,然后在8000 r/min条件下离心15 min,取上清液,采用旋转蒸发仪进行溶剂蒸发,将得到的浓缩物置真空干燥箱中烘干至恒重,对得到澳洲坚果油称重,以澳洲坚果油提取率为评价指标,来确定合适的提取溶剂。

提取率=

1.2.4  超声波提取澳洲坚果油的单因素试验  (1)超声波功率对提取率的影响。液料比10∶1(mL/g),超聲时间为30 min,设置超声波功率分别为200、300、400、500、600 W,考察不同超声功率对坚果油提取得率的影响。

(2)超声时间对提取率的影响。液料比10∶1(mL/g),超声功率500 W,设置超声提取时间分别为10、15、20、25、30、35、40 min,考察不同提取时间对坚果油提取率的影响。

(3)液料比对提取率的影响。超声功率500 W,超声时间30 min,设置液料比分别为6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1(mL/g),考察料液比对坚果油提取率的影响。

1.2.5  响应面法优化提取工艺  在单因素实验基础上,利用Design Expert 7.1.3软件程序,根据Box-Behnken中心组合实验设计原理,设计3因素3水平的响应面实验,以影响澳洲坚果油提取率的3个主要因素超声功率(A)、提取时间(B)和液料比(C)为响应变量,澳洲坚果油提取率Y为响应值进行工艺优化,实验因素水平设计见表1所示。

1.2.6  提取级数的确定  称取粉碎后的澳洲坚果仁10.00 g,以优化后的最佳工艺条件进行提取,共提取n次,将每次的油脂分别进行称重,计算

每次的油脂提取率,将n次提取的油脂提取率总和视为1,最佳提取级数的确定以累计油脂提取总得率≥95%为准,液料比为10∶1(mL/g)。

1.2.7  澳洲坚果油脂肪酸分析  脂肪酸的测定参照GB 5009.168-2016并作适当修改,澳洲坚果油加入碳十七脂肪酸甲酯作为内标,采用5%浓硫酸-甲醇溶液进行甲酯化处理,分析使用HP-FFAP色谱柱,进样口温度260 ℃,分流比10∶1,检测器温度280 ℃,色谱柱初温210 ℃,保持8 min,程序升温20 ℃/min,升至230 ℃,并在此温度下维持6 min。

1.2.8  澳洲坚果油理化指标测定  根据相应的国家标准,检测超声波辅助提取的澳洲坚果油的理化指标,分析油脂品质。相对密度(20 ℃):GB/T 5518-2008;酸值(mg/g):GB/T 5530-2005;碘值(g/100 g):GB/T 5532-2008;皂化值(mg/g):GB/T 5534-2008;过氧化值(mmol/kg):GB/T 5538-2005。

1.3  数据处理

每个实验重复3次,结果表示为平均值±标准偏差。采用Design Expert 7.1.3软件进行响应面的设计与分析,采用Excel软件以及Origin 8.0软件绘图,统计学分析采用SPSS 19.0软件进行。

2  结果与分析

2.1  澳洲坚果仁组成成分测定结果

通过表2可知,澳洲坚果果仁营养丰富,其中含量最高的营养成分是粗脂肪,含量高达(73.69±1.21)%;粗蛋白含量也较为丰富,达到(8.96±0.47)%;另外,含有少量的总糖和可溶性淀粉。澳洲坚果果仁的成熟过程中,糖类等物质逐渐转化为油脂,而判定澳洲坚果质量以及分级的一个主要指标是含油量,优质果仁含油率高一些,农业行业标准NY/T 693-2003规定澳洲坚果A级果仁的含油率需达到72%以上,可见本研究选用的材料达到了A级果仁的要求。

2.2  不同溶剂对澳洲坚果油提取率的影响

油脂的提取溶剂有多种,不同溶剂对脂肪酸溶解性不同,得率也不同,不同溶剂对其他功能性油脂的影响已有多篇文章报道[12-13],而坚果油的提取溶剂各种文献报道中也不尽相同,因此,有必要了解不同溶剂对坚果油提取率的影响。本研究使用不同溶剂对澳洲坚果油进行了萃取,结果见图1。从图1可知,正己烷对坚果油的一次提取率最高,而乙醚、95%乙醇的一次提取率相对较低;不同提取溶剂对提取率的影响差异显著(P<0.05)。提取溶剂中乙醚、丙酮、三氯甲烷等溶剂具有一定毒性,溶剂可能残留于提取油脂中,会危害人体健康;而石油醚属于易燃易爆溶剂,不适用于工业化提取油脂;目前,国内外工业中提取油脂的常用溶剂也是正己烷。所以本研究选用正己烷作为提取澳洲坚果油的溶剂[7]。

2.3  超声功率对提取得率的影响

不同超声波提取功率对坚果油提取率的影响如图2所示。从图2可以看出,超声波功率在200~500 W范围内时,坚果油提取率随着功率的增大呈现逐渐上升趋势,不同超声功率对提取率影响极显著(P<0.01),这是因为超声波功率增加使超声波效应增强,产生的空化效应使澳洲坚果组织细胞更容易破裂,进而使油脂组分更容易从细胞中释放出来。当功率达到500 W左右时,提取率达到相对最大值;但功率超过500 W,提取率随着功率的增大反而有一定程度的下降,高功率条件下,空化作用不仅破碎细胞壁,可能也破坏了欲提取物质的分子结构[14]。因此,本实验条件下选择超声功率为500 W左右为优化水平进行响应面优化。

2.4  超声时间对澳洲坚果油提取效果的影响

超声提取时间对澳洲坚果油提取率的影响如图3所示。由图3可知,提取率随着超声时间的延长而增加,并在30 min时达到相对最大的提取率;而当超声时间超过35 min时,提取率有所降低,但基本保持持平,不同超声时间对提取率的影响差异显著(P<0.05)。可见超声提取时间越长,坚果果仁中的油脂提取越完全,但超声时间超过30 min后,提取率升高不明显,这可能是由于超声时间过长,导致超声容器内温度上升,可能引起油脂发生一定程度的分解反应所致[15]。因此,选择超声提取时间为30 min左右为优化水平进行响应面优化。

2.5  液料比对澳洲坚果油提取率的影响

液料比的变化对澳洲坚果油提取率的影响如图4所示。从图4中可看出,随着液料比的增大,澳洲坚果油提取率有明顯的提高,不同料液比对提取率的影响差异显著(P<0.05)。在液料比为12∶1(mL/g)时达到较大值,再增加液料比,坚果油提取率反而增加不明显,这是因为对于一定质量的澳洲坚果仁来说,溶剂使用量的增加,会降低提取溶剂中澳洲坚果仁油的浓度,增加了物料与溶剂接触界面处的浓度差,从而提高了传质速率,在一定时间内提取率增大[16]。当溶剂用量达到一定值后,如本实验中达到12∶1(mL/g)时,由于澳洲坚果仁中的油脂大部分已被提取,再增加溶剂使用量,提取率没有明显提高。从经济方面考虑,选择液料比为12∶1(mL/g)左右为优化水平进行响应面优化。

2.6  超声波辅助提取澳洲坚果油工艺条件的优化

结合单因素实验结果,利用Design-Expert 7.1.3软件,按Box-Benhnken实验设计原理进行3因素3水平实验,以澳洲坚果油提取率为响应值,优化超声波辅助提取澳洲坚果油的工艺参数条件。响应面分析方案及结果见表3。

以超声功率、超声时间以及液料比为响应变量,以油脂得率(Y)为响应值,采用Design Expert 7.1.3软件进行非线性回归的二次多项式拟合,所得到的方程为:

从表4方差分析结果可知,模型P<0.0001,表明回归模型极显著,因变量与所有自变量之间的线性关系显著(R2=0.9880)。失拟项P=0.1205> 0.05,模型失拟度不显著。模型的调整确定系数RAdj2=0.9726,说明该模型拟合程度良好,实验误差小;结合表3数据,实测值与预测值之间也具有较好的拟合度,可用此模型来分析和预测超声提取澳洲坚果油的工艺结果。由表4回归模型系数显著性检验结果可知,模型中超声功率A对澳洲坚果油提取率的影响极其显著,液料比C对澳洲坚果油提取率的影响显著,另外从表4回归方程系数检验的P值可以看出各因素的改变对响应值的影响并不是简单的线性关系,而是存在交互作用的影响。在所选的各因素水平范围内,结合F值的大小,可知影响超声提取澳洲坚果油的因素主次顺序为:超声功率>液料比>超声时间。

根据回归方程做出模型的响应面及其等高线见图5、图6、图7所示。响应面图是响应值Y对实验中各影响因素所构成的三维空间图,从图中可以非常直观地看出最佳影响因素与各因素之间的交互作用;等高线的形状可以反映出交互作用的显著性,圆形表明2个因素之间交互作用不明显,而椭圆形表示2个因素之间交互作用显著[11]。

本研究主要以油脂提取率为响应指标,讨论超声辅助提取的最佳制备工艺条件,利用Design-expert 7.1.3软件对实验结果进行优化,得到最佳工艺条件并在圆整条件下进行验证。由图5、图6、图7可知,各因素中以超声功率对澳洲坚果油提取率影响最大,其次是料液比,超声提取时间的影响最小。另外,对澳洲坚果油提取率影响显著的因素,表现为曲线较陡,响应值变化较大;对澳洲坚果油提取率影响不显著的因素,响应曲面较为平滑,响应值变化较小[13]。可以看出超声功率和料液比对澳洲坚果油提取率有非常明显的交互影响作用,即澳洲坚果油提取率在较高超声强度以及较大的料液比处理下提取率显著上升,如在超声功率为600 W,料液比为14∶1(mL/g),超声时间为30 min时,坚果油提取率达到65.8%。

根据所建立的数学模型进行参数最佳化分析,得到最优提取条件为:液料比为9.58∶1(mL/g),超声波时间为32.01 min,超声波功率为523 W,预测提取率为69.5%。为进一步验证响应面分析法所建立的数学模型的显著性,有必要对推断方案进行实验。采用上述条件且取整数,即液料比为9.6∶1(mL/g),超声功率520 W,超声时间为32 min,进行3次重复验证实验,测得提取率为69.1%,与理论预测值相比,相對误差为0.58%左右,因此采用响应面分析法优化得到的提取条件参数准确可靠,具有实用参考价值。

2.7  超声辅助提取工艺提取级数的确定

澳洲坚果油的提取级数见图8所示。由图8可知,前2次的澳洲坚果含量已占5次提取总含量的96.3%,再增加提取次数含量上升不明显,这可能是因为部分油脂以结合态的形式存在于细胞中,即使剧烈提取条件也很难再被溶出,出于经济角度考虑,提取级数定为2级即可将果仁油脂提取完全。

2.8  澳洲坚果油中脂肪酸含量检测结果

由表5及图9可知,澳洲坚果油中主要含有油酸(60.50%)、棕榈油酸(18.98%)、棕榈酸(8.89%)等,其中单不饱和脂肪酸含量占了总量的82.06%以上。单不饱和脂肪酸具有特殊的生理功能和独特的物理、化学特性,尤其是澳洲坚果油富含的单不饱和脂肪酸棕榈油酸,是最具代表性的Omega-7脂肪酸,其在营养、医药乃至工业上都具有非常重要的应用价值。棕榈油酸在一般油料作物中含量较少,但在一些特殊植物中也有很高的含量,因此寻找植物性来源并加以提取可以较好的弥补其产量的不足。Omega-7棕榈油酸常见于深海鱼油(如凤尾鱼)和某些植物油(澳洲坚果油,沙棘油,海藻油等)中,但深海鱼油中Omega-7棕榈油酸含量相对偏低,高浓度的Omega-7需要通过特殊纯化工艺提取获得[17]。目前市面上Omega-7棕榈油酸几乎都是从一些天然植物(例如沙棘果和澳洲坚果)中获得[18]。不同于深海鱼类等动物资源,植物资源是可持续的。可持续的种植澳洲坚果、沙棘果等也能够产出质量更好的Omega-7产品,并且可以使用传统有机的种植模式。而大田栽培的油料作物种子仅含微量(一般含量<2%)的Omega-7脂肪酸,难以满足人类食用和工业的需求。一方面,沙棘果虽然含较高的棕榈油酸,但同时含有较多的饱和脂肪酸——棕榈酸(约30%),油脂中较高的棕榈酸含量通常认为会对健康不利,而澳洲坚果油棕榈酸的含量相对较低(8.89%);另一方面,沙棘油特殊的气味不被部分人群所接受,而澳洲坚果油含有独特的清香,产量更高,种植范围相对较广,丰产期有40~60 a,更具有广泛用于获取Omega-7脂肪酸并应用于食品工业的前景[19]。另外,研究表明食用澳洲坚果油,对降低人体血压、降低血清胆固醇有明显疗效,对防止动脉粥样硬化、冠状动脉硬化和血栓的形成也有着积极的作用,这与澳洲坚果油独特的脂肪酸组成也具有一定的关系[20-21]。

2.9  澳洲坚果油理化性质分析

澳洲坚果与核桃均是含油率较高的树生坚果,且近几年在国内休闲食品领域消费数量日益增加。2016—2017坚果炒货单品中国电商销售统计排名中,澳洲坚果排名第二,仅次于核桃。核桃油目前已有国家标准,而澳洲坚果还没有制定相关品质标准,因此,本研究将超声波提取的澳洲坚果油与核桃油理化指标进行了对比分析,具体对比指标见表6。由表6的测定结果可知,超声波法提取澳洲坚果油脂品质较高,其中酸值、过氧化值2个反映油脂质量的指标达到浸出核桃油一级指标值,符合优质食用油标准;澳洲坚果油的碘值较核桃油偏低,而碘值反映了油脂中不饱和脂肪酸的双键量[22],这与澳洲坚果油主要由单不饱和脂肪酸组成,而核桃油多不饱和脂肪酸含量较高有关,这与叶丽君等[23]、张玲等[24]以及Moodley等[25]的研究结果相符,表明澳洲坚果油是一种不干性油。一般来说,富含多不饱和脂肪酸的油脂也更容易氧化,因此,含有更多单不饱和脂肪酸的澳洲坚果油比核桃油更耐贮藏,这与叶丽君等[23]研究的澳洲坚果油的氧化诱导期比特级初榨橄榄油高,甚至是菜籽油以及大豆油的5倍结果相符。

3  讨论

在本研究的实验条件范围内,通过响应面方法建立并验证的回归模型准确有效,可用来分析和预测设定条件范围内及其附近的超声提取澳洲坚果油的工艺结果,且结果可靠性较高。最优超声提取条件下,澳洲坚果油得率达到69.1%,经过2次提取澳洲坚果油总得率达到96.3%。相比常规压榨法以及溶剂提取法,超声辅助提取不但减少了溶剂的用量,而且大大缩短了提取时间。本研究中的澳洲坚果果仁中的油脂基本上被提取完全,提取效率更高,而且坚果果粕中残留油脂更少,理化性质分析结果表明本研究提取的澳洲坚果油符合优质食用油的标准,甚至超过了国家标准中浸出核桃油的一级标准。从本研究提取的澳洲坚果油的脂肪酸组成及理化性质可知,澳洲坚果油是一种营养丰富的功能性油脂,另外,多不饱和脂肪酸已经证明对人体有重要的生理功能,单不饱和脂肪酸特殊的生理功能和独特的物理、化学特性还有待进一步挖掘。从本研究结果看,我们需要对澳洲坚果油中的单不饱和脂肪酸足够重视,例如本研究中提取的澳洲坚果油中典型的单不饱和脂肪酸油酸(C18∶1)以及棕榈油酸(C16∶1)2种单不饱和脂肪酸约占脂肪酸总量的80%,尤其是棕榈油酸(又称Omega-7)含量较高,具有广泛用于获取Omega-7脂肪酸并应用于食品工业的前景,而棕榈油酸又是一种非常昂贵的单不饱和脂肪酸,高纯度的Omega-7市场价能达到每克200多元,堪比黄金。鉴于Omega-7脂肪酸在人类健康、医药上的独特价值以及可作为再生资源的重要性,因此我们有必要在借鉴国外已有研究成果的同时,根据我国植物资源和人群健康状况,加快我国开展Omega-7脂肪酸的科学研究和产品开发,可进一步发掘其营养价值,为我国澳洲坚果的综合开发利用提供新的思路和方法。

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