超临界CO2萃取联合超声处理对凡纳滨对虾虾头油脂提取效果的影响

魏 帅，唐崟珺，马嘉亿，刘颖琳，刘振洋，刘书成,2,*

（1.广东海洋大学食品科技学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，广东省海洋生物制品工程实验室，广东省海洋食品工程技术研究中心，水产品深加工广东普通高等学校重点实验室，广东 湛江 524088；2.大连工业大学海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，辽宁 大连 116034）

凡纳滨对虾占据了中国对虾养殖市场的主要份额，2021 年虾海水养殖量约157 万t，比2020 年增长5.7%，凡纳滨对虾海水养殖量占虾海水养殖总量的81%，而广东地区凡纳滨对虾海水养殖产量为52万t，占我国凡纳滨对虾海水养殖产量的41%[1]。大部分的对虾原料在被取下虾肉后便失去了利用价值，虾头、虾壳等副产物除小部分用于加工调味基料、生产饲料和制备甲壳素外，大部分作为废弃物丢弃，造成资源浪费和环境污染。凡纳滨对虾的虾头、虾壳和虾尾约占虾总质量的44%[2]。广东湛江是全国凡纳滨对虾产量和出口量最大的地区，在湛江每年对虾加工过程中产生的下脚料就达3 万t。虾头、虾壳副产物中包含多种营养成分，如蛋白质、甲壳素、类胡萝卜素等[3-4]，这些资源的有效提取和利用对丰富对虾产业具有重要意义。

目前国内外对于凡纳滨对虾副产物的利用多集中在蛋白质和虾青素这两类产品上，对于脂类的提取工艺研究较少。研究显示，虾头中含有人体所需的不饱和脂肪酸，其中对人体心血管功能有很好保护作用的DHA 和EPA 含量分别为10.54%和6.47%，均高于虾肉中的含量[5]。目前虾类研究采用的提取方法中，溶剂萃取法简便易行，成本低，但使用的溶剂极易对产物造成污染，还会破坏其他营养成分[6]。超临界CO2萃取技术利用超临界流体的溶解能力，已用于植物油脂的提取[7]和南极磷虾油的提取[8]等，但存在提取率不高的问题。采用适合的夹带剂种类与剂量可提高超临界的提取率，乙醇作为较清洁的有机溶剂，容易与提取物分离，且可以提高油脂提取率，其已被用作夹带剂添加到超临界萃取中[9]。超声波辅助提取技术利用超声在振荡过程中产生的空化、高剪切、搅拌等增强目标物质以固相到萃取溶剂的传质，从而有效提升提取效果，具有无毒、无污染等优点，有利于促进可持续发展[10]。超声联合超临界CO2萃取可显著提高香根草油的提取率，油产量比未处理组增加28%，联合处理提高了油品质量，小幅提升了单不饱和脂肪酸选择性，提高植物化合物的含量和抗氧化活性[11]。因此，为更好地利用对虾加工副产物虾头，本文探究了超临界萃取的压力、时间和温度及超声联合处理对虾头中油脂提取率的影响，并测定其挥发性成分，以期为对虾副产物中虾头油脂的提取工艺和风味特征分析提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

凡纳滨对虾：购于广东省湛江市霞山区东风市场，加冰运送至实验室，清洗后取下虾头，在热泵干燥机中进行干制，采用高速万能粉碎机进行制粉，4 ℃保存备用；无水乙醇和石油醚（沸程30～60 ℃）：购于佛山西陇化工有限公司。

1.1.2 仪器与设备

超声波-超临界聚合反应装置，南京先欧仪器制造有限公司；L3.5TB1 型热泵干燥机，广东威而信实业有限公司；LD-Y500型高速万能粉碎机，上海顶帅电器有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅，上海梅香仪器有限公司；JIDI-21R型离心机，广州吉迪仪器有限公司；BSA224S型电子天平，北京赛多利斯公司；PEN3型电子鼻分析系统，德国Airsense 公司；50/30 µm DVB/CAR/PDMS 固相萃取头，美国Supelco 公司；GCMS-TQ8050NX型气相色谱-质谱联用仪，Rtx-5MS石英毛细管分析柱（30 m×0.25 mm×0.25µm），日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2提取油脂单因素试验设计

1.2.1.1 萃取压力的筛选

称取10.0 g 虾头样品粉末，按照质量比1∶1 加入乙醇，萃取压力分别设置为：15、20、25、30、35 MPa，于50 ℃萃取60 min，每组做两次重复试验，研究不同萃取压力对虾头油脂提取率的影响。

1.2.1.2 萃取温度的筛选

称取10.0 g 虾头样品粉末，按照质量比1∶1 加入乙醇，萃取温度分别设置为：35、40、45、50、55 ℃，采用试验优化的压力萃取60 min，研究不同萃取温度对虾头油脂提取率的影响。

1.2.1.3 萃取时间的筛选

称取10.0 g 虾头样品粉末，按照质量比1∶1 加入乙醇，萃取时间分别设置为：30、60、90、120、150 min，采用试验优化的压力和温度进行萃取，研究不同萃取时间对虾头油脂提取率的影响。

1.2.2 超临界CO2联合超声提取油脂方法

在经优化的超临界萃取条件下进行超声波处理，当萃取釜内压力达到设定条件开始萃取时，打开超声波处理设备，处理时间为每次10 s、间隔5 s，持续20 min，功率2.5 kW，频率35 kHz，研究超临界萃取结合超声波处理对虾头油脂提取率的影响。

1.2.3 测定项目与方法

1.2.3.1 虾头中脂肪含量

参照GB 5009.6—2016[12]中第一法索氏抽提法测定脂肪含量（单位：g/100 g），称取2.0 g虾头粉末样品，放进抽提管，使用沸程30～60 ℃的石油醚作抽提溶剂。

1.2.3.2 虾头中油脂提取率

采用以下公式计算：

1.2.3.3 挥发性成分测定

将提取的虾油3 mL 与3.0 g 氯化钠混合后置于15 mL 的顶空瓶中，40 ℃水浴锅中加热10 min，使用50/30µm DVB/CAR/PDMS的萃取针吸附30 min。萃取针在GC-MS进样口解吸5 min，不分流进样。挥发性物质检测采用GC-MS-TQ8050NX（配毛细血管柱Rtx-5 MS（30 m×0.25 mm×0.25 µm），载气是纯度99.999%的氦气，流速为1.0 mL/min；柱温程序为：30 ℃保持1 min，以4 ℃/min加热到92 ℃，保持2 min，以5 ℃/min加热到200 ℃，以6 ℃/min加热至240 ℃，保持4 min。电离能设置为70 eV，接口温度为250 ℃，离子源温度为250 ℃，质量扫描范围为40～450 amu。所检测成分的质谱与NIST14数据库进行比对匹配和定性分析，根据相对峰面积计算各挥发性成分相对含量。

1.2.4 数据处理

采用Excel 软件分析处理数据，采用SPSS 26 软件进行显著性分析，所有试验均重复3次，结果以表示。

2 结果与分析

2.1 萃取压力对虾头油脂提取率的影响

由图1 可见，在50 ℃下萃取60 min，增加压力可提高虾油提取率，压力在15～30 MPa范围内无显著差异；35 MPa 时虾油提取率最高，为28.75%，是15 MPa时提取率的近5倍，显著高于15～25 MPa时的提取率（P＜0.05）。超临界萃取压力增大时，会增强分子间作用力，使被提取物在性质上更接近于脂类状态[13]。此时虾头粉末中油脂会溶于其中，达到萃取效果，即在15～30 MPa 压力范围内，提取率随压力增大而升高。虽然35 MPa 压力下提取率高于其他水平，但与30 MPa下提取率无显著差异。综合考虑能耗和升压时间，确定虾头油脂提取的最优萃取压力为30 MPa。

图1 萃取压力对虾头油脂提取率的影响Fig.1 Effects of extraction pressures on the extraction rates of shrimp head oil

2.2 萃取温度对虾头油脂提取率的影响

由图2 可见，30 MPa 萃取60 min 时，随着萃取温度的升高，虾头油脂提取率降低。提取率在35～50 ℃范围内无显著差异，35 ℃条件下提取率最高，为40.59%，显著高于55 ℃时的提取率（P＜0.05）。超临界萃取温度升高会降低超临界CO2的密度，一定温度范围内会增加溶质的扩散和解离速率，但温度过高会影响油类品质并引起油脂溶解能力下降，导致萃取率降低[14]。刘鸿雁等[15]探究了超临界萃取温度对玉米胚芽油提取率的影响，发现在萃取温度30～40 ℃范围内，提取率随温度升高而升高，但当萃取温度处于40～50 ℃时，提取率随温度升高而降低。综合考虑能耗及温度对提取率的影响，确定虾头油脂提取的最佳萃取温度为35 ℃。

图2 萃取温度对虾头油脂提取率的影响Fig.2 Effects of extraction temperatures on the extraction rates of shrimp head oil

2.3 萃取时间对虾头油脂提取率的影响

由图3可见，在30 MPa、35 ℃条件下，随着萃取时间的延长，虾头油脂提取率逐渐升高。在30～90 min范围内虾油提取率无显著差异，继续增加萃取时间，提取率显著增加。萃取150 min 时虾油提取率最高，为43.02%，显著高于其他各组（P＜0.05）。随着萃取时间的延长，超临界流体在物料中浸提作用增加，油脂得到充分浸提，从而使提取率升高[14]。当萃取时间为120 min 时，虾油提取率为38.03%，显著高于30、60、90 min 萃取组（P＜0.05）。考虑到能耗以及时间成本，确定虾头油脂提取的萃取时间为120 min。

图3 萃取时间对虾头油脂提取率的影响Fig.3 Effects of extraction time on the extraction rates of shrimp head oil

2.4 超声波联合超临界处理对虾头油脂提取率的影响

超声波在萃取工艺中可产生空化效应，在高功率的超声波作用下会促进超临界CO2流体中产生细小空泡，在空泡破裂的瞬间产生极高压力，虾头粉末中油脂被快速挥发出来，溶解于超临界流体中，从而提高提取率[11，16]。因此采用超声波结合超临界处理提取虾油，设置超声条件为处理10 s、间隔5 s，总处理时长20 min，功率2.5 kW，频率35 kHz。超声波联合超临界处理后，虾油提取率提升至52.97%±0.95%，显著高于单独超临界提取（P＜0.05）。

2.5 挥发性成分分析

水产品中报道的挥发性物质主要有醇类、醛类、酮类、酸类、酚类和含氮、硫及杂环类化合物[17]。由表1 可见，虾油中共检测出22 种挥发性物质，包括烷烃类（5种）、醛类（6种）、酯类（2种）、酸类（3种）、苯类（5种）和醚类（1种）。虾油中醛类物质占比26.62%。醛类具有刺激性气味，主要来源于脂肪酸降解、氨基酸降解等，微量的醛在虾油中可起到调节的作用[18]。酯类物质通常源于短链酸和醇的酯化反应，可以提高和改善香味[19-20]。酸类可以通过氨基酸脱氨作用、糖类降解等产生。虾油中酸类物质相对含量较低，为3.94%，有刺激性气味，可起到调和作用。凡纳滨对虾虾油中共检测出烷烃类化合物5 种，占比45.28%，在南极磷虾油中也检测出辛烷、17-烷烯、庚烷等烷烃类物质[21]，但虾油烷烃类挥发性物质不同，比例也有差异，可能由于原料差异和提取方法不同所致。

表1 虾油中挥发性物质相对含量Table 1 The relative contents of volatile components of shrimp head oil 单位：%

3 结论

本研究以凡纳滨对虾加工副产物虾头为原料，采用超临界CO2联合超声提取虾油。结果表明，采用30 MPa、35 ℃超临界CO2提取120 min，在压力达到30 MPa 时开启超声处理，得到虾油提取率为52.97%±0.95%。联合超声处理可显著提高虾头中油脂提取率，后续可以进一步研究超声联合方式以及超声工作参数，如功率、作用时间等，对虾油提取效果的影响和作用规律。采用GC-MS 分析超临界CO2联合超声提取虾油中挥发性成分，共检测出烷烃类、醛类、酯类、酸类等共22 种成分，后期可进一步分析其主要风味贡献物质，并进行定量分析，确定超临界CO2联合超声提取虾头中油脂的风味特征标志物。