萬楚筠 胡雙喜 鈕琰星 李文林 黃鳳洪

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所1，武漢 430062）

（油料脂質(zhì)化學(xué)與營養(yǎng)湖北省重點實驗室2，武漢 430062）

超臨界CO2萃取雙低油菜籽中油脂及其品質(zhì)研究

萬楚筠1胡雙喜2鈕琰星1李文林1黃鳳洪1

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所1，武漢 430062）

（油料脂質(zhì)化學(xué)與營養(yǎng)湖北省重點實驗室2，武漢 430062）

為解決雙低菜籽優(yōu)質(zhì)后的優(yōu)用問題，提高雙低菜籽油和餅粕的副加值，采用超臨界CO2萃取雙低油菜籽中油脂，并對該工藝得到的油和脫脂菜粕品質(zhì)進行了研究。通過單因素試驗研究了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間，萃取流量和原料粒徑對油脂提取率的影響。根據(jù)單因素試驗的結(jié)果設(shè)計四因素三水平的正交試驗得最優(yōu)工藝參數(shù)：萃取溫度35℃、壓力30 MPa、時間120 min，原料粒度80目，在此條件下油脂提取率可達97.15%。經(jīng)超臨界CO2萃取得到的雙低菜籽油色澤淺，酸價與過氧化值都優(yōu)于正已烷工藝，磷脂含量0.021 mg／g，為正已烷工藝的3.82%；維生素E含量17.26μg／g約是正已烷工藝的2倍，總酚與甾醇含量比正已烷工藝略低。采用超臨界CO2萃取得到的“雙低”菜粕植酸含量低，蛋白溶解度高，顏色淺，其品質(zhì)明顯優(yōu)于正已烷萃取的脫脂粕。研究結(jié)果可為雙低油菜的高值化利用提供數(shù)據(jù)參考。

超臨界CO2萃取 雙低油菜 油脂品質(zhì) 脫脂粕品質(zhì)

油菜是我國第一大油料作物，也是我國食用油和植物蛋白的重要來源，其菜籽年產(chǎn)量約1 200萬t，居于世界首位［1-2］。傳統(tǒng)的油菜多為“雙高”油菜（芥酸40%～50%，硫苷100～200μmol／g餅）。芥酸是一種長鏈脂肪酸，人體難以消化吸收，營養(yǎng)價值低；而硫苷在芥子酶作用下降解為異硫氰酸酯、噁唑烷硫酮和腈類等毒素，會引起動物甲狀腺腫大，導(dǎo)致動物發(fā)育遲緩，影響生長。近20年來，已實現(xiàn)了油菜品種的“雙低”（芥酸質(zhì)量分數(shù)多在1%以下，硫苷含量多在25μmol／g餅以下）化。目前，全國“雙低”油菜品種的種植面積達90%以上［2］，而且還在逐年遞增，基本上從源頭解決了芥酸、硫苷對人體和動物的不良影響。采用“雙低”菜籽制得的油脂中油酸質(zhì)量分數(shù)在60%以上，亞油酸質(zhì)量分數(shù)為20%左右，總不飽和脂肪酸質(zhì)量分數(shù)高達90%以上［3］，其中ω6和ω3脂肪酸組成比例符合世界衛(wèi)生組織（WHO）和中國營養(yǎng)學(xué)會推薦的標準［2］，而且富含植物甾醇和維生素E，其營養(yǎng)品質(zhì)能與油茶籽油和橄欖油相媲美?！半p低”菜籽取油后的副產(chǎn)物菜籽粕中蛋白質(zhì)量分數(shù)高達40%，其蛋白氨基酸組成合理，除賴氨酸含量略低于豆粕外，含硫氨基酸和組氨酸的含量較高，且含有豐富的硒和磷，是一種潛在的營養(yǎng)價值較高的植物蛋白資源。

傳統(tǒng)的菜籽油制取采用“預(yù)榨—浸出”工藝，壓榨前需高溫蒸炒，且壓榨后餅中殘油還需有機溶劑萃取，所得油脂品質(zhì)較差，需經(jīng)復(fù)雜的精煉過程才能達到標準，菜籽粕中蛋白變性嚴重，有效氨基酸破壞顯著，導(dǎo)致餅粕飼用效價不高。傳統(tǒng)的“預(yù)榨—浸出”工藝沒有實現(xiàn)菜籽優(yōu)質(zhì)后的優(yōu)用，造成資源的深層次浪費，已不適用于“雙低”菜籽的加工［4］。近年來，油料低溫壓榨成為新的趨勢，雖然菜籽直接低溫壓榨后油脂品質(zhì)較好，但是菜籽餅中殘油較高（10%～16%）［4］。為充分提取油脂，菜籽低溫壓榨餅還是要經(jīng)有機溶劑萃取，其中的“高溫脫溶”工藝仍然會造成餅粕中蛋白品質(zhì)的劣變和熱敏性營養(yǎng)素的損失。超臨界CO2萃取是一項新興的提取技術(shù)，它同有機溶劑如正已烷萃取相比具有很多優(yōu)點［5］：萃取劑為超臨界 CO2，無毒、無味、不可燃，萃取后的殘余物無有機溶劑殘留；CO2臨界溫度（31.06℃）和臨界壓力（7.38 MPa）較低，萃取條件較為溫和，能最大限度地保留天然有效成分，產(chǎn)品質(zhì)量和提取效率較高。目前，超臨界CO2萃取已經(jīng)廣泛應(yīng)用于山核桃、胡麻籽、紫蘇籽和油茶籽等植物油脂的提?。?］，然而將之應(yīng)用于“雙低”菜籽油的提取卻鮮見報道。

本試驗采用超臨界CO2萃取“雙低”菜籽中的油脂，探索最佳工藝參數(shù)，并對萃取得到的油脂和餅粕的品質(zhì)進行對比研究，以期為“雙低”油菜高值化利用提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、儀器

1.1.1 試驗材料

“雙低”油菜籽：中雙11號，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所種子庫提供。CO2純度≥99.99%。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

HA221-50-06型超臨界萃取設(shè)備：江蘇南通市華安超臨界萃取有限公司；FossKjeltec 2300型凱氏定氮自動分析儀：丹麥／瑞典福斯分析有限公司；Agilent 6890型氣相色譜：安捷倫科技有限公司；Avanti J-25型高速冷凍離心機：德國BECKMAN COULTER公司；FZ102型微型植物粉碎機：天津梅斯特儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 超臨界CO2萃取流程

將菜籽粉碎后篩分，收集過規(guī)定目數(shù)的篩下物。稱取篩分好的菜籽粉80 g，置于超臨界裝置的1 L萃取筒中。按超臨界萃取的標準步驟操作裝置，并按照試驗計劃設(shè)定好萃取溫度、萃取流量、萃取壓力等相關(guān)參數(shù)；分離Ⅰ壓力8 MPa，溫度50℃；分離Ⅱ壓力5 MPa，溫度35℃；待各項指標穩(wěn)定后，開始計時，進行油脂萃取，萃取過程完成后，用已恒重的50 mL燒杯分別收集分離Ⅰ和分離Ⅱ中的萃取物，稱重記錄，然后離心取上層油脂4℃保存待用。萃取筒中的脫脂菜籽粉，用已知質(zhì)量的樣品袋全部收集后，密封稱重并記錄，4℃保存待分析。

1.2.2 試驗設(shè)計

1.2.2.1 單因素試驗

選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間，萃取流量和原料粒徑。進行單因素試驗。根據(jù)設(shè)備的實際工況，設(shè)定各項參數(shù)變動范圍為：萃取壓力15～30 MPa，CO2流量6～18 L／h，萃取溫度35～55℃，萃取時間30～180 min；原料粒徑設(shè)定為40～120目。每組試驗變動1個因素的參數(shù)，其他因素則固定在合適值。

油脂提取率＝［（菜籽粉油脂質(zhì)量-脫脂粉油脂質(zhì)量）／菜籽粉油脂質(zhì)量］×100%

1.2.2.2 工藝優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素的試驗結(jié)果，選擇萃取壓力、萃取溫度、萃取時間和原料粒徑為影響因素，以油脂提取率為評價指標，進行超臨界CO2萃取工藝條件的優(yōu)化，選用正交表進行試驗設(shè)計，并進行重復(fù)試驗。利用Design Expert軟件對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

1.2.3 分析測試

水分含量的測定：常壓烘干法，參照 GB／T 14489.1—2008；粗脂肪含量的測定：索氏抽提法，參照GB／T 14488.1—2008；粗蛋白含量的測定：凱氏定氮法，參照 GB／T 14489.2—2008；脂肪酸組成的測定：參照歐洲標準EN14103脂肪酸測定方法；色澤的測定：GB／T 5525—2008；酸價的測定：GB／T 5530—2005；過氧化值的測定：GB／T 5538—2005；蛋白溶解度：參照劉桂賓等［7］的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界萃取壓力和溫度對“雙低”菜籽油提取率的影響

萃取CO2溫度和壓力都超過其臨界溫度31.06℃和臨界壓力7.38 MPa的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)，這時CO2的溶解能力完全依賴于溫度和壓力［8］，因此溫度和壓力是影響油脂提取率的關(guān)鍵因素。為了研究超臨界萃取溫度和壓力對“雙低”菜籽油脂提取率的影響，設(shè)定萃取壓力為15、20、25和30 MPa，萃取溫度為35、40、45、50和55℃，其他條件固定為CO2流量6 L／h，萃取時間90 min，原料粒徑為80目時進行油脂提取試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 萃取壓力和溫度對油脂提取率的影響

從圖1可以看出，萃取溫度一定時，油脂提取率隨著萃取壓力的升高而增加；萃取壓力為15 MPa時，油脂提取率隨著萃取溫度的升高而逐漸降低；萃取壓力為20 MPa和30 MPa時，油脂提取率先升高，然后逐漸下降，20 MPa時這種趨勢最為明顯；萃取壓力為25 MPa時，油脂提取率在35℃時最高，然后隨著溫度的升高略有下降，在40～50℃時油脂提取率趨于平穩(wěn)，超過50℃時則下降迅速。超臨界CO2的溶解能力與其密度密切相關(guān)，密度增加，溶質(zhì)溶解度相應(yīng)增大［8-10］。有研究表明：在近臨界區(qū)，CO2有極大的壓縮性，其密度可以從氣體密度0.1 g／cm3變到液體密度2 g／cm3，壓力和溫度的微小變化，將大大改變流體的密度［11］。這就是在15 MPa和20 MPa時，溫度的變化導(dǎo)致油脂提取率變化明顯的主要原因。隨著壓力的增加，超臨界CO2流體的密度增加，溶質(zhì)溶解度相應(yīng)增大，因此油脂提取率隨即提高。而溫度的變化對油脂提取率的影響則較為復(fù)雜，存在兩個方面的效應(yīng)［12］：一方面，隨著溫度的增加，溶劑與溶質(zhì)之間的傳質(zhì)作用增強，有助于萃??；另一方面，溫度與壓力具有耦合作用，較高的溫度會使CO2密度下降，使油脂在CO2中的溶解度降低，不利于萃取。不同壓力，不同的溫度范圍內(nèi)，這2個效應(yīng)所占主導(dǎo)地位不同，從而導(dǎo)致增溫后，油脂提取率時而上升，時而穩(wěn)定，時而下降。楊慶利等［12］、魏貞偉等［13］的研究也發(fā)現(xiàn)了此類現(xiàn)象。

2.2 超臨界CO2流量對“雙低”菜籽油提取率的影響

設(shè)定 CO2流量為6、12和18 L／h，其他條件固定為萃取壓力15 MPa，萃取溫度 35℃，萃取時間90 min，原料粒徑為80目時進行油脂提取試驗，研究超臨界CO2流量對“雙低”菜籽油脂提取率的影響，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 CO2流量對油脂提取率的影響

由圖2可知，隨著CO2流量增加，“雙低”菜籽油的提取率逐漸增加，當CO2流量達到18 L／h時，油脂提取率達到了46.56%，是流量為6 L／h時的1.64倍，與流量的增長不成比例。這主要是由于一定壓力和溫度條件下，CO2流量增加使CO2與物料的接觸時間變短，不利于油脂的提取；但同時流量增加也加速了流體的擾動，增加了溶質(zhì)與溶劑分子間碰撞，從而加強了傳質(zhì)，使提取效率提升。

2.3 超臨界萃取時間對“雙低”菜籽油提取率的影響

從油料中萃取油的過程是一個不穩(wěn)定的過程，油料中的含油量隨時間的變化而減少，萃取劑中油的濃度也隨時間而改變，不同的壓力下，萃取相同量油脂所需時間也不同。為了研究超臨界萃取時間對“雙低”菜籽油脂提取率的影響，設(shè)定萃取壓力15 MPa，溫度35℃時，萃取時間持續(xù)60～180 min；萃取壓力30 MPa，溫度40℃時，萃取時間持續(xù)30～150 min；其他條件固定為 CO2流量18 L／h，原料粒徑為80目時進行油脂提取試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 萃取時間對油脂提取率的影響

圖3顯示，隨著萃取時間增加，油脂提取率逐漸升高，油脂提取率達到90%左右時，油脂提取率的增長趨于平緩；在萃取壓力30 MPa，溫度40℃時，油脂提取率在萃取60 min后就已經(jīng)達到90%以上，而在壓力15 MPa，溫度35℃時，需要持續(xù)萃取150min油脂提取率才能達到此值；在萃取壓力30 MPa，溫度40℃時，萃取90 min時，“雙低”菜籽油脂提取率達到95.73%，萃取150 min，“雙低”菜籽油脂提取率可達96.10%。目前報道的超臨界油脂提取時間一般為1.5～3 h［8-9，12-13］，與本研究相符。

2.4 原料粒度對“雙低”菜籽油提取率的影響

在油脂萃取時，萃取原料的粒度大小，影響溶劑與溶質(zhì)之間的接觸面積，從而影響油脂的提取率。設(shè)定原料粒度在40、60、80、100和120目時，其他條件固定為萃取壓力30 MPa，溫度40℃，CO2流量18 L／h，萃取時間90 min時進行油脂提取試驗，研究原料粒徑大小對“雙低”菜籽油脂提取率的影響，試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，原料粒度在40～80目時，油脂提取率與原料粒度呈線性關(guān)系，隨著原料粒度的降低，油脂提取率逐漸增加；當原料粒度達到80目以后，油脂提取率基本不再隨粒度的增加而增大，保持平穩(wěn)狀態(tài)。物料的粉碎使其粒徑變小可以促進物料與CO2的接觸和滲透，提高萃取效率，但過度粉碎，會使物料中的活性組分，如蛋白等變性或活性喪失，同時也增加了能耗；物料太細也易于穿透篩網(wǎng)，導(dǎo)致氣路阻塞，降低萃取效率。

圖4 菜籽粉粒度對油脂提取率的影響

2.5 “雙低”菜籽油超臨界萃取工藝的優(yōu)化

根據(jù)上面單因素試驗的結(jié)果，CO2流量固定為18 L／h，選擇萃取壓力、溫度、時間和原料粒徑為影響因素，以油脂提取率為評價指標，設(shè)計四因素三水平的正交試驗對超臨界萃取工藝進行優(yōu)化，試驗安排與結(jié)果如表1所示。采用Design Expert軟件對正交試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，方差分析結(jié)果如表2所示。

表1 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗安排與結(jié)果

表2 油脂提取率方差分析表

由方差分析表2可知，試驗選用的模型顯著，4個因素對油脂提取率都有顯著的影響，影響的主次順序為：萃取壓力（B）＞萃取溫度（A）＞原料粒度（D）＞萃取時間（C）。通過Design Expert軟件對試驗?zāi)Ｐ瓦M行模擬尋優(yōu)，根據(jù)計算得到的各因素對應(yīng)的油脂提取率的均值和極差分析得到超臨界CO2提取“雙低”菜籽油的最佳工藝參數(shù)：A1B3C3D2，即萃取溫度為35℃，萃取壓力為 30 MPa，萃取時間為120 min，原料粒度為80目。對軟件尋優(yōu)得到的最佳條件進行試驗驗證，結(jié)果表明在最優(yōu)條件下超臨界CO2萃取“雙低”菜籽油的提取率可達97.15%。

2.6 超臨界萃取“雙低”菜籽油及其脫脂粕的品質(zhì)分析

對超臨界CO2與正已烷萃取得到的“雙低”菜籽油和相應(yīng)的脫脂粕主要品質(zhì)指標進行測定和對比。

從表3可以看出，超臨界CO2萃取得到的油色澤較淺，酸價與過氧化值都優(yōu)于正已烷工藝，特別是磷脂含量只有0.021 mg／g，為正已烷工藝的3.82%。由此可見，超臨界CO2萃取得到的“雙低”菜油無需精煉已經(jīng)達到菜籽油國家三級標準。另外一個值得注意的是維生素E含量，超臨界工藝中油的維生素E含量約為正已烷工藝的2倍，達到了17.26μg／g；而總酚與甾醇含量只比正已烷工藝略低。

對于脫脂粕的品質(zhì)，由表4可知：超臨界CO2萃取的脫脂粕植酸含量低，蛋白溶解度高，顏色較淺，品質(zhì)明顯優(yōu)于正已烷萃取的脫脂粕。

表3 不同工藝“雙低”菜籽油主要品質(zhì)指標

表4 不同工藝脫脂“雙低”菜粕品質(zhì)指標

3 結(jié)論

3.1 對超臨界CO2萃取“雙低”菜籽油的工藝以及油和脫脂粕的品質(zhì)進行了系統(tǒng)研究，通過單因素和正交試驗得到最優(yōu)工藝參數(shù)：萃取溫度35℃，萃取壓力30 MPa，萃取時間120 min，原料粒度80目，在此條件下超臨界CO2萃取“雙低”菜籽油的提取率可達97.15%。

3.2 經(jīng)超臨界CO2萃取得到的“雙低”菜籽油色澤較淺，酸價與過氧化值都優(yōu)于正已烷工藝，磷脂含量為0.021 mg／g，只有正已烷工藝的3.82%；維生素E含量約為正已烷工藝的2倍，達到17.26μg／g；總酚與甾醇含量比正已烷工藝略低。超臨界CO2萃取得到的“雙低”菜粕植酸含量低，蛋白溶解度高，顏色較淺，品質(zhì)明顯優(yōu)于正已烷萃取的脫脂粕。

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Oil Extrated from Double Low Rapeseed and Its Quality by Using Supercritical CO2Extraction

Wan Chuyun1Hu Shuangxi2Niu Yanxing1LiWenlin1Huang Fenghong1
（Oil Crops Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences1，Wuhan 430062）
（Hubei Key Laboratory of Oil crops Lipid Chemistry and Nutrition2，Wuhan 430062）

For high-value utilization of double-low rapeseed with excellent quality and improving additional value of double-low rapeseed oil and rapeseed meals，supercritical CO2was used to extract double-low rapeseed oil.Meanwhile the quality of oil and rapeseed meal obtained by supercritical CO2extraction was studied.The factors including extraction pressure，temperature，time，CO2quantity of flow and particle size ofmaterials effecting on oil extraction efficiency were investigated by single factor experimentswith supercritical CO2.The orthogonal experiment of four factors and three levelswas used to optimize the operation parameters.According to results of the experiments，optimal operation parameterswere extraction temperature of35℃，pressure of30 MPa，time of120 min，and particle size ofmaterials of80 mesh.In this optimal condition，the oil yield was97.15%by supercritical CO2extraction.The double low rapeseed oils obtained by supercritical CO2extraction had light color，better acid value and peroxide value compared with the oil extracted with n-hexane.The phospholipid content of oil extracted with supercritical CO2was 0.021 mg／g，which was3.82%to n-hexane process.The vitamin E contentwas17.26μg／g，which was about twice than that of n-hexane process.And total phenolic and sterol content were slightly lower than the nhexane process.The rapeseed meal of double low rapeseed obtained by supercritical CO2extraction was superior to themeal obtained by n-hexane extraction.It had low phytic acid content，high protein solubility and better color.These study results could help to utilize double low rapeseed for high-value products.

supercritical CO2extraction，double low rapeseed，oil quality，defatted meal quality

TS224

A

1003-0174（2015）07-0032-05

國家科技支撐計劃（2012BAD49G00）

2014-01-23

萬楚筠，男，1980年出生，博士，糧油加工與利用

黃鳳洪，男，1965年出生，研究員，農(nóng)產(chǎn)品加工利用