趙 洋

豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司 (上海 200137)

γ-環(huán)糊精脫除玉米油中玉米赤霉烯酮的研究與工藝優(yōu)化

趙 洋

豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司 (上海 200137)

以含有玉米赤霉烯酮的毛玉米油為原料，研究了γ-環(huán)糊精在不同條件下對(duì)玉米油中玉米赤霉烯酮脫除率的影響。結(jié)果表明，將一定油重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的γ-環(huán)糊精加入到常規(guī)堿煉的堿液中，發(fā)現(xiàn)其γ-環(huán)糊精的堿性溶液，對(duì)ZEN的脫除率效果明顯優(yōu)于同等條件下其它物質(zhì)和空白常規(guī)堿煉的脫除率。最優(yōu)工藝條件為：γ-環(huán)糊精添加量為5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，時(shí)間為45 min，堿液濃度為15%，玉米赤霉烯酮脫除率可達(dá)96.02%。

玉米油；環(huán)糊精；玉米赤霉烯酮；脫除率

玉米赤霉烯酮(Zearalenone (ZEN))，又稱(chēng)F-2毒素，是由田間霉菌鐮刀菌產(chǎn)生的一種雌激素類(lèi)真菌毒素，它首先是從有赤霉病的玉米中分離得到[1-2]。玉米赤霉烯酮能造成動(dòng)物急慢性中毒，影響動(dòng)物生長(zhǎng)性能及造成生殖疾病等影響。它廣泛分布于小麥等糧食、畜禽飼料和土壤，是世界范圍內(nèi)糧食飼料的污染物之一，真菌毒素污染是植物油存在的重要食品安全隱患，已成為植物油安全的主要問(wèn)題之一。所以，如何有效降低或者消除玉米赤霉烯酮毒素的危害非常具有現(xiàn)實(shí)意義。

ZEN是一種酚的二羥基苯酸的大環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，類(lèi)似玉米赤霉烯醇結(jié)構(gòu),是一種白色結(jié)晶化合物，分子式為C18H22O5，相對(duì)分子量為318，熔點(diǎn)164 ℃～165 ℃，對(duì)熱穩(wěn)定(120 ℃加熱4 h未分解)。ZEN溶于堿性水溶液，在苯、乙腈、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丙酮中的溶解度依次增加。水中溶解度為0.002 g/100 mL，在正己烷中有微弱的溶解性[3-4]。

ZEN的脫除方法大致可分為化學(xué)方法、物理方法和生物學(xué)方法[5-6]。目前工業(yè)化控制油脂中ZEN的方法主要局限于改變傳統(tǒng)工藝的參數(shù)，如大幅增加堿煉時(shí)堿的用量，添加活性炭吸附或者提高脫臭溫度等，這些方法都多少帶來(lái)了負(fù)面的影響，如損耗、能耗的大幅增高和反式脂肪酸的增加等。通過(guò)一些研究資料，發(fā)現(xiàn)一些環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)和一些大分子多糖物質(zhì)可能對(duì)ZEN會(huì)產(chǎn)生特定的包埋和吸附作用[7-8]，針對(duì)此我們進(jìn)行單一因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)γ-環(huán)糊精對(duì)ZEN有特異的包埋作用，且環(huán)糊精是食品中常用的加工助劑，具有無(wú)毒，可食用、不易吸潮、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[9]。所以本研究重點(diǎn)篩選了部分ZEN脫除劑以及考察了不同條件下γ-環(huán)糊精在堿煉中對(duì)ZEN脫除率的影響，并優(yōu)化了工藝，對(duì)玉米油中的ZEN脫除提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

毛玉米油，來(lái)自生產(chǎn)工廠(chǎng)；葡聚糖，阿拉丁生產(chǎn)；羧甲基纖維素Ⅱ，阿拉丁生產(chǎn)；β-環(huán)糊精，國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)；γ-環(huán)糊精，阿達(dá)瑪斯生產(chǎn)；氫氧化鈉，國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

磁力攪拌加熱臺(tái)，IKEA C-MAG HS7型；管式離心機(jī)，X3型，賽默飛世爾生產(chǎn)；旋片真空泵，XZ-1B型，溫嶺市真空泵廠(chǎng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

因?yàn)楸狙芯恐攸c(diǎn)是在堿煉工段，為避免毛玉米油中的膠體雜質(zhì)也被γ-環(huán)糊精所包埋，從而影響ZEN的去除效果，所以對(duì)毛玉米油先進(jìn)行水化脫膠處理，脫膠后玉米油測(cè)定其ZEN為8 002.73 μg/kg，酸值為5.71 mg/g。

1.3.2 ZEN含量的測(cè)定

參照《進(jìn)出口大豆、油菜籽和食用植物油中玉米赤霉烯酮的檢驗(yàn)方法》SN/T 1745—2006，采用免疫親和層析凈化高效液相色譜法測(cè)定，外標(biāo)法定量(儀器型號(hào)：Agilent1260系列，配備熒光檢測(cè)器)。

1.3.3 主要指標(biāo)的計(jì)算

ZEN脫除率(%)=

1.3.4 ZEN脫除劑的篩選實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)取一定量的備選脫除劑等加入到常規(guī)堿煉(超量堿0.1%)的堿液中或空白實(shí)驗(yàn)的純水中，攪拌加熱至完全溶解，得到完全澄清的溶液。然后將不同配比的上述溶液加入到一定溫度下的脫膠玉米油中，恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)一定時(shí)間，以8 000 r/min的速度離心10 min，得到兩層，上層為中和玉米油，下層為混合物層。取上層中和玉米油進(jìn)行水洗工藝：將中和玉米油加熱至85 ℃，然后加入10%油重微沸的純水，恒溫?cái)嚢?5 min，然后以8 000 r/min速度離心10 min，取上層水洗中和玉米油，在105 ℃的真空條件下脫水，得到脫除ZEN后的堿煉玉米油。

1.3.5 γ-環(huán)糊精的單因素和正交實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)取一定量的γ-環(huán)糊精添加至配好待用的堿液中，攪拌加熱至γ-環(huán)糊精完全溶于堿液中，得到完全澄清透明的γ-環(huán)糊精堿水溶液。然后將不同配比上述溶液加入到一定溫度下的脫膠玉米油中，恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)一定時(shí)間，以8 000 r/min的速度離心10 min，得到兩層，上層為中和玉米油，下層為γ-環(huán)糊精-ZEN包合物-皂角混合物層。取上層中和玉米油進(jìn)行水洗工藝：將中和玉米油加熱至85 ℃，然后加入10%油重微沸的純水，恒溫?cái)嚢?5 min，然后以8 000 r/min的速度離心10 min，取上層的水洗中和玉米油，在105 ℃的真空條件下脫水，得到脫除ZEN后的堿煉玉米油。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZEN脫除劑篩選實(shí)驗(yàn)

2.1.1 γ-環(huán)糊精、β環(huán)糊精、羧甲基纖維素、葡聚糖對(duì)ZEN脫除率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.4所述，脫除劑選取γ-環(huán)糊精、β環(huán)糊精、羧甲基纖維素、葡聚糖，添加量為油重的2%，溫度為80 ℃，時(shí)間為40 min，堿液濃度為15%，超量堿為0.1%?？疾炱湓诔Ｒ?guī)堿煉體系下的ZEN脫除的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 γ-環(huán)糊精添加量對(duì)ZEN脫除率的影響

由圖1可以看出，將不同備選脫除劑添加到堿煉工段的堿液中，其中γ-環(huán)糊精對(duì)去ZEN的脫除效果明顯優(yōu)于其他脫除劑，體現(xiàn)出了γ-環(huán)糊精的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)對(duì)ZEN有特殊的包埋作用。

2.1.2 γ-環(huán)糊精在堿性、純水溶液體系下和純堿溶液對(duì)ZEN脫除率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.4所述，脫除劑選取γ-環(huán)糊精，添加量為油重的2%，溫度為80 ℃，時(shí)間為40 min，堿液濃度為15%，超量堿為0.1%?？疾歃?環(huán)糊精在不同體系下對(duì)ZEN脫除的效果以及和單獨(dú)堿煉的效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 γ-環(huán)糊精添加量對(duì)ZEN脫除率的影響

圖2體現(xiàn)出了γ-環(huán)糊精無(wú)論是在堿性溶液還是純水溶液中，對(duì)ZEN的脫除都有明顯的效果，通過(guò)本數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了γ-環(huán)糊精對(duì)ZEN有著特異包埋性，且優(yōu)于傳統(tǒng)的堿煉工藝。

2.2 γ-環(huán)糊精的單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 γ-環(huán)糊精添加量對(duì)ZEN脫除率的影響

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照一定的油重比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，時(shí)間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測(cè)ZEN含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 γ-環(huán)糊精添加量對(duì)ZEN脫除率的影響

由圖3可以看出，γ-環(huán)糊精添加量的與ZEN的脫除率基本呈正相關(guān)關(guān)系。在添加量為2%～5%時(shí)，ZEN的脫除效果比較明顯。隨著γ-環(huán)糊精的添加量繼續(xù)增加，去除率的增幅逐漸減弱，主要原因是γ-環(huán)糊精量大時(shí)，溶液體系的黏度增高從而導(dǎo)致堿液本身對(duì)ZEN脫除的效果減弱，并與γ-環(huán)糊精對(duì)ZEN的吸附量達(dá)到一個(gè)平衡，使之整體去除效果趨于平緩甚至減弱?？紤]到成本以及油脂回收率的影響，以及堿煉玉米油還需經(jīng)過(guò)后續(xù)的脫蠟、脫色和脫臭工段，會(huì)進(jìn)一步降低ZEN的含量，所以本工段不需追求最大化的ZEN脫除率。綜合后續(xù)精煉工段ZEN的脫除能力，在此選擇γ-環(huán)糊精的添加量為2%～5%即可滿(mǎn)足不同的需求。

2.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)ZEN去除率的影響

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，在一定的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，時(shí)間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測(cè)ZEN含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)ZEN脫除率的影響

由圖4可以看出，反應(yīng)溫度對(duì)γ-環(huán)糊精在該工藝中去除ZEN的影響較大，脫除率隨著溫度的降低而增加，當(dāng)反應(yīng)溫度<60 ℃時(shí)，去除ZEN的效果顯著上升，在30 ℃的時(shí)候基本達(dá)到頂峰。主要原因是溫度高的條件下，γ-環(huán)糊精容易變性失去效果，其次低溫堿煉也更有助于ZEN的去除，所以反應(yīng)溫度在30 ℃～60 ℃效果較佳。因γ-環(huán)糊精協(xié)同堿煉去除ZEN的效果比單純堿煉效果要好很多，如用于生產(chǎn)中，溫度可根據(jù)實(shí)際的控制水平?jīng)Q定。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)ZEN去除率的影響

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，濃度15%的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，恒溫?cái)嚢枰欢螘r(shí)間，得到堿煉玉米油并檢測(cè)ZEN含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由于γ-環(huán)糊精脫除ZEN是融合到了堿煉工段中，所以選取的時(shí)間也是常規(guī)堿煉常考察的時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)圖5數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，ZEN的去除率也在升高，但在40 min之后趨于平緩，時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)則會(huì)有微小幅度下降的現(xiàn)象，原因應(yīng)該是在40 min時(shí)已達(dá)到了吸附平衡，所以綜合考慮，反應(yīng)時(shí)間在30～50 min為宜。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)ZEN脫除率的影響

2.2.4 堿液濃度對(duì)ZEN去除率的影響

實(shí)驗(yàn)方法按上1.3.5所述，將γ-環(huán)糊精按照2%油重的比例添加至超量堿0.1%，不同濃度的堿液中，反應(yīng)溫度為80 ℃，時(shí)間為40 min，得到堿煉玉米油并檢測(cè)ZEN含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6數(shù)據(jù)可以看出，在液堿濃度為10%～30%的時(shí)候，該體系下γ-環(huán)糊精脫除ZEN的能力最強(qiáng)，同時(shí)考慮到脫酸的效果以及油脂回收率，堿液的濃度不易過(guò)高和過(guò)低，綜合考慮該體系的堿液濃度在10%～30%為宜。

圖6 堿液濃度對(duì)ZEN脫除率的影響

2.3 γ-環(huán)糊精的正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果

依據(jù)以上單因素的范圍和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以γ-環(huán)糊精添加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、堿液濃度進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2的正交試驗(yàn)結(jié)果，各因素影響ZEN脫除率的程度為A>B>D>C，即γ-環(huán)糊精添加量>反應(yīng)溫度>堿液濃度>反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)方案為：A3B1C3D2，即γ-環(huán)糊精添加量5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間為45 min，堿液濃度為15%。在此最佳條件下，玉米油中ZEN的最終含量為318.50 μg/kg，去除率為96.02%。

3 結(jié)論

本研究以毛玉米油為原料，研究了將脫除劑融合到堿煉工段中一步脫除ZEN，通過(guò)對(duì)脫除劑的篩選并將最佳脫除劑采取正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)此工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得出本工段最優(yōu)的脫除工藝為γ-環(huán)糊精添加量5%，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間為45 min，堿液濃度為15%。在此最佳條件下，玉米油中ZEN的最終含量為318.50μg/kg，去除率為96.02%，能夠滿(mǎn)足歐盟400μg/kg的限量標(biāo)準(zhǔn)。該方法具有高效、易操作等特性，使得以最小的參數(shù)改變最大化的去除玉米油中ZEN的含量，同時(shí)不影響玉米油酸價(jià)的降低，對(duì)符合高標(biāo)準(zhǔn)的低含量ZEN玉米油制備有較大的參考價(jià)值。關(guān)于γ-環(huán)糊精對(duì)ZEN特有的包埋效果，是否有其他成本更低的物質(zhì)替代還有待繼續(xù)研究。

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Research and optimization for removing zearalenone from maize oil by γ-cyclodextrin

Zhao Yang

Wilmar (Shanghai) Biotechnology Research & Development Center Co., Ltd. (Shanghai 200137)

The crude maize oil was taken as the material which contains zearalenone (ZEN). The influences of different factors on removal rate of ZEN from crude maize oil were studied. The results show that a certain amount of γ-cyclodextrin within lye has a remarkable effect on the removal rate of ZEN which is much better than the other materials and normal neutralization with nothing. The optimized removal conditions are obtained as follows: 5% γ-cyclodextrin of oil weight, lye concentration is 15%, mixing at 35 ℃ for 45 min. Under these conditions, the removal rate of ZEN is 96.02%.

maize oil; cyclodextrin; zearalenone (ZEN); removal rate

2017-02-21

趙 洋，男，1985年出生，助理工程師，主要從事油脂加工工藝的開(kāi)發(fā)與研究。

TS221

A

1672-5026(2017)03-001-04