楊曉琴 黃元波 鄭云武 劉 燦 馬 煥 鄭志鋒

(云南省高校生物質(zhì)化學(xué)煉制與合成重點實驗室；云南省生物質(zhì)高效利用工程實驗室；西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

隨著全球煤炭、石油、天然氣等不可再生能源日漸緊缺，能源壓力越來越大，為了延緩不可再生能源的消耗速度和匱乏趨勢，尋找可再生資源替代不可再生能源成為了當(dāng)務(wù)之急。我國有著極為豐富的可再生能源資源，開發(fā)利用的潛力很大，油脂是其中重要的一類。油脂的結(jié)構(gòu)中有酯基、雙鍵等多種官能團(tuán)，有利于化學(xué)改性，可轉(zhuǎn)化為生物基化學(xué)品、生物基材料和生物燃料[1-6]等綠色產(chǎn)品。目前，市場上已有油脂基化學(xué)品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，如大豆油基增塑劑、大豆油基多元醇等，但由于大豆油為食用油，將其用作化工用油存在 “與人爭糧爭地” 的問題，因此尋找可替代其地位的其他油脂資源意義重大[7-9]。

水紅木 (Viburnumcylindricum) 屬忍冬科 (Capfifoliaeeae) 莢蓬屬植物，分布廣泛，且栽培觀賞效果好，葉、樹皮、花和根供藥用，樹皮和果實可提制栲膠，種子含油可用來制皂或點燈，若將其用于制備化工產(chǎn)品，可提高其附加價值[10-12]。油脂的提取方法有很多種，傳統(tǒng)提取多采用壓榨法和有機(jī)溶劑浸提法，壓榨法出油率低，油品色澤不理想，油料資源綜合利用率低；有機(jī)溶劑浸提法，提取時間較長，成本較高，溶劑易殘留[13-14]。超聲輔助提取是在提取過程中引入超聲波，利用超聲波對細(xì)胞的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，在較低的溫度下可以促進(jìn)溶劑提取過程[15-19]。本研究采用超聲波輔助進(jìn)行水紅木果的提取，不僅可提高提取效率、節(jié)省時間，降低成本，還可為水紅木果快速提取油脂提供新思路、新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

水紅木果采自云南省麗江市，除去雜質(zhì)后于空氣中干燥2～3 d，然后低溫儲存?zhèn)溆?；乙醚、石油?(30～60 ℃)、正己烷均為分析純，購自昆明盤龍華森實驗設(shè)備成套部；標(biāo)準(zhǔn)脂肪酸甲酯 (油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯、硬脂酸甲酯和棕櫚酸甲酯) 樣品購自Sigma-Aldrich公司；其他試劑均為分析純，未經(jīng)處理直接使用。

1.2 實驗方法

1.2.1超聲波輔助提取方法

采用超聲波提取器SY-360進(jìn)行超聲波輔助法提取水紅木果中的油脂，具體操作為：準(zhǔn)確稱量5.0 g經(jīng)干燥的水紅木果粉末置于150 mL三口燒瓶中，加入適量溶劑，裝好冷凝管和溫度計后置于超聲波提取器中，分別設(shè)定超聲功率、超聲溫度和超聲時間，待提取結(jié)束后，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，于 (103 ± 2)℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，按計算提取率。

(1)

式中：Y為水紅木果油提取率(%)；W1為水紅木果油與三口燒瓶的質(zhì)量 (g)；W2為三口燒瓶的質(zhì)量 (g)；W為干燥的水紅木果粉末質(zhì)量 (g)。

1.2.2提取工藝優(yōu)化

首先進(jìn)行單因素實驗，分別探討超聲功率、超聲溫度和超聲時間對油脂提取率的影響。然后采用正交實驗 L9(33)，以水紅木果油提取率為評價指標(biāo)，考察超聲功率 (90、100、110 W)、超聲溫度 (45、50、55 ℃) 和超聲時間 (50、60、70 min) 進(jìn)一步優(yōu)化超聲波輔助提取水紅木果油的提取工藝。

1.3 測定方法

1.3.1水紅木果的理化性質(zhì)測定

1) 百粒質(zhì)量測定：隨機(jī)選擇100顆水紅木果進(jìn)行稱量 (精確到0.01 g)，重復(fù)稱量3次，結(jié)果取平均值。

2) 水分及揮發(fā)物含量的測定依據(jù)GB/T 14489.1—2008 《油料 水分及揮發(fā)物含量測定》 進(jìn)行；粗脂肪酸的測定依據(jù)GB/T 5512—2008 《糧油檢驗 糧食中粗脂肪含量測定》 進(jìn)行。

1.3.2水紅木果油的理化性質(zhì)測定

首先對脂肪酸進(jìn)行甲酯化[20]，然后采用安捷倫7890A氣相色譜儀 (GC) 對脂肪酸甲酯進(jìn)行測定，確定水紅木果油中脂肪酸的組成，色譜柱采用DB-Wax彈性石英毛細(xì)管柱 (30 m × 0.32 mm × 0.25 μm)，進(jìn)樣量1 μL，進(jìn)樣口溫度和檢測器溫度250 ℃，分流比1∶10，兩段式程序升溫。初始柱溫200 ℃，第一段升溫以20 ℃/min速率升到236 ℃，并在此溫度下保持0.5 min，第二段以1 ℃/min的速率升到238 ℃，并在此溫度下保持3 min；紅外光譜分析 (FT-IR) 由Nicolet iS10型傅立葉變換紅外光譜儀 (美國Thermo Fisher Scientific公司) 進(jìn)行，采用液體涂膜法，波數(shù)從400～4 000 cm-1，掃描32次。

水紅木果油的相對密度依據(jù)GB/T 5526—1985 《植物油脂檢驗 比重測定法》 進(jìn)行，折光率依據(jù)GB 5527—2010 《植物油脂 折光指數(shù)的測定》 進(jìn)行，過氧化值依據(jù)GB/T 5538—2005 《動植物油脂 過氧化值測定》 進(jìn)行，酸值依據(jù)GB/T 5530—2005 《動植物油脂 酸值和酸度測定》 進(jìn)行，皂化值依據(jù)GB/T 5534—2008 《動植物油脂 皂化值的測定》 進(jìn)行，碘值依據(jù)GB/T 5532—2008 《動植物油脂 碘值的測定》 進(jìn)行，平均相對分子質(zhì)量和理論雙鍵含量依據(jù)文獻(xiàn) [20] 計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 水紅木果的基本性質(zhì)

水紅木果的百粒質(zhì)量為2.804 1 g，含水率4.65%，粗脂肪酸量為26.82%，高于現(xiàn)在常用的大豆，是一種含油脂較為豐富的木本油料植物，可作為生產(chǎn)油脂的原料樹種之一。

2.2 超聲輔助提取水紅木果油的單因素實驗

以超聲輔助法提取水紅木果中的油脂，分別探討了不同的超聲功率、超聲溫度和超聲時間對油脂提取率的影響。

2.2.1超聲功率的影響

分別采用無水乙醇和正己烷作溶劑，在超聲溫度為50 ℃的條件下超聲提取60 min，考察了超聲功率為40、60、80、100、120 W時對提取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1不同超聲功率下水紅木果提取率
Fig.1 Extraction rate ofV.cylindricumunder different ultrasonic power

由圖1可知，油脂的提取率隨著超聲功率的提高呈上升趨勢，當(dāng)功率達(dá)到100 W和120 W時，正己烷提取油脂得率分別為25.84%和26.02%，與水紅木果的粗脂肪酸含量26.82%很接近，但由于功率120 W時油脂提取率與100 W時相差不大，但能耗卻高出許多，綜合各個因素，選擇100 W作為較佳超聲功率。另一方面，相同超聲功率條件下，采用無水乙醇作溶劑時油脂的得率較正己烷提取的高，主要是由于在用無水乙醇作溶劑時，除了油脂還有一部分色素也被提取出來，致使無水乙醇提取提到的產(chǎn)物得率高于水紅木果粗脂肪酸含量。根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)報道，色素也是水紅木果中比較有價值的化合物，故在余下的實驗過程中繼續(xù)探討了無水乙醇作溶劑時提取條件對產(chǎn)物得率的影響。

2.2.2超聲溫度的影響

分別采用無水乙醇和正己烷作溶劑，在超聲功率100 W的條件下超聲提取60 min，考察了超聲溫度為30、35、40、45、50、55、60、70 ℃時對提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2不同超聲溫度下水紅木果提取率
Fig.2 Extraction rate ofV.cylindricumunder different ultrasonic temperature

由圖2可知，提高溫度有利于使更多的成分被提取出來，當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時產(chǎn)物得率最高，繼續(xù)升高溫度，提取率甚至有下降的趨勢。一方面可能由于一些成分發(fā)生了聚合反應(yīng)而在過濾過程中被除去，另一方面可能由于在過濾過程中沒有將濾渣洗滌干凈，使一部分提取物仍殘留于濾渣中，導(dǎo)致提取得率有下降趨勢，故選擇超聲溫度為50 ℃作為較佳提取溫度。

2.2.3超聲時間的影響

分別采用無水乙醇和正己烷作溶劑，在超聲功率100 W，超聲溫度為50 ℃的條件下超聲提取一定時間，考察了超聲時間為10、20、30、40、50、60、70 min時對提取得率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3不同超聲時間下水紅木果提取率
Fig.3 Extraction rate ofV.cylindricumunder different ultrasonic time

由圖3可知，提高時間對油脂提取率影響較大。當(dāng)提取時間較短時，無法將油脂完全提取出來，而時間過長則消耗能量。超聲時間小于30 min時，提取率隨著超聲時間的延長而大幅度增加，隨后繼續(xù)延長超聲時間，油脂提取率有所增加，但增加幅度較小，超聲60 min后，油脂得率不再隨時間延長而繼續(xù)增加，反而呈現(xiàn)下降趨勢，主要可能是由于對殘渣沒有完全清洗導(dǎo)致產(chǎn)物殘留而導(dǎo)致的，故選擇超聲時間為60 min較為適宜。

2.3 超聲輔助提取水紅木果油的正交優(yōu)化實驗

為進(jìn)一步優(yōu)化超聲輔助提取水紅木果油的提取條件，揭示不同提取條件對油脂得率影響的變化趨勢，基于單因素實驗，進(jìn)行正交實驗，結(jié)果見表1～2。

表1 正交實驗設(shè)計與結(jié)果分析Table 1 Results and analysis of orthogonal test

表2 正交試驗方差分析Table 2 Variance analysis of orthogonal test

由表1～2可知，不同因素對提取得率的影響不同，其中超聲溫度的影響最大，超聲功率的影響最小，主次順序為A > C > B，即超聲溫度 > 超聲功率 > 超聲時間。綜合比較得到較佳的超聲輔助提取水紅木果油提取工藝為A2B3C3，即超聲溫度50 ℃、超聲時間70 min、超聲功率110 W時所得的水紅木果油脂得率較高。方差分析表明，雖然3個因素均對提取得率有影響，但影響均不顯著。

為驗證提取條件的穩(wěn)定性與可重復(fù)性，按正交優(yōu)化得到的提取條件進(jìn)行重復(fù)實驗，其結(jié)果見表3。結(jié)果表明，該提取實驗結(jié)果再現(xiàn)性及重復(fù)性較好。

表3 重復(fù)實驗結(jié)果Table 3 Reproducibility results

2.4 水紅木果油的基本理化性質(zhì)分析

超聲波輔助下分別采用正己烷和無水乙醇對水紅木果進(jìn)行提取后所得產(chǎn)物差異較大，正己烷提取物呈淡黃色液體，無水乙醇提取物為紫紅色液體。經(jīng)除溶劑后，正己烷提取物為淡黃色油狀液體，而無水乙醇提取物中除有少量淡黃色油狀液體外還有大部分為紅色固體物質(zhì)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報道，無水乙醇提出的紫紅色固體物質(zhì)應(yīng)為水紅木果中的色素成分[21]。對正己烷提取的水紅木果油進(jìn)行了基本理化性質(zhì)分析，并與大豆油進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4。

由表4知，水紅木果油的基本理化蛋白質(zhì)與大豆油[22]接近，碘值稍低，為98 g/100 g，與相關(guān)文獻(xiàn)報道相似，為不干性油脂。經(jīng)計算可知，水紅木果油雙鍵含量約為3.27C=C/100 g。水紅木果油中的不飽和雙鍵可發(fā)生加成、氧化、還原、聚合、異松化與共軛化等反應(yīng)，可作為合成生物基產(chǎn)品的原料。

2.5 水紅木果油的脂肪酸分析

水紅木果油的脂肪酸組成見表5。

表4 水紅木果油的基本理化參數(shù)Table 4 Basic physical and chemical parameters of V.cylindricum oil

表5 水紅木果油的脂肪酸組成Table 5 Fatty acid composition of V.cylindricum oil

由表5可知，水紅木果油主要由棕櫚酸 (C16∶0)、硬脂酸 (C18∶0)、油酸 (C18∶1)、亞油酸 (C18∶2)、亞麻酸 (C18∶3) 等5種脂肪酸組成，其中油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸占70.23%。不飽和脂肪酸中含有大量的雙鍵，可通過加氫、環(huán)氧化等化學(xué)修飾而得到生物基的化學(xué)中間體和化學(xué)品，水紅木果中含有較多的不飽和脂肪酸，有利于進(jìn)行化學(xué)修飾，可作為極佳的化工原料。

2.6 水紅木果油的FTIR分析

利用紅外可以定性的鑒別出物質(zhì)中的特征官能團(tuán)的存在。水紅木果油的FTIR分析結(jié)果見圖4。

圖4中，3 477 cm-1處的吸收峰為-OH的伸縮振動吸收，主要是由于油脂中存在不飽和脂肪酸；3 008 cm-1的吸收峰為不飽和雙鍵的C-H的伸縮振動，1 648 cm-1的吸收峰為C=C的伸縮振動，表明水紅木果油中有不飽和C=C存在；2 940 cm-1和2 870 cm-1為飽和C-H的伸縮振動，在1 453 cm-1CH2的變形振動和CH3的反應(yīng)對稱變形振動，1 377 cm-1為-CH3的對稱變形振動，716 cm-1為 (CH2)n的面內(nèi)搖擺振動，表明在水紅木果油中有較多的CH2基團(tuán)；在1 739 cm-1是羰基的伸縮振動，1 239、1 161、1 106 cm-1是C-O鍵的伸縮振動，表明水紅木果油中酯基的存在。

圖4水木紅果油的FTIR圖譜
Fig.4 FTIR spectrum ofV.cylindricumoil

3 結(jié) 論

1) 對水紅木果的基本分析可知，水紅木果的百粒重為2.804 1 g，油脂含量較高，可達(dá)26.8%，是一種富含油脂的資源。

2) 采用超聲輔助法提取水紅木果中的油脂，分別探討了不同的超聲功率、超聲頻率、溶劑、超聲溫度和超聲時間對產(chǎn)物得率的影響，結(jié)果表明，分別采用無水乙醇和正己烷作溶劑，料液比為1∶10，在超聲功率為100 W，超聲頻率為60 Hz，超聲溫度為50 ℃的條件下超聲提取60 min，產(chǎn)物的提取得率最高，正己烷提取物得率為23.14%，無水乙醇提取物得率為33.76%。

3) 對水紅木果提取產(chǎn)物進(jìn)行分析表明，正己烷提取物為淡黃色油狀液體，主要由5種脂肪酸組成，其中不飽和脂肪酸占70.23%，表明水紅木果中含有較多的不飽和脂肪酸，有利于進(jìn)行化學(xué)修飾，可作為極佳的化工原料。

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