連四超，劉玉蘭，陳 璐，祁 鯤，朱新亮，馬宇翔

(1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001； 2.河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司，河南 安陽(yáng) 455000)

我國(guó)作為世界第一大食用植物油消費(fèi)國(guó)，食用植物油自給率缺口很大，大力發(fā)展木本油料和小宗油料制油對(duì)提高我國(guó)食用植物油自給率具有重要意義[1]。油莎豆含油(20%～30%)與大豆(18%～22%)相當(dāng)甚至更高，其干豆畝產(chǎn)500～1 000 kg，畝產(chǎn)油脂量約為大豆的4倍，且油莎豆對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求較低，我國(guó)適宜種植油莎豆的非可耕地接近0.07億hm2(1億畝)[2]，因此在不與主糧爭(zhēng)地的情況下，發(fā)展油莎豆產(chǎn)業(yè)和油莎豆制油技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)食用植物油產(chǎn)量具有重要意義。2016年原農(nóng)業(yè)部《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃(2016—2020)》中將油莎豆作為我國(guó)大力推廣的新型油料作物之一。

近年關(guān)于油莎豆制油的研究多有報(bào)道，姚占斌等[3]對(duì)單螺桿榨油機(jī)制取油莎豆油進(jìn)行了試驗(yàn)研究，連四超等[4]對(duì)油莎豆榨油條件和工藝效果進(jìn)行了研究，此外利用水酶凍融技術(shù)[5]、超聲波輔助溶劑提取技術(shù)[6]、超臨界二氧化碳萃取技術(shù)[7]等提取油莎豆油也有研究報(bào)道。但上述制油技術(shù)中，壓榨法存在餅殘油率高、出油率較低的問題，其他方法則存在設(shè)備成本高、難以規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的問題。因此，繼續(xù)尋求和研究開發(fā)更適合于油莎豆制油的工藝技術(shù)對(duì)加快油莎豆制油規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)進(jìn)程很有必要。

亞臨界丁烷萃取技術(shù)是近些年逐漸發(fā)展成熟的一種油脂制取技術(shù)，其基本原理是利用相似相溶原理，以亞臨界狀態(tài)的丁烷為萃取介質(zhì)，利用其擴(kuò)散性能強(qiáng)、傳質(zhì)速度快、溶解能力高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物油料中油脂的快速萃取和組分分離[8]。近年來亞臨界萃取因較靈活的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模、較容易更換油料品種、能夠?qū)崿F(xiàn)低溫萃取等優(yōu)勢(shì)已較為廣泛地應(yīng)用于小品種油料的油脂制取和加工[9]，如芝麻油[10]、油茶籽油[11]、牡丹籽油[12]、麻瘋樹籽油[13]的制取和加工，但亞臨界萃取油莎豆油的研究卻鮮有報(bào)道。本文以亞臨界丁烷萃取技術(shù)對(duì)油莎豆中的油脂進(jìn)行提取，采用單因素試驗(yàn)結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件，并對(duì)所提取的油莎豆油品質(zhì)進(jìn)行分析，以期為油莎豆制油工藝技術(shù)的發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

油莎豆，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，為海南種植基地當(dāng)年(2021年)產(chǎn)油莎豆。

丁烷(99.5%)，濮陽(yáng)中石油化工有限公司；α-、β-、γ-生育酚標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥95.0%)，Sigma-Aldrich公司；β-谷甾醇(純度99.5%)、豆甾醇(純度95.0%)、菜油甾醇(純度99.5%)、5α-膽甾烷醇(純度≥95.0%)，美國(guó)Sigma公司；N，O-(雙三甲基硅)三氟乙酰胺(含三甲基氯硅烷)+99%BSTFA+1%TMCS，F(xiàn)luka公司；正己烷、甲醇，色譜級(jí)，美國(guó)VBS公司；蒸餾水、氫氧化鈉、三氟化硼、氯化鈉、無水硫酸鈉、冰乙酸、異丙醇、三氯甲烷、乙醚、硫代硫酸鈉、淀粉、碘化鉀、韋氏試劑、95%乙醇、氫氧化鉀、鹽酸、酚酞、石油醚，均為分析級(jí)，鄭州綠農(nóng)化學(xué)試劑經(jīng)營(yíng)部。

1.1.2 儀器與設(shè)備

CBE-T-5L型亞臨界流體萃取裝置，河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司；FW-100型高速萬能粉碎機(jī)，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；Agilent GC-7890B 型氣相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；Waters e2695型高效液相色譜儀，美國(guó)Waters公司；MTN-2008W型氮吹濃縮儀，天津奧特賽恩斯儀器有限公司；Eppendorf Multipette E3x型電動(dòng)移液器，德國(guó)Eppendorf公司；202-2AB型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；PFXi-880/F型羅維朋測(cè)色儀，英國(guó)Tintometer公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；20、40、60、80、100目方孔集料標(biāo)準(zhǔn)篩。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油莎豆油的亞臨界丁烷萃取

油莎豆經(jīng)過篩選、除雜、清洗、晾干后，用粉碎機(jī)粉碎后過0.425 mm(40目)篩，裝入約0.048 mm(300目)布袋密封后放入萃取罐中，關(guān)閉萃取罐后，抽真空，注入一定體積的液化丁烷，采用0.5 MPa壓力(此壓力值為工廠在對(duì)小宗油料進(jìn)行亞臨界丁烷萃取生產(chǎn)時(shí)綜合考慮各因素所確定的)，在一定溫度下萃取一定時(shí)間。萃取完成后，打開閥門將混合油從萃取罐壓送至分離罐(萃取罐和分離罐均設(shè)置熱水循環(huán)加熱功能并可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié))，分離罐中的混合油經(jīng)減壓汽化脫溶后放出得油莎豆油；萃取罐中的油莎豆?jié)衿山?jīng)減壓汽化脫溶后，從萃取罐中取出得油莎豆粕；分離罐和萃取罐中的汽化丁烷經(jīng)壓縮機(jī)和冷凝器被液化，流回溶劑罐，循環(huán)使用。

1.2.2 油莎豆油和油莎豆粕的指標(biāo)測(cè)定

油莎豆油酸值測(cè)定參照GB 5009.229—2016,過氧化值測(cè)定參照GB 5009.227—2016,皂化值測(cè)定參照GB/T 5534—2008,碘值測(cè)定參照GB/T 5532—2008,色澤測(cè)定參照GB/T 22460—2008,脂肪酸組成測(cè)定參照GB 5009.168—2016中的三氟化硼法,甾醇組分含量測(cè)定參照GB/T 25223—2010及魏佳麗等[14]的方法,VE組分含量測(cè)定參照GB/T 26635—2011和溫運(yùn)啟等[15]的方法。

油莎豆粕殘油測(cè)定參照GB 5009.6—2016。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)做3次平行，結(jié)果取平均值，利用Design-Expert V8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方差分析，試驗(yàn)結(jié)果用GraphPad Prism 8繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取溫度對(duì)萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取時(shí)間40 min，液固比10∶1，萃取次數(shù)1次，萃取溫度分別為25、35、45、55、65℃條件下對(duì)油莎豆油進(jìn)行萃取，考察萃取溫度對(duì)油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取溫度對(duì)萃取效果的影響

由圖1可知：隨著萃取溫度的升高，油莎豆粕殘油率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)；萃取溫度45℃時(shí)殘油率降低至3.53%，達(dá)到最低值。這是因?yàn)殡S著萃取溫度升高，溶劑分子和油脂分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，加快了組分的擴(kuò)散速率[16]；但萃取溫度繼續(xù)升高會(huì)使處于亞臨界狀態(tài)的丁烷的密度下降，此時(shí)油脂在丁烷中的溶解度降低，不利于油脂的萃取[17]；同時(shí)萃取溫度過高還會(huì)造成油莎豆油中熱敏性成分被分解破壞[18]?？紤]粕殘油率和產(chǎn)品質(zhì)量等因素，選擇萃取溫度45℃為宜。

2.1.2 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取溫度45℃，液固比10∶1，萃取次數(shù)1次，萃取時(shí)間分別為10、20、30、40、50 min的條件下對(duì)油莎豆油進(jìn)行萃取，考察萃取時(shí)間對(duì)油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響

由圖2可知，隨萃取時(shí)間延長(zhǎng)油莎豆粕殘油率呈降低趨勢(shì)，尤其當(dāng)萃取時(shí)間由20 min延長(zhǎng)至40 min時(shí)，降幅明顯，殘油率降低至3.52%，但再延長(zhǎng)萃取時(shí)間至50 min時(shí)，殘油率僅降低0.06百分點(diǎn)，降幅很小。這與楊倩等[19]報(bào)道的亞臨界萃取牡丹籽油的規(guī)律基本一致?？紤]萃取時(shí)間對(duì)生產(chǎn)效率的影響，選擇萃取時(shí)間40 min為宜。

2.1.3 液固比對(duì)萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取溫度45℃，萃取時(shí)間40 min，萃取次數(shù)1次，液固比分別為6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1的條件下對(duì)油莎豆油進(jìn)行萃取，考察液固比對(duì)油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 液固比對(duì)萃取效果的影響

由圖3可知，液固比從6∶1增加至10∶1時(shí)，萃取速率明顯提高，油莎豆粕殘油率從8.60%降低至3.53%，降低了5.07百分點(diǎn)。這是因?yàn)橐汗瘫鹊脑黾邮刮锪吓c溶劑充分接觸，可以提高油脂向溶劑擴(kuò)散的速率[20]。但是隨著液固比的繼續(xù)增加，油莎豆粕殘油率略有升高，這是因?yàn)閭髻|(zhì)動(dòng)力并不會(huì)隨著液固比的過度增加而持續(xù)增大，而是達(dá)到一定值后微小浮動(dòng)[21]。同時(shí)過量的溶劑用量會(huì)降低混合油濃度，加大混合油脫溶的能耗。因此，選擇液固比10∶1為宜。

2.1.4 物料粒度對(duì)萃取效果的影響

在萃取時(shí)間40 min、萃取溫度45℃、萃取次數(shù)1次、液固比10∶1的條件下，將油莎豆分別粉碎至20、40、60、80、100目進(jìn)行油脂萃取，考察物料粒度對(duì)油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 物料粒度對(duì)萃取效果的影響

由圖4可知，油莎豆粉碎至40目時(shí)，油莎豆粕殘油率為3.53%，比20目時(shí)的油莎豆粕殘油率(5.02%)降低了1.49百分點(diǎn)。這是因?yàn)閷?duì)油莎豆進(jìn)行適當(dāng)破碎，可以使其與溶劑充分接觸，有利于油脂向溶劑中擴(kuò)散[22]。但粒度大于40目后，油莎豆粕殘油率反而有所升高，這可能是因?yàn)樘?xì)的粒度容易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在萃取時(shí)增大了溶劑-溶質(zhì)間的擴(kuò)散阻力[23]，也可能是太細(xì)的粒度容易粘在萃取罐內(nèi)壁，對(duì)萃取效果造成不良影響；同時(shí)粒度太細(xì)還會(huì)加大后期混合油與粕沫的分離難度，致使混合油中粕沫含量增加。綜合考慮對(duì)油莎豆粉碎的動(dòng)力消耗和萃取效果，選擇物料粒度40目為宜。

2.1.5 萃取次數(shù)對(duì)萃取效果的影響

油莎豆粉碎過40目篩，在萃取時(shí)間40 min，萃取溫度45℃，液固比10∶1，萃取次數(shù)分別為1、2、3、4次條件下對(duì)油莎豆油進(jìn)行萃取，考察萃取次數(shù)對(duì)油莎豆粕殘油率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 萃取次數(shù)對(duì)萃取效果的影響

由圖5可知，隨萃取次數(shù)增加，油莎豆粕殘油率持續(xù)降低，與萃取1次3.53%的殘油率相比，萃取2、3、4次的殘油率分別降低了1.33、2.20、2.41百分點(diǎn)。比較萃取次數(shù)對(duì)殘油率降幅的影響，萃取3次以后，殘油率已趨于平穩(wěn)，降幅很小，且萃取次數(shù)越多，后續(xù)對(duì)濕粕脫溶能耗的不利影響越大。結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中亞臨界萃取對(duì)其他小品種油料的萃取，選擇萃取次數(shù)3次為宜。

2.2 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在油莎豆粒度40目、萃取1次(可達(dá)到較低殘油且可縮短試驗(yàn)周期等)的條件下，以萃取溫度(A)、萃取時(shí)間(B)、液固比(C)作為自變量，油莎豆粕殘油率(R)為響應(yīng)值設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平如表1所示，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到的回歸方程為R=4.74+0.18A-0.86B-0.30C-1.11AB-0.89AC+0.46BC+2.23A2+0.14B2-1.23C2。進(jìn)一步對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析

圖6、圖7、圖8分別為通過Design-Expert V8.0.6軟件，在方差分析的基礎(chǔ)上，萃取溫度、萃取時(shí)間、液固比3個(gè)因素交互作用的三維曲面圖。

圖6 萃取時(shí)間和萃取溫度交互作用對(duì)油莎豆粕殘油率的影響

圖7 萃取溫度和液固比交互作用對(duì)油莎豆粕殘油率的影響

圖8 萃取時(shí)間和液固比交互作用對(duì)油莎豆粕殘油率的影響

從圖6、圖7、圖8可知：3個(gè)因素交互作用的響應(yīng)曲面中均有最低點(diǎn)，說明響應(yīng)值存在最小值；且響應(yīng)面較陡峭，說明萃取溫度、萃取時(shí)間、液固比三者的交互作用對(duì)萃取效果有顯著影響[24]，這與方差分析結(jié)果相同。

對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)數(shù)，當(dāng)響應(yīng)值最小時(shí)，得到亞臨界丁烷萃取油莎豆油最佳條件：萃取溫度45.92℃，萃取時(shí)間48.62 min，液固比8.06∶1。為了便于實(shí)際操作，將最佳條件調(diào)整為萃取溫度45℃、萃取時(shí)間50 min、液固比8∶1，在此條件下油莎豆粕殘油率的預(yù)測(cè)值為2.88%。在最佳萃取條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，油莎豆粕殘油率分別為2.94%、2.91%、2.87%，平均值為2.91%，與預(yù)測(cè)值相近，說明響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界丁烷萃取油莎豆油工藝可行，具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的綜合品質(zhì)

亞臨界丁烷萃取油莎豆油的理化指標(biāo)和脂肪酸組成分別見表4和表5，甾醇和VE組分含量見表6。

表4 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的理化指標(biāo)

由表4可知，亞臨界丁烷萃取油莎豆油的酸值和過氧化值較低，其質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到LS/T 3259—2018《油莎豆油》規(guī)定。但亞臨界丁烷萃取油莎豆油的色澤較深，若要提高油莎豆油的感官品質(zhì)可進(jìn)行脫色精煉。

表5 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的主要脂肪酸組成及含量 %

從表5可以看出，油莎豆油不飽和脂肪酸含量高達(dá)84.26%，亞臨界丁烷萃取的油莎豆油主要脂肪酸組成及含量均符合LS/T 3259—2018《油莎豆油》規(guī)定，這說明亞臨界丁烷萃取油莎豆油未破壞其脂肪酸成分。

表6 亞臨界丁烷萃取油莎豆油的甾醇和VE組分含量

從表6可以看出，亞臨界丁烷萃取的油莎豆油甾醇總量達(dá)到171.43 mg/100 g，主要甾醇組分是谷甾醇，占比達(dá)63.90%。植物甾醇具有抗高脂血癥、預(yù)防心血管疾病等生理功能[25]。亞臨界丁烷萃取的油莎豆油VE總量為201.81 mg/kg，其中α-生育酚含量最高，占比為67.21%。

3 結(jié) 論

本研究通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定了亞臨界丁烷萃取油莎豆油的最佳工藝條件為：油莎豆粉碎粒度0.425 mm(40目)，萃取溫度45℃，萃取時(shí)間50 min，液固比8∶1。在最佳條件下萃取1次，油莎豆粕殘油率為2.91%。在最佳條件下萃取所得油莎豆油的酸值(KOH)、過氧化值、碘值、皂化值等理化指標(biāo)均符合油莎豆油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LS/T 3259—2018)，其油酸、亞油酸、亞麻酸含量分別為73.92%、9.75%、0.59%，甾醇和VE總量分別為171.43 mg/100 g、201.81 mg/kg。亞臨界丁烷萃取油莎豆油的出油效率高，油品質(zhì)量好，是值得推廣應(yīng)用的油莎豆油生產(chǎn)工藝技術(shù)。