白蘇籽油的超聲輔助提取工藝優(yōu)化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春,任興晨,盧文靜

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江杭州 310058)

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白蘇籽油的超聲輔助提取工藝優(yōu)化及脂肪酸成分分析

苑佳佳,茅林春*,任興晨,盧文靜

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江杭州 310058)

以出油率為響應(yīng)值,在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化超聲輔助提取白蘇籽油提取工藝。結(jié)果表明,料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)白蘇籽油出油率均有顯著影響,其影響次序?yàn)?超聲時(shí)間>料液比>溫度。以石油醚為溶劑,白蘇籽油超聲輔助提取較佳條件為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時(shí)間80 min。在此條件下,白蘇籽油的出油率高達(dá)43.57%。白蘇籽油主要含有11種脂肪酸,不飽和脂肪酸占總脂肪酸的90.54%。α-亞麻酸含量最高(201.56 mg/g 種子干重),占總脂肪酸的61.17%。白蘇籽油碘值為185.00 g/100 g,酸值為2.00 mg/g,皂化值為181.81 mg/g,過(guò)氧化值為1.93 mmol/kg。理化結(jié)果表明,白蘇籽油為干性油脂、不易氧化和酸敗,具有良好的食用品質(zhì)。

白蘇,籽油,響應(yīng)面,脂肪酸,超聲

白蘇(PerillafrutescensL. Britt.),又名赤蘇、蘇子、紫蘇[1-3],古名荏,是唇形目、唇形科、紫蘇屬一年生草本植物[4-5],在中國(guó)、日本、韓國(guó)、印度等亞洲國(guó)家有著上千年的種植歷史[6-7]。其莖、葉、種子皆可入藥、食用[7-9],是中國(guó)衛(wèi)生部首批公布的60種藥食兼用物品之一[10]。

中國(guó)西部,白蘇籽被廣泛用于制油。因產(chǎn)地不同,白蘇籽含油率在30%～50%[11-12]。白蘇籽油具有降血脂、抗癌、預(yù)防及抑制腫瘤形成等功效[13-16],油中富含的不飽和脂肪酸有利于提高記憶力、預(yù)防心血管疾病、減少炎癥[13,17-19]。傳統(tǒng)提取方法主要為壓榨法[20],雖然設(shè)備簡(jiǎn)單,但是出油率較低且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。新型的超臨界流體萃取技術(shù)[21]雖然能夠提高出油率,但是設(shè)備昂貴、成本較高。而超聲波輔助提取方法不僅能夠提高出油率,而且成本較低、工藝較為簡(jiǎn)單。目前,國(guó)內(nèi)已有超聲波輔助提取松子油、苦杏仁油的報(bào)道[22]。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)白蘇籽油的超聲輔助提取工藝,研究料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)白蘇籽油出油率的影響,利用Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化超聲波輔助提取白蘇籽油的技術(shù)參數(shù)。同時(shí),通過(guò)檢測(cè)白蘇籽油的碘值、過(guò)氧化值、酸值、皂化值、脂肪酸成分和含量,對(duì)白蘇籽油的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),為白蘇籽油的工業(yè)化生產(chǎn)以及綜合利用奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白蘇籽,品種為野蘇,采自貴州省貴陽(yáng)市,5月下旬種植,經(jīng)150 d種植后收集種子;石油醚60～90 ℃(分析純)、正己烷(分析純)、氫氧化鉀(分析純) 均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲醇(色譜純) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;37種脂肪酸甲酯混標(biāo)品 美國(guó)Sigma-Aldrich公司。

RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;HC-1000Y2型中藥粉碎機(jī) 永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司;KQ 5200E型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海林頻儀器股份有限公司;Hettich UNIVERSAL 320R離心機(jī) 德國(guó)Hettich公司;Agilent Technologies 7890A 氣相色譜儀 美國(guó)Agilent公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 白蘇籽油出油率測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)的白蘇籽油提取工藝流程為:白蘇籽→烘干→粉碎→超聲波輔助提取→離心→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至恒重→白蘇籽油。

稱取粉碎的白蘇籽樣品2 g,加入適量的石油醚,超聲波輔助提取(超聲功率為200 W,工作頻率為40 kHz),提取液在25 ℃、5000×g下離心10 min,取上層清液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至恒重,計(jì)算出油率。

出油率(%)=(白蘇籽油的質(zhì)量/白蘇籽的質(zhì)量)×100

1.2.2 料液比單因素實(shí)驗(yàn) 設(shè)置超聲溫度55 ℃,超聲時(shí)間55 min,比較1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(w∶v)料液比對(duì)白蘇籽油出油率的影響。

1.2.3 超聲溫度單因素實(shí)驗(yàn) 設(shè)置超聲時(shí)間55 min,料液比1∶20,探究25、35、45、55、65 ℃不同超聲溫度對(duì)白蘇籽油出油率的影響。

1.2.4 超聲時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn) 設(shè)置超聲溫度55 ℃,料液比1∶20,探究10、25、40、55、70 min不同超聲時(shí)間對(duì)白蘇籽油出油率的影響。

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化超聲波輔助提取白蘇籽油的工藝,以出油率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)了三因素三水平實(shí)驗(yàn),見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼表

Table 1 Factors levels and coding table of Box-Behnken design experiment

水平因素A料液比B超聲溫度(℃)C超聲時(shí)間(min)-11∶15454001∶20555511∶256570

1.2.6 脂肪酸檢測(cè) 稱取提取的白蘇籽油0.5 g,加25 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液,60 ℃水浴加熱1 h進(jìn)行酯化反應(yīng),加入15 mL正己烷和15 mL水充分震蕩后靜置取上層清液,定容至15 mL,取1 mL用于氣相色譜檢測(cè)方法。并與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行對(duì)照,采用外標(biāo)法進(jìn)行定量。

色譜柱:安捷倫HP-5(30 m×320 μm×0.25 μm),毛細(xì)管色譜柱。載氣:氮?dú)?流速1 mL/min。進(jìn)樣量:0.5 μL,分流比為 1∶50。采用程序升溫,起始柱溫120 ℃,保持5 min;以 5 ℃/min的升溫速度升溫至190 ℃,保持12 min;然后以2.5 ℃/min的升溫速度升溫至210 ℃,保持 10 min。進(jìn)樣口溫度為270 ℃,離子源溫度為200 ℃,檢測(cè)器:FID,280 ℃[1]。

1.2.7 理化性質(zhì)檢測(cè) 參考GB/T 5532-2008測(cè)定碘值,參考GB/T 5538-2005測(cè)定過(guò)氧化值,參考GB/T 5530-2005中冷溶劑法測(cè)定酸值,參考GB/T 55342008測(cè)定皂化值。

2 結(jié)果與討論

2.1 料液比對(duì)白蘇籽油出油率的影響

由圖1A可知,隨著料液比的增加,白蘇籽油出油率不斷增大。溶劑的增多增加了固相與液相的濃度差,加大了有機(jī)溶劑與白蘇籽的接觸,有利于油從固相向液相擴(kuò)散,因此出油率不斷增加;當(dāng)料液比為1∶20時(shí)出油率最大,當(dāng)料液比大于1∶20時(shí),可能是由于料液比過(guò)大,使傳質(zhì)與傳熱過(guò)程受到阻滯,從而導(dǎo)致提取效率降低[23],并且從后續(xù)的濃縮效率以及節(jié)約成本方面來(lái)考慮,料液比不宜過(guò)大,1∶20較為合適。

2.2 超聲溫度對(duì)白蘇籽油出油率的影響

由圖1B可知,隨著超聲溫度的提高,白蘇籽油出油率逐漸增加,當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí),出油率達(dá)到最大,當(dāng)溫度高于55 ℃時(shí),出油率反而有所下降。分析原因:溫度升高,增加了溶劑分子與油脂分子的動(dòng)能,有利于它們的碰撞,使得出油率增加;但是,當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),接近石油醚沸程(60～90 ℃),溶劑揮發(fā)過(guò)快,減少了與白蘇籽的接觸,使得出油率下降。另外,溫度過(guò)高還會(huì)引起某些成分的氧化、分解和變性。因此,綜合考慮,提取溫度選擇55 ℃較佳。

2.3 超聲時(shí)間對(duì)白蘇籽油出油率的影響

由圖1C可知,隨著提取時(shí)間的增長(zhǎng),白蘇籽油出油率不斷增加,當(dāng)超聲時(shí)間為55 min時(shí),出油率達(dá)到最大,當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)55 min后,出油率反而下降。分析原因:提取時(shí)間增加使得固液兩相接觸時(shí)間更長(zhǎng),提取出更多的油,但是由于白蘇籽油中含有大量不飽和脂肪酸,提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其氧化分解,影響油的品質(zhì)與出油率。因此,綜合考慮,較佳超聲時(shí)間為55 min。

圖1 料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)對(duì)白蘇籽油出油率的影響Fig.1 The effects of sample-to-solvent ratio(A),ultrasonic temperature(B)and ultrasonic time(C) on the yield of seed oil extracted from Perilla frutescens

2.4 影響白蘇籽油出油率的因素分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理,以出油率(Y)為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)三因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。利用Design-Expert 8.0.5.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到白蘇籽油出油率Y(%)與料液比(A)、超聲溫度(B)、超聲時(shí)間(C)的回歸方程:Y(%)=41.57+2.34A+1.67B+2.78C-2.09AB-3.54AC+0.22BC-6.57A2-4.27B2-1.18C2

表3 實(shí)驗(yàn)因素方差分析

Table 3 Variance analysis of experimental factors

來(lái)源平方和自由度均方F值p值顯著性模型48093953446687<00001??A437114371547000001??B224412244280900011??C6172161727724<00001??AB174311743218100023?AC5006150066264<00001??BC019101902406414A21819511819522771<00001??B27673176739602<00001??C2590159073800299?殘差559708失擬256308511304385純誤差3034076總和4865216

注:**:p<0.01,極顯著;*:p<0.05,顯著;p>0.05,不顯著。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Table 2 Response surface design and results

實(shí)驗(yàn)號(hào)ABCY(%)10004072200042043-10138364000422951-1034226-1-102434710-1363480-1-131719000405310110329411-10-12562120-11367213-11031411400042271501-13508161013493170114096

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析(表3),該模型顯著有效(p<0.05),失擬項(xiàng)p=0.4385,說(shuō)明該模型與實(shí)際情況擬合較好,可以較好預(yù)測(cè)超聲波輔助提取白蘇籽油的最佳條件。料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)出油率均有顯著影響,其影響大小為:C>A>B,即超聲時(shí)間>料液比>溫度。

2.5 影響因素的響應(yīng)面分析

通過(guò)Design Expert軟件對(duì)料液比、超聲溫度和超聲時(shí)間等三個(gè)影響因素之間的交互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析,繪制相應(yīng)的響應(yīng)面曲線和等高線圖(圖2～圖4)。

圖2 料液比和超聲溫度對(duì)出油率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of sample-to-solvent ratio and ultrasonic temperature on the oil yield

圖3 超聲時(shí)間和料液比對(duì)出油率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and sample-to-solvent ratio on the oil yield

圖4 超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)出油率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic time and temperature on the oil yield

從各因素與響應(yīng)量的響應(yīng)面與等高線圖可知:料液比和超聲溫度、料液比和超聲時(shí)間的交互作用對(duì)白蘇籽油出油率影響顯著,響應(yīng)面曲線較陡,等高線呈傾斜橢圓形。超聲溫度和超聲時(shí)間曲線較為平滑,其交互作用不顯著。

為確定最佳提取工藝,對(duì)回歸方程進(jìn)行最優(yōu)解分析,得到最佳理論工藝參數(shù)是:料液比1∶18.34,超聲溫度:58.22 ℃,超聲時(shí)間80.58 min。在此條件下的白蘇籽油出油率為43.83%?？紤]到實(shí)際可操作性,將提取工藝修改為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時(shí)間80 min。在此條件下,進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn),得到白蘇籽油的出油率為43.57%。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值很接近,有良好的擬合性,說(shuō)明得到的白蘇籽油提取工藝參數(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.6 白蘇籽油脂肪酸組成及含量

由表4可知,提取的白蘇籽油中檢測(cè)出11種脂肪酸,包含6種不飽和脂肪酸,占總脂肪酸的90.54%,總含量高達(dá)308.17 mg/g DW。所含脂肪酸主要為α-亞麻酸、亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸。其中α-亞麻酸占61.17%,含量為201.56 mg/g DW,是腦和神經(jīng)活動(dòng)所必需的脂肪酸。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證實(shí),白蘇籽油能夠提高記憶力,改善視力,預(yù)防及抑制腫瘤形成,預(yù)防老年癡呆癥,減少炎癥發(fā)生以及延緩衰老,可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和食品保健領(lǐng)域[14]。

表4 白蘇籽油脂肪酸組成及含量

Table 4 Fatty acid components and contents in seed oil extracted fromPerillafrutescens

序號(hào)化合物名稱相對(duì)含量(%)含量(mg/gDW)1癸酸0160192月桂酸(十二酸)0140013順-10-十五烯酸0110194棕櫚酸67617975棕櫚油酸0090076硬脂酸2035007油酸145839598亞油酸144543259α-亞麻酸61172015610花生酸01300511二十碳烯酸015029

2.7 白蘇籽油的理化性質(zhì)

白蘇籽油碘值為185.00 g/100 g,相比于常用花生油(100～120 g/100 g)[24],白蘇籽油不飽和程度較高,富含不飽和脂肪酸,屬于干性油脂。白蘇籽油的酸值為2.00 mg/g,與常用花生油酸值(1.4 mg/g)較為相近,游離脂肪酸含量較低,不易發(fā)生酸敗現(xiàn)象。白蘇籽油的皂化值為181.81 mg/g,與花生油(皂化值為188～191 mg/g)比較接近,所含脂肪酸以十八碳為主。白蘇籽油的過(guò)氧化值為1.93 mmol/kg,氧化程度較低,遠(yuǎn)低于花生油的過(guò)氧化值(8 mmol/kg)。

常規(guī)壓榨法得到的白蘇籽油的碘值188.16 g/100 g、酸值0.97 mg/g、皂化值191.20 mg/g、過(guò)氧化值1.65 mmol/kg、出油率12.79%[20],其理化性質(zhì)與本實(shí)驗(yàn)得到的白蘇籽油較為接近,但出油率明顯偏低。因此,超聲輔助提取方法比傳統(tǒng)壓榨法具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)出油率均有顯著影響,其影響大小為:超聲時(shí)間>料液比>溫度。白蘇籽油超聲輔助提取較佳條件為:料液比1∶18,超聲溫度58 ℃,超聲時(shí)間80 min,出油率高達(dá)43.57%。

白蘇籽油富含不飽和脂肪酸,游離脂肪酸含量較低,脂肪酸成分與常見(jiàn)植物油相似,所含脂肪酸以十八碳為主,主要成分為α-亞麻酸、亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸,不飽和脂肪酸占總脂肪酸的90.54%。其中,α-亞麻酸含量最高,占總脂肪酸的61.17%。

理化結(jié)果表明,白蘇籽油為干性油脂,不易氧化和酸敗,脂肪酸成分構(gòu)成與花生油相似,以十八碳為主,氧化程度較低。超聲輔助提取的白蘇籽油與傳統(tǒng)壓榨得到的白蘇籽油相比,理化性質(zhì)較為相近,但是,超聲輔助提取方法的出油率明顯提高。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction conditions and fatty acids components analysis of seed oil inPerillafrutescens

YUAN Jia-jia,MAO Lin-chun*,REN Xing-chen,LU Wen-jing

(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Theultrasonic-assistedextractionprocessofseedoilfromPerilla frutescenswasoptimizedbythedesignofBox-Behnkenonthebasisofsinglefactorexperimentwiththereferenceofoilyield.Resultsshowedthatsample-to-solventratio,ultrasonictemperatureandultrasonictimehadsignificanteffectsonextractionrateandtheorderwasultrasonictime>sample-to-solventratio>ultrasonictemperature.Theoptimumconditionsweresample-to-solventratioof1∶18,ultrasonictemperatureof58 ℃andultrasonictimeof80min.Theextractionratewasupto43.57%underthiscondition.Therewereelevenfattyacidsintheoilandtheunsaturatedfattyacidswereupto90.54%.Thecontentof9,12,15-octadecatrienoicacidwas201.56mg/gdryweightseed,whichwas61.17%ofthetotalfattyacids.Theiodinenumber,acidvalue,saponificationvalue,peroxidevalueoftheseedoilwere185.00g/100g,2.00mg/g,181.81mg/gand1.93mmol/kg,respectively,whichindicatedthattheextractedseedoilfromPerilla frutescenshadperfectlyediblequalitybecauseitwasnoteasytobeoxidizedandrancidified.

Perilla frutescens;seedoil;responsesurface;fattyacids;ultrasonic

2016-04-27

苑佳佳(1991-)，女，碩士，主要從事藥用植物資源營(yíng)養(yǎng)成分的研究，E-mail:jiajiayuan1992@163.com。

*通訊作者:茅林春(1962-)，男，博士，教授，主要從事果蔬、水產(chǎn)品保鮮方面以及藥用資源的研究，E-mail:linchun@zju.edu.cn。

TS201.2

B

1002-0306(2016)19-0227-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.036