馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸微波萃取工藝參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

吳文福，陳俊軼，成榮敏，畢宏達(dá)

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022；2. 吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130012；3. 吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130062）

0　引　言

2015年農(nóng)業(yè)部正式提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，到2020年中國馬鈴薯的種植面積預(yù)計將達(dá)到660萬hm2以上。生鮮馬鈴薯容易腐爛變質(zhì)，將其干燥加工處理后更有利于儲運[1]。常規(guī)的加工方法是將其制成雪花全粉和顆粒全粉，這樣的做法一是能耗高，二是由于生產(chǎn)過程中劇烈的熱處理，會使其糊化度大幅提高，后續(xù)的加工性能變差，不利于其在傳統(tǒng)中式主食中的應(yīng)用。將馬鈴薯不經(jīng)過蒸煮，直接熱風(fēng)干燥處理對其淀粉糊化度影響低，后續(xù)加工性能好，并且在實際生產(chǎn)中容易實施。但干燥加工過程會導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)變化[2-3]，焦中高等[4]發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥溫度的升高可使杏仁及其油脂中飽和脂肪酸含量增加而不飽和脂肪酸含量減少；張玉榮等[5]的研究表明，玉米在熱風(fēng)干燥時隨著溫度的升高，脂肪酸值增加，過氧化物酶（Peroxidase，POD）活力下降。

不飽和脂肪酸（unsaturated fatty acid，UFA）是馬鈴薯中的主要脂肪酸，是非常重要的膳食脂肪酸，同時也是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)。其具有重要的生理功能[6]，不僅能夠促進(jìn)身體發(fā)育和智力增長[7]，而且還具有降低血液中膽固醇和甘油三酯的含量，改善血液微循環(huán)，提高免疫力，預(yù)防心血管等疾病[8]的作用。目前，不飽和脂肪酸的提取方法主要有索氏提取、超聲波提取、微波萃取[9]、超臨界萃取[10]等。這些提取方法或多或少存在著用時長，試劑用量大，提取效率、精密度低以及選擇性差等問題。

以新鮮馬鈴薯為原料通過熱風(fēng)干燥制成生全粉，利用響應(yīng)面法優(yōu)化微波萃取不飽和脂肪酸的最佳工藝條件。微波萃取技術(shù)的優(yōu)越性不僅在于降低了試驗操作費用和生產(chǎn)成本，更重要的是這種技術(shù)符合“綠色”環(huán)保的要求[11-12]。它具有以下特點：1）省時節(jié)能，加熱迅速。2）可對特定組分進(jìn)行針對性加熱，選擇性強(qiáng)。3）試劑用量少，污染少。4）產(chǎn)率及回收率高。5）過程易于控制。影響微波萃取的因素有萃取溫度、萃取時間、萃取溶劑等等[13]，在單因素試驗的基礎(chǔ)上選取影響顯著的條件作為試驗因素，通過Design-Expert 8.05建立模型，利用響應(yīng)面進(jìn)行分析得出最優(yōu)方案[14-16]，以保證最大程度地提取出不飽和脂肪酸。響應(yīng)面法（response surface method）是一種用于擬合優(yōu)化多因素與響應(yīng)值函數(shù)關(guān)系的技術(shù)，目前已成功應(yīng)用在生物技術(shù)等諸多領(lǐng)域，例如提取條件的優(yōu)化[17-20]，蛋白酶的生產(chǎn)等[21]。

在獲得最優(yōu)萃取工藝后，將其應(yīng)用于熱風(fēng)干燥溫度對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量的影響研究中，確定適宜的干燥條件。

1　材料與方法

1.1　材料

1.1.1馬鈴薯生全粉

制備方案：鮮馬鈴薯（早大白）清洗、去皮、切?。?0 mm×10 mm×10 mm）后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，設(shè)定干燥溫度為50 ℃，干燥風(fēng)速為1 m/s，直至含水率降到0.1 g/g（濕基）以下，再將其粉碎，過孔徑為0.150 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。

1.1.2試劑

食用鹽，亞油酸97 %，α-亞麻酸97%（aladdin），油酸97 %，正己烷，丙酮，濃硫酸，甲醇均為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，氮氣99.99%。

1.1.3儀器

TANK微波消解儀（濟(jì)南海能儀器股份有限公司），6890N氣相色譜儀（安捷倫科技有限公司），JDKY-I型薄層干燥試驗臺（長春吉大科學(xué)儀器設(shè)備有限公司），OS-200軌道式振蕩器（杭州奧盛儀器有限公司），TG16K離心機(jī)（長沙東旺實驗儀器有限公司），SC-15數(shù)控超級恒溫槽（寧波新芝生物科技股份有限公司），CHD100切丁機(jī)（山東銀鷹炊具機(jī)械有限公司），控制型試管研磨機(jī)（IKA艾卡儀器設(shè)備有限公司），MD200氮氣吹掃儀（杭州奧盛儀器有限公司）。

1.2　試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

采用Design-Expert 8.05的Central Composite Design中心設(shè)計響應(yīng)面法優(yōu)化微波萃取馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸工藝，求得回歸方程，找到馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸萃取最優(yōu)方案[22]。

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取了對不飽和脂肪酸萃取影響顯著的 4個變量（萃取溫度、萃取時間、丙酮在正己烷溶液中的體積占比（以下簡稱為丙酮占比）、料液比（萃取溶劑毫升數(shù)：物料克數(shù)））為試驗因素，因素水平編碼見表1。

表1　萃取條件的因素水平編碼Table 1　Factors and levels of extraction conditions encoding

1.3　不飽和脂肪酸的提取

將6.000 0±0.000 5 g馬鈴薯生全粉放入微波消解罐內(nèi)，根據(jù)表1中X3、X4的參數(shù)依次加入9～21mL丙酮和正己烷，在振蕩器上180 rpm振蕩10 min使物料充分混合，再放入微波消解儀中微波消解，根據(jù)表1中X1、X2的參數(shù)進(jìn)行微波萃取。待程序結(jié)束儀器冷卻后將罐內(nèi)溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，3 000 r/min離心提取不飽和脂肪酸。

1.4　不飽和脂肪酸的測定

1.4.1甲酯化

因要分析的物質(zhì)沸點較高，進(jìn)行色譜測定時，要將萃取出的不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化成沸點較低而且在色譜圖中峰形也較明顯的不飽和脂肪酸甲酯，本試驗將萃取出的物質(zhì)采用酸催化甲酯化方法（濃硫酸：甲醇體積比為1∶20）在80 ℃水浴甲酯化1 h。

1.4.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及樣品測定

用內(nèi)標(biāo)法找出 3種不飽和脂肪酸對應(yīng)的保留時間，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，將所有待測樣品進(jìn)行氣相色譜測定（GC），記錄結(jié)果。并驗證最佳萃取工藝以及標(biāo)準(zhǔn)品的回收率。標(biāo)準(zhǔn)曲線公式如下公式（1）～（3）。

Y為樣品中脂肪酸的色譜峰面積，X為對應(yīng)脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/g。

GC測定采用FID氫火焰離子檢測器，色譜柱HP-5（30 m×0.32 mm×0.25 μm），進(jìn)樣口溫度：200 ℃，分流比20∶1，檢測器溫度：290 ℃，進(jìn)樣量1 μL，柱溫：初始溫度150 ℃，保持1 min；20 ℃/min升到200℃，保持1 min；3 ℃/min升到230 ℃，保持1 min；20 ℃/min升到240 ℃，保持1 min，載氣：高純氮氣，流量1.2 mL/min。

2　微波萃取工藝優(yōu)化結(jié)果與分析

2.1　數(shù)據(jù)及ANOVA分析

將甲酯化后的樣品進(jìn)行氣相色譜分析，查看每一組試驗中不飽和脂肪酸對應(yīng)的峰面積，再利用公式1、2、3，將峰面積折算成不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并以總不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值，對萃取溫度、萃取時間、丙酮占比、料液比4個因素進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果如下表2、表3所示。

試驗通過ANOVA分析，結(jié)果如下表3所示，模型的 P值=0.000 1＜0.01，試驗所選用的模型具有高度的顯著性，具有統(tǒng)計學(xué)意義，可信度高。決定系數(shù)R2=0.939 8，表明回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系。失擬項 P=0.625 1＞0.05不顯著，說明擬合程度良好，試驗誤差小。

利用軟件中的 Optimazation-Numerical功能確定馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸萃取工藝的優(yōu)化方案為：萃取溫度 81 ℃，萃取時間 11 min，萃取溶劑中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1。通過Optimazation- Numerical-Solutions預(yù)測不飽和脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.084 mg/g。按照該優(yōu)化方案的試驗條件，對馬鈴薯生全粉樣品依照步驟1.3和1.4進(jìn)行了3次實測，取數(shù)據(jù)均值，得出不飽和脂肪酸含量為 1.081 mg/g，實測值和擬合方程的預(yù)測值1.084 mg/g基本一致。通過比較P值的大?。≒ 值越小，影響越顯著），可以得出各因素對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響大小分別為：丙酮占比＞料液比＞萃取溫度＞萃取時間，模型中 X1、X2、X3、X4、X3X4、X12、X22、X32和X42為顯著因素（P＜0.05為顯著，反之則不顯著），表明各因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，因素間存在交互作用[23]。

表2　試驗設(shè)計及響應(yīng)值表Table 2　Design scheme and results of experiment

2.2　自變量對響應(yīng)值影響分析

經(jīng)多元回歸擬合后，得到馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)響應(yīng)值Y對X1，X2，X3，X4的多元二次回歸方程如下公式4，響應(yīng)曲面見下圖1。

圖1a、1e表明：料液比對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量影響顯著，隨料液比增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其原因是隨著料液比的增大，物料和溶劑的濃度差越大，滲透壓越大，油脂越容易析出[24]；而料液比過大，又會增加微波破碎細(xì)胞的阻力，使細(xì)胞破碎程度下降，從而降低脂肪酸得率[25-26]；圖1b表明：丙酮占比對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量的影響顯著，隨著丙酮占比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其原因是介電常數(shù)低的溶劑其微波萃取效果好于介電常數(shù)高的溶劑[27-28]。選擇萃取劑不僅要滿足一般萃取劑的要求，還應(yīng)滿足在微波中對微波透明或至少透明度遠(yuǎn)高于水的要求，所以萃取溶劑的選擇要在溫度和透明度之間找到一個平衡點。丙酮介電常數(shù)高（介電常數(shù) 20.70），受微波影響而升溫快，而正己烷在達(dá)到萃取溫度時的萃取效率高，卻由于介電常數(shù)?。ń殡姵?shù) 1.58）而很難達(dá)到適宜溫度，就達(dá)不到萃取效果，所以將丙酮和正己烷混合作為萃取溶劑，既能保證溫度又能保證萃取效率[13]；圖1d表明：萃取時間對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量影響較小，綜合考慮能效問題，萃取時間越短越好；由圖1f可知，馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量隨萃取溫度的增大而提高，這是因為一定的高溫使馬鈴薯細(xì)胞破裂，有利于細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞間的油脂釋放出來，而丙酮的沸點為56 ℃，依據(jù)微波消解儀性能的要求，萃取時為了防止壓力過高，反應(yīng)溫度不宜高過其沸點的1.5倍。

表3　回歸模型的顯著性檢驗結(jié)果Table 3　Regression model coefficient test

2.3　回收率結(jié)果

回收試驗結(jié)果如下表 4，顯示標(biāo)準(zhǔn)品的回收率為96.54%～100.85%，證明標(biāo)準(zhǔn)品的回收率較好。

圖1　各因素對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的響應(yīng)面圖Fig.1　Response surface of various factor on the quality score of unsaturated fatty acids in raw potato flours

表4　回收試驗結(jié)果Table 4　Recall experiment results

3　優(yōu)化方案應(yīng)用

選定微波萃取工藝條件：萃取溫度81 ℃，萃取時間11 min，萃取溶劑中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1，用于分析不同的干燥溫度對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸的影響。

挑選新鮮馬鈴薯，將護(hù)色好的馬鈴薯丁進(jìn)行熱風(fēng)干燥，其他條件均恒定，選用不同的熱風(fēng)溫度（50、60、70、80、90 ℃）進(jìn)行干燥，直至含水率降到0.1 g/g（濕基）以下結(jié)束烘干并研磨成粉。利用以上得出的最優(yōu)微波萃取方案把不同溫度下的熱風(fēng)干燥烘干后的馬鈴薯逐個分析[29]，繪制出每種不飽和脂肪酸對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線得出定量結(jié)果下表5。

由表中數(shù)據(jù)和單因素方差分析及Duncan多重比較分析得出：通過不同的熱風(fēng)干燥溫度烘干得到的馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸含量不同，尤其是亞油酸含量隨溫度升高顯著增加（P＜0.05），油酸和亞麻酸的含量相對于亞油酸很少，變化趨勢不明顯，總不飽和度隨干燥溫度升高顯著增加（P＜0.05）。引起這種變化主要有2個原因：一方面是脂肪分解產(chǎn)生甘油和脂肪酸，另一方面是脂肪酸不斷地生物合成[30]。其中合成方面，乙酰輔酶A從頭合成棕櫚酸，棕櫚酸通過延長碳鏈形成硬脂酸，硬脂酸通過脫氫形成油酸、亞油酸和α-亞麻酸[31-32]。就營養(yǎng)角度考慮，可根據(jù)干燥溫度的調(diào)整改變馬鈴薯中脂肪酸組成，提高不飽和脂肪酸比例。

表5　馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果Table 5　Test results for mass fraction of unsaturated fatty acids in raw potato flours mg?g-1

5　結(jié)　論

1）通過Design-Expert 8.05和響應(yīng)面法分析結(jié)果表明模型 P=0.000 1＜0.01，R2=0.939 8，具有高度顯著性。失擬項 P=0.625 1＞0.05不顯著，說明擬合程度良好，試驗誤差小。

2）根據(jù)模型確定馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸最佳萃取工藝條件為：萃取溫度81℃，萃取時間11 min，萃取溶劑中丙酮占比0.802 5，料液比3.25∶1。各因素對馬鈴薯生全粉中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響大小分別為：丙酮占比＞料液比＞萃取溫度＞萃取時間。預(yù)測不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)響應(yīng)值為1.084 mg/g，實測不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)響應(yīng)值為1.081 mg/g?；厥章试?6.54%～100.85%，證明標(biāo)準(zhǔn)品的回收率較好。

3）把優(yōu)化后的萃取方案應(yīng)用在熱風(fēng)干燥溫度對馬鈴薯生全粉不飽和脂肪酸含量影響的分析中，結(jié)果表明隨著干燥溫度升高，不飽和脂肪酸含量增加（P＜0.05），其中亞油酸含量顯著增加（P＜0.05）。一方面可能是高溫引起脂肪的氧化分解生成甘油和脂肪酸，另一方面是脂肪酸通過乙酰輔酶A不斷地進(jìn)行生物合成。

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