降低延邊黃牛脂飽和脂肪酸含量的分提研究

仇宏圖， 王家鑌， 張 華

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉133002)

延邊黃牛脂具有較高含量的飽和脂肪酸，其占比在50%左右，攝入過高的飽和脂肪酸使得血液中的三酰甘油、膽固醇、低密度脂蛋白增加，并引起動(dòng)脈管腔狹窄，形成動(dòng)脈粥樣硬化，患冠心病的風(fēng)險(xiǎn)增加[1]。因此，對(duì)人體攝入飽和脂肪酸的量應(yīng)予以嚴(yán)格控制。油脂由不同的甘油三酯混合而成。并以不同的脂肪酸組成。構(gòu)成甘油三酯的脂肪酸飽和程度(飽和、單不飽和、多不飽和)、脂肪酸碳鏈長度(短鏈、中鏈、長鏈)、脂肪酸碳鏈上雙鍵結(jié)構(gòu)以及位置的不同，脂肪酸與甘油結(jié)合位點(diǎn)的不同均會(huì)使得甘油三酯的化學(xué)性質(zhì)(過氧化值、油脂酸價(jià)、皂化值、碘價(jià)等)與物理性質(zhì)(溶解性、同質(zhì)多晶、油脂塑性、熔點(diǎn)、固體脂肪含量等)表現(xiàn)出差異[2]。甘油三酯的種類差異會(huì)使不同組成油脂有不一致的熔點(diǎn)范圍。在一定的溫度范圍內(nèi)，利用不同溫度下結(jié)晶的甘油三酯種類的不同，可以使得油脂分離為2部分，即液態(tài)油脂和固態(tài)脂肪，即油脂分提[3]。油脂分提工藝又可分為干法分提、溶劑分提法、表面活性劑法、分子蒸餾法、密度法與液-液萃取法、尿素包埋法等[3]。其中，干法分提優(yōu)點(diǎn)主要反映為：1) 操作安全、簡便；2) 不需要溶劑，生產(chǎn)成本相對(duì)較低；3) 不存在任何溶劑污染，有較高質(zhì)量；4) 不會(huì)產(chǎn)生廢水。尿素包埋法具有投資少、成本低、操作簡便且環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，主要利用于脂肪酸的分提[4-6]。由于尿素包合過程中的條件控制對(duì)分提效果影響非常大，而在以往的研究中都是分析討論在較長時(shí)間和低溫的情況下的分提效果[7]。

因此，本試驗(yàn)首先利用干法分提的方法將延邊黃牛脂進(jìn)行固液分離。使副產(chǎn)物延邊黃牛脂液油中飽和脂肪酸含量降低，隨之碘值升高，熔點(diǎn)接近體溫，固脂具有更好的儲(chǔ)藏性能，可利用于起酥油、人造奶油、代可可脂的生產(chǎn)。其次，利用尿素對(duì)飽和脂肪酸甲酯包埋的原理，對(duì)飽和度較高的延邊黃牛酯進(jìn)行分提，提高溶劑中不飽和脂肪酸甲酯的含量，改善低溫流動(dòng)性。主要對(duì)結(jié)晶溫度、結(jié)晶時(shí)間、結(jié)晶速率以及對(duì)減少尿素用量、降低包合反應(yīng)時(shí)間、包合反應(yīng)溫度進(jìn)行研究，降低工業(yè)生產(chǎn)成本，提高廢棄物的利用率，為農(nóng)產(chǎn)品涂膜保鮮材料的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

延邊黃牛脂(自制)；氫氧化鉀(KOH)，碘，硫代硫酸鈉，碘化鉀，無水硫酸鈉，尿素；甲醇，正己烷，無水乙醇均為分析純；蒸餾水，正己烷為色譜純。

1.2 儀器與設(shè)備

HJ-4多頭磁力加熱攪拌器；直立式N-1100 D-W旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；SI-0246漩渦混合器；氮?dú)獯祾邇x；恒溫水浴鍋；恒溫干燥箱等。磁力攪拌器(IT-09B-15 上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；恒溫水浴鍋(DK-8D 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子天平(JA1003J，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司，上海，中國)；氣相色譜儀GC System 7890A(美國安捷倫公司)

1.3 方法

1.3.1 延邊黃牛脂制備

對(duì)延邊黃牛脂肪進(jìn)行切割，使其呈細(xì)小塊狀，與適量水同入鍋中，進(jìn)行2 h的加熱熬制，然后撈出懸浮于表層的油，并導(dǎo)入燒杯中。在燒杯內(nèi)加入正己烷，使兩者比例為1∶1，使用無水硫酸鈉作為媒介抽濾，最后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀來去除抽濾所得牛脂中的溶劑，獲取純凈牛脂[8]。

1.3.2 延邊黃牛脂干法分提及熔點(diǎn)和碘值測定

1) 稱取適量延邊黃牛脂加熱到85 ℃，使其完全融化，水浴30 min;2) 快速冷卻到70 ℃;3) 以一定的冷卻速率緩慢冷卻至結(jié)晶溫度;4) 在結(jié)晶溫度下養(yǎng)晶一段時(shí)間;5) 用紗布過濾出液油，并將液油和固脂裝瓶稱重;6) 測出產(chǎn)品的熔點(diǎn)和碘價(jià)，并計(jì)算得率[9]。熔點(diǎn)按照GB/T 24892-2010方法測定，碘值使用碘酊法進(jìn)行測定。

1.3.3 延邊黃牛脂脂肪酸甲酯制備

延邊黃牛脂溶于氫氧化甲醇溶液并置于圓底燒瓶中，放入攪拌子磁力攪拌，恒溫水浴反應(yīng)，將反應(yīng)液加正己烷和蒸餾水，在分液漏斗中靜置分層，取上層液體通過無水硫酸鈉干燥、旋蒸得到脂肪酸甲酯[10]。

1.3.4 尿素包合法分提

尿素與甲醇1 g∶5 mL比例混合制備成尿素溶劑，加入脂肪酸甲酯，一定溫度下放置一段時(shí)間進(jìn)行包埋。包埋完成后，取溶液層通過無水硫酸鈉干燥、氮吹儀吹干有機(jī)溶劑，得到較低飽和度脂肪酸甲酯。

1.3.5 氣相分析[11]

氣相色譜分析條件： SPTM-2560毛細(xì)管柱(100 m×0.25 mm×0.20 μm)；載氣He流速為0.7 mL/min，H2流速為30 mL/min，空氣流速300 mL/min；柱溫150 ℃，進(jìn)樣溫度250 ℃，氣化溫度260 ℃，檢測溫度220 ℃，進(jìn)樣量3 μL。

1.3.6 計(jì)算公式

采用F檢驗(yàn)法以及SPSS 19.0軟件中的Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)晶溫度對(duì)分提產(chǎn)物的影響

稱取15 g延邊黃牛脂完全融化后，以4 ℃/h的冷卻速率緩慢冷卻到養(yǎng)晶溫度42、45、58 ℃，養(yǎng)晶12 h，最后進(jìn)行固液分離。測得各項(xiàng)指標(biāo)如表1。

表1 不同養(yǎng)晶溫度對(duì)分提的影響Table 1 Influence of different crystallization temperatures on extraction

注：a～c字母不同表示同一列養(yǎng)晶溫度內(nèi)得率、碘值差異顯著(P<0.05)。

由表1可知，養(yǎng)晶溫度在42 ℃時(shí),液油得率為35.06%,顯著低于48 ℃時(shí)的65.14%，固體脂的得率隨著養(yǎng)晶溫度的增高而降低。隨著養(yǎng)晶溫度升高液油的碘值顯著降低(P<0.05)，這是因?yàn)榻Y(jié)晶溫度降低時(shí)會(huì)有更多的含有飽和脂肪酸的甘油三酯被結(jié)晶析出，因而碘值升高，固體脂的碘值在42 ℃時(shí)顯著低于45和48 ℃(P<0.05)。液油在42 ℃分提時(shí)，熔點(diǎn)為38 ℃，最接近體溫，綜合考慮選擇42 ℃設(shè)為接下來試驗(yàn)的養(yǎng)晶溫度。

2.2 不同養(yǎng)晶時(shí)間對(duì)分提產(chǎn)物的影響

稱取15 g延邊黃牛脂完全融化后，在養(yǎng)晶溫度42 ℃條件下養(yǎng)晶3、6、9 h，進(jìn)行固液分離。測得各項(xiàng)指標(biāo)如表2。

表2 養(yǎng)晶時(shí)間對(duì)分提的影響Table 2 Influence of the crystallization time on extraction

注：a～c字母不同表示同一列養(yǎng)晶時(shí)間內(nèi)得率、碘值差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，隨著養(yǎng)晶時(shí)間的升高,液油的得率降低，固脂的得率升高。養(yǎng)晶時(shí)間為9 h時(shí),液油碘值27.21 g/100 g,顯著高于3和6 h(P<0.05)，產(chǎn)率為50.36%，熔點(diǎn)為38 ℃，最接近分提目的，固選擇9 h為最佳分提時(shí)間。

2.3 不同冷卻速度對(duì)分提產(chǎn)物的影響

稱取15 g延邊黃牛脂完全融化后，以7、10 ℃/h的冷卻速率緩慢冷卻到養(yǎng)晶溫度42 ℃，養(yǎng)晶9 h，最后進(jìn)行固液分離。測得各項(xiàng)指標(biāo)如表3。

表3 不同冷卻速率對(duì)分提影響Table 3 Effect of different cooling rates on extraction

注：a～b字母不同表示同一列冷卻速率內(nèi)得率、碘值差異顯著(P<0.05)

由表3可知，隨著冷卻速率的升高,液油的得率升高，固脂的得率降低。碘值無顯著性差異(P>0.05)。在表2中冷卻速率在4 ℃/h，養(yǎng)晶時(shí)間9 h和表3中冷卻速率在7 ℃/h，養(yǎng)晶時(shí)間9 h相比，得率和碘值有些變化，但熔點(diǎn)都在38 ℃，在低冷卻速率4 ℃/h下形成的晶體較小，分布比較均勻，晶體發(fā)生聚集的少，得到的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

2.4 尿素包合法分提不飽和脂肪酸

2.4.1 不同反應(yīng)溫度對(duì)動(dòng)植物脂肪酸甲酯分提率的影響

料液比1∶3(5 g樣品/15 mL尿素溶劑)，反應(yīng)時(shí)間為4 h，在反應(yīng)溫度不同的情況下，溶劑層分提物的質(zhì)量百分比結(jié)果如圖1。延邊黃牛酯在10和20 ℃時(shí),溶劑層得率不存在顯著性差異，但顯著高于-10 ℃，0 ℃試驗(yàn)組。表明在低溫中尿素包合率更佳，由于已知2種油飽和脂肪酸比例，理論上完全去除飽和脂肪酸得率應(yīng)在50%左右，因此,選取得率較高的10 ℃做以下試驗(yàn)。

注：a～c字母不同表示不同反應(yīng)溫度，溶劑層分提物質(zhì)量百分比差異顯著(P<0.05)。

圖1反應(yīng)溫度對(duì)延邊黃牛酯和溶劑層得率的影響

Fig.1EffectofreactiontemperatureontheyieldofsolventlayerofYanbianYellowCattlemethylester

2.4.2 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)動(dòng)植物脂肪酸甲酯分提率的影響

由圖2可知，料液比為1∶3(g/mL)，反應(yīng)溫度為10 ℃，在尿素包埋時(shí)間不同的情況下，延邊黃牛酯在8 h時(shí)溶劑層分提率(32.3%)顯著低于2 h(37.8%)，4 h(36.3%)，6 h(32.3%)分提組，表明8 h時(shí)包合物晶體繼續(xù)形成，2～6 h未達(dá)到飽和[12]，考慮分提得率理論值，故選取4 h進(jìn)行以下試驗(yàn)。

注：a～b字母不同表示不同反應(yīng)時(shí)間，溶劑層分提物質(zhì)量百分比差異顯著(P<0.05)。

圖2反應(yīng)時(shí)間對(duì)延邊黃牛酯酯溶劑層得率的影響

Fig.2EffectofreactiontimeontheyieldofYanbianYellowCattleestersolventlayer

2.4.3 不同料液比對(duì)動(dòng)植物脂肪酸甲酯分提率的影響

由圖3可知，反應(yīng)溫度為10 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h，在尿素溶劑添加量不同的情況下，延邊黃牛酯各組的得率均存在顯著性差異。料液比為1∶2(g/mL)時(shí),延邊黃牛酯的得率最高,為42.9%，這可能是因?yàn)槟蛩厝軇┖吭黾硬粌H包埋飽和脂肪酸，也增加了不飽和脂肪酸的包合率，從而降低得率。選取得率最高的樣品，料液比為1∶2，反應(yīng)溫度為10 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h的延邊黃牛酯進(jìn)行脂肪酸分析并與原油進(jìn)行對(duì)比。

注：a～d字母不同表示不同料液比，溶劑層分提物質(zhì)量百分比差異顯著(P<0.05)。

圖3料液比對(duì)延邊黃牛酯溶劑層得率的影響

Fig.3Effectofsolid-liquidratioontheyieldofsolventlayerofYanbianYellowCattleester

2.5 尿素包合前后延邊黃牛酯脂肪酸含量變化

延邊黃牛脂脂肪酸組成見表4。延邊黃牛脂包含肉豆蔻酸(C14∶0)、 棕櫚酸(C16∶0)、 棕櫚油酸(C16∶1)、硬脂酸(C18∶0)、 油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)等。原料油與選取的得率相對(duì)較高的試驗(yàn)組溶劑層分提物(即料液比為1∶2，反應(yīng)溫度為10 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h)脂肪酸組成對(duì)比棕櫚酸從25.33%降低到23.09%，硬脂酸從21.38%降低到15.01%，油酸從37.59%提高到45.96%。尿素包合法分提后延邊黃牛酯不飽和脂肪酸含量(USFA)從50.2%達(dá)到58.49%，提高了8.29百分點(diǎn)。

表4 尿素包合前后延邊黃牛酯脂肪酸組成Table 4 Tallow fatty acid composition of Yanbian Yellow Cattle before and after urea inclusion

注：SFA-saturated fatty acid；USFA-unsaturated fatty acid。

3 結(jié)論

通過研究影響牛脂干法分提的3個(gè)因素,分提出低熔點(diǎn)的液油和高熔點(diǎn)的固脂。試驗(yàn)中選取最佳養(yǎng)晶溫度為42 ℃，養(yǎng)晶時(shí)間為9 h，冷卻速率為7 ℃/h，此時(shí)得率為44.11%，熔點(diǎn)為38 ℃，碘價(jià)為27.21 g/100 g。延邊黃牛脂經(jīng)尿素包合后，溶劑層不飽和脂肪酸甲酯含量提高了8.29百分點(diǎn)，為延邊黃牛脂副產(chǎn)物開發(fā)利用奠定了理論基礎(chǔ)。