微擬球藻總脂提取方法的研究

張羽霄，杜宣利

中糧工科(西安)國際工程有限公司 (西安 710082)

微擬球藻(以下簡稱微藻)是富含EPA的藻種，進(jìn)行光合自養(yǎng)，且生長速度快。微擬球藻(nannochloropsis oceanica)不僅富含EPA，其提取油脂后的藻渣(藻粕)中含有大量的蛋白質(zhì)，蛋白的氨基酸組成均衡，是優(yōu)質(zhì)蛋白的來源，微藻的綜合利用可以進(jìn)一步有效降低其藻油生產(chǎn)成本[1]。

在微藻油脂提取與精煉方面，不同的提取方法均被用于微藻油脂的提取的研究，包括有機(jī)溶劑、超臨界CO2、離子液體、酶法等[2]。然而目前大多均停留在實驗室階段。對于已商業(yè)應(yīng)用的微藻高值產(chǎn)物的萃取如蝦青素，主要利用超臨界CO2，盡管其安全性高，但成本較高，難于被消費者接受[3]。選用傳統(tǒng)的安全、低毒的有機(jī)溶劑，仍是目前微藻油脂發(fā)展的必經(jīng)之路。并且微藻總脂不同于傳統(tǒng)食用油，成分組成較為復(fù)雜，除中性脂外，還含有大量的糖脂和磷脂，油脂流動性差、色澤深，因此提取率不高。本試驗擬采用油脂工業(yè)常用溶劑，采用溶劑法提取微藻總脂，以期為微藻油規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)提供工藝基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

膨化破壁微藻藻粉(微藻總脂含量26.41%)，中國科學(xué)院過程工程研究所；正己烷、乙醇、氯仿、甲醇、乙醚等，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1004型電子分析天平，上海上平儀器公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；AnkeTDL-5-A型離心機(jī)。

1.3 方法

1.3.1微擬球藻總脂測定

在Folch 法基礎(chǔ)上有所修改：向約1 g 干藻粉中加入30 mL 氯仿/甲醇(體積比為2∶1)，在超聲破碎儀中處理15 min。向破碎后的混合物中加入8 mL 水后混勻，在4 500 r/min 下離心10 min，取出下端氯仿層。加入20 mL 氯仿，取剩余油脂并重復(fù)。合并3次得氯仿/油脂混合物，使用氮吹儀吹干溶劑并稱重，獲得微藻總脂含量。

1.3.2微擬球藻總脂提取工藝參數(shù)對總脂提取率的影響

稱取100 g放入1 000 mL單口燒瓶中，加入適量溶劑。將燒瓶放置在磁力攪拌器中加熱提取，燒瓶口放置冷凝管進(jìn)行溶劑冷凝回流。提取結(jié)束后，使用中速定量濾紙過濾2次，將得到的混合油在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行溶劑蒸發(fā)，將得到的粗提物在50 ℃下干燥至恒重，計算粗提物得率。

將得到的粗提物使用1.3.1的方法進(jìn)行總脂含量測定，計算實驗總脂得率：

1.3.2.1 溶劑選擇對微藻總脂提取率的影響

在液料比(v/w)5∶1，溫度40 ℃，提取時間2 h的條件下，設(shè)置溶劑選擇為石油醚、乙醚、乙醇、正己烷、乙醇/正己烷(3/10)，研究不同溶劑選擇對微藻總脂提取率的影響。

1.3.2.2 液料比對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，提取溫度55 ℃，提取時間2 h的條件下，設(shè)置液料比(v/w)為1∶1、3∶1、5∶1、15∶1，研究不同液料比(v/w)對微藻總脂提取率的影響。

1.3.2.3 提取溫度對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取時間2 h條件下，設(shè)置提取溫度20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃，研究不同提取溫度對微藻總脂提取率的影響。

1.3.2.4 提取時間對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取溫度50 ℃條件下，設(shè)置提取時間1 h、2 h、4 h、6 h、10 h、12 h，研究不同提取時間對微藻總脂提取率的影響。

1.3.2.5 提取次數(shù)對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取溫度50 ℃，提取時間6 h條件下，設(shè)置提取次數(shù)1次、2次、3次、4次、5次，研究不同提取時間對微藻總脂提取率的影響。

1.4 微擬球藻提取實驗工藝條件的優(yōu)化

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取液料比、提取溫度、提取時間、提取次數(shù)為因素，以總脂提取率為指標(biāo)，設(shè)計四因素三水平(表1)正交試驗，并按L9(34)正交表安排試驗，每個試驗組合設(shè)3個平行，取平均值。

表1 正交試驗因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 微擬球藻總脂提取工藝參數(shù)對總脂提取率的影響

2.1.1溶劑選擇對微藻總脂提取率的影響

在液料比(v/w)5∶1，溫度40 ℃，提取時間2 h的條件下，不同溶劑選擇對微藻總脂提取率的影響見圖1。

由圖1可以看出，使用乙醇/正己烷(3/10)作為溶劑時，微藻總脂提取率最高，單一乙醇溶劑的微藻總脂提取率最低。微藻總脂的組成成分較為復(fù)雜，將極性溶劑與非極性溶劑結(jié)合，采用混合溶劑的提取率高。

圖1 溶劑種類對微藻總脂提取率的影響

2.1.2液料比對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，提取溫度55 ℃，提取時間2 h的條件下，液料比(v/w)對微藻總脂提取率的影響見圖2。

圖2 液料比對微藻總脂提取率的影響

由圖2可以看出，隨著液料比的增加，微藻總脂提取率隨之增高，當(dāng)液料比(v/w)大于5∶1時，對于一定量的藻粉來說，溶劑的增加會降低混合油的濃度，增加了藻粉與溶劑接觸面的濃度差，從而提高了油脂與溶劑間的擴(kuò)散速率，出油率增大[4]。但當(dāng)液料比繼續(xù)增大時，藻粉中脂質(zhì)大部分已被溶解出來，出油率增加緩慢，而過多的溶劑增加了后續(xù)混合油溶劑溶劑分離與溶劑回收精餾的成本，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇液料比(v/w)5∶1 較為合適。

2.1.3提取溫度對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取時間2 h條件下，不同提取溫度對微藻總脂提取率的影響見圖3。

由圖3可以看出，隨著提取溫度的升高，總脂提取率隨著升高，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃以后，總脂提取率升高趨于平穩(wěn)?？紤]到試驗所使用的混合溶劑中正己烷沸點是69 ℃，當(dāng)溫度過高時試驗過程中正己烷揮發(fā)過快，需要大幅度增加溶劑冷卻裝置換熱面積，從經(jīng)濟(jì)角度考慮選取55 ℃為最佳提取溫度。

圖3 提取溫度對總脂提取率的影響

2.1.4提取時間對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取溫度50 ℃條件下，不同提取時間對微藻總脂提取率的影響見圖4。

圖4 提取時間對總脂提取率的影響

由圖4可以看出，隨著提取時間的延長，在提取時間小于4 h時，總脂提取率明顯上升，當(dāng)提取時間大于6 h之后，總脂提取率趨于平衡。提取時間越長，試驗和生產(chǎn)所需能耗越高，故選取6 h為最佳提取時間。

2.1.5提取次數(shù)對微藻總脂提取率的影響

在溶劑為乙醇/正己烷(3/10)，液料比(v/w)5∶1，提取溫度50 ℃，提取時間6 h條件下，不同提取時間對微藻總脂提取率的影響見圖5。

圖5 提取次數(shù)對總脂提取率的影響

由圖5可以看出，隨著提取次數(shù)的增加，當(dāng)提取次數(shù)小于3時，總脂提取率增加顯著，當(dāng)提取次數(shù)大于3時，總脂提取率趨于平衡。說明在進(jìn)行3次提取之后，藻粉中的總脂已經(jīng)被較為充分的提取，故選取提取次數(shù)3次為最佳提取次數(shù)。

2.2 溶劑法提取微藻總脂工藝條件的綜合優(yōu)化

在以上單因素試驗基礎(chǔ)上采用正交試驗，對溶劑法提取微藻總脂工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。

表2 L9(34)正交試驗結(jié)果

由表2極差分析可以看出，各試驗因素對出油率影響主次順序為：D>A>B>C。即提取次數(shù)影響最大，其余依次為液料比、乙醇濃度和凍融次數(shù)。由試驗結(jié)果得出，提取微藻總脂的最優(yōu)組合是A3B3C2D3，即液料比(v/w)5.5∶1、提取溫度60 ℃、提取時間6.0 h、提取4次，進(jìn)行驗證實驗，在該條件下出油率可達(dá)97.10%?？紤]到正己烷沸點69 ℃，當(dāng)提取溫度設(shè)置在60 ℃時，在提取過程中正己烷蒸發(fā)過快，需要配套冷凝器冷凝面積過大、造價高，并且溶劑損失量大，對最優(yōu)組合進(jìn)行微調(diào)，選擇A3B2C2D3，即液料比(v/w)5.5∶1、提取溫度55 ℃、提取時間6.0 h、提取4次，在該條件下出油率可達(dá)96.70%。

3 結(jié)論

(1)采用溶劑法提取微藻總脂的優(yōu)化工藝條件為：液料比(v/w)5.5∶1、提取溫度55 ℃、提取時間6.0 h、提取4次，在該條件下出油率可達(dá)96.70%。

(2)微藻油脂組成成分比較復(fù)雜，包含中性脂、磷脂和糖脂等，采用極性溶劑與非極性溶劑結(jié)合的方式進(jìn)行萃取，有效的提高了微藻油脂的得率，具有設(shè)備簡單、提取率高等優(yōu)點，為大規(guī)模生產(chǎn)微藻食用油脂提供技術(shù)儲備。