王文瓊 包怡紅 蔡秋紅 于陽(yáng)陽(yáng)

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

山核桃(胡桃秋 Juglans mandshurica Maxim，又名核桃、核桃楸、楸子)產(chǎn)自黑龍江小興安嶺海拔500～800 m以下，及東部山區(qū)、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部、河北、山西等地。山核桃仁中含有豐富的蛋白質(zhì)、油脂及礦物原元素，含有多種人體必需脂肪酸，對(duì)降低人體血清蛋白中的膽固醇、防止動(dòng)脈粥樣硬化和血栓的形成具有積極的作用，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域［1］。

傳統(tǒng)提油多采用壓榨法和有機(jī)溶劑浸出法，這些方法不能充分利用油料中所含的豐富蛋白質(zhì)，且壓榨法產(chǎn)油率低，精制工藝繁瑣，油品色澤不理想;有機(jī)溶劑浸提法提取時(shí)間較長(zhǎng)，溶劑揮發(fā)損失較多，成本較高，且提油率較低。而超聲波輔助提取可提高有效成分的提取率，縮短提取時(shí)間，提高提取效率，節(jié)省溶劑用量，簡(jiǎn)化操作步驟［2］。它是利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)、空化及攪拌等超聲效應(yīng)的協(xié)同作用，提高物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度，能使植物組織在溶劑中產(chǎn)生空化泡崩潰，使組織細(xì)胞破裂，溶劑更容易滲入植物細(xì)胞中，加速相互滲透溶解，增加提取物在溶劑中的溶解度。所以在超聲波的作用下，無(wú)需加熱或降低原本加熱的溫度就能增加物質(zhì)有效成分的提出率，應(yīng)用前景十分廣闊［3－4］。岳琳等［5］分別采用索氏抽提法、超聲波提取法、微波萃取法對(duì)新疆和田地區(qū)薄皮核桃提取核桃油，并采用氣相色譜－質(zhì)譜法對(duì)所得核桃油進(jìn)行脂肪酸組成分析，結(jié)果表明，3種不同的提取方法對(duì)核桃油的理化性質(zhì)有一定影響，但對(duì)脂肪酸組成及含量基本無(wú)影響。Gravotto等［6］研究表明，超聲波輔助提取技術(shù)用于油脂類化合物的提取有助于提高出油率，縮短提取時(shí)間，并能保證油脂的品質(zhì)。

本試驗(yàn)采用超聲波強(qiáng)化溶劑浸山核桃油油的方法，確定了提取山核桃油油的最佳工藝參數(shù)，將超聲波技術(shù)用于強(qiáng)化油脂浸出提取過(guò)程，以提高提油率、縮短提油時(shí)間、減少萃取溶劑的用量，簡(jiǎn)化提取操作步驟，以期改善傳統(tǒng)溶劑提取法的不足，尋求新的高效的山核桃仁油提取工藝過(guò)程。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

山核桃:采自牡丹江;石油醚、正己烷、無(wú)水乙醇、三氯甲烷、丙酮、冰乙酸、環(huán)己烷、鹽酸、氫氧化鉀:天津市天力化學(xué)試劑有限生產(chǎn);硫代硫酸鈉:天津市風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司;碘化鉀:天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;可溶性淀粉:天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司;酚酞:天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。

1.2 試驗(yàn)儀器

TDL－40B－W臺(tái)式低速大容量離心機(jī):湖南南里科科學(xué)儀器有限公司;JY92－2 D超聲波細(xì)胞粉碎儀:寧波新芝生物科技股份有限公司;JA 2003型電子天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;RE－52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;6890N型氣相色譜儀:安捷倫公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 山核桃仁組成成分測(cè)定

含仁率:參照GB 5499—1985;水分及揮發(fā)物:參照GB 5528—1985;粗脂肪:參照 GB 5512—1985;粗蛋白:參照GB 5511—1985。

1.3.2 超聲波提取工藝流程

山核桃→去殼取仁→粉碎→過(guò)篩→稱質(zhì)量→與溶劑混合→超聲波處理→離心→取上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→毛山核桃油

1.3.3 試劑的篩選

準(zhǔn)確稱量已破碎的山核桃仁10.00 g，置于燒瓶中，分別入提取溶劑:正己烷、無(wú)水乙醇、石油醚、丙酮、三氯甲烷70 mL，進(jìn)行超聲波輔助處理，設(shè)置相同的功率500 W和全程時(shí)間為50 min。然后在4 000 r/min條件下離心20 min，取上清液，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮，將濃縮物置鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，得核桃油，稱油質(zhì)量。

提油率=山核桃油質(zhì)量/山核桃仁質(zhì)量×100%

1.3.4 超聲波提取山核桃油的單因素試驗(yàn)

1.3.4.1 液料比對(duì)山核桃提油率的影響

超聲功率500 W，超聲時(shí)間50 min，設(shè)置不同液料比為 5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(mL∶g)，研究液料比與提油率的關(guān)系。

1.3.4.2 超聲時(shí)間對(duì)山核桃提油率的影響

液料比7∶1，超聲功率500 W，設(shè)置不同超聲時(shí)間為 20、30、40、50、60、70 min，研究不同超聲時(shí)間對(duì)提油率的影響。

1.3.4.3 超聲波功率對(duì)提油率的影響

液料比7∶1，超聲時(shí)間為50 min，設(shè)置超聲波功率為 200、300、400、500、600、700 W，研究超聲功率對(duì)提油率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝

根據(jù)響應(yīng)面分析法優(yōu)化超聲波提取核桃仁油的工藝參數(shù)綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定提取核桃油的液料比(X1)、超聲功率(X2)和提取時(shí)間(X3)，運(yùn)用 Design Expert 7.0.0軟件程序，根據(jù) Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析法，以核桃油的提油率為響應(yīng)值作響應(yīng)面，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面分析因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面中心組合試驗(yàn)因素水平表

1.3.6 山核桃油中脂肪酸含量檢測(cè)

脂肪酸的測(cè)定方法為GB/T 17376—2008中酯交換法。

1.3.7 超聲波提取山核桃油理化指標(biāo)測(cè)定

對(duì)超聲波法和超臨界萃取法提取的山核桃油進(jìn)行理化指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)比分析超聲波提油效果。相對(duì)密度(20℃):GB/T 5526—1985;酸值(mg KOH/g):GB/T 5530—2005;過(guò)氧化值(mmol/kg):GB/T 5538—2005;碘值(gI2/100 g):GB/T 5532—1995;皂化值(mg KOH/g):GB/T 5534—1995。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理方法

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果表示為平均值±偏差。運(yùn)用Design Expert 7.0.0軟件程序，進(jìn)行響應(yīng)面的設(shè)計(jì)與分析，畫圖采用Excel。

2 結(jié)果與分析

2.1 山核桃組成成分測(cè)定結(jié)果

通過(guò)測(cè)定可知，山核桃含仁率為19.021%，山核桃仁中含水量為4.492%，灰分為2.961%，粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.42%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.125%。

2.2 不同溶劑對(duì)山核桃仁提油率的影響

山核桃仁油的溶劑法提取屬于固液萃取過(guò)程，過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)速率，以及其經(jīng)濟(jì)性與溶劑的性質(zhì)密切相關(guān)。試驗(yàn)選用了丙酮、無(wú)水乙醇、三氯甲烷、石油醚、正己烷分別提取山核桃仁油，操作參數(shù)為:液料比為7∶1(mL∶g)，提取時(shí)間50 min，超聲波功率500 W，以山核桃提油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定比較理想的提取溶劑。結(jié)果如圖1所示。

圖1 溶劑類型對(duì)提油率的影響

從圖1可知，正己烷的山核桃油得率為45.54%，比石油醚高5.49%，比丙酮高4.76%，比三氯甲烷高4.01%，而明顯高出95%的乙醇。由于石油醚易燃易爆，丙酮有毒性，溶劑殘留有害人體健康，不適于工業(yè)化生產(chǎn)，且正己烷也是工業(yè)提取油脂的常用溶劑。所以用正己烷作為提取山核桃仁油的溶劑［7］。

2.3 液料比對(duì)山核桃提油率的影響

稱取10.0 g過(guò)20目標(biāo)準(zhǔn)篩的山核桃仁，以正己烷為提取溶劑，超聲功率500 W，超聲時(shí)間50 min，選用 5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1(mL∶g)不同液料比，提取山核桃油，液料比的變化對(duì)山核桃提油率的影響見圖2。

圖2 不同液料比對(duì)山核桃提油率的影響

圖2為液料比對(duì)山核桃油提油率的影響曲線。從圖2中可看出，隨著料液比的減少，也就是溶劑用量的增大，提油率在開始時(shí)有明顯的提高。這是由于對(duì)于一定質(zhì)量的山核桃仁來(lái)說(shuō)，溶劑用量的增加會(huì)降低溶劑中山核桃仁油的濃度，增加了山核桃仁與溶劑接觸界面處的濃度差，從而提高了傳質(zhì)速率，在一定時(shí)間內(nèi)提油率增大。當(dāng)溶劑用量增大一定程度后，由于山核桃仁中的油大部分已被提取出來(lái)，再增加溶劑用量，提油率沒有明顯提高。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，溶劑用量也不應(yīng)太大。當(dāng)其他條件一定時(shí)，液料比為7∶1時(shí)，提取效果最佳。

2.4 超聲時(shí)間對(duì)山核桃油提取效果的影響

稱取10.0 g過(guò)20目標(biāo)準(zhǔn)篩的山核桃仁，按液料比7∶1加入提取溶劑正己烷，超聲功率500 W，提取時(shí)間越長(zhǎng)，油脂的提取越完全，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，提取率升高不大，而且會(huì)破壞油脂中的營(yíng)養(yǎng)成分，故提取時(shí)間應(yīng)從多方面進(jìn)行綜合考慮。本試驗(yàn)對(duì)超聲提取時(shí)間為20、30、40、50、60、70 min 進(jìn)行探討，考察超聲波時(shí)間對(duì)提取得率的影響。時(shí)間的變化對(duì)山核桃提油率的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)其他條件一定時(shí)，提取時(shí)間為50～60 min時(shí)，提取效果最好。在提取時(shí)間為20～60 min時(shí)，提油率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，并在60 min時(shí)達(dá)到最大的提油率;當(dāng)提取時(shí)間為70 min時(shí)，提取率有所降低，但基本持平。這可能是由于超聲波時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)導(dǎo)致油脂發(fā)生分解反應(yīng)所致。

圖3 不同超聲浸提時(shí)間對(duì)山核桃提油率的影響

2.5 超聲功率對(duì)提取得率的影響

稱量樣品10 g，過(guò)20目標(biāo)準(zhǔn)篩的山核桃仁，以正己烷為提取溶劑，選用7∶1的液料比，超聲時(shí)間為50 min，超聲功率設(shè)為 200、300、400、500、600、700 W提山核桃油，考察超聲波功率的變化對(duì)提油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同超聲功率對(duì)山核桃提油率的影響

從圖4可以看出，超聲波功率在200～600 W范圍內(nèi)，提油率隨著功率的增大而增加，這由于超聲波功率增加后，超聲波強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)山核桃仁的破碎力度增大，進(jìn)而使提油率上升，功率在600 W時(shí)，提油率達(dá)到最大，但功率超過(guò)600 W，提油率隨著功率的增大反而減少。這可能是由于超聲波具有無(wú)選擇性的破壞作用，高功率條件下，空化作用不僅破碎細(xì)胞壁，也破壞欲提取物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于特定的物質(zhì)，超聲波作用的效果取決于超聲波鞏固率和提取物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，不同的提取物有不同的超聲功率［8］。因此，本試驗(yàn)條件下最佳超聲功率為600 W。

2.6 超聲波輔助提取山核桃油工藝條件的優(yōu)化

根據(jù)Box－Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素影響的試驗(yàn)結(jié)果，以液料比(X1)、超聲功率(X2)、超聲時(shí)間(X3)，為自變量，核桃油的提油率為響應(yīng)值進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，優(yōu)化超聲波輔助提取山核桃油的工藝條件。響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

采用Design Expert 7.0.0程序?qū)憫?yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合后，得到回歸方程:

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸模型方差分析表

模型的可靠性可通過(guò)方差分析及相關(guān)系數(shù)來(lái)考察。從表3方差分析結(jié)果可知，模型P=0.000 1，表明回歸模型極顯著，因變量與所有自變量之間的線性關(guān)系顯著(R2=0.983 0)。失擬項(xiàng) P=0.740 6＞0.05，模型失擬度不顯著。模型的調(diào)整確定系數(shù)RAdj2=0.961 1，說(shuō)明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，可用此模型分析和預(yù)測(cè)超聲提取山核桃油的工藝結(jié)果。模型的信噪比(Adeq Precision)為21.074，遠(yuǎn)大于4，說(shuō)明模型完全可以用來(lái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。

由表3回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，模型中超聲功率X2對(duì)山核桃仁提油率的影響極其顯著，液料比X1對(duì)山核桃仁提油率的的影響顯著。在所選的各因素水平范圍內(nèi)，影響超聲提取山核桃油的因素主次順序?yàn)?超聲功率＞液料比＞超聲時(shí)間。

利用Design Expert軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應(yīng)面及其等高線見圖5～圖7。響應(yīng)面圖是響應(yīng)值Y對(duì)試驗(yàn)中的影響因素A、B、C所構(gòu)成的三維空間圖，從該圖中可以直觀地看出最佳影響因素和各因素之間的交互作用［9］。等高線的形狀反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小，圓形表明兩者交互作用不明顯，橢圓形表示2個(gè)因素交互作用顯著［10－11］。

圖5 液料比和超聲功率對(duì)山核桃仁提油率影響的響應(yīng)曲面和等高線

當(dāng)超聲時(shí)間為60 min時(shí)，液料比和超聲功率對(duì)山核桃仁提油率效果的影響見圖5。液料比不變時(shí)，超聲功率在500～700 W范圍內(nèi)，提油率隨功率的增加而增加，當(dāng)超聲功率達(dá)到一定值后，提油率逐漸下降。超聲功率一定時(shí)，液料比在6∶1～8∶1(mL∶g)范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達(dá)到最大之后逐漸下降，液料比和超聲功率對(duì)提油率有交互性影響。當(dāng)超聲功率為600 W時(shí)，超聲時(shí)間和液料比對(duì)山核桃仁提油率效果的影響見圖6。液料比不變時(shí)，超聲時(shí)間在50～70 min范圍內(nèi)，提油率隨時(shí)間的增加而增加，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到一定值后，提油率逐漸下降。超聲時(shí)間一定時(shí)，液料比在6∶1～8∶1(mL∶g)范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達(dá)到最大之后逐漸下降，超聲時(shí)間和液料比對(duì)提油率有交互性影響。當(dāng)液料比為7∶1時(shí)，超聲時(shí)間和超聲功率對(duì)山核桃仁提油率效果的影響見圖7。超聲功率不變時(shí)，超聲時(shí)間在50～70 min范圍內(nèi)，提油率隨時(shí)間的增加而增加，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到一定值后，提油率逐漸下降。超聲功率時(shí)，超聲功率在500～700 W范圍內(nèi)，提油率先逐漸增加，達(dá)到最大之后逐漸下降，超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)提油率有交互性影響。因此，當(dāng)其中一種反應(yīng)物用量一定時(shí)，另一種反應(yīng)用量的變化都會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行程度。不適當(dāng)?shù)呐浔瓤赡芙档头磻?yīng)的發(fā)生程度，反而有利于副反應(yīng)的進(jìn)行，因此，適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物配比不僅可提高反應(yīng)程度，而且還可以減少副反應(yīng)的發(fā)生［12］。

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)最佳化分析，得到最優(yōu)提取條件為:液料比為6.98∶1(mL∶g)，超聲波時(shí)間為63.92 min，超聲波功率為 646.40 W，預(yù)測(cè)提油率為52.007 2%。為進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面分析法所建立的數(shù)學(xué)模型的顯著性，有必要對(duì)推斷方案進(jìn)行試驗(yàn)。采用上述條件且取整數(shù)，即液料比為7∶1(mL∶g)，超聲功率646 W，超聲時(shí)間為64 min，進(jìn)行5次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)得提油率為(51.5±0.3)%，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差為0.54%左右，因此采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.7 山核桃油中脂肪酸含量檢測(cè)結(jié)果

由表4及圖8可知，山核桃油中主要含有棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸、亞麻酸，且其出峰順序?yàn)?棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，其中亞油酸含量最高，其次是油酸、亞麻酸、棕櫚酸，不飽和脂肪酸達(dá)到90%以上，其中必需脂肪酸亞油酸和亞麻酸占了總量的77%以上。亞油酸是一種ω－6系列的人體必需脂肪酸，是合成花生四烯酸(二十碳四烯酸)的主要原料，是人體合成前列腺素的主要物質(zhì)，具有防止血栓形成和擴(kuò)張血管的作用。亞油酸可使低密度脂蛋白降低，高密度脂蛋白升高。低密度脂蛋白易析出膽固醇沉積于血管壁上，造成血管增厚，彈性下降，引起冠心病、中風(fēng)和動(dòng)脈瘤等疾病，高密度脂蛋白不僅不易析出膽固醇，還能清除血管壁上沉積的膽固醇，送回肝臟分解。α－亞麻酸一種ω－3系列的脂肪酸，在體內(nèi)可合成 EPA和 DHA［13－16］。因此，對(duì)長(zhǎng)期食用飽和脂肪酸含量高的動(dòng)物油的人們，提倡多食用核桃油，對(duì)降低人體血壓、降低血清膽固醇有明顯療效，對(duì)防止動(dòng)物粥樣硬化、冠狀動(dòng)脈硬化和血栓的形成有著積極的作用，對(duì)人體的保健有重要意義［17－19］。

表4 山核桃油脂肪酸組成

圖8 山核桃油的氣象色譜圖

2.8 山核桃油理化性質(zhì)分析

國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定食用油呈黃色或淺黃色，無(wú)異味，酸價(jià)＜4.0 mgKOH/g，皂化值180～192 mg/kg，碘值85～105 gI2/100 g，過(guò)氧化值不得超過(guò) 10 mmol/kg。由表5的理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果可知，超聲波法提取山核桃油脂的碘價(jià)、皂化價(jià)、酸價(jià)、過(guò)氧化值均符合食用油標(biāo)準(zhǔn)，因此采用超聲波萃取技術(shù)是提取優(yōu)質(zhì)純凈山核桃油的較好方法。

表5 超聲波提取山核桃油理化性質(zhì)

3 結(jié)論

3.1 響應(yīng)面分析山核桃油提取過(guò)程中的各因素對(duì)提油率的影響大小依次為:超聲功率＞液料比＞超聲時(shí)間。

3.2 在本試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，建立并驗(yàn)證的回歸模型準(zhǔn)確有效，可用來(lái)分析和預(yù)測(cè)設(shè)定條件范圍內(nèi)及其附近的超聲提取山核桃油的工藝結(jié)果。

3.3 最優(yōu)提取條件為:提取溶劑為正己烷，液料比為 7∶1(mL∶g)，超聲波時(shí)間為 64 min，超聲波功率為646 W，在此條件下的提油率達(dá)到51.5%，不僅產(chǎn)品得率提高，而且大大降低了生產(chǎn)周期。

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