王興宏 馬紹英 李秉建 夏玉文 王 悅 李 勝,?

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心,甘肅蘭州 730070)

牡丹 ( Paeonia suffruticosa ) 屬芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)落葉灌木,是原產(chǎn)于我國的傳統(tǒng)名花,也是世界著名花卉之一,在日本、韓國、北美洲等地區(qū)廣泛種植[1],在我國主要分布在山東、河南、甘肅、安徽、西藏等地,牡丹籽年產(chǎn)量達(dá)5 785.5萬kg[2]。牡丹不僅具有極高的觀賞價值,還因其含有各種功能成分而被廣泛用作中藥和功能性食品的原料[3]。研究表明,牡丹具有抗菌消炎、降血糖、抗動脈粥樣硬化、抗心律失常等多種藥理作用[4-6]。牡丹籽油中含有17 種脂肪酸成分,且不飽和脂肪酸含量豐富,達(dá)90%以上[7-8],具有較高的保健與營養(yǎng)價值,同時在化工及美容化妝品產(chǎn)業(yè)上也具有廣闊的開發(fā)前景[9]。

牡丹籽油的提取方法較多[10],其中,低溫壓榨法出油率低,勞動強(qiáng)度大,不利于油料的綜合利用;超臨界流體萃取法設(shè)備昂貴且對技術(shù)要求較高[11-12],不利于工業(yè)化生產(chǎn);索式提取法耗時長,所提取油脂品質(zhì)低,并且需要特定的索式提取器,不利于大規(guī)模應(yīng)用;水代法提取率低,分離困難,其操作方式相對落后,無法實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化;而有機(jī)溶劑浸提法出油率較高[13],工藝簡單,適合規(guī)?；a(chǎn),但目前提取率并不算高,且提取原油的精煉工藝復(fù)雜,精煉油品質(zhì)較低。故本試驗利用有機(jī)溶劑浸提法提取牡丹籽油,在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面分析方法優(yōu)化牡丹籽油的提取工藝,同時對提取的牡丹籽原油進(jìn)行精煉,以期建立牡丹籽油提取與精煉的最佳工藝,為牡丹籽油的進(jìn)一步研究和深度開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牡丹籽(江蘇宿遷,含水量為15%)、石油醚(分析純)、冰乙酸(分析純)和無水乙醇(分析純)均購自成都市科龍化工試劑廠;丙酮(分析純)、乙酸乙酯(分析純)和甲醇(分析純)均購自山東禹王實業(yè)有限公司化工分公司;韋氏試劑(分析純)購自上海源葉生物科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

RT-02B 二兩裝高速萬能粉碎機(jī),浙江屹立工貿(mào)有限公司;HH4 恒溫水浴鍋,江蘇榮華儀器制造有限公司;DT1000 電子天平,上海精密科學(xué)儀器有限公司;RE2000B 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海亞榮生化儀器廠;SHZⅢ-型循環(huán)式水浴真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 牡丹籽油提取單因素試驗設(shè)計 選用新鮮飽滿、無蟲害、干燥的牡丹籽,使用二兩裝高速萬能粉碎機(jī)粉碎至一定粒度,稱取50 g(精確至0.001 g)牡丹籽粉末,按一定料液比加入石油醚溶劑[14-15],在恒溫水浴鍋中浸提一段時間后,抽濾除去殘渣,得到濾液。該濾液于50℃、150 r·min-1、0.06 MPa 的條件下真空濃縮至除盡有機(jī)溶劑,得到牡丹籽原油。按照公式計算牡丹籽原油提取率：

根據(jù)上述方法提取牡丹籽原油,在浸提溶劑為石油醚、料液比1 ∶5 g·mL-1、浸提時間3 h、粉碎粒度40 目和浸提溫度60℃的基礎(chǔ)條件上,改變其中一個因素,固定其他因素,研究不同浸提溶劑(石油醚、乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯)、料液比(1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶9、1 ∶11 g·mL-1)、浸提時間(1、2、3、4、5 h)、粉碎粒度(整粒、20、40、60、80 目)和浸提溫度(40、50、60、70、80℃)對牡丹籽原油提取率的影響,每個試驗重復(fù)3 次。

1.3.2 牡丹籽原油提取響應(yīng)面試驗設(shè)計 在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理,以浸提溫度(A)、浸提時間(B)、料液比(C)3 個因素為自變量,牡丹籽原油提取率為響應(yīng)值,進(jìn)行三因素三水平的試驗設(shè)計,以確定牡丹籽原油最佳提取條件。響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計與因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與因素水平表Table 1 Design and factors of response surface experiment

1.3.3 牡丹籽原油的主要理化特性分析 酸值：參照GB 5009.229-2016[16]的方法測定;碘值：參照GB/T 5532 - 2008[17]的方法測定; 過氧化值： 參照GB 5009.227-2016[18]的方法測定;磷脂含量：參照GB/T 5537-2008[19]的方法測定。

1.3.4 牡丹籽原油精制的全面試驗設(shè)計 參考白喜婷等[20]的方法,并略作修改。利用全面試驗優(yōu)化制得的牡丹籽原油,采用高溫水化法脫膠[21]、高溫淡堿法脫酸[22]、活性白土脫色[23],以及自制活性碳柱除臭制備牡丹籽精制油。

1.3.4.1 高溫水化法脫膠中不同油重的沸水對牡丹籽原油精制的影響 將毛油加熱至50℃,分別加入油重2%、4%、6%的沸水,攪拌15 min,待溫度升至80℃時停止攪拌,保溫靜置5 h 后分離除去下層水和膠質(zhì),得到牡丹籽脫膠油。

1.3.4.2 高溫淡堿法脫酸中不同堿液濃度對牡丹籽原油精制的影響 將脫膠油在攪拌狀態(tài)下升溫至50℃,用適當(dāng)?shù)乃俣确謩e將6%、8%、10%堿液倒入油中,當(dāng)油中出現(xiàn)皂腳顆粒,減慢攪拌速度,待溫度升至80℃時停止攪拌,保溫靜置12 h 后在溫度4℃、轉(zhuǎn)速4 000 r·min-1的條件下離心10 min,分離出下層皂角,得到牡丹籽脫酸油。

1.3.4.3 脫色試驗中不同油重的活性白土對牡丹籽原油精制的影響 將脫酸油置于燒杯中,在攪拌下加熱至50℃,加入活性白土,其用量分別為油重2%、4%、6%,攪拌15 min,繼續(xù)加熱至80℃,保溫靜置5 h后在溫度4℃、轉(zhuǎn)速4 000 r·min-1的條件下離心10 min,分離出下層皂角,得到牡丹籽脫色油。

除臭：將40 目的活性碳加入到層析柱中制備成活性碳柱,將脫色毛油以0.9 mL·min-1的流速過活性碳柱,濾去脫色原油中殘留的油脂和活性白土,重復(fù)3 次后即得澄清透亮金黃色的精煉油。按照公式計算牡丹籽油精制率：

表2 全面試驗設(shè)計與因素水平表Table 2 Design and factors of comprehensive experiment

在精煉過程中,按照上述步驟設(shè)置的3 個不同梯度進(jìn)行全面試驗,對得到的27 個組合精煉出來的牡丹籽油進(jìn)行各項理化指標(biāo)的測定,并進(jìn)行主成分分析,以確定牡丹籽油精煉工藝的最佳組合。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0 軟件對全面試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,并采用Duncan′s 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。應(yīng)用DX6Trial 響應(yīng)面軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 牡丹籽油提取單因素試驗結(jié)果

2.1.1 浸提溶劑對牡丹籽原油提取率的影響 由圖1 可知,不同浸提溶劑對牡丹籽原油提取率的影響不同,其中,乙醇作為浸提溶劑時,牡丹籽原油提取率最低,為20.82%;石油醚作為浸提溶劑時,牡丹籽原油提取率最高,為28.86%。此外,石油醚為浸提溶劑時牡丹籽油提取率顯著高于乙醇、丙酮(P＜0.05),但與乙酸乙酯和甲醇間差異不顯著。綜合考慮試驗結(jié)果及價格因素,選取石油醚作為牡丹籽原油的浸提溶劑。

圖1 不同浸提溶劑對牡丹籽原油提取率的影響Fig.1 Effect of different solvents on the crude oil extraction rate of peony seed

2.1.2 浸提時間對牡丹籽原油提取率的影響 由圖2 可知,隨著浸提時間的延長,牡丹籽原油提取率先增加后減少,當(dāng)浸提時間為4 h 時,牡丹籽原油提取率顯著增大至最大值(30.79%)(P＜0.05)。繼續(xù)延長浸提時間,牡丹籽原油提取率下降,這是由于牡丹籽出油率與浸提時間在一定范圍內(nèi)成正比,待油脂擴(kuò)散達(dá)到平衡時間點即可,時間過長會導(dǎo)致有效成分溶解,大量雜質(zhì)溶出[24-25],進(jìn)而導(dǎo)致牡丹籽原油提取率下降。綜上,選取4 h 作為牡丹籽原油的最佳浸提時間。

圖2 不同浸提時間對牡丹籽原油提取率的影響Fig.2 Effect of different extraction time on crude oil extraction rate of peony seed

2.1.3 料液比對牡丹籽原油提取率的影響 由圖3可知,隨著料液比的增大,牡丹籽原油提取率逐漸增加,當(dāng)料液比為1 ∶7 g·mL-1時,牡丹籽原油提取率顯著增加至25.74%(P＜0.05),繼續(xù)增大料液比,牡丹籽原油提取率略有下降?？紤]到料液比越高,需要的石油醚越多,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)時間越長,綜合考慮試驗結(jié)果及能耗因素,選取1 ∶7 g·mL-1作為牡丹籽原油的最佳料液比。

圖3 不同料液比對牡丹籽原油提取率的影響Fig.3 Effect of different liquid ratio on the crude oil extraction rate of peony seed

2.1.4 浸提溫度對牡丹籽原油提取率的影響 由圖4 可知,浸提溫度不同,牡丹籽原油提取率不同。當(dāng)浸提溫度為40～50℃時,牡丹籽原油提取率隨著浸提溫度的升高而增加,浸提溫度為50℃時,牡丹籽油提取率達(dá)到最大值(29.93%),繼續(xù)升高浸提溫度,牡丹籽原油提取率則逐漸降低,這是因為浸提溫度達(dá)到60℃時,溫度過高,溶劑分子運(yùn)動過于激烈,此條件下有機(jī)溶劑(石油醚)易揮發(fā),使得有機(jī)溶劑含量減少,進(jìn)而導(dǎo)致牡丹籽原油提取率降低[26]。綜合考慮,選擇50℃作為牡丹籽原油的最佳浸提溫度。

2.1.5 粉碎粒度對牡丹籽原油提取率的影響 粉碎粒度越大,浸提溶劑與牡丹籽粉的接觸面積越大。由圖5 可知,隨著牡丹籽粉粉碎粒度的增大,牡丹籽原油提取率先增大后減小,當(dāng)牡丹籽粉碎粒度為40 目時,牡丹籽原油提取率最高,為16.46%,顯著高于整粒、20 目、80 目(P＜0.05),但與粉碎粒度為60 目時的牡丹籽原油提取率間差異不顯著。此外,牡丹籽原油提取率并未隨著粉碎粒度的增大而增大,分析原因是粉碎粒度過大,物料太細(xì),易吸附成塊狀,反而增加了傳質(zhì)阻力,不利于浸提,導(dǎo)致牡丹籽原油提取率降低[27]。綜合考慮試驗結(jié)果及能耗因素,選擇40 目作為牡丹籽原油提取的最佳粉碎粒度。

圖5 不同粉碎粒度對牡丹籽原油提取率的影響Fig.5 Effect of different grinding particle size on the crude oil extraction rate of peony seed

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化石油醚浸提牡丹籽原油的提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果 依據(jù)Box-Benhnken的中心組合設(shè)計的原理[28],在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)行試驗設(shè)計,響應(yīng)面設(shè)計方案與結(jié)果見表3。

2.2.2 牡丹籽原油提取率預(yù)測模型方程的建立及顯著性分析 用DX6Trial 響應(yīng)面軟件對表3 中的試驗結(jié)果進(jìn)行分析,得到二階響應(yīng)表面模型方程[29]：Y=27.17+0.82A+0.86B+0.63C-1.30A2-0.97B2-1.36C2+0.17AB+1.02AC+1.10BC。對回歸方程進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表4。

由表4 可知,模型對試驗擬合良好,模型顯著性檢驗P＜0.05,該模型顯著,具有統(tǒng)計學(xué)意義。失擬項P值為0.543 1＞0.05,校正決定系數(shù)R2Adj為0.830 2,決定系數(shù)R2=0.910 6,說明失擬項不顯著,方程對試驗的擬合度較好,方法可靠,可以利用該模型回歸方程確定牡丹籽原油的最佳提取工藝條件。從單因素水平分析,各因素影響順序為浸提時間＞浸提溫度＞料液比。

2.2.3 各因素及交互作用對牡丹籽原油提取率的影響 根據(jù)圖6 中響應(yīng)面及等值線的形狀分析可知,當(dāng)浸提溫度57.34℃、浸提時間5 h、料液比1 ∶10.91 g·mL-1時,回歸模型預(yù)測牡丹籽原油理論提取率可達(dá)28.20%。考慮到實際操作情況,將牡丹籽原油提取條件工藝修正為浸提溫度57℃、浸提時間5 h、料液比1 ∶11 g·mL-1,此條件下實際測得牡丹籽原油提取率為27.63%,較理論預(yù)測值低0.57%,誤差較小,說明該響應(yīng)面回歸模型可靠,具有可行性。

2.3 牡丹籽原油精制試驗優(yōu)化結(jié)果與主成分分析

在牡丹籽原油的精煉過程中,對27 個全面試驗組合的牡丹籽精煉油進(jìn)行磷脂含量、過氧化值、碘值和酸值等理化指標(biāo)的測定,結(jié)果見表5。

利用SPSS 19.0 對表5 中的理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表6。主成分個數(shù)提取原則為主成分對應(yīng)的特征值大于1 的前m 個主成分。由表5 可知,提取特征根大于1 的主成分,提取到2 個主成分,第1 主成分和第2 主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為33.671%和27.979%,2 個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)61.651%。提取2 個主成分來反映四項理化指標(biāo)在各主成分上的有效載荷,結(jié)果見表7。

由表7 可知,磷脂含量、過氧化值在第1 主成分有較高成分,說明第1 主成分基本反映了這些指標(biāo)的信息;碘值和酸值在第2 主成分上有較高成分,說明第2主成分基本反映了碘值和酸值的信息,所以提取這2個主成分是可以基本反映牡丹精油各理化指標(biāo)的全部指標(biāo)信息。

用表7 數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根便得到2 個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù),即主成分系數(shù)矩陣,然后得出主成分表達(dá)式：

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of response surface experiment

圖6 各因素及交互作用對牡丹籽油提取率的影響Fig.6 Effects of each factors and interactions on extraction rate of peony seed oil

表4 回歸方程顯著性檢驗Table 4 Significant test of regression equation

表5 牡丹籽精煉油各理化指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 5 The physical and chemical index data of peony seed refined oil

表5(續(xù))

表6 方差分解主成分提取分析表Table 6 Variance decomposition main component extraction analysis table

表7 主成分分析成分矩陣和相關(guān)系數(shù)矩陣Table 7 Principal component analysis component matrix and correlation coefficient matrix

式中,ZA、ZB、ZC、ZD 分別為標(biāo)準(zhǔn)化后磷脂含量、過氧化值、碘值和酸值。

以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型：

通過SPSS19.0 軟件對各理化指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將標(biāo)準(zhǔn)值帶入主成分綜合模型公式計算出綜合主成分值(表8)。結(jié)果表明,F 值為1.292 時所對應(yīng)的理化指標(biāo)為最佳,即在牡丹籽原油的精煉過程中,高溫水化脫膠時加入4%的沸水,高溫淡堿脫酸時加入8%的堿液,用2%的活性白土脫色后過活性碳柱制得的牡丹籽精煉油各綜合指標(biāo)最優(yōu),此條件下磷脂含量8.37 mg·100g-1、過氧化值2.48 meq·kg-1、碘值160.85 g·100g-1、酸值0.37 mg NaOH·g-1。

表8 各理化指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和綜合成分值Table 8 Standard value and comprehensive component values of physical and chemical indicators

3 討論

牡丹籽油富含亞油酸和亞麻酸,是極具保健作用的優(yōu)質(zhì)食用油,但提取技術(shù)一直是制約其大規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸之一。饒鴻雁[26]采用超高壓輔助法提取牡丹籽油,提取率達(dá)28.7%;姚歡歡[30]采用正己烷超聲輔助法提取牡丹籽油,提取率達(dá)29.00%,但上述兩種方法提取噪音大,對設(shè)備要求嚴(yán)格,提取工藝復(fù)雜。本研究通過考察5 個單因素水平對牡丹籽油提取率的影響,最終篩選出3 個主要因素并采用響應(yīng)面法優(yōu)化了提取條件,建立了影響牡丹籽油提取率的二次多項數(shù)學(xué)模型,經(jīng)檢驗,該模型具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義,可用于生產(chǎn)預(yù)測,且有機(jī)溶劑提取法能耗低,溶劑可循環(huán)利用,有利于大規(guī)模生產(chǎn)。綜合考慮各方面的因素,牡丹籽原油提取優(yōu)化條件為：提取溫度57℃、提取時間5 h、料液比1 ∶11 g·mL-1,此條件下牡丹籽油提取率為27.63%。本研究中所采用的牡丹籽原油提取工藝得到的原油提取率較超高壓輔助法和超聲輔助法稍低,但提取工藝更簡單,對設(shè)備的要求更低,噪音污染低,因而提取成本低,更有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

牡丹籽油的精煉主要是除去牡丹籽原油中的膠質(zhì)、游離脂肪酸、皂粒和氧化產(chǎn)物等。除臭是精煉工藝中最后一步,主要目的是除去影響油的氣味和口感等雜質(zhì)[9]。白喜婷等[20]采用水蒸汽蒸餾法對牡丹籽脫酸油進(jìn)行脫臭, 所得理化指標(biāo)為磷脂含量17 mg·100g-1、過氧化值1.61 meq·kg-1、碘值144 g·100g-1、酸值0.29 mg NaOH·g-1。馬素敏等[31]探究了除臭溫度和除臭時間對牡丹籽油過氧化值和氣味的影響,發(fā)現(xiàn)除臭溫度為190℃,除臭時間為60 min 時,酸值、過氧化值、色澤和氣味指標(biāo)基本符合二級大豆油國家標(biāo)準(zhǔn)。本試驗采用自制活性碳柱除臭,其優(yōu)點是操作簡便,對試驗設(shè)備要求低,在試驗過程中發(fā)現(xiàn)活性碳柱對牡丹籽油中的殘留物吸附效果好,制得的牡丹籽精煉油各理化指標(biāo)最優(yōu)結(jié)果為磷脂含量8.37 mg·g-1、過氧化值2.48 meq·kg-1、碘值160.85 g·100g-1、酸值0.37 mg NaOH·g-1。綜合比較,利用活性碳柱除臭所制得的牡丹籽精煉油在過氧化值和酸值上品質(zhì)不如水蒸氣蒸餾除臭的效果好,但其磷脂含量較低,碘值較高,油的色澤透亮,表明牡丹籽精煉油經(jīng)活性炭柱除臭后膠體雜質(zhì)更少,不飽和脂肪酸含量更高。這是因為利用活性碳柱除臭除雜時,較水蒸氣蒸餾除臭縮短了高溫處理時間,減少了不飽和脂肪酸被氧化的量,在一定程度上提高了油的品質(zhì)。

在今后的研究中,應(yīng)對牡丹籽油提取和精煉工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步提高原油提取率,降低活性碳柱除臭中牡丹籽精油的過氧化值和酸值,以進(jìn)一步提高牡丹籽精煉油的品質(zhì)。

4 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明,當(dāng)牡丹籽粉粉碎粒度為40 目,選取石油醚為浸提溶劑時,經(jīng)響應(yīng)面分析法優(yōu)化,得到的牡丹籽油提取工藝條件：浸提溫度57℃、浸提時間5 h、料液比1 ∶11 g·mL-1,此條件下牡丹籽油提取率為27.63%。高溫水化脫膠時加入油重4%沸水,高溫淡堿脫酸時加入8%堿液,用油重2%活性白土脫色后過活性碳柱制得的牡丹籽精油各綜合指標(biāo)最優(yōu),此條件下牡丹籽精油的磷脂含量8.37 mg·100g-1、過氧化值2.48 meq·kg-1、碘值160.85 g·100g-1及酸值0.37 mg NaOH·g-1,且所得牡丹籽精油膠體雜質(zhì)少,色澤透亮。綜上,本研究可為牡丹籽油產(chǎn)品的深加工和牡丹籽油的研究提供一定的技術(shù)參考和理論依據(jù)。