李奕，宋嘉欣，李昊辰，周茜，胡濱

(四川農(nóng)業(yè)大學 食品學院，四川 雅安，625000)

油莎豆 (CyperusesculentusL.) 又名油莎草、油莎果、地下板栗、地下核桃，為一年生作物[1]。由于具有適應性廣、產(chǎn)量大、含油量高的生物學特點，同時集糧、油、牧、飼為一體，油莎豆在經(jīng)濟、環(huán)保、社會各方面都具有極高的利用價值[2]。油莎豆中營養(yǎng)成分豐富，尤其油脂含量較高。而油莎豆油中含有大量單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸、亞麻酸等，是一種高營養(yǎng)價值植物油[3]。同時，通過對多種油料作物的能源利用潛力進行綜合評估，表明油莎豆是適宜我國種植的理想油料作物[4]。

油莎豆原料經(jīng)壓榨或浸出法得到的油被稱為毛油。毛油中含有較多膠溶性雜質(zhì)，包括磷脂、黏液質(zhì)、蛋白質(zhì)等，這些雜質(zhì)的存在使油脂穩(wěn)定性下降，不利于儲藏和加工，且會對油脂的其他精煉程序造成不良影響[5]。因此，為了去除雜質(zhì)，提高油脂穩(wěn)定性，脫膠便成為精制過程中的必要環(huán)節(jié)。常見的脫膠方法為水化脫膠，但該方法只能夠去除水化磷脂，而非水化磷脂依然保留在油中。酸法脫膠是通過加酸使非水化磷脂轉(zhuǎn)化為水化磷脂，再轉(zhuǎn)移到水相中去除[6]。因此，本實驗采用酸法脫膠對毛油進行脫膠處理。此外，經(jīng)過脫膠后的油中還存在大量游離脂肪酸，易使油脂酸敗水解、氧化，穩(wěn)定性降低，使油脂風味、儲藏等都受影響。為降低酸值，在脫膠后需要進行脫酸處理，以獲得優(yōu)質(zhì)精制油用于食用生產(chǎn)[7]。毛油常見的脫酸方法為堿煉脫酸法，但該法脫酸時使用苛性堿，油脂在堿作用下容易發(fā)生水解，造成油脂損耗[8]。酯化法脫酸是通過加入醇中和油中的游離脂肪酸，從而降低游離脂肪酸的含量[9]。因此，本實驗采用酯化法對脫膠油進行脫酸處理。

目前有關(guān)油莎豆毛油脫膠和脫酸的研究較少，因此，本實驗采取索氏提取法獲得油莎豆毛油，通過單因素試驗和正交試驗分別研究油莎豆油脫膠和脫酸的最優(yōu)工藝條件，并對精煉前后油的理化性質(zhì)、脂肪酸組成、主要官能團結(jié)構(gòu)和熱力學性質(zhì)進行分析，以期為油莎豆油的精煉以及油莎豆的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

1.1.1 原料與試劑

油莎豆，購自河北省定州市；石油醚(沸程60～90 ℃)、正己烷、活性炭、CuSO4、Al2O3、KNO3、甲醇、甲醇鈉、NaOH、KOH、Na2CO3、酚酞、乙醇、甲苯、三氯乙酸、2，4-二硝基苯肼、三氯甲烷、冰乙酸、KI、Na2S2O3、氯仿、淀粉指示劑、韋氏試劑等均為市售分析純。

1.1.2 儀器

FW135型中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，安捷倫科技(中國)有限公司；DZF-6020型真空干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器，河南予華儀器有限公司；UV-1200 型紫外可見分光光度計，翱藝儀器(上海)有限公司；LD5-2A型離心機，上海醫(yī)用離心機廠；LICHEN 2.5-10型馬弗爐，上海力辰科技儀器有限公司；Nicolet IS10傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾公司；Q200M DSC差示掃描量熱儀，美國TA公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 油莎豆油的提取

油莎豆油的提取按照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》采用索氏提取法進行。準確稱取烘干粉碎后的油莎豆粉移入濾紙筒內(nèi)。將濾紙筒放入索氏抽提器的抽提筒內(nèi)，連接已干燥至恒重的接收瓶，由抽提器冷凝管上端加入正己烷至瓶內(nèi)容積的2/3處，調(diào)整溫度至80 ℃，于水浴上加熱，回流抽提6 h。提取結(jié)束時，經(jīng)過濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑后，得到油莎豆毛油，提取率為29.46%。

1.2.2 油莎豆油脫膠工藝的優(yōu)化

1.2.2.1 脫膠工藝操作要點

參考牛玉芝[10]的方法，取適量油莎豆油于二頸燒瓶中，置于恒溫磁力攪拌器上，加熱到一定溫度，預熱5 min后，加入一定量磷酸，連續(xù)攪拌，然后加入3%油質(zhì)量的同溫蒸餾水，攪拌一定時間后，沉降、離心得到脫膠油[6]。由于毛油中膠體物質(zhì)以磷脂為主，磷脂含量高低是評價脫膠效果的重要指標，通過測定油脂中磷脂的含量來反映脫膠效果，結(jié)果用脫膠率表示，如公式(1)所示：

(1)

式中：ω1，脫膠前磷脂質(zhì)量分數(shù)，mg/g；ω2，脫膠后磷脂質(zhì)量分數(shù)，mg/g。

1.2.2.2 單因素試驗

(1)脫膠時間對脫膠率的影響：設(shè)定脫膠溫度為70 ℃、磷酸添加量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為0.2%，研究不同脫膠時間(10、20、30、40、50 min)對油莎豆油脫膠率的影響。

(2)脫膠溫度對脫膠率的影響：設(shè)定脫膠時間為30 min、磷酸添加量為0.2%，研究不同脫膠溫度(40、50、60、70、80 ℃)對油莎豆油脫膠率的影響。

(3)磷酸添加量對脫膠率的影響：設(shè)定脫膠時間為30 min、脫膠溫度為60 ℃，研究不同H3PO4添加量(0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%)對油莎豆油脫膠率的影響。

1.2.2.3 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以脫膠時間、脫膠溫度、磷酸添加量的3個不同水平，設(shè)計L9(33)正交試驗，以優(yōu)化最佳的脫膠工藝條件。

1.2.3 油莎豆油脫酸工藝的優(yōu)化

1.2.3.1 脫酸工藝操作要點

參考孫協(xié)軍等[9]的方法，取適量上述脫膠油于錐形瓶中，置恒溫磁力攪拌器上。加熱到一定溫度，預熱5 min后，按一定醇油物質(zhì)的量比向錐形瓶中加入甲醇和一定量濃H2SO4進行酯化反應，當油皂分離，停止攪拌，轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，加熱水洗滌至下層水樣呈中性，分離出廢水，將上層油樣收集至離心管中，2 500 r/min離心5 min后取出，吸取上清液，真空干燥脫除殘留甲醇，得到脫酸油。由于游離脂肪酸的存在會使油脂發(fā)生酸敗，酸值的高低是評價脫酸效果的重要指標，通過測定油脂中的酸值來反映脫酸效果，結(jié)果用脫酸率來表示，如公式(2)所示：

(1)

式中：ω3，脫酸前磷脂質(zhì)量分數(shù)，mg/g；ω4，脫酸后磷脂質(zhì)量分數(shù)，mg/g。

1.2.3.2 單因素試驗

(1)脫酸溫度對脫酸率的影響：設(shè)定脫酸時間60 min、醇油物質(zhì)的量比10∶1、濃H2SO4添加量3%(體積分數(shù))，研究不同脫酸溫度(40、50、60、70、80 ℃)對油莎豆油脫酸率的影響。

(2)脫酸時間對脫酸率的影響：設(shè)定脫酸溫度60 ℃、醇油物質(zhì)的量比10∶1、濃H2SO4添加量3%，研究不同脫酸時間(40、50、60、70、80 min)對油莎豆油脫酸率的影響。

(3)濃H2SO4添加量對脫酸率的影響：設(shè)定脫酸溫度60 ℃、脫酸時間60 min、醇油物質(zhì)的量比10∶1，研究不同濃H2SO4添加量(2%、2.5%、3%、3.5%、4%)對油莎豆油脫酸率的影響。

(4)醇油物質(zhì)的量比對脫酸率的影響：設(shè)定脫酸溫度60 ℃、脫酸時間60 min、濃H2SO4添加量3%，研究不同醇油物質(zhì)的量比(6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1)對油莎豆油脫酸率的影響。

1.2.3.3 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇脫酸時間、脫酸溫度、醇油物質(zhì)的量比、濃H2SO4添加量的3個不同水平上設(shè)計L9(34)正交試驗，以優(yōu)化最佳的脫酸工藝條件。

1.2.4 油莎豆油的分析與表征

1.2.4.1 理化特征分析

皂化值按照GB/T 5534—2008《動植物油脂 皂化值的測定》進行；碘值按照GB/T 5532—2008《動植物油脂 碘值的測定》測定；酸價按照GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》進行；過氧化值按照GB/T 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》進行；磷脂按照 GB/T 5537—2008《糧油檢驗 磷脂含量的測定》進行。

1.2.4.2 差示熱量掃描(differential scanning calorimetry,DSC)分析

取10 μL油樣于鋁制微型坩堝中，將坩堝封口，環(huán)境氣體為高純度N2，流速50 mL/min，以空坩堝作為空白對照。以50 ℃為初始溫度，保持3 min后，以10 ℃/min的速率降至-70 ℃并保持3 min，再以10 ℃/min的速率升至50 ℃，記錄其放熱與吸熱曲線。

1.2.4.3 紅外光譜分析

以KBr作為載體，采用涂布法，掃描波數(shù)范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描32次，以KBr鹽窗作為背景采集?？鄢尘昂螅瑢t外光譜圖進行分析。

1.2.4.4 GC-MS分析

樣品甲酯化按照GB 5009.168—2016的方法處理。GC條件：Agilent HP-5MS氣相色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm)；載氣為高純度N2；起始溫度為120 ℃，保持1 min后，采用程序升溫的方式，升高至240 ℃，保持3 min；進樣量為1 μL；分流比為20∶1；柱流量為1 mL/min。MS條件：全掃描方式；接口溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，四級桿溫度為150 ℃；質(zhì)譜掃描質(zhì)荷比(m/z)為50～550 μ。經(jīng)過GC-MS分析后，所得各組分峰相關(guān)信息通過NIST 11.L檢索庫進行對比定性，同時各成分含量以峰面積歸一法計算[11-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫膠工藝優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗

2.1.1.1 脫膠時間對脫膠率的影響

由圖1-a可知，隨著時間增加，脫膠率呈先上升后下降趨勢，并且在30 min時達到最大值。LIU等[11]研究表明，磷脂從浸潤到完成水化需要一定的時間才能達到水與油混合的目的。同時，略微延長時間可使磷脂充分凝聚形成膠體，促進脫膠正向進行[14]。若脫膠時間過長，可能會發(fā)生逆反應，使已凝聚的磷脂重新分散至水體中，從而出現(xiàn)脫膠率降低結(jié)果，同時造成油脂乳化，這與張紅等[12]對菜籽油的脫膠研究結(jié)果一致。因此脫膠時間選擇30 min為宜。

圖1 脫膠時間(a)和溫度(b)對脫膠效果的影響Fig.1 Effect of time and temperature on degumming result

2.1.1.2 脫膠溫度對脫膠率的影響

由圖1-b可知，隨著溫度升高，脫膠率呈先升高后下降趨勢，且在60 ℃時達到最大值。COSTA等[13]對于不同脫膠方式效果的研究表明，在溫度較低時，升高溫度，可降低油的黏度，使磷脂水合能力增強，易凝聚形成膠體，使其在后續(xù)離心等過程中易于被去除。同時，磷脂形成膠體的過程可逆，超過膠體凝聚的臨界溫度后，已形成的膠體可能會重新離解分散，導致磷脂含量增加，脫膠率降低[14]。因此脫膠溫度選擇60 ℃為宜。

2.1.1.3 磷酸添加量對脫膠率的影響

由圖2可知，隨著磷酸添加量增加，脫膠率呈先上升后下降趨勢，且在質(zhì)量分數(shù)0.15%時出現(xiàn)最大值。這是由于磷脂包括水化磷脂與非水化磷脂，利用磷脂的雙親性，磷酸可輔助其將非水化磷脂轉(zhuǎn)化為水化磷脂，再經(jīng)過凝聚形成膠體將其去除[15]。通過增加磷酸添加量，可以使磷酸與磷脂的接觸幾率增大，水化磷脂轉(zhuǎn)化率提高，當使用0.15%磷酸時，便可將大多非水化磷酸轉(zhuǎn)化為水化磷酸，此時油脂中磷脂含量最低，脫膠率最高，與GHAZANI等[16]的研究結(jié)果相似。若繼續(xù)添加磷酸，多余的游離磷酸可能會破壞已經(jīng)凝聚的磷脂膠體，從而出現(xiàn)脫膠率下降的現(xiàn)象。因此磷酸添加量(質(zhì)量分數(shù))選擇0.15%為宜。

圖2 磷酸添加量對脫膠效果的影響Fig.2 Effect of phosphoric acid concentration on degumming result

2.1.2 正交試驗優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，設(shè)計脫膠時間、脫膠溫度、磷酸添加量的3個不同水平，進行L9(33)正交試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

表1 脫膠工藝的正交實驗設(shè)計及結(jié)果Table 1 Design and results of orthogonal test design of degumming

由表1可知，各因素對脫膠率影響大小的主次順序為：B>A>C，即脫膠溫度對脫膠率的影響最大，其次是脫膠時間，磷酸添加量的影響最小，最佳工藝組合為A1B2C1，即脫膠時間20 min，脫膠溫度60 ℃，磷酸添加量(質(zhì)量分數(shù))0.10%。為了驗證工藝可行性，在該條件下進行3次平行驗證實驗，測得磷脂含量為(0.98±0.05)mg/g，此時脫膠率為92.85%。該工藝的脫膠率與單因素實驗結(jié)果相比較明顯縮短了脫膠時間，減少了能耗。因此，該脫膠工藝可以作為最佳工藝組合進行油莎豆毛油的脫膠處理。

2.2 脫酸工藝優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗結(jié)果

2.2.1.1 脫酸溫度對脫酸率的影響

由圖3-a可知，隨著反應溫度升高，油莎豆油的脫酸率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并在60 ℃時出現(xiàn)最高值。SAKA等[17]的研究表明隨溫度升高，酯化反應速率加快，溫度持續(xù)升高，反應逐漸趨于平穩(wěn)，但當反應溫度高于甲醇沸點時，甲醇損失增加，導致酯化反應體系中底物減少，從而使脫酸率降低。因此脫酸時間選擇60 ℃為宜。

圖3 脫酸溫度(a)和時間(b)對脫酸效果的影響Fig.3 Effect of temperature and time on deacidification results

2.2.1.2 脫酸時間對脫酸率的影響

由圖3-b可知，隨著時間延長，脫酸率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并在60 min時出現(xiàn)最高值。這是由于酯化反應為可逆反應，隨時間延長，反應持續(xù)向正反應方向進行，產(chǎn)物增加，底物減少；KOUZU等[18]的研究表明,當產(chǎn)物過多時不利于正反應進行，達到60 min后，脫酸率降低；同時，游離脂肪酸在甲醇中的溶解量也趨于飽和，正反應進行緩慢，不利于酯化反應。因此脫酸時間選擇60 min為宜。

2.2.1.3 濃H2SO4添加量對脫酸率的影響

由圖4-a可知，隨著催化劑用量增大，脫酸率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并在濃H2SO4添加質(zhì)量分數(shù)為3%時出現(xiàn)最高值。這是由于濃H2SO4作為酯化反應的催化劑，加快反應速率，促使酯化反應向正反應方向進行；同時作為失水劑，減少副產(chǎn)物中的水分含量，提高酯的純度；但當濃H2SO4過量時，在一定程度上會降低該體系的脫酸率，在該反應溫度和時間下過量的濃H2SO4可能使油脂發(fā)生炭化，從而導致副反應的發(fā)生，降低酯化反應速率，使脫酸率降低[19]。董英等[20]用濃H2SO4為催化劑對米糠毛油進行脫酸處理時，也得出了類似結(jié)論。因此濃H2SO4添加質(zhì)量分數(shù)選擇3%為宜。

圖4 濃H2SO4添加量(a)和 醇油物質(zhì)的量比(b)對脫酸效果的影響Fig.4 Effect of H2SO4 concentration and methanol to oil molar ratio on deacidification results

2.2.1.4 醇油物質(zhì)的量比對脫酸率的影響

由圖4-b可知，隨著醇油物質(zhì)的量比增大，脫酸率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在醇油物質(zhì)的量比為10∶1時出現(xiàn)最高值。這是由于隨醇油物質(zhì)的量比增大，甲醇增多，有利于酯化反應向正反應方向進行。孫協(xié)軍等[9]的研究表明，當甲醇過量時會使油中的游離脂肪酸和催化劑濃度相對降低，不利于反應物分子與催化劑活性中心接觸，且會使此反應體系中的流體性質(zhì)發(fā)生改變，從而不利于酯化反應進行，降低脫酸率。因此醇油物質(zhì)的量比選擇10∶1為宜。

2.2.2 正交試驗優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，設(shè)計脫酸時間、脫酸溫度、醇油物質(zhì)的量比、濃H2SO4量添加量4因子在3個不同水平，進行L9(34)正交試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

由表2可知，各因素對油莎豆脫膠油酸值影響大小的主次順序為A>D>C>B，即溫度>醇油物質(zhì)的量比>濃H2SO4添加量>時間，最佳酯化反應條件為A2B3C3D1。為了驗證該工藝條件的可行性，通過3次驗證實驗，得到的酸值為(0.36±0.01)mg KOH/g，脫酸率為95.78%。鑒于反應時間對脫酸率的影響相對較低，為了節(jié)約能耗，將脫酸時間由70 min減少為60 min，即在脫酸溫度60 ℃，濃H2SO4添加量(質(zhì)量分數(shù))3%，醇油物質(zhì)的量比為10∶1條件下進行3次驗證實驗，得到的酸值為(0.35±0.01)mg KOH/g，脫酸率為95.62%，表明減少脫酸時間沒有對脫酸率產(chǎn)生顯著影響，該工藝脫酸效果良好，可作為最佳工藝組合用于油莎豆脫膠油的脫酸處理。

表2 脫酸工藝的正交實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of orthogonal test design of deacidification

2.3 油莎豆油理化特征分析

由表3可知，油莎豆毛油經(jīng)過脫膠和脫酸處理后，其皂化值、碘值差異不顯著，說明脫膠和脫酸工藝沒有對油莎豆油的分子量分布和脂肪酸飽和度產(chǎn)生影響。而酸值、過氧化值和磷脂含量顯著降低，尤其酸值和過氧化值均符合GB 2716—2018《食品安全國家標準 植物油》中關(guān)于酸值(<4 mg KOH/g)和(≤0.25 g/100 g)的限量要求。此外，精制后的油透明澄清，色澤較淡，具有油脂特有的風味，這表明油莎豆毛油通過降低磷脂、酸值和過氧化值含量提高了油脂的品質(zhì)。冉軍艦等[21]在對櫻桃仁毛油進行脫膠和脫酸處理時也得出類似結(jié)論。

表3 油莎豆毛油與精制油理化特征值比較Table 3 Physical and chemical characteristic values of C.esculentus oil and refined oils

2.4 GC-MS分析

由圖5和表4可知，油莎豆毛油和精制油的主要脂肪酸組成相同，分別為棕櫚酸、亞油酸、油酸、十二烷酸、反-9-十八碳烯酸和硬脂酸。由此可知，精制過程未對油莎豆油所含脂肪酸造成破壞，滿足進一步加工的要求。此外，本實驗獲得的油莎豆油的脂肪酸組成與侯朝雷等[22]的報道相一致。

a-油莎豆毛油; b-精制油1-棕櫚酸；2-亞油酸；3-油酸；4-硬脂酸；5-二十烷酸；6-反-9-十八碳烯酸圖5 精制前后油樣脂肪酸甲酯總離子流圖Fig.5 Total ionic flow diagram of fatty acid methyl ester extracted from the original and refining oils

表4 精制前后油樣的脂肪酸組成及含量 單位：%Table 4 Fatty acid composition and content of the original and refining oils

2.5 DSC分析

DSC分析是一種應用較廣泛的熱分析法，與傳統(tǒng)方法相比，樣品試用量少，可以快速表征油脂的熱力學特性[23]。圖6是油莎豆毛油和精制油的結(jié)晶與熔融過程的DSC曲線。油莎豆毛油和精制油的吸熱與放熱曲線整體形狀、峰型均相似，僅肩峰位置存在微小差異。升溫過程中，2個油樣的起始溫度均在-65 ℃左右，出現(xiàn)1個主要吸熱峰，峰值溫度為-49 ℃左右。降溫過程中，2個油樣的起始溫度均在2 ℃左右，出現(xiàn)1個主要放熱峰，峰值溫度為-5 ℃左右。表明脫膠和脫酸工藝沒有對油莎豆油的熱力學性質(zhì)產(chǎn)生影響，這與2.4中油莎豆油的脂肪酸組成沒有受到脫膠和脫酸工藝影響的結(jié)論相一致。

a-油莎豆毛油; b-精煉油圖6 精煉前后油樣DSC圖Fig.6 DSC curves of the original and refining oils

2.6 紅外光譜分析

a-油莎豆毛油; b-精煉油圖7 精煉前后油樣紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of the original and refining oils

3 結(jié)論

本研究通過索氏提取法提取油莎豆毛油，對其進行精煉處理，通過單因素試驗和正交試驗得到最佳的脫膠工藝條件為脫膠時間20 min、溫度60 ℃、磷酸添加量(質(zhì)量分數(shù)，下同)0.10%，此條件下油莎豆脫膠油磷脂含量為(0.98±0.05)mg/g，脫膠率為92.85%；最佳的脫酸工藝條件為脫酸溫度60 ℃、時間60 min、濃H2SO4添加量3%，醇油物質(zhì)的量比10∶1，此條件下油莎豆脫酸油酸值為(0.35±0.01)mg KOH/g，脫酸率為95.62%。該酸值和過氧化值含量均符合GB 2716—2018《植物油》中對酸值和過氧化值的限量要求。通過對油莎豆毛油及其精制油的理化性質(zhì)、GC-MS、DSC、紅外光譜分析可知，本實驗精煉工藝對油莎豆油的脂肪酸組成、官能團結(jié)構(gòu)、熱力學性質(zhì)未產(chǎn)生明顯影響。因此，油莎豆毛油經(jīng)過脫膠和脫酸工藝后，磷脂和酸值含量明顯下降，達到了食用油的品質(zhì)要求，本研究脫膠和脫酸工藝適用于油莎豆毛油的精煉生產(chǎn)。