馮麗丹, 郝 明, 張 威, 李 捷, 魏 娟, 畢 陽(yáng),柴守環(huán)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1,蘭州 730070)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院2,蘭州 730070)

(甘肅梓園生物工程有限責(zé)任公司3,蘭州 730070)

沙棘籽油是從沙棘籽中提取的油脂,具有抗氧化[1]、抗炎[2]、治療多種皮膚損傷[3, 4]等功能,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、藥品及化妝品等行業(yè)。未經(jīng)精制的沙棘籽油顏色較深,其中含有水分、色素、部分游離脂肪酸及呈味物質(zhì)等[5],影響籽油的商品性及后期儲(chǔ)存的穩(wěn)定性。吸附脫色法在植物油的脫色中應(yīng)用最為廣泛,常用的脫色劑有凹凸棒土、活性炭、活性白土及硅藻土等。質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的凹凸棒土可以有效吸附大豆油中的色素[6],炭/凹凸棒土復(fù)合材料對(duì)棕櫚油進(jìn)行脫色漂白,脫色后紅色值、過氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了57.36%和76.34%[7]。使用活性炭對(duì)芝麻油進(jìn)行脫色,脫色率可達(dá)23.27%,并且可較好保留油脂中木酚素和維生素E[8]。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%的活性白土于94 ℃下脫色94 min,山桐子油的脫色率可達(dá)91.07%[9]。復(fù)合硅藻土能有效脫除菜籽油中天然色素[10]。盡管有諸多植物油脂脫色研究,但有關(guān)沙棘籽油的脫色工藝參數(shù)優(yōu)化及對(duì)主要品質(zhì)指標(biāo)的影響鮮見報(bào)道。

本研究以沙棘籽原油為原料,選用4種常用脫色劑,以脫色率為關(guān)鍵參數(shù),優(yōu)選1種脫色劑;并對(duì)優(yōu)選脫色劑的添加量、脫色溫度及時(shí)間進(jìn)行的單因素實(shí)驗(yàn)和正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn),獲得最佳脫色參數(shù);以沙棘籽原油為對(duì)照,分析2種沙棘籽油的常規(guī)理化指標(biāo)、脂肪酸種類及相對(duì)含量、體外抗氧化活性的差異,評(píng)估凹凸棒土的脫色效果。為沙棘籽油脫色工藝參數(shù)優(yōu)化,合理開發(fā)利用沙棘籽油提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

超臨界CO2萃取沙棘籽原油,以蒸餾水作為參比,在500 nm處有最大吸收峰。

活性炭、凹凸棒土、活性白土、硅藻土均為食品級(jí);甲醇,色譜純;DPPH、硫酸亞鐵、水楊酸、過氧化氫、磷酸氫二鈉、無(wú)水硫酸鈉、鐵氰化鉀、無(wú)水乙醇、三氯乙酸、三氯化鐵、正己烷、氫氧化鉀、硫酸氫鈉等試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

Agilent 7000D氣相色譜三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀,Multiskan Go全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀,UV752N紫外可見分光光度計(jì),SHZ-D真空泵,L550離心機(jī),RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.2 方法

1.2.1 沙棘籽油脫色工藝

參考劉瑞花等[8]的方法并做適當(dāng)調(diào)整。準(zhǔn)確稱取沙棘籽油5.0 mL置于容器中,加入一定比例脫色劑與籽油混勻,在真空度為0.06～0.09 MPa,旋轉(zhuǎn)速度為100 r/min,于一定溫度脫色一定時(shí)間,脫色結(jié)束后,3 500 r/min離心20 min,收集上清液。

1.2.2 脫色劑的篩選

稱取活性炭、凹凸棒土、硅藻土、活性白土各0.10 g,分別置于50 mL 心形瓶中,分別加入沙棘籽油5.0 mL,按照1.2.1的操作,40 ℃脫色20 min,檢測(cè)OD500值,并按照式(1)計(jì)算脫色率。

1.2.3 脫色工藝參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)1.2.2優(yōu)選的脫色劑,進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)。單因素實(shí)驗(yàn)在1.2.2的初始條件下分別設(shè)置脫色劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、2%、3%、4%、5%)、脫色溫度(25、40、50、60、70 ℃)、脫色時(shí)間(10、20、30、40 min) ,檢測(cè)脫色率的變化。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在最優(yōu)值附近設(shè)置水平,進(jìn)行L9(34) 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 脫色效果評(píng)價(jià)

1.2.4.1 脫色率的測(cè)定

參照葉展等[11]的方法,并作適當(dāng)調(diào)整。以蒸餾水作為參比,于500 nm處測(cè)定籽油吸光度,根據(jù)吸光值按式(1)計(jì)算脫色率。

(1)

式中:A1為沙棘籽原油的吸光度;A2為沙棘籽油脫色后的吸光度。

1.2.4.2 沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標(biāo)測(cè)定

酸價(jià)參照GB 5009.229—2016;過氧化值參照 GB 5009.227—2016;碘值參照 GB/T 5532—2008;水分、揮發(fā)物參照 GB 5009.236—2016進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4.3 沙棘籽油脂肪酸種類及相對(duì)含量測(cè)定

甲酯化:參照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測(cè)定》中5.2.2.2酯交換法。

色譜條件:色譜柱為 Agilent DB-23(30 m× 250 μm×0.25 μm);柱流速1 mL/min;升溫程序:50 ℃保持4 min,以 10.0 ℃/min升溫至 150 ℃,保持 3 min,以 4.0 ℃/min升溫至 230 ℃,保持 5 min,進(jìn)樣口加熱溫度 250 ℃;高純氦氣(He),分流進(jìn)樣,分流比為20∶1。

質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源(EI),離子源溫度230 ℃,接口溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃;離子源能量 70 eV,質(zhì)譜掃描范圍 35～600m/z。

定性定量分析:各組分經(jīng)過NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索相匹配,再結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行人工譜圖解析,按面積歸一化法計(jì)算脂肪酸相對(duì)含量。

1.2.4.4 體外抗氧化活性測(cè)定

用無(wú)水乙醇溶液將脫色沙棘籽油及沙棘籽原油分別稀釋為一定濃度,用于DPPH自由基、羥自由基清除能力及還原能力的測(cè)定。

DPPH自由基清除率的測(cè)定:參考邢麗杰等[12]的方法略有改進(jìn),準(zhǔn)確吸取樣品溶液1.0 mL,加入0.2 mmoL/L DPPH乙醇溶液1.0 mL,搖勻,密封,避光30 min,采用全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀,以無(wú)水乙醇調(diào)零,在波長(zhǎng)517 nm處測(cè)定吸光值。以平均值繪圖,按式(2)計(jì)算清除率。

(2)

式中:A0為1.0 mL無(wú)水乙醇+1.0 mL DPPH溶液;A1為1.0 mL樣品溶液+1.0 mL DPPH溶液;A2為1.0 mL樣品溶液+1.0 mL 無(wú)水乙醇。

羥自由基清除率的測(cè)定:參照趙統(tǒng)超等[13]的方法進(jìn)行測(cè)定。

總還原能力的測(cè)定:參考鄭滿榮等[14]的方法并略有改動(dòng)。取1.0 mL籽油樣品溶液加入2.5 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽溶液(pH=6.6)和2.5mL 1%鐵氰化鉀溶液,50 ℃水浴30 min,加入 2.5 mL 10% 三氯乙酸溶液,3 500 r/min 離心 30 min,取上清液2.5 mL,依次加入 2.5 mL 蒸餾水,0.5 mL 0.1% 三氯化鐵溶液,靜置30 min,在700 nm 處測(cè)定吸光度,蒸餾水做空白。以A700平均值繪圖。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理方式

各項(xiàng)測(cè)定至少重復(fù)3 次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016 軟件計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,利用SPSS 24.0軟件進(jìn)行 Duncan′s 多重差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。利用GraphPad Prism 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 4種脫色劑對(duì)沙棘籽油脫色率的影響

脫色劑種類對(duì)沙棘籽油脫色率的影響如圖1所示,4種脫色劑對(duì)沙棘籽油均有一定脫色能力,脫色率由高到低依次為:凹凸棒土(12.99%)>硅藻土(11.46%)>活性炭(6.57%)>活性白土(4.06%)。凹凸棒土的脫色率分別高出活性白土219.87%、活性炭97.77%和硅藻土13.29%,且均呈現(xiàn)顯著水平。故選擇凹凸棒土為沙棘籽油脫色劑用于后續(xù)脫色工藝參數(shù)優(yōu)化及評(píng)價(jià)研究。

圖1 脫色劑種類對(duì)沙棘籽油脫色率的影響

油脂吸附脫色效果受吸附劑的孔徑、極性和吸附質(zhì)的尺寸、吸附劑表面基團(tuán)、吸附質(zhì)、溶劑的化學(xué)特性等多種因素共同作用[15]。研究顯示凹凸棒土對(duì)沙棘籽油呈現(xiàn)較好的脫色率,與Liu等[6]的研究結(jié)果相似。凹凸棒土具有特殊的礦物形態(tài)和針狀、纖維狀或纖維集合狀的晶體結(jié)構(gòu)[16, 17],4種脫色劑中凹凸棒土對(duì)沙棘籽油的脫色率最高,可能與其孔徑及特殊構(gòu)造等因素有關(guān)。

2.2 沙棘籽油脫色參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 凹凸棒土添加量、脫色溫度、脫色時(shí)間對(duì)沙棘籽油脫色率的影響

凹凸棒土添加量、脫色溫度和時(shí)間對(duì)沙棘籽油脫色率的影響如圖2所示。隨著凹凸棒土添加量增加,脫色率呈單峰型變化。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),脫色率達(dá)到最大,較質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%、4%、5%分別高出了72.40%、43.13%、177.94%、327.40%,差異均顯著(P<0.05)。脫色劑添加量較少時(shí),不能完全吸附油脂中的色素,隨著添加量增加,脫色率呈上升趨勢(shì),添加量繼續(xù)增加,脫色劑逐漸聚集,造成脫色率下降[9]。因此,選擇3%為凹凸棒土的最適質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖2 凹凸棒土添加量、脫色溫度和時(shí)間對(duì)沙棘籽油脫色率的影響

隨著脫色溫度升高,脫色率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)溫度升至60℃時(shí),脫色率趨于穩(wěn)定,較25、40、50 ℃分別高出285.16%、45.36%、23.55%,差異均顯著。溫度繼續(xù)升高至 70 ℃時(shí),脫色率較60 ℃時(shí)提高了4.29%,但差異不顯著。隨著溫度升高,脫色劑的活性位點(diǎn)被不斷激活[18],脫色劑與油脂體系中分子間的運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),籽油脫色率上升[6, 19],當(dāng)溫度繼續(xù)升高,吸附劑與油脂中的色素逐漸達(dá)到最大吸附平衡,脫色率上升不顯著[9]。因此,選擇60 ℃為最佳脫色溫度。

隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng),脫色率呈上升趨勢(shì)。脫色時(shí)間達(dá)到30 min時(shí),脫色率趨于穩(wěn)定,較10、20 min分別高出77.62%、14.14%,差異均顯著;脫色40 min時(shí),脫色率較30 min提高了0.43%,但差異不顯著。脫色時(shí)間過短時(shí),凹凸棒土對(duì)油脂中色素的吸附未能達(dá)到飽和狀態(tài),隨著脫色時(shí)間的延長(zhǎng),凹凸棒土與油脂中色素接觸越來(lái)越充分,脫色率逐漸增加,逐漸到平衡狀態(tài),脫色率趨于穩(wěn)定[20]。因此,選擇30 min為最佳脫色時(shí)間。

2.2.2 沙棘籽油脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

沙棘籽油脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析分別見表1、表2,極差R值表明影響脫色率的因素順序?yàn)?A>C>B,由k值得到最佳實(shí)驗(yàn)組合為A3B2C1,方差分析顯示:A因素對(duì)脫色率影響顯著,B因素和C因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著,結(jié)合實(shí)驗(yàn)成本、效率及對(duì)沙棘籽油中活性成分的綜合考慮,實(shí)驗(yàn)最佳組合為A3B1C1,即脫色劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%,脫色溫度為50 ℃,脫色時(shí)間為10 min,經(jīng)3次重復(fù)驗(yàn)證,在此條件下脫色率為(26.93±0.11)%,與表1正交實(shí)驗(yàn)的第8組A3B2C1的脫色率(27.12%)無(wú)顯著差異,說(shuō)明A3B1C1可以作為最終優(yōu)化脫色條件。

表2 沙棘籽油脫色正交實(shí)驗(yàn)方差分析

凹凸棒土的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%,該結(jié)果低于凹凸棒土對(duì)米糠油[21]、蠶蛹油[22]的脫色添加量,但高于大豆油的脫色添加量[6],導(dǎo)致用量差異的主要原因與油脂的種類密切相關(guān)。此外,沙棘籽油的最高脫色率僅為26.93%,該結(jié)果與凹凸棒土對(duì)米糠油脫色率90%以上[21]差距較大。其主要原因是米糠油的脫色溫度達(dá)到了110 ℃,沙棘籽油含有大量的活性成分[23],不宜使用過高的脫色溫度。

2.3 沙棘籽油脫色前后感官品質(zhì)及常規(guī)理化指標(biāo)變化

脫色對(duì)沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標(biāo)的影響見表3,沙棘籽油經(jīng)脫色處理后,顏色由橙紅色脫色至橙黃色,脫色后水分和揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了64.28%,表現(xiàn)為籽油的固有氣味變淡。其原因可能是脫色過程中系統(tǒng)負(fù)壓與脫色劑的共同作用下,水分、揮發(fā)物和游離脂肪酸被不斷抽離及吸附引起。酸價(jià)、過氧化值和碘值是衡量油脂氧化酸敗的重要指標(biāo)。脫色沙棘籽油酸價(jià)較原油下降了2.92%,過氧化值提高了9.41%,碘值下降了2.36%,這與劉元法等[24]報(bào)道的結(jié)果不一致,可能是脫色體系在加熱及旋轉(zhuǎn)的條件下,一定程度促進(jìn)了油脂的部分氧化,導(dǎo)致籽油的碘值下降,過氧化值上升。經(jīng)比較,表3中各指標(biāo)均符合國(guó)際沙棘協(xié)會(huì)頒布的T/ISAS 003—2021《沙棘籽油》。

表3 脫色對(duì)沙棘籽油感官及常規(guī)理化指標(biāo)的影響

2.4 脫色沙棘籽油脂肪酸種類及相對(duì)含量分析

沙棘籽油脫色前后脂肪酸總離子流色譜圖及脂肪酸組成與相對(duì)含量分別如圖3、圖4所示,沙棘籽油脫色前后均檢出7種脂肪酸(圖3),脫色后2種必需脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著,亞油酸提高1.3%,α-亞麻酸下降了2.9%(圖4),這與吸附劑的吸附作用有關(guān)[25],部分油脂會(huì)被吸附,造成脂肪酸組成的改變[26],但脫色對(duì)籽油多不飽和脂肪酸相對(duì)總含量影響不顯著。研究檢出脂肪酸較T/ISAS 003—2021多一種,為花生酸,其余6種脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合T/ISAS 003—2021。

注:1～7分別為棕櫚酸、棕櫚油酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、α-亞麻酸、花生酸。圖3 沙棘籽油脫色前后脂肪酸總離子流色譜圖

注:C1為棕櫚酸;C2為棕櫚油酸;C3為硬脂酸;C4為油酸;C5為亞油酸;C6為α-亞麻酸;C7為花生酸圖4 沙棘籽油脫色前后脂肪酸組成與質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.5 脫色沙棘籽油的抗氧化能力分析

沙棘籽油脫色對(duì)DPPH自由基、羥自由基清除率及總還原能力的影響見圖5,脫色沙棘籽油對(duì)DPPH自由基的清除率隨其濃度的增加而增強(qiáng)(圖5a),質(zhì)量濃度為2、4、6 mg/mL時(shí),脫色沙棘籽油相應(yīng)清除率較原油分別低37.21%、31.61%、13.21%,差異均顯著;8 mg/mL時(shí),較原油差異不顯著;10 mg/mL時(shí),高出原油5.07%,差異顯著。脫色籽油對(duì)羥自由基清除率隨濃度的增加呈單峰型變化趨勢(shì)(圖5b),質(zhì)量濃度高于0.6 mg/mL時(shí),清除率略下降。清除率峰值較原油略有后移,質(zhì)量濃度在0.2～1.0 mg/mL范圍內(nèi),相應(yīng)清除率較原油差異不顯著。吸光值越大說(shuō)明樣品的總還原能力越強(qiáng)[12],脫色籽油質(zhì)量濃度為2～10 mg/mL的吸光值A(chǔ)700在1.05～1.08之間,呈輕微的上升趨勢(shì)(圖5c),較原油變化趨勢(shì)更為平緩,但相應(yīng)濃度的清除率較原油差異不顯著。結(jié)果表明,脫色對(duì)沙棘籽油清除羥自由基能力和還原能力無(wú)顯著影響。籽油質(zhì)量濃度低于8 mg/mL時(shí),脫色處理降低了沙棘籽油對(duì)DPPH自由基的清除能力。

注:大寫字母不同表示組內(nèi)不同濃度清除率差異顯著;小寫字母不同代表組間同濃度清除率差異顯著。圖5 沙棘籽油脫色對(duì)DPPH自由基、羥自由基清除率及總還原能力的影響

自由基清除率和總還原能力是衡量抗氧化能力的重要指標(biāo)。植物油中不飽和脂肪酸與脂質(zhì)伴隨物,如生育酚[27,28]、植物甾醇和酚類化合物[29]等共同構(gòu)成內(nèi)源性抗氧化體系,成分間存在相加、協(xié)同及拮抗作用等關(guān)系,從而影響油脂的氧化穩(wěn)定性[30]。本研究顯示,籽油質(zhì)量濃度低于8 mg/mL時(shí),脫色處理降低了沙棘籽油對(duì)DPPH自由基的清除能力。這與油茶籽油采用白土活性炭粒復(fù)合脫色對(duì)DPPH自由基清除能力影響規(guī)律[31]類似,凹凸棒土脫色過程中,可能是吸附了酚類化合物,導(dǎo)致 DPPH自由基清除能力的變化。此外,沙棘籽油脫色前后羥自由基清除率和總還原能力差異不顯著,可能與籽油中不飽和脂肪酸的含量變化不顯著相關(guān)[30]。

3 結(jié)論

沙棘籽油最佳脫色劑為凹凸棒土,在單因素基礎(chǔ)上通過正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到最佳脫色參數(shù)為:凹凸棒土質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%,脫色溫度50 ℃,脫色時(shí)間10 min,在此條件下脫色率可達(dá)26.93%。脫色處理未改變籽油中脂肪酸的種類及多不飽和脂肪酸的相對(duì)含量,脫色對(duì)羥自由基清除率及總還原能力無(wú)顯著影響。因此,可以采用凹凸棒土作為沙棘籽油的良好脫色劑進(jìn)行開發(fā)。