牡丹籽油亚临界流体萃取工艺优化

姚茂君,李 静

(吉首大学化学化工学院,湖南 吉首 416000)

 

摘 要:采用亚临界流体技术萃取牡丹籽油,通过正交试验对制油工艺进行优化,并对此法所得牡丹籽油的脂肪酸组成及理化性质进行分析。结果表明,最优萃取工艺条件为萃取温度50 ℃、萃取压强0.5 MPa、每次萃取30 min、萃取3 次,该条件下牡丹籽出油率达24.16 %。所得牡丹籽油共鉴定出12 种脂肪酸,主要为亚麻酸(45.412 2%)、亚油酸(38.119 9%)、棕榈酸(11.124 6%)和硬脂酸(3.648 9%)。其理化指标为:相对密度0.901 3、折光指数1.474 2、酸值3.25 mg KOH/g、碘值175 g I2/100 g、皂化值176 mg KOH/g、过氧化值1.48 meq/kg。

关键词:牡丹籽油;理化性质;脂肪酸组成;亚临界流体

 

Optimization of Subcritical Fluid Extraction of Oil from Tree Peony (Paeonia suffruticosa Andr.) Seeds

 

YAO Mao-jun, LI Jing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, China)

 

Abstract: An orthogonal array design was employed to optimize the subcritical fluid extraction of seed oil from tree peony (Paeonia suffruticosa Andr.). The fatty acid composition and physicochemical properties of the seed oil were analyzed. The results showed that the optimum extraction conditions were determined to be extraction at 50 ℃ and 0.5 MPa performed three times for 30 min each, resulting in an oil yield of 24.16%. Twelve fatty acids were identified in the extracted seed oil and the major fatty acids were linolenic acid (45.412 2%), linoleic acid (38.119 9%), palmitic acid (11.124 6%) and stearic acid (3.648 9%). The physicochemical indexes were as follows: relative density 0.901 3, index of refraction 1.474 2, acid value 3.25 mg/g, iodine value 175 g/100 g, saponification value 176 mg/g, and peroxide value 1.48 meq/kg.

Key words: tree peony seed oil; physicochemical properties; fatty acid composition; subcritical fluid extraction

中图分类号:TS224.4 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)14-0053-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414010

牡丹籽为毛莨科芍药属牡丹(Paeonia suffruticosa Andr.)的成熟种子,牡丹籽中不仅含有蛋白质、碳水化合物等营养成分,还含有大量的脂肪酸,其中粗脂肪含量达27%~33%[1-2]。牡丹籽油已于2011年3月22日获批为新资源食品,它具有降低胆固醇、预防心脑血管疾病、增强免疫力等保健功效。据报道[3-4]牡丹籽油中不饱和脂肪酸含量占总油量的92.60%,人体必需脂肪酸亚麻酸和亚油酸的含量分别为67.13%、24.57%,远高于常见市售植物油。

目前制备牡丹籽油的方法主要有压榨法、溶剂浸出法、超临界CO2法[5-8]。压榨法提油率低,副产物利用率低;溶剂浸出法工艺较复杂且存在环境污染等安全问题;超临界CO2法所得油脂色泽、品质较好,但设备较昂贵。亚临界萃取是根据相似相容的原理,以特定萃取剂为溶媒,来提取目标组分的一项新型分离技术[9-12]。该法回收率高、生产周期短,已被广泛应用于食品、化工等领域[13-15],较超临界萃取而言,其显著的特点是萃取压强低,运行成本低,工业化大规模生产可行性高。

目前尚未见亚临界流体萃取牡丹籽油方面的报道。故本实验以牡丹籽为原料,以出油率为评价指标,采用亚临界法萃取牡丹籽油,分析、检测所得油脂的脂肪酸组成及理化性质,以期为牡丹籽油的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牡丹籽(含油率为30.23%) 湖南本草制药有限公司。

丁烷(纯度99.99%) 深圳深岩燃气有限公司;盐酸、氢氧化钠、氢氧化钾、石油醚、冰乙酸、硫代硫酸钠、三氯甲烷、淀粉、碘化钾、95%乙醇、一氯化碘、酚酞、浓硫酸、无水硫酸钠(均为国产分析纯) 天津市科密欧化学试剂有限公司;甲醇、正己烷(均为色谱纯) 天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

亚临界萃取装置 珠海共同机械有限公司;F2102型植物粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司;GZX-9246MBE数显鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;RE-52AA旋转蒸发仪 金坛市成辉仪器厂;7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent公司;WSL-2型罗维朋比色计 杭州麦哲仪器有限公司;WYA阿贝折光仪 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牡丹籽油萃取方法

称取一定量粉碎后过40 目筛的牡丹籽粉于亚临界的萃取罐中,采用丁烷为萃取溶剂,在设置的萃取条件下进行萃取,萃取物与萃取剂流经解吸釜,通过减压、升温使萃取剂变为气体,气体经即时压缩为液体后再次流经萃取釜对物料进行循环萃取,萃取结束后经减压分离得牡丹籽油,牡丹籽出油率的计算方法如下:

609976.jpg

式中:m1为牡丹籽油的质量/g;m0为牡丹籽原料的质量/g。

1.3.2 牡丹籽油理化性质的测定

相对密度、折光指数、酸值、碘值、皂化值、过氧化值的理化指标测定方法,参见文献[16]

1.3.3 单因素试验

在预实验的基础上,参照1.3.1节,以萃取次数、萃取温度、萃取时间、萃取压强为考察因素,以牡丹籽出油率为评价指标,探讨诸因素对牡丹籽出油率的影响,因素、水平见表1。

表 1 单因素试验因素水平

Table 1 Factors and levels used in single factor design

因素

水平

1

2

3

4

5

萃取次数

1

2

3

4

5

萃取时间/min

15

20

25

30

35

萃取温度/℃

40

45

50

55

60

萃取压强/MPa

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

 

 

1.3.4 正交试验

在单因素试验基础上,以萃取温度、萃取压强、萃取时间、萃取次数为自变量,以牡丹籽出油为评价指标,通过L9(34)正交试验考察诸因素对牡丹籽出油率的影响,通过直观分析法确定最优萃取工艺。

1.3.5 牡丹籽油甲酯化方法

称取所得牡丹籽油1 g于圆底烧瓶中,加入10 mL
CH3OH-H2SO4(91,V/V)溶液,于70 ℃恒温水浴锅中加热反应1 h,冷却后,用正己烷萃取2 次,合并两次萃取液,蒸馏水洗涤3 次,无水硫酸钠干燥,取上清液待测[17]。

1.3.6 色谱条件

色谱柱:Agilent 190191S-433型石英毛细管柱(325 ℃,30 m×250 μm,0.25 μm);载气为高纯度的氦气(99.999%);柱前压69.8 kPa,柱内载气流速
2 mL/min;升温程序:80 ℃保留2 min,以6 ℃/min速率升温至180 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min速率升温到250 ℃,保持2 min;载气流速1 mL/min,分流比501,进样量1 μL

1.3.7 质谱条件

电子电离源230 ℃,溶剂延迟4 min,电子能量70 eV,四极杆温度150 ℃,质量扫描范围m/z 40~550 u,分辨率1 000,传输线温度250 ℃,采用NIST标准谱库进行检索。

2 结果与分析

2.1 萃取次数对牡丹籽出油率的影响

在萃取时间25 min、萃取温度45 ℃、萃取压强0.5 MPa的条件下,考察萃取次数对牡丹籽出油率的影响,结果见图1。

617114.jpg 

图 1 萃取次数对牡丹籽出油率的影响

Fig.1 Effect of number of repeated extractions on the yield of
tree peony seed oil

由图1可知,随着萃取次数的增加,出油率逐渐升高,萃取3 次后,牡丹籽出油率增幅趋于平缓,继续增加萃取次数对出油率贡献不大。故萃取3 次较为适宜。

2.2 萃取温度对牡丹籽出油率的影响

610013.jpg 

图 2 萃取温度对牡丹籽出油率的影响

Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of tree peony seed oil

在萃取时间25 min、萃取次数3 次、萃取压强0.5 MPa的条件下,考察萃取温度对牡丹籽出油率的影响,结果见图2。

由图2可知,牡丹籽出油率随温度的升高而升高,当温度升高到50 ℃时,出油率达最高值,继续升高温度,出油率略有降低,这是因为升高温度时,油脂的溶解度增大,利于油脂的溶出。但过高的温度会导致萃取釜中丁烷气化,不利于反应的进行,故50 ℃较为适宜[18]。

2.3 萃取时间对牡丹籽出油率的影响

在萃取温度50 ℃、萃取次数3 次、萃取压强0.5 MPa的条件下,考察萃取时间对牡丹籽出油率的影响,结果见图3。

615073.jpg 

图 3 萃取时间对牡丹籽出油率的影响

Fig.3 Effect of extraction time on the yield of tree peony seed oil

由图3可知,随着时间的延长,出油率明显升高,25 min后出油率趋于平稳,增幅较小,继续延长萃取时间意义不大。这是由于溶剂与物料需要接触一定的时间,溶解才能达到平衡[19]。综合考虑确定萃取时间为25 min。

2.4 萃取压强对牡丹籽出油率的影响

在萃取温度50 ℃、萃取次数3 次、萃取时间25 min的条件下,考察压强对牡丹籽出油率的影响,结果见图4。

615084.jpg 

图 4 萃取压强对牡丹籽出油率的影响

Fig.4 Effect of extraction pressure on the yield of tree peony seed oil

由图4可知,随着压强的增加,出油率升高,压强为0.5 MPa时,出油率达24.07%,超过此压强值后,出油率变化不大。原因是在其他参数不变的情况下,随着压强的升高,萃取溶剂丁烷的传质效率升高,出油率升高。当压强达到一定值时,丁烷对于牡丹籽油的溶解趋于饱和,继续升高压强,对其传质效率影响不大[12],故适宜的萃取压强在0.5 MPa左右。

2.5 亚临界流体萃取牡丹籽油的正交试验

在单因素试验基础上,采用L9(34)正交试验优化亚临界流体萃取牡丹籽油的工艺。试验因素水平见表2,试验设计及结果见表3,方差分析见表4。

表 2 正交试验因素与水平

Table 2 Factors and levels used in orthogonal array design

水平

因素

A萃取次数

B萃取温度/℃

C萃取压强/MPa

D萃取时间/min

1

2

45

0.4

20

2

3

50

0.5

25

3

4

55

0.6

30

 

表 3 正交试验设计及结果

Table 3 Orthogonal array design and results for the yield of
tree peony seed oil

试验号

A

B

C

D

出油率/%

1

1

1

1

1

19.85

2

1

2

2

2

21.91

3

1

3

3

3

21.55

4

2

1

2

3

22.56

5

2

2

3

1

23.81

6

2

3

1

2

23.16

7

3

1

3

2

22.48

8

3

2

1

3

23.94

9

3

3

2

1

23.33

k1

21.103

21.630

22.317

22.330

 

k2

23.177

23.220

22.600

22.517

 

k3

23.250

22.680

22.613

22.683

 

R

2.147

1.590

0.296

0.353

 

 

表 4 方差分析

Table 4 Analysis of variance

方差来源

平方和

自由度

均方

F

P

A

17.825

2

8.912

118.405

0.000

B

7.844

2

3.992

52.109

0.007

C

0.337

2

0.168

2.238

0.163

D

0.375

2

0.187

2.491

0.138

 

 

由表3直观极差分析R值可知,各考察因素对牡丹籽出油率影响顺序为:A萃取次数>B萃取温度>D萃取时间>C萃取压强;由表4可知,萃取次数(P<0.05)及萃取温度(P=0.007<0.05)对出油率有显著影响,萃取时间及萃取压强对出油率的影响不显著。直观分析法表明A3B2C3D3为最优工艺,综合生产成本与设备能耗考虑,确定A2B2C2D3即萃取温度50 ℃、萃取压强0.5 MPa、萃取3 次、每次萃取30 min为最优工艺条件,在此条件下进行验证实验,牡丹籽平均出油率达24.16%。

2.6 牡丹籽油脂肪酸成分分析

亚临界萃取所得牡丹籽油甲酯化后,应用气相色谱-质谱(gas chromatograph-mass spectrometry,GC-MS)分析检测其脂肪酸组成。利用NIST 08标准谱库进行定性分析,并采用峰面积归一法测定各组分的相对含量,总离子流色谱图见图5,脂肪酸组成分析见表5。由图5和表5可知,该法所得牡丹籽油共检测出12 种脂肪酸,已鉴定组分占总量的99.90%,其中饱和脂肪酸6 种,以棕榈酸(11.124 6%)和硬脂酸(3.648 9%)为主,不饱和脂肪酸含量为84.535 4%,以多不饱和脂肪酸亚油酸(38.119 9%)和亚麻酸(45.412 2%)为主,其二者是人体必需脂肪酸,亚油酸具有抗氧化、抗癌、抑制人体内胆固醇合成等功效[20];亚麻酸具有改善血液循环、促进肝细胞再生、增强记忆、延缓衰老等作用[21]。在牡丹籽油中还检测出具有较强抗癌活性的奇数碳脂肪酸[22]如C15、C17等,可见牡丹籽油不仅具有丰富的营养价值还具有独特的保健作用。

610068.jpg 

图 5 牡丹籽油GC-MS总离子流图

Fig.5 GC-MS total ion current chromatogram of tree peony seed oil

表 5 牡丹籽油的脂肪酸组成及相对含量

Table 5 Fatty acid composition of tree peony seed oil

序号

保留时间/min

化合物名称

分子式

相对分子质量

相对含量/%

匹配度/%

1

19.507

十四烷酸甲酯

C15H30O2

242

0.100 2

99

2

21.744

十五烷酸甲酯

C16H32O2

256

0.037

99

3

23.305

十六碳烯酸甲酯

C17H32O2

268

0.250 1

99

4

23.709

十六烷酸甲酯

C17H34O2

270

11.124 6

98

5

24.956

十七碳烯酸甲酯

C18H34O2

282

0.138 2

99

6

25.317

十七烷酸甲酯

C18H36O2

284

0.211 5

99

7

26.404

十八碳二烯酸甲酯

C19H34O2

294

38.119 9

99

8

26.57

十八碳三烯酸甲酯

C19H32O2

292

45.412 2

99

9

26.783

硬脂酸甲酯

C19H38O2

298

3.648 9

99

10

27.715

十九碳烯酸甲酯

C20H38O2

310

0.05

99

11

28.95

二十碳烯酸甲酯

C21H40O2

324

0.565

99

12

29.241

二十烷酸甲酯

C21H42O2

326

0.247 1

99

 

 

2.7 牡丹籽油理化指标分析结果

表 6 亚临界流体萃取所得牡丹籽油的理化性质

Table 6 Physicochemical properties of tree peony seed oil

理化指标

测定值

酸值/(mg KOH/g)

3.25

碘值/(g I2/100g)

175

过氧化值/(meq/kg)

1.48

皂化值/(mg KOH/g)

176

色泽

Y为20,R为1.9

相对密度(d420

0.901 3

折光指数(n20)

1.474 2

透明度

透明

气味、滋味

有油脂的芳香味、无异味

 

 

由表6可知,牡丹籽油的碘值为175 g I2/100 g,表明牡丹籽油属于干性油脂,不饱和度高,故其应尽量在低温、避光、密封的条件下保存,以防止其发生氧化酸败。折光指数随脂肪酸双键和共轭程度的增大而增大[23],牡丹籽油折光指数为1.474 2,较一般植物油大,表明其含有大量的不饱和双键,这与GC-MS检测结果相吻合。过氧化值较低,表明牡丹籽油在亚临界萃取过程中氧化程度低。酸值小于4.0 mg KOH/g,满足GB 2716—2005《食用植物油卫生标准》对于植物原油酸值的要求但不符合食用植物油的标准,这可能是受牡丹籽原料质量的影响,所以对采收后的新鲜原料应及时干燥、妥善保藏[24-25]。亚临界流体萃取所得牡丹籽油的色泽较深,需进行脱色处理。

3 结 论

各考察因素对牡丹籽出油率影响顺序为A萃取次数>
B萃取温度>D萃取时间>C萃取压强,最优工艺条件为萃取温度 50 ℃、萃取压强0.5 MPa、萃取3 次、每次萃取30 min,该条件下的平均出油率为24.16%。牡丹籽油中主要含有亚麻酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸4 种脂肪酸,不饱和脂肪酸达84.535 4%,以亚油酸和亚麻酸为主,未检测出油酸,这与易军鹏等[2]的实验结论一致但与白喜婷[1]、周海梅[20]等的测定结果有所差异,这可能与牡丹籽的品种和生长环境有关。亚临界萃取所得牡丹籽油具有独特的香味,相对密度为0.901 3,酸值为3.25 mg KOH/g,碘值为175 g I2/100g,过氧化值为1.48 meq /kg,皂化值为176 mg KOH/g,折光指数为1.474 2。

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收稿日期:2014-01-12

基金项目:国家发改委国家生物医药高技术产业化项目(发改委高技[2007]2490号)

作者简介:姚茂君(1968—),男,教授,硕士,研究方向为天然产物化学。E-mail:yaomaojun@126.com