棉籽油脂肪酸组成分析与评价

王美霞 1,周大云 2,马 磊 2,徐双娇 2,魏守军 2,杨伟华 2,王延琴 2,杜双奎 1,*

(1.西北农林科技大学食品科学与工程学院,陕西 杨凌 712100;2.中国农业科学院棉花研究所,棉花生物学国家重点实验室,河南 安阳 455000)

摘 要:以收集于我国棉花主产区的82 份棉籽为实验材料,用全自动索氏浸提装置提取棉籽油,采用气相色谱-质谱联用仪和气相色谱仪对棉籽油脂肪酸组成进行定性和定量分析,探讨不同产地棉籽油脂肪酸组成的差异,并用主成分分析法对棉籽油的特征脂肪酸进行筛选。结果表明,棉籽仁出油率在18.84%~30.28%之间,平均出油率为24.95%。棉籽油中含有13 种脂肪酸,主要以亚油酸(51.99%~60.88%)、棕榈酸(18.30%~25.68%)和油酸(12.28%~18.50%)为主,其中不饱和脂肪酸占73.62%,多不饱和脂肪酸为亚油酸、亚麻酸占57.44%。除十七烷酸外,不同产地的棉籽油脂肪酸含量差异显著,并呈现明显的地域性。豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、锦葵酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸和花生酸是棉籽油的特征脂肪酸。

关键词:棉籽油;脂肪酸;气相色谱-质谱联用仪;气相色谱仪;主成分分析

棉花是重要的纤维原料,也是我国五大油料作物之一 [1]。棉籽油曾是棉花主产区居民重要的食用油,然而,棉籽中含有棉酚和少量的环丙烯脂肪酸,从而限制了棉籽油在食品行业的应用 [2]。棉籽油含有大量必需脂肪酸,不饱和脂肪酸含量接近80%,其中亚油酸含量最高(44.0%~55.0%),亚油酸可有效抑制血液中的胆固醇的升高 [3-4],还含有油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸。同时,棉籽油含有丰富的饱和脂肪酸,可用作煎炸油、起酥油、人造奶油,也可作为生产硬脂酸、软脂酸、甘油、丙二酸的工业原料 [5]。棉籽油不含反式脂肪酸,在目前含反式脂肪酸的氢化植物油被欧美等国限制使用的情况下,棉籽油成为一种天然的替代品 [6]。随着低酚棉研究的深入和脱酚技术的改善,精炼后的棉籽油具有较好的营养价值,是一种有益人体健康的优质食用油。目前,精炼棉油是新疆、山东等地的主要食用油品种之一,也是我国食用调和油的重要组成部分,在食用植物油中占有重要地位 [7]

棉籽油在工业上一般用于生产肥皂、甘油、油墨、润滑油及农药溶剂。近年来,人们对环境保护日益重视,棉籽油作为可再生的油料作物之一,也被用于制备生物柴油 [8]

我国是世界上最大的棉花生产国,棉籽产量巨大,如何充分利用这一重要资源,已成为我国棉花产业的关键问题。脂肪含量与脂肪酸组成是评价棉籽营养品质的重要指标,脂肪酸组成及比值也被用作植物油掺假判别中的关键指标 [9-10]。目前国内外相关文献[2,11-14]中对棉籽油脂肪酸组成的研究较多,而有关不同地区棉籽油的脂肪酸品质特征的研究鲜有报道。当今世界能源供需形势日益严峻,棉籽油作为食用油和工业用油有着广泛的用途,不同的消费目的对其脂肪酸组成有不同的要求,因此全面掌握我国不同产地棉籽油脂肪酸组成特征对于合理、有效利用棉籽油具有重要意义。本实验以收集于我国8 个棉花主产省(自治区)的82 份棉籽为实验材料,采用全自动索氏抽提系统提取棉籽油,使用GC-MS和GC分别对棉籽油中的脂肪酸成分进行定性和定量分析,采用主成分分析法对棉籽油脂肪酸组成进行筛选分析,探讨我国不同地区棉籽油脂肪酸的差异性,旨在为今后棉籽油的高值化利用、深度开发以及棉花育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

82 份棉籽样品由中国农业科学院棉花研究所2014年收集提供,来源于湖南省(10 份)、湖北省(7 份)、安徽省(8 份)、江苏省(8 份)、河南省(5 份)、山东省(10 份)、新疆(20 份)、河北省(14 份)。

无水甲醇、正己烷(均为色谱纯) 韩国Duksan公司;19 种脂肪酸甲酯混合标准品(批号CRM 18920,纯度98.7%~99.9%) 美国Supelco公司;其他试剂为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

7890A/5975C气相色谱-质谱(gas chromatographymass spectrometry,GC-MS)联用仪(配有电子电离源、G1701EA质谱工作站及质谱数据库Nist 2.0)、7890A GC仪(配有氢火焰离子化检测器及B.04.02版安捷伦化学工作站) 美国Agilent公司;Soxtec2050全自动索氏抽提系统 丹麦Foss公司;VORTEX 2 S025涡旋混匀器德国IKA公司;5804台式高速离心机 德国Eppendorf公司。

1.3 方法

1.3.1 棉籽油的提取

将棉籽在40 ℃烘干48 h至恒质量,去壳后,粉碎过40 目筛即得棉仁粉。取1~2 g棉仁粉(精确到0.1 mg)于全自动索氏抽提系统中,用正己烷溶液(80 mL)做回流溶剂,经过溶剂浸泡(20 min)、淋洗(40 min)和回收(10 min),将含有棉籽油的浸提烧杯于80 ℃烘干至恒质量,冷却称质量,按下式计算出油率。

式中:A 0为棉仁样品质量/mg;A 1为浸提烧杯质量/mg;A 2为含有棉籽油的浸提烧杯质量/mg。

1.3.2 脂肪酸成分分析

甲酯化反应:称取30 mg棉籽油于10 mL离心管中,加入600 μL 0.5 mol/L氢氧化钠-甲醇溶液,70 ℃水浴加热10 min,冷却至室温,加入饱和氯化钠溶液和正己烷溶液各2.0 mL,涡旋30 s,10 000 r/min离心5 min。取上层溶液于GC-MS和GC分析。

GC-MS条件:DB-23石英毛细管柱(60 m× 0.25 mm,0.15 μm);升温程序:100 ℃保持1 min,以25 ℃/min升至210 ℃,以0.3 ℃/min升至213 ℃,保持1 min,以4 ℃/min升至230 ℃,保持1 min;氦气(He)流速1.0 mL/min;进样方式为分流进样,分流比50∶1;进样量1 μL;电子电离源;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;监测方式为全扫描;质量扫描范围m/z 40~450;溶剂延迟时间6 min。

GC条件:色谱柱和升温程序同上;氮气为载气;进样口温度250 ℃;氢火焰离子化检测器温度280 ℃。

1.4 数据处理

在相同的提取和甲酯化条件下,每个样品重复3 次,实验结果取其平均值,并采用SPSS 18.0做单因素方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 棉籽仁出油率分析

表1 不同产地棉仁的出油率
Table1 Oil yields of cotton kernels from different regions

注:同列肩标不同小写字母表示差异显著(P≤0.05),表3同。

如表1所示,82 份样品的棉籽仁出油率在18.84%~30.28%之间,平均出油率为24.95%。出油率最高的是新疆库车县的新陆中48号棉籽(30.28%),出油率低的是河南省扶沟县的冀杂棉1号(18.84%)和河北省唐山的农大棉7号(18.95%),其他样品的出油率在21.17%~29.70%之间。8 个省、自治区的棉籽仁出油率具有显著差异性(P≤0.05),其中江苏省的棉籽仁样品平均出油率最高(26.03%),河南省的平均出油率最低(21.43%)。安徽省的样品间出油率的变异系数最大,为9.59%,其次为湖北省(9.43%),最小的是湖南省,为6.17%,这主要与当地主栽品种不同及品质差异大有关。不同地方不同棉籽仁的出油率有差别,这可能与棉籽品种、产地环境及品种与环境的互作效应有关 [15]

2.2 棉籽油脂肪酸组成的定性分析

图1 脂肪酸甲酯混合标准品(A)和样品(B)的总离子流图
Fig.1 Total ion current chromatograms of fatty acid ethyl ester standards (A) and sample (B)

如图1所示,对比脂肪酸甲酯混合标准品和样品的保留时间,利用质谱数据库检索NIST 2.0谱库确定样品中脂肪酸种类,82 份棉籽油的脂肪酸组成基本一致,棉籽油的脂肪酸主要由豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七烷酸、硬脂酸、锦葵酸、油酸、顺式异油酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸、亚麻酸和花生酸13 种脂肪酸组成。

2.3 棉籽油脂肪酸组成的定量分析

2.3.1 脂肪酸平均相对含量的描述统计分析

图2 脂肪酸甲酯混合标准品(A)和样品(B)的GC图
Fig.2 Gas chromatograms of fatty acid ethyl ester standards (A) and sample (B)

表2 82 份棉籽油样品的脂肪酸平均相对含量的描述统计分析
Table2 Descriptive statistics of fatty acid contents of 82 cottonseed samples

如图2所示,通过GC化学工作站数据处理系统,按峰面积归一化法进行定量分析,求得各脂肪酸成分的平均相对含量,如表2所示。82 份棉籽油的脂肪酸中,13 种脂肪酸的平均相对含量差异较大。亚油酸相对含量为51.99%~60.88%,平均相对含量为57.24%;油酸相对含量为12.28%~18.50%,平均相对含量为14.86%;棕榈酸相对含量为18.30%~25.68%,平均相对含量为21.90%;硬脂酸相对含量为1.65%~2.69%,平均相对含量为2.09%,其余脂肪酸平均相对含量小于1%。这与文献[11-12]报道结果基本一致。杨艳等 [11]报道6 种新疆陆地棉棉籽脂肪酸中亚油酸、棕榈酸、油酸含量范围分别为50.30%~57.25%、22.24%~30.98%和12.93%~16.84%,十七烷酸含量低于1%。Joshi等 [13]对棉籽油进行GC分析,检测结果为:豆蔻酸1.0%、棕榈酸25.8%、棕榈油酸0.6%、硬脂酸2.5%、油酸16.4%、顺式异油酸0.8%、亚油酸51.5%、亚麻酸0.2%、花生酸0.3%、二十二酸0.2%。这些研究结论的差异,可能与材料来源、棉籽油的甲酯化方法、检测仪器、检测手段等不同有关。

就单个脂肪酸在样品间相对含量的分布来看,二氢苹婆酸、苹婆酸、锦葵酸、亚麻酸、豆蔻酸含量的变异系数较大,分别达到21.86%、18.33%、15.91%、14.56%、14.28%,说明这些脂肪酸在不同样品间相对含量差异较大;而亚油酸、顺式异油酸和棕榈酸相对含量的变异系数较小,这些脂肪酸在不同样品间相对含量比较稳定。从各组分的变异系数来看,本实验抽样样品离散程度大,能够代表我国棉籽油各脂肪酸含量的分布情况。

2.3.2 主要脂肪酸

由表2可知,棉籽油中各脂肪酸平均相对含量大小顺序为亚油酸>棕榈酸>油酸>硬脂酸>顺式异油酸>豆蔻酸>锦葵酸>棕榈油酸>苹婆酸>二氢苹婆酸>花生酸>亚麻酸>十七烷酸,其中以十六碳和十八碳脂肪酸为主,十六碳脂肪酸主要为棕榈酸,十八碳脂肪酸主要为硬脂酸、油酸、顺式异油酸、亚油酸和亚麻酸,而豆蔻酸、十七烷酸、二十烷酸相对含量较少。亚油酸、棕榈酸和油酸是棉籽油中相对含量最多的3 种脂肪酸,可用于生产特定用途食用油,如高亚油酸保健油、高饱和脂肪酸人造黄油和高油酸煎炸食用油 [16]

2.3.3 不饱和脂肪酸

棉籽油中的不饱和脂肪酸为棕榈油酸、油酸、顺式异油酸、亚油酸、亚麻酸5 种,占总脂肪酸相对含量的69.23%~77.27%,平均为73.62%,其中单不饱和脂肪酸为棕榈油酸、油酸、顺式异油酸3 种,相对含量在13.59%~19.97%之间,平均为16.19%;多不饱和脂肪酸为亚油酸、亚麻酸2 种,相对含量在52.13%~61.12%之间,平均为57.44%。

亚油酸和亚麻酸是人体必需脂肪酸。棉籽油中多不饱和脂肪酸以亚油酸为主,平均相对含量为57.24%。亚油酸通过体内代谢参与调节人体各种基本生理过程,可起到降低血压、血脂,预防心脑血管疾病的作用而受到研究者关注 [17]。棉籽油中亚麻酸(0.13%~0.30%)相对含量较低,平均为0.20%,低亚麻酸含量是食用油行业所期望的,因为亚麻酸极易氧化,因而高亚麻酸含量的食用油稳定性较差,货架期也较短 [18]。油酸是棉籽油中第二大不饱和脂肪酸(12.28%~18.50%),易于氧化吸收。油酸和亚油酸都可通过降低体内血脂,抑制低密度脂蛋白和血清胆固醇的升高,具有预防高血压、心脏病和血栓的功能 [19-20]

2.3.4 饱和脂肪酸

棉籽油中饱和脂肪酸为豆蔻酸、棕榈酸、十七烷酸、硬脂酸、花生酸5 种,相对含量在21.41%~29.68%之间,平均为25.12%,其中以棕榈酸(18.30%~25.68%)为主,它能够导致血清低密度脂蛋白形式胆固醇水平的增加,对人体健康存在不利影响 [21]。然而,棕榈酸不易氧化,具有良好的稳定性和起酥性,被广泛用于食品制造业,也可用作生产生物柴油。陈金思等 [8]以棉籽油制备的生物柴油具有十六烷值高、润滑性能好、稳定性好、完全可再生等优点。

2.3.5 环丙烯脂肪酸

环丙烯脂肪酸是一种含有3 个碳原子组成的环状结构的不饱和的脂肪酸 [22],一般被认为是抗营养成分,对人类健康有害 [2,23]。棉籽油中的环丙烯脂肪酸为锦葵酸和苹婆酸。由表2可知,棉籽油中仅含有约0.94%的环丙烯脂肪酸,但动物在长期食用含有环丙烯脂肪酸的棉籽后会导致生理紊乱,如鸡蛋粉白化、母鸡性成熟的推迟以及牛肉肉质硬化等现象,若借助RNA干扰技术,棉籽油中环式脂肪酸含量可成功地降到低于0.1%的安全水平 [22]

2.4 不同产地棉籽油脂肪酸相对含量的差异分析

表3 不同产地棉籽脂肪酸相对含量的比较分析
Table3 Comparison of fatty acid contents in cottonseed oils from various regions

由表3可知,8 个省(自治区)的棉籽油样品在十七烷酸相对含量上均无显著差异(P>0.05)。棉籽油中其他脂肪酸的相对含量分布呈现出明显的地域性,长江流

域棉区(湖北、湖南、安徽、江苏)的棉籽油样品除在硬脂酸、锦葵酸、苹婆酸和二氢苹婆酸相对含量稍有差异外,其他脂肪酸相对含量均无显著性差异;黄河流域棉区的河南和山东两地样品除在硬脂酸和亚麻酸含量存在差异外,其他脂肪酸相对含量均无显著性差异;而新疆棉区样品和河北地区样品除在豆蔻酸相对含量存在差异外,其他脂肪酸含量均无显著性差异。因而在棉籽油的开发利用方面,要综合考虑不同品种和地区间的差异影响。

2.5 脂肪酸组成间的相关性如表4所示,棉籽油中油酸相对含量与亚油酸相对含量呈极显著负相关,相关系数均达到-0.914。由表3可知,油酸与亚油酸相对含量之和较稳定,约为72%,这符合油酸在一定条件下可以转化为亚油酸的代谢过程 [24]。豆蔻酸与花生酸、锦葵酸与苹婆酸、苹婆酸与二氢苹婆酸相对含量呈显著正相关;棕榈酸与锦葵酸、棕榈酸与亚油酸、锦葵酸与花生酸相对含量呈显著负相关。表明不同脂肪酸存在信息重叠,有必要进行主成分分析,筛选尽可能少的新变量。

表4 棉籽油不同脂肪酸间的相关性分析
Table4 Correlation analysis among individual fatty acids in cottonseed oil

注:*.显著相关;**.极显著相关。

2.6 脂肪酸主成分分析

表5 棉籽油各脂肪酸的特征值和方差贡献率
Table5 Eigenvalue and variance contribution rate of each fatty acid in cottonseed oil

对13 种脂肪酸进行主成分分析,从表5可以看出,前4 个主成分对应的特征值大于1,且累计方差贡献率达92.497%,因此选前4 个主成分能够较全面地反映出棉籽油脂肪酸组成的主要信息。

表6 棉籽油脂肪酸的成分载荷矩阵
Table6 Principal component load matrix of fatty acids in cottonseed oil

从表6可以看出,第1主成分在豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、锦葵酸、油酸、亚油酸、苹婆酸和花生酸上有较大的载荷系数;第2主成分在棕榈油酸、油酸和二氢苹婆酸上有较大的载荷系数;第3主成分则在顺式异油酸、亚麻酸上有较大的载荷系数;第4主成分在十七烷酸上有较大的载荷。由于总方差65.952%的贡献率来自于前2 个主成分,故可以认为豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、锦葵酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸和花生酸是棉籽油的主要特征脂肪酸。

3 结 论

82 份棉籽仁出油率在18.84%~30.28%之间,平均出油率为24.95%。8 个产地不同品种棉籽的脂肪酸组成相似,含有豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七烷酸、硬脂酸、锦葵酸、油酸、顺式异油酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸、亚麻酸和花生酸13 种脂肪酸,但各脂肪酸相对含量存在差异。棉籽油中饱和脂肪酸占25.12%,不饱和脂肪酸占73.62%,不饱和脂肪酸以亚油酸和油酸为主,棉籽油具有较高的营养价值。主成分分析表明豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、锦葵酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸和花生酸是棉籽油主要特征脂肪酸。本研究结果为棉籽油的营养评价、工业生产加工以及食用植物油掺假判别提供理论依据及参考信息。

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Analysis and Evaluation of Fatty Acid Composition in Cottonseed Oil

WANG Meixia 1, ZHOU Dayun 2, MA Lei 2, XU Shuangjiao 2, WEI Shoujun 2, YANG Weihua 2, WANG Yanqin 2, DU Shuangkui 1,*
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. State Key Laboratory of Cotton Biology, Institute of Cotton Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang 455000, China)

Abstract:A total of 82 cottonseed samples from several of the main cotton cultivating regions in China were used as experimental materials for the study. Cottonseed oil was extracted by an automatic Soxhelt extractor and the qualitative and quantitative analysis of fatty acid composition in the oil were done by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and gas chromatography (GC), respectively. The difference in the fatty acid composition of cottonseed oil from various regions was examined and principal component analysis (PCA) was applied to screen the characteristic fatty acids in cottonseed oil. The results showed that the average oil yield of cottonseed kernels was 24.95%, ranging from 18.84% to 30.28%. Thirteen fatty acids were identifed and the main compounds were linoleic acid (51.99%–60.88%), palmitic acid (18.30%–25.68%), and oleic acid (12.28%–18.50%). Unsaturated fatty acids and essential fatty acids (linoleic acid and linolenic acid) accounted for 73.62% and 57.44% of the total fatty acids, respectively. Obvious differences in the contents of each fatty acid was found among different regions except heptadecanoic acid and it showed obvious regionality. Myristic acid, palmitic acid, palmitoleic acid, stearic acid, oleic acid, malvalic acid, linoleic aicd, sterculic acid, dihydrosterculic acid and arachidic acid were the characteristic fatty acids in cottonseed oil.

Key words:cottonseed oil; fatty acid; gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS); gas chromatography (GC); principal component analysis (PCA)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622020

中图分类号:TS222.1

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2016)22-0136-06

引文格式:

王美霞, 周大云, 马磊, 等. 棉籽油脂肪酸组成分析与评价[J]. 食品科学, 2016, 37(22): 136-141. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622020. http://www.spkx.net.cn

WANG Meixia, ZHOU Dayun, MA Lei, et al. Analysis and evaluation of fatty acid composition in cottonseed oil[J]. Food Science, 2016, 37(22): 136-141. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622020. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-05-03

基金项目:2015年度国家农产品质量安全风险评估重大专项(GJFP201501108);

国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-18-24);“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD36B01-02)

作者简介:王美霞(1989—),女,硕士研究生,研究方向为棉籽资源开发与利用。E-mail:kaifengwmx@163.com

*通信作者:杜双奎(1972—),男,副教授,博士,研究方向为农副产品资源开发与利用。E-mail:dushuangkui@126.com