牡丹籽油亞臨界流體萃取工藝優(yōu)化

姚茂君，李 靜

（吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000）

牡丹籽油亞臨界流體萃取工藝優(yōu)化

姚茂君，李 靜

（吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000）

采用亞臨界流體技術(shù)萃取牡丹籽油，通過正交試驗(yàn)對(duì)制油工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)此法所得牡丹籽油的脂肪酸組成及理化性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，最優(yōu)萃取工藝條件為萃取溫度50 ℃、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa、每次萃取30 min、萃取3 次，該條件下牡丹籽出油率達(dá)24.16 %。所得牡丹籽油共鑒定出12 種脂肪酸，主要為亞麻酸（45.412 2%）、亞油酸（38.119 9%）、棕櫚酸（11.124 6%）和硬脂酸（3.648 9%）。其理化指標(biāo)為：相對(duì)密度0.901 3、折光指數(shù)1.474 2、酸值3.25 mg KOH/g、碘值175 g I2/100 g、皂化值176 mg KOH/g、過氧化值1.48 meq/kg。

牡丹籽油；理化性質(zhì)；脂肪酸組成；亞臨界流體

牡丹籽為毛莨科芍藥屬牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）的成熟種子，牡丹籽中不僅含有蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)成分，還含有大量的脂肪酸，其中粗脂肪含量達(dá)27%～33%[1-2]。牡丹籽油已于2011年3月22日獲批為新資源食品，它具有降低膽固醇、預(yù)防心腦血管疾病、增強(qiáng)免疫力等保健功效。據(jù)報(bào)道[3-4]牡丹籽油中不飽和脂肪酸含量占總油量的92.60%，人體必需脂肪酸亞麻酸和亞油酸的含量分別為67.13%、24.57%，遠(yuǎn)高于常見市售植物油。

目前制備牡丹籽油的方法主要有壓榨法、溶劑浸出法、超臨界CO2法[5-8]。壓榨法提油率低，副產(chǎn)物利用率低；溶劑浸出法工藝較復(fù)雜且存在環(huán)境污染等安全問題；超臨界CO2法所得油脂色澤、品質(zhì)較好，但設(shè)備較昂貴。亞臨界萃取是根據(jù)相似相容的原理，以特定萃取劑為溶媒，來提取目標(biāo)組分的一項(xiàng)新型分離技術(shù)[9-12]。該法回收率高、生產(chǎn)周期短，已被廣泛應(yīng)用于食品、化工等領(lǐng)域[13-15]，較超臨界萃取而言，其顯著的特點(diǎn)是萃取壓強(qiáng)低，運(yùn)行成本低，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)可行性高。

目前尚未見亞臨界流體萃取牡丹籽油方面的報(bào)道。故本實(shí)驗(yàn)以牡丹籽為原料，以出油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用亞臨界法萃取牡丹籽油，分析、檢測(cè)所得油脂的脂肪酸組成及理化性質(zhì)，以期為牡丹籽油的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牡丹籽（含油率為30.23%） 湖南本草制藥有限公司。

丁烷（純度99.99%） 深圳深巖燃?xì)庥邢薰?；鹽酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、石油醚、冰乙酸、硫代硫酸鈉、三氯甲烷、淀粉、碘化鉀、95%乙醇、一氯化碘、酚酞、濃硫酸、無水硫酸鈉（均為國產(chǎn)分析純） 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；甲醇、正己烷（均為色譜純） 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

亞臨界萃取裝置 珠海共同機(jī)械有限公司；F2102型植物粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；GZX-9246MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 金壇市成輝儀器廠；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司；WSL-2型羅維朋比色計(jì) 杭州麥哲儀器有限公司；WYA阿貝折光儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牡丹籽油萃取方法

稱取一定量粉碎后過40 目篩的牡丹籽粉于亞臨界的萃取罐中，采用丁烷為萃取溶劑，在設(shè)置的萃取條件下進(jìn)行萃取，萃取物與萃取劑流經(jīng)解吸釜，通過減壓、升溫使萃取劑變?yōu)闅怏w，氣體經(jīng)即時(shí)壓縮為液體后再次流經(jīng)萃取釜對(duì)物料進(jìn)行循環(huán)萃取，萃取結(jié)束后經(jīng)減壓分離得牡丹籽油，牡丹籽出油率的計(jì)算方法如下：

式中：m1為牡丹籽油的質(zhì)量/g；m0為牡丹籽原料的質(zhì)量/g。

1.3.2 牡丹籽油理化性質(zhì)的測(cè)定

相對(duì)密度、折光指數(shù)、酸值、碘值、皂化值、過氧化值的理化指標(biāo)測(cè)定方法，參見文獻(xiàn)[16]。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照1.3.1節(jié)，以萃取次數(shù)、萃取溫度、萃取時(shí)間、萃取壓強(qiáng)為考察因素，以牡丹籽出油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討諸因素對(duì)牡丹籽出油率的影響，因素、水平見表1。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels used in single factor design

1.3.4 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以萃取溫度、萃取壓強(qiáng)、萃取時(shí)間、萃取次數(shù)為自變量，以牡丹籽出油為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過L9（34）正交試驗(yàn)考察諸因素對(duì)牡丹籽出油率的影響，通過直觀分析法確定最優(yōu)萃取工藝。

1.3.5 牡丹籽油甲酯化方法

稱取所得牡丹籽油1 g于圓底燒瓶中，加入10 mL CH3OH-H2SO4（9∶1，V/V）溶液，于70 ℃恒溫水浴鍋中加熱反應(yīng)1 h，冷卻后，用正己烷萃取2 次，合并兩次萃取液，蒸餾水洗滌3 次，無水硫酸鈉干燥，取上清液待測(cè)[17]。

1.3.6 色譜條件

色譜柱：Agilent 190191S-433型石英毛細(xì)管柱（325 ℃，30 m×250 μm，0.25 μm）；載氣為高純度的氦氣（99.999%）；柱前壓69.8 kPa，柱內(nèi)載氣流速2 mL/min；升溫程序：80 ℃保留2 min，以6 ℃/min速率升溫至180 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min速率升溫到250 ℃，保持2 min；載氣流速1 mL/min，分流比50∶1，進(jìn)樣量1 μL。

1.3.7 質(zhì)譜條件

電子電離源230 ℃，溶劑延遲4 min，電子能量70 eV，四極桿溫度150 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z 40～550 u，分辨率1 000，傳輸線溫度250 ℃，采用NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行檢索。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取次數(shù)對(duì)牡丹籽出油率的影響

在萃取時(shí)間25 min、萃取溫度45 ℃、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa的條件下，考察萃取次數(shù)對(duì)牡丹籽出油率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取次數(shù)對(duì)牡丹籽出油率的影響Fig.1 Effect of number of repeated extractions on the yield of tree peony seed oil

由圖1可知，隨著萃取次數(shù)的增加，出油率逐漸升高，萃取3 次后，牡丹籽出油率增幅趨于平緩，繼續(xù)增加萃取次數(shù)對(duì)出油率貢獻(xiàn)不大。故萃取3 次較為適宜。

2.2 萃取溫度對(duì)牡丹籽出油率的影響

圖2 萃取溫度對(duì)牡丹籽出油率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of tree peony seed oil

在萃取時(shí)間25 min、萃取次數(shù)3 次、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa的條件下，考察萃取溫度對(duì)牡丹籽出油率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，牡丹籽出油率隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度升高到50 ℃時(shí)，出油率達(dá)最高值，繼續(xù)升高溫度，出油率略有降低，這是因?yàn)樯邷囟葧r(shí)，油脂的溶解度增大，利于油脂的溶出。但過高的溫度會(huì)導(dǎo)致萃取釜中丁烷氣化，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，故50 ℃較為適宜[18]。

2.3 萃取時(shí)間對(duì)牡丹籽出油率的影響

在萃取溫度50 ℃、萃取次數(shù)3 次、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa的條件下，考察萃取時(shí)間對(duì)牡丹籽出油率的影響，結(jié)果見圖3。

分析：根據(jù)題意觀察，考慮可用輔助角公式a sin x+b cos x=（x+φ）將（f x）化為“一名一角”的三角函數(shù)形式sin2x+a cos2x=（2x+φ），其中tanφ=a.

圖3 萃取時(shí)間對(duì)牡丹籽出油率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of tree peony seed oil

由圖3可知，隨著時(shí)間的延長，出油率明顯升高，25 min后出油率趨于平穩(wěn)，增幅較小，繼續(xù)延長萃取時(shí)間意義不大。這是由于溶劑與物料需要接觸一定的時(shí)間，溶解才能達(dá)到平衡[19]。綜合考慮確定萃取時(shí)間為25 min。

2.4 萃取壓強(qiáng)對(duì)牡丹籽出油率的影響

在萃取溫度50 ℃、萃取次數(shù)3 次、萃取時(shí)間25 min的條件下，考察壓強(qiáng)對(duì)牡丹籽出油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 萃取壓強(qiáng)對(duì)牡丹籽出油率的影響Fig.4 Effect of extraction pressure on the yield of tree peony seed oil

由圖4可知，隨著壓強(qiáng)的增加，出油率升高，壓強(qiáng)為0.5 MPa時(shí)，出油率達(dá)24.07%，超過此壓強(qiáng)值后，出油率變化不大。原因是在其他參數(shù)不變的情況下，隨著壓強(qiáng)的升高，萃取溶劑丁烷的傳質(zhì)效率升高，出油率升高。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，丁烷對(duì)于牡丹籽油的溶解趨于飽和，繼續(xù)升高壓強(qiáng)，對(duì)其傳質(zhì)效率影響不大[12]，故適宜的萃取壓強(qiáng)在0.5 MPa左右。

2.5 亞臨界流體萃取牡丹籽油的正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9（34）正交試驗(yàn)優(yōu)化亞臨界流體萃取牡丹籽油的工藝。試驗(yàn)因素水平見表2，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3，方差分析見表4。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels used in orthogonal array design

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Orthogonal array design and results for the yield of tree peony seed oil

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

由表3直觀極差分析R值可知，各考察因素對(duì)牡丹籽出油率影響順序?yàn)椋篈萃取次數(shù)＞B萃取溫度＞D萃取時(shí)間＞C萃取壓強(qiáng)；由表4可知，萃取次數(shù)（P＜0.05）及萃取溫度（P=0.007＜0.05）對(duì)出油率有顯著影響，萃取時(shí)間及萃取壓強(qiáng)對(duì)出油率的影響不顯著。直觀分析法表明A3B2C3D3為最優(yōu)工藝，綜合生產(chǎn)成本與設(shè)備能耗考慮，確定A2B2C2D3即萃取溫度50 ℃、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa、萃取3 次、每次萃取30 min為最優(yōu)工藝條件，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，牡丹籽平均出油率達(dá)24.16%。

2.6 牡丹籽油脂肪酸成分分析

亞臨界萃取所得牡丹籽油甲酯化后，應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS）分析檢測(cè)其脂肪酸組成。利用NIST 08標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行定性分析，并采用峰面積歸一法測(cè)定各組分的相對(duì)含量，總離子流色譜圖見圖5，脂肪酸組成分析見表5。由圖5和表5可知，該法所得牡丹籽油共檢測(cè)出12 種脂肪酸，已鑒定組分占總量的99.90%，其中飽和脂肪酸6 種，以棕櫚酸（11.124 6%）和硬脂酸（3.648 9%）為主，不飽和脂肪酸含量為84.535 4%，以多不飽和脂肪酸亞油酸（38.119 9%）和亞麻酸（45.412 2%）為主，其二者是人體必需脂肪酸，亞油酸具有抗氧化、抗癌、抑制人體內(nèi)膽固醇合成等功效[20]；亞麻酸具有改善血液循環(huán)、促進(jìn)肝細(xì)胞再生、增強(qiáng)記憶、延緩衰老等作用[21]。在牡丹籽油中還檢測(cè)出具有較強(qiáng)抗癌活性的奇數(shù)碳脂肪酸[22]如C15、C17等，可見牡丹籽油不僅具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值還具有獨(dú)特的保健作用。

圖5 牡丹籽油GC-MS總離子流圖Fig.5 GC-MS total ion current chromatogram of tree peony seed oil

表5 牡丹籽油的脂肪酸組成及相對(duì)含量Table 5 Fatty acid composition of tree peony seed oil

2.7 牡丹籽油理化指標(biāo)分析結(jié)果

表6 亞臨界流體萃取所得牡丹籽油的理化性質(zhì)Table 6 Physicochemical properties of tree peony seed oil

由表6可知，牡丹籽油的碘值為175 g I2/100 g，表明牡丹籽油屬于干性油脂，不飽和度高，故其應(yīng)盡量在低溫、避光、密封的條件下保存，以防止其發(fā)生氧化酸敗。折光指數(shù)隨脂肪酸雙鍵和共軛程度的增大而增大[23]，牡丹籽油折光指數(shù)為1.474 2，較一般植物油大，表明其含有大量的不飽和雙鍵，這與GC-MS檢測(cè)結(jié)果相吻合。過氧化值較低，表明牡丹籽油在亞臨界萃取過程中氧化程度低。酸值小于4.0 mg KOH/g，滿足GB 2716—2005《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于植物原油酸值的要求但不符合食用植物油的標(biāo)準(zhǔn)，這可能是受牡丹籽原料質(zhì)量的影響，所以對(duì)采收后的新鮮原料應(yīng)及時(shí)干燥、妥善保藏[24-25]。亞臨界流體萃取所得牡丹籽油的色澤較深，需進(jìn)行脫色處理。

3 結(jié) 論

各考察因素對(duì)牡丹籽出油率影響順序?yàn)锳萃取次數(shù)＞B萃取溫度＞D萃取時(shí)間＞C萃取壓強(qiáng)，最優(yōu)工藝條件為萃取溫度 50 ℃、萃取壓強(qiáng)0.5 MPa、萃取3 次、每次萃取30 min，該條件下的平均出油率為24.16%。牡丹籽油中主要含有亞麻酸、亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸4 種脂肪酸，不飽和脂肪酸達(dá)84.535 4%，以亞油酸和亞麻酸為主，未檢測(cè)出油酸，這與易軍鵬等[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致但與白喜婷[1]、周海梅[20]等的測(cè)定結(jié)果有所差異，這可能與牡丹籽的品種和生長環(huán)境有關(guān)。亞臨界萃取所得牡丹籽油具有獨(dú)特的香味，相對(duì)密度為0.901 3，酸值為3.25 mg KOH/g，碘值為175 g I2/100g，過氧化值為1.48 meq /kg，皂化值為176 mg KOH/g，折光指數(shù)為1.474 2。

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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)

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.

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

TS224.4

A

1002-6630（2014）14-0053-05

10.7506/spkx1002-6630-201414010

2014-01-12

國家發(fā)改委國家生物醫(yī)藥高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（發(fā)改委高技[2007]2490號(hào)）

姚茂君（1968—），男，教授，碩士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)。E-mail：yaomaojun@126.com