水酶法提取紅花籽油工藝優(yōu)化及其籽油揮發(fā)性香氣成分分析

陳卓，馬丹陽，劉文玉，趙巧玲，魏長慶*

(1.新疆石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆賽里木現(xiàn)代農(nóng)業(yè)股份有限公司，新疆 博樂 833400)

紅花(CarthamustinctoriusL.)，是菊科紅花屬種一年生草本雙子葉植物[1]，主要分布于中國、西班牙、荷蘭、法國、希臘、伊朗和印度[2]。紅花籽油中的亞油酸含量相對其他已知植物油為最高，大約在73%～85%，同時其良好的物理特性使其可以用于冷餐調(diào)味品[3]。

目前對紅花籽油的主要提取工藝有物理壓榨法和溶劑浸提法。物理壓榨法存在提取率低、蛋白質(zhì)變性嚴(yán)重、副產(chǎn)品難以利用等缺點[4];溶劑浸提法由于有機溶劑的使用而可能產(chǎn)生一些安全隱患。近年來，水酶法作為一種“安全、綠色、高效”的提取技術(shù)，在食品色素提取及多種植物精油和大豆、花生、菜籽、紫蘇、芝麻等多種油料的提取工藝中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

揮發(fā)性香氣物質(zhì)是調(diào)味品添加劑中存在的次生特征性標(biāo)志成分，同時也是評價植物油品質(zhì)的重要指標(biāo)組成[6]。本文以紅花籽為原料，對水酶法提取紅花籽油最佳工藝條件進行研究，并用HS-SPME-GC/MS技術(shù)對提取后的籽油揮發(fā)性組分分析，為水酶法提取紅花籽油提供一定技術(shù)支持與屬性識別。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

紅花籽：采自新疆塔城裕民縣；堿性蛋白酶、纖維素酶果膠酶、復(fù)合酶制劑：鄭州萬博化工產(chǎn)品有限公司。

1.2 試驗儀器

家用螺桿擠壓榨油機；5810R 高速冷凍離心機；分析天平； DK-8D數(shù)顯恒溫水浴鍋；恒溫數(shù)顯磁力攪拌器；GC-MS 6800氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀；SPME 萃取裝置：PDMS纖維萃取頭(100 μm)、PDMS/DVB萃取頭(75 μm)和DVB/CAR/PDMS 萃取頭(50/30 μm)均購于美國色譜科公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水酶法提取紅花籽油工藝

紅花籽脫殼粉碎→過篩(80目)→調(diào)至(添蒸餾水)→調(diào)pH和溫度→酶解→滅酶(100 ℃沸水，水浴5 min)→離心分離(4000 r/min,離心20 min)→得到游離油1、乳狀液、水解液和殘渣→離心→得到游離油2。

1.3.2 紅花籽油揮發(fā)性香氣成分測定

稱取10 g紅花籽油樣品置于125 mL帶硅膠蓋頂空瓶中，加蓋密封后待測，先將不同萃取頭于250 ℃的溫度下老化2 h，在60 ℃下萃取15 min后，將萃取頭抽出，置于250 ℃的GC進樣口解吸3 min并啟用采集程序。

1.3.3 GC-MS分析條件

1.3.3.1 GC條件

選用(30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm DFDB-WAX，美國Supelco公司)石英毛細管柱；載氣為氦氣，流速0.8 mL/min，進樣口溫度250 ℃；程序升溫條件：首先40 ℃保留3 min，再以6 ℃/min 升到120 ℃，然后以10 ℃/min升到230 ℃，保留8 min。

1.3.3.2 MS條件

離子源溫度200 ℃，電離方式EI，燈絲發(fā)射電流200 μA，電子能量70 eV，接口溫度250 ℃，掃描質(zhì)量范圍為33～373 amu。

1.3.4 揮發(fā)性物質(zhì)定性定量方法

GC-MS實驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自帶軟件(Xcalibur)處理完成，紅花籽油樣品中揮發(fā)性組分經(jīng)計算機檢索定性(正反匹配度>800)并與商業(yè)計算機譜庫NIST和WILEY比對分析，采用峰面積歸一化法分析各組分的相對含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

試驗以紅花籽提油率為指標(biāo)，分別考察了適宜酶的種類、酶添加量、料液比和酶解時間，測定這4個因素的最佳水平值范圍。

圖1 各提取因素對提油率的影響

經(jīng)預(yù)試驗，在不同酶制劑中選擇堿性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、復(fù)合酶制劑(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶為 5∶3∶2，該比例為預(yù)試驗所得)進行比較，對得油率進行對比，由圖1中A可知，選用不同酶制劑提油率變化不明顯，保持在一定水平范圍內(nèi)，相比使用單一酶制劑，復(fù)合酶制劑的提油率最高。

在料液比為1∶5，酶解時間為3 h，酶解溫度為50 ℃，pH為8的條件下，由圖1中B可知，將酶用量提高到240 U/g時，提油率提升至61.67%，但當(dāng)用量繼續(xù)增加到240 U/g以上時，提油率變化不明顯，保持在一定水平范圍內(nèi)。

復(fù)合酶制劑添加量為240 U/g，酶解時間為3 h，酶解溫度為50 ℃，pH為8的條件下，由圖1中C可知，隨著料液比的增加，紅花籽油的提取率也隨之升高，當(dāng)料液比為1∶5時，紅花籽油提取率最高，提油率為61.20%，當(dāng)料液比持續(xù)增大時，提油率反而會逐漸下降。

在酶添加量為240 U/g，料液比為1∶5，酶解溫度為50 ℃，pH為8的條件下，由圖1中D可知，隨著酶解時間的增加，紅花籽油的提取率也逐漸增高，而且變化程度較明顯，當(dāng)酶解時間為3 h時，紅花籽油提取率達到最大，當(dāng)酶解時間繼續(xù)增加時，紅花籽油提取率無明顯變化。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化水酶法提取工藝試驗結(jié)果分析

2.2.1 紅花籽油回歸模型的建立及顯著性檢驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，綜合經(jīng)濟效益及紅花籽油品質(zhì)等因素，確定各因素的最佳水平值范圍，酶解pH為8，酶解溫度為50 ℃，在此條件下最適用復(fù)合酶制劑，采用中心組合設(shè)計進行三因素三水平試驗，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表1和表2。

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素水平表

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

將所得試驗數(shù)據(jù)采用 Design Expert 8.5軟件進行多元回歸擬合和工藝參數(shù)優(yōu)化，得到以提油率(Y)為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程：

Y=70.09-12.79A+12.61B+4.59C+8.45AB-7.16AC+0.093BC-2.42A2-15.41B2-3.88C2。

為進一步對該回歸模型進行顯著性檢驗，對紅花籽油提取的數(shù)學(xué)模型進行方差分析，回歸模型的方差分析及顯著性檢驗見表3，方差變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該回歸模型極顯著(P<0.01)，失擬項不顯著(P>0.05)，說明未知因素對結(jié)果干擾很小，該模型能基本反映3種因素與提油率的關(guān)系。因此，上述二次回歸方程模型合適。由F檢驗可以得到因子貢獻率為：料液比(B)>酶解時間(C)>酶添加量(A)。

表3 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗

續(xù) 表

注：P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著。

2.2.2 紅花籽油提取的響應(yīng)面試驗結(jié)果

酶添加量、料液比及時間對提油率影響的響應(yīng)面圖見圖2。

圖2 酶添加量、料液比及時間對提油率影響的響應(yīng)面圖

2.3 試驗驗證

根據(jù)Box Behnken試驗所得的結(jié)果和二次多項回歸方程，利用Design Expert 8.5軟件獲得了各個因素的最佳酶解條件組合為復(fù)合蛋白酶量233 U/g、溫度50 ℃、酶解pH 8、料液比1∶4、酶解時間3.7 h，在此條件下，提油率可達到62.3%。為了檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準(zhǔn)確性，在最佳酶解條件下進行酶解，做3組平行試驗，所得結(jié)果為(61.55±0.51)%，由此可得，采用響應(yīng)面分析法對水酶法提取紅花籽油最佳酶解條件的優(yōu)化是有效的。

2.4 紅花籽油香氣成分分析

2.4.1 水酶法紅花籽油樣氣相色譜圖

水酶法提取紅花籽油的香氣成分的GC色譜圖見圖3。

圖3 水酶法提取紅花籽油的香氣成分的GC色譜圖

2.4.2 水酶法紅花籽油香氣組分分析

表4 紅花籽油的揮發(fā)性香氣成分

續(xù) 表

注：(Z)-表示順式結(jié)構(gòu)；(E)-表示反式結(jié)構(gòu)。

由表4可知，本研究采用SP-ME-GC-MS技術(shù)對水酶法提取的紅花籽油的揮發(fā)性成分進行了檢測分析，共檢測出63種揮發(fā)性化合物，主要包括烷烴類化合物(2種)、烯類化合物(4種)、醛類化合物(15種)、酮類化合物(1種)、醇類化合物(9種)、酸類化合物(2種)、酯類化合物(3種)、雜環(huán)類化合物(21種)、其他類6種。

由圖4可知，紅花籽油的揮發(fā)性香氣成分中醛類化合物的含量最高，高達30.07%，其中己醛相對于其他揮發(fā)性成分具有較高含量，高達12.13%，這可能是由于其合成途徑的多樣性所導(dǎo)致[7]，研究發(fā)現(xiàn)植物油中C5～C9的醛類化合物多數(shù)呈現(xiàn)出脂肪味、水果味或者青草味等[8]，所以醛類化合物是紅花籽油揮發(fā)性香氣中一類重要的組分。雜環(huán)類化合物的相對含量僅次于醛類，但雜環(huán)類化合物的閾值通常很低，低濃度下就具有明顯的焙烤風(fēng)味，對油脂整體風(fēng)味貢獻較大[9]。醇類化合物中主要有正己醇(3.09%)和3-乙基-4-甲基戊醇(1.58%)， C6醇類一般都具有較強的青草香[10]，如正己醇。烯類化合物多具有一種清新淡雅的香氣[11]，其中1-石竹烯具有淡淡的丁香味[12]。眾多揮發(fā)性化合物呈現(xiàn)出不同的風(fēng)味，因此水酶法提取紅花籽油的香味是由多種成分共同作用產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，篩選出合適的酶制劑，并以提油率為響應(yīng)指標(biāo)，通過三因素三水平的響應(yīng)分析對水酶法提取紅花籽油工藝條件進行優(yōu)化。最終確定在pH為8，溫度為50 ℃，料液比為1∶4的酶解條件下，選用復(fù)合酶制劑(其中堿性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶含量為5∶3∶2)添加量為233 U/g，酶解時間3.6 h時效果最佳，得油率為62.3%。

采用SP-ME-GC/MS技術(shù)對水酶法提取的紅花籽油的揮發(fā)性成分進行檢測分析，共檢測出63種揮發(fā)性物質(zhì)，主要包括烷烴類化合物(2種)、烯類化合物(4種)、醛類化合物(15種)、酮類化合物(1種)、醇類化合物(9種)、酸類化合物(2種)、酯類化合物(3種)、雜環(huán)類化合物(21種)、其他類6種，其中醛類、雜環(huán)類、醇類和烯類揮發(fā)性物質(zhì)的總含量相對較高，依次為30.07%，22.03%，10.11%，5.33%。

[1]李永貴，秦亞兵.新油源——紅花[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,1988(2):14.

[2]張含藻.西紅花白芷無公害高效栽培與加工[M].北京:金盾出版社,2004.

[3]劉旭云.優(yōu)質(zhì)、高效經(jīng)濟作物——紅花[J].云南農(nóng)業(yè)科技,1992(6):21.

[4]陳嬋，曾紹校.紅花籽油提取工藝的優(yōu)化研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2009,21(12)：137-139.

[5]魯曾，董海洲，潘燕.酶法提油技術(shù)研究進展[J].糧食與油脂,2006(6)：37-39.

[6]Dabbou S，Issaoui M，Brahmi F，et al.Changes in volatile compounds during processing of tunisian-style table olives[J].Journal of the American Oil Chemists Society,2011，89(2):347-354.

[7]Bardague G，Bolzoni L，Parolari G，et al.Flavor compounds of dry-cured ham[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,1992,40(12):2389-2394.

[8]Kalua C M.Olive oil volatile compounds，flavour development and quality: a critical review[J].Food Chemistry,2007,100(1):273-286.

[9]Newell J A，Mason M E，Matlock R S.Precursors of typical and atypical roasted peanut flavor[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,15(5):767-772.

[10]Tura D，Prenzler P D,Drjr B,et al.Vairetal and processing effects on the volatile profile of Australian olive oils [J].Food Chemistry,2004，84(3):341-349.

[11]Ali Bayrak，Mustafa Kiralan，Hasan Kara，et al.Determination of aroma profiles of olive oilsfrom turkish olive cultivars[J].J Am Oil Chem Soc,2013,90(9):1281-1300.

[12]Miyazaki T，Plotto A,Baldwin E A,et al.Aroma characterization of tangerine hybrids by gas-chromatography-olfactometry and sensory evaluation[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2012,92(4):727-735.