白 亮,陶永清,*,赵 辉,李寿洋,马佳奇

(1.天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134;2.天津市食品生物技术重点实验室,天津 300134;3.天津市益民金星科技发展有限公司,天津 301699)

亚临界CO2提取黑芝麻油渣中的芝麻油及其品质研究

白 亮1,2,陶永清1,2,*,赵 辉1,2,李寿洋3,马佳奇1,2

(1.天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134;2.天津市食品生物技术重点实验室,天津 300134;3.天津市益民金星科技发展有限公司,天津 301699)

采用单因素和响应面实验优化亚临界CO2提取黑芝麻油渣中芝麻油的工艺。确定了亚临界CO2提取黑芝麻油渣中芝麻油的最佳工艺条件为:萃取压力15 MPa,萃取温度32 ℃,CO2流量48 L/h,在此条件下芝麻油的得率为11.18%,得到的回归方程拟合良好。采用气相色谱-质谱仪联用(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)鉴定亚临界CO2和市售两种芝麻油中的脂肪酸和其它活性成分,结果表明亚临界CO2和市售芝麻油中脂肪酸主要是:油酸、棕榈酸、硬脂酸和亚油酸。亚临界CO2提取的芝麻油澄清、透明,具有芝麻香气,品质良好。本文为亚临界CO2提取芝麻油渣中芝麻油提供一定的理论依据。

芝麻油渣,亚临界CO2提取,脂肪酸

芝麻油渣是芝麻经过榨油后的产物,其含有油脂、蛋白以及一些其他的生物活性成分,具有较高的经济及药用价值[1-2]。我国每年都会产生大量的芝麻油渣,绝大部分都只作为动物饲料被消耗掉,其中包含的大量的活性物质如芝麻素、不饱和脂肪酸、色素等并未得到有效的利用[3-5]。而目前关于芝麻油渣的开发应用主要集中于芝麻蛋白[6-9],关于芝麻油及其它生物活性成分的提取及相关的研究应用则较少。

与超临界提取技术相比,亚临界提取具有成本低、规模大等优势[10],更适合工业化应用。亚临界CO2提取技术作为一种绿色、高效、环境友好的技术,在植物精油、生物碱、天然色素等天然活性产物的提取中得到了广泛的研究和应用[11-13]。不同于高温焙炒制取芝麻油,亚临界CO2萃取过程温度较低,有利于一些热敏性成分保留[14],可以进一步提高芝麻油的品质。而与丙烷、丁烷及低级烷烃混合液等提取剂相比,CO2不仅廉价易得,降低了提取剂的成本,而且对环境没有污染,是一种绿色的提取剂[15-16]。本实验以CO2作为提取剂,采用单因素实验和响应面实验优化亚临界CO2提取黑芝麻油渣中芝麻油的工艺,为芝麻油渣中芝麻油和其他活性物质的提取和开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑芝麻油渣、市售黑芝麻油 天津市益民金星科技发展有限公司;液体二氧化碳 天津市兴盛气体有限公司(CO2纯度 99.5%);无水乙醇、氢氧化钾、氢氧化钠、酚酞试剂、硫代硫酸钠、碘化钾、可溶性淀粉、韦氏试剂、冰乙酸、异辛烷，均为分析纯 天津市风船化学试剂科技有限公司;甲醇、正己烷，均为色谱纯 天津市北辰方正试剂厂。

HK-180不锈钢万能粉碎机 广州旭朗机械设备有限公司;LH-12型固、液两用超临界萃取制备系统 青岛利和萃取科技有限公司;DZF-6090真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;SORAVLL BIOFUGE PRIMO R Thermo Fisher;JC-SY型数显恒温水浴锅 上海成顺仪器仪表有限公司;RE52-98旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸易有限公司;Trace GC 2000 DSQ气相色谱质谱仪检测设备 Theimo Finnegan。

1.2 实验方法

1.2.1 黑芝麻油渣的预处理及提取实验 将黑芝麻油渣进行粉碎处理,用40目的筛网过筛,取筛选后的粉料进行后续提取实验。用超临界萃取装置对预处理后的黑芝麻油渣粉料进行萃取,得到芝麻毛油。得到的芝麻毛油20 ℃、3000×g离心2 min,静置分层后,取上层油液进行干燥处理(60 ℃真空干燥30 min),得到芝麻油。得率的计算:

式(1)

式中:P-芝麻油的得率;m-干燥处理后芝麻油的质量;M-每次投入萃取釜中黑芝麻油渣粉料的总质量。

1.2.2 单因素实验 固定粉料40目,萃取时间为2 h,分离压力7.5 MPa,分离温度40 ℃,将萃取压力、萃取温度、CO2流量作为自变量,以芝麻油的得率为响应值,确定各影响因素的适宜范围。

1.2.2.1 萃取压力对芝麻油得率的影响 取400 g粉料投入萃取釜中进行萃取,设置萃取温度为30 ℃,CO2流量为38.4 L/h,分离压力7.5 MPa,分离温度40 ℃,萃取时间2 h。分别考察9、12、15、18、20 MPa萃取压力下芝麻油的得率。

1.2.2.2 萃取温度对芝麻油得率的影响 取400 g粉料投入萃取釜中进行萃取,设置萃取压力为15 MPa,CO2流量为38.4 L/h,分离压力7.5 MPa,分离温度40 ℃,萃取时间2 h。分别考察20、30、40、50 ℃萃取温度下芝麻油的得率。

1.2.2.3 CO2流量对芝麻油得率的影响 取400 g粉料投入萃取釜中进行萃取,设置萃取压力为15 MPa,萃取温度为30 ℃,分离压力7.5 MPa,分离温度40 ℃,萃取时间2 h,分别考察CO2流量为28.8、38.4、48、57.6 L/h条件下芝麻油的得率。每个因素实验均重复3次,取平均值。

1.2.3 Box-Benhnken中心组合实验设计 在单因素实验的基础上,选择芝麻油得率为响应值Y,萃取压力(A)、萃取温度(B)、CO2流量(C)为自变量,建立三因素三水平的Box-Behnken中心组合实验,各因素的三水平采用-1、0、1进行编码,因素水平见表1,其它固定条件为:粉料过筛目数为40 目,每次投料量为400 g,萃取时间2 h,分离压力为7.5 MPa,分离温度为40 ℃。

表1 Box-Behnken设计实验因素水平Table 1 Variables and levels table of Box-Behnken design experiment

1.2.4 采用GC-MS鉴定芝麻油中的脂肪酸成分 GC条件:色谱柱为DB5石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气为高纯氦气,流速1 mL/min。程序升温:初始温度为50 ℃,保持1 min,8 ℃/min升温至280 ℃,保持5 min结束,进样量0.5 μL;分流比10∶1,运行总时间为35 min。

MS条件:电离方式EI,电子能量70 eV;离子源温度200 ℃;传输线温度270 ℃;离子源温度200 ℃;激活电压1.5 V,流量扫描范围50～650 m/z;溶剂延迟3 min。

1.2.5 亚临界CO2提取芝麻油的品质分析 油脂的相关理化参数可以反映出油脂的品质。按照我国油脂标准检测亚临界CO2提取的芝麻油的品质。水分及挥发物:参照GB/T 5528-2008[17];透明度、气味:参照GB/T 5525-2008[18];碘值:参照GB/T 5532-2008[19];过氧化值:参照GB/T 5538-2005[20];酸值、酸度:参照GB/T 5530-2005[21];皂化值:参照GB/T 5534-2008[22];不皂化物:参照GB/T 5535.2-2008[23];粗脂肪含量的测定:参照GB/T 5512-2008[24]。

1.3 数据处理

单因素结果分析采用Origin 8.0(MicroCal Software,Inc.,Northampton,USA)和SPSS19.0(Chicago,1L,USA)。采用t-检验和方差分析进行显著性差异分析。

响应面实验结果采用软件Design-Expert 8.0.6分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 萃取压力对芝麻油得率的影响 萃取压力升高,萃取剂(CO2流体)的密度增大,极性增强,提升了对粉料中物质的溶解能力,有利于目标物质被萃取出来[25]。由图1可知,当压力小于15 MPa时,随着压力的升高芝麻油的得率逐渐上升;当压力接近15 MPa时,芝麻油的得率达到峰值;而之后再进一步升高压力时,芝麻油的得率不再升高,而是开始缓慢的下降。芝麻粉料本身是经过榨油后的产物,包含的油脂及其他活性产物含量相对较少,压力增大到一定值后,再进一步增强萃取剂的溶解能力对粉料中的芝麻油及其他活性成分的提取并没有提高作用;并且萃取剂只有在萃取釜中保持了15 MPa的压力,当其离开萃取釜,进入循环系统后,压力会下降,压差的变化幅度较大,萃取剂的极性改变明显,可能会对目标物质产生较大的影响,在萃取剂携带目标物质的循环流动过程中,造成目标物质的损失,从而降低芝麻油的得率。因此,将萃取压力的范围设置为12～18 MPa。

图1 萃取压力对芝麻油得率的影响Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of sesame oil

2.1.2 萃取温度对芝麻油得率的影响 温度主要是通过增加目标物质的挥发性来提高其得率。温度升高,增强了物料中目标物质的挥发性,使其更容易被循环的萃取剂带走,之后经过调节温度和压力压分离萃取剂和目标物质,从而提高目标物质的得率。处于临界状态的CO2流体由于密度的改变,对物质的溶解能力增强,可以有效地溶解并提取芝麻粉料中高沸点的脂肪酸成分,而温度的升高不仅可以增强粉料中芝麻油的挥发性,提高芝麻油得率;而且可以增强一些其它活性成分的挥发性,提高提取芝麻油的品质。由图2可知,当萃取温度接近30 ℃时,芝麻油的得率达到最大值,之后随着温度的进一步升高,芝麻油得率开始缓慢下降,温度可以增加目标物质的挥发性,但萃取温度过高同时会降低萃取剂的溶解能力,因此导致芝麻油得率的下降,所以将萃取温度的范围设置为25～35 ℃之间。

图2 萃取温度对芝麻油得率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of sesame oil

2.1.3 CO2流量对芝麻油得率的影响 CO2流量主要是影响萃取的传质过程,当CO2流量较小时,延长了萃取剂与粉料的接触时间,增强了萃取剂对目标物质的充分溶解,有利于萃取过程的进行,但同时增加了萃取剂和目标物质在循环系统中的时间,可能会对目标物质造成一定的损失;而当CO2流量较大时,则会缩短萃取剂与粉料的接触时间,不利于萃取过程的进行。由图3可知,当CO2流量接近48 L/h时,芝麻油的得率不再升高而是开始下降,继续增大CO2流量对芝麻油的得率没有提升作用,因此将CO2流量的范围设置为40～50 L/h之间。

图3 CO2流量对芝麻油得率的影响Fig.3 Effect of CO2 flow rate on the yield of sesame oil

2.2 Box-Benhnken中心组合实验

2.2.1 实验结果及分析 在单因素实验的基础上,选择芝麻油得率为响应值,萃取压力(A)、萃取温度(B)、CO2流量(C)为自变量,每个因素设置3个水平,应用Box-Behnken中心设计原理,由软件Design-Expert 8.0.6设计3因素3水平中心组合实验设计共包括17个实验方案,其中12个析因点,5个中心实验点。实验方案及实验结果见表2。

表2 实验方案及实验结果Table 2 Experimental design and results

2.2.2 建立回归方程及方差分析 利用软件Design-Expert 8.0.6分析实验结果,得到回归方程如下:

Y=-45.7875+3.25875A+1.3904B+0.37885C+0.024AB+1.83333×10-3AC+4.2×10-3BC-0.13053A2-0.03089B2-5.5910-3C2。

由表3可知,回归方程的一次项A、B和二次项A2、B2对响应值的影响极为显著,二次项AB对响应值的影响显著。实验结果表明萃取压力和萃取温度对芝麻油的得率影响显著,并且萃取压力和萃取温度之间的交互作用对芝麻油的得率影响显著,各因素对芝麻油得率的影响强弱为:萃取压力>萃取温度>CO2流量。

2.2.3 各因素的交互作用的分析 由软件Design-Expert 8.0.6获得响应值的曲面图,通过响应曲面图和表3分析各因素对响应值的影响及各因素之间的交互作用。

表3 回归模型的结果分析Table 3 Analysis of variance for the regression model

注:**:p<0.01,检验水平上极为显著;*:p<0.05检验水平上显著。

结合表3方差分析的实验结果,由图4～图6可知,萃取压力和与萃取温度之间的交互作用比较明显,与方差分析的结果相符。当萃取温度较低时,随着萃取压力的升高,芝麻油的得率在进一步提高;当萃取压力继续增大时,芝麻油的得率开始缓慢下降;当萃取压力一定时,萃取温度升高,芝麻油的得率先升高后缓慢降低,但其变化幅度要小于萃取压力,说明萃取压力对芝麻油得率的影响比萃取温度要显著。而萃取压力和CO2流量以及萃取温度和CO2流量之间的交互作用不显著,萃取压力是影响芝麻油得率的主要因素,当萃取压力达到15.6 MPa时,芝麻油得率接近最大值。

通过软件Design-Expert 8.0.6预测出亚临界CO2提取黑芝麻油渣中芝麻油的优化条件为:萃取压力15.76 MPa,萃取温度31.93 ℃,CO2流量48.47 L/h。在此条件下,预测芝麻油得率为11.24%,为方便实际实验操作,将实验条件修正为萃取压力15 MPa,萃取温度32 ℃,CO2流量48 L/h,共进行了3次验证实验,芝麻油的平均得率为11.18%,与预测理论值的误差为0.53%,重现性较好,该模型能较准确的反映实际萃取情况。油料作物经过压榨后饼粕中的残油量为6%～15%[26],钟雪玲的研究表明经过冷榨后芝麻饼粕中芝麻油残量可达14.43%[27],因此,亚临界CO2提取工艺对芝麻油渣中芝麻油的有效利用具一定的意义。

图4 萃取压力和萃取温度的交互作用对芝麻油得率的响应面图Fig.4 Response surface plots of extraction pressure and extraction temperature on the yield of sesame oil

图5 萃取压力和CO2的交互作用对芝麻油得率的响应面图Fig.5 Response surface plots of extraction pressure and CO2 flow rate on the yield of sesame oil

图6 萃取温度和CO2流量的交互作用对芝麻油得率的响应面图Fig.6 Response surface plots of extraction temperature and CO2 flow rate on the yield of sesame oil

2.3 芝麻油脂肪酸的成分分析

GC-MS鉴定芝麻油中的脂肪酸,采用峰面积归一法确定芝麻油中各脂肪酸组分的相对含量。图7和8为芝麻油脂肪酸组成的鉴定图,脂肪酸主要组成及其含量见表4。

图7 亚临界CO2提取芝麻油的气相色谱图Fig.7 Chromatogram of sesame oil extracted by subcritical CO2

图8 市售芝麻油(黑芝麻)的气相色谱分析图Fig.8 Chromatogram of sesame oil from local market

由表4可知,亚临界CO2提取及市售芝麻油中脂肪酸的成分主要为油酸、棕榈酸、硬脂酸和亚油酸,采用亚临界CO2提取的芝麻油的脂肪酸组成与市售芝麻油基本相同。与超临界CO2提取的芝麻油相比,采用亚临界CO2从芝麻油渣中提取的芝麻油脂肪酸组成与前者存在明显的差异[28],超临界CO2提取的芝麻油中亚油酸含量为35.92%,高于亚临界CO2提取的芝麻油(1.26%),但亚临界CO2提取的芝麻油中油酸的含量要高于超临界CO2提取的芝麻油(71.24%:48.63%),并且亚临界CO2更好地保留亚麻酸。此外,亚临界CO2在保留维生素E方面的效果要优于其它方法[29],与本实验的结果相近,亚临界CO2对维生素E的保留作用要优于市售芝麻油(0.34%:0.05%)。而这些物质都对提高芝麻油的品质具有重要意义。

表4 芝麻油中脂肪酸组成Table 4 Fatty acid composition of sesame oil

注:“-”表示未检测出。

2.4 亚临界CO2和市售芝麻油的品质分析

检测亚临界CO2提取的芝麻油的品质并且与市售芝麻油做比较,其结果见表5。在萃取压力15 MPa、萃取温度32 ℃,CO2流量48 L/h的条件下得到芝麻油澄清、透明,具有芝麻香气,不饱和脂肪酸的含量要高于市售芝麻油。两种芝麻油的碘值、过氧化值、皂化值、酸值相差不大,基本均符合食用芝麻油的标准[30],说明亚临界CO2从黑芝麻油渣中提取的芝麻油具有良好的品质。

表5 亚临界CO2和市售芝麻油的品质分析Table 5 Quality analysis of sesame oil extrated by subcritical CO2 and commercially available

3 结论

通过单因素实验和响应面法优化了亚临界CO2提取黑芝麻油渣中芝麻油的工艺,拟合了萃取压力、萃取温度和CO2流量对芝麻油得率的回归模型,拟合的模型能够较好的反映出实际萃取情况。确定优化工艺条件为:萃取压力15 MPa,萃取温度32 ℃,CO2流量48 L/h,该条件下芝麻油的得率达到了11.18%。实验所得芝麻油与市售芝麻油的脂肪酸组成基本相同,并且亚临界CO2提取的芝麻油较好的保留了亚麻酸和维生素E,具有良好的品质。

采用亚临界CO2提取的黑芝麻油渣中的芝麻油不仅具有良好的品质,而且以芝麻油渣作为提取原料,实现废物的充分利用,进一步提高了芝麻油渣的利用效率;同时亚临界CO2作为一种绿色、环保、高效的提取技术不存在溶剂残留,不会对环境造成污染。

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Research on quality of sesame oil extracted by subcritical CO2from black sesame dregs

BAI Liang1,2,TAO Yong-qing1,2,*,ZHAO Hui1,2,LI Shou-yang3,MA Jia-qi1,2

(1.College of Biotechnology and Food science,Tianjin University of Commence,Tianjin 300134,China;2.Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology,Tianjin 300134,China;3.Tianjin Yimin Venus Technology Development Co.,Ltd.,Tianjin 301699,China)

According to single factor experiments,using response surface optimized the process of extraction oil from black sesame dregs by subcritical CO2. The optimum conditions were follows:extraction pressure 15 MPa,extraction temperature 32 ℃,CO2flow 48 L/h,and the yield could reach 11.18%.The regression equation was fitted well. The fatty acids and bioactive products in sesame oil extracted by subcritical CO2and commercially available were both tested by Gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)and the main components were oleic acid,palmitic,stearic acid and linoleic acid. Furthermore,sesame oil extracted by subcritical CO2showed a good quality with clear,transparent,and sesame aroma after testing indexes of physical and chemical. This test may provide a theoretical basis for extraction of sesame oil from sesame dregs by subcritical CO2.

black sesame dregs;subcritical CO2extraction;fatty acid

2016-06-30

白亮(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：天然活性产物的分离筛选，E-mail:bailiang20101@163.com。

*通讯作者:陶永清(1964-)，男，副教授，研究方向：天然活性产物的提取分离，E-mail: Taoyongqing@tjcu.edu.cn。

国家自然科学基金(81172837)；天津市大学生创新创业训练计划项目(201410069010)。

TS244.4

B

:1002-0306(2017)04-0247-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.038