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高品质油茶籽油的湿法提取工艺优化

发布日期:2022-04-11 17:53来源:中国油脂作者:吴苏喜(lkmoo)点击次数:

油茶籽是油茶的种子,含油率达30%~60%[1]。油茶籽油的脂肪酸组成与橄榄油相似,故有“东方橄榄油”的美誉[2]。研究表明,油茶籽油有抗氧化[3]、消炎抗菌[4-5]、保护胃肠道[6]及肝脏[7]等多种功效作用。近年来,随着《“健康中国2030”规划纲要》《油茶产业发展指南》等政策的颁布以及国家油料产业发展战略的实施,我国油茶产业朝着高质量方向快速发展[8-9]。目前油茶籽油的制取方式主要有热榨法、冷榨法、溶剂浸出法和水代法等。热榨油茶籽油风味浓郁,但生物活性成分损失大、能量消耗高,而且易产生苯并芘等有害物质[10];溶剂浸出法虽然提油效率高,但存在溶剂残留风险和生产环境安全风险[11];冷榨法和水代法虽然能保持油茶籽油的天然生物活性成分,但冷榨法的电力消耗大、冷榨油风味偏淡、提油效率偏低[12],水代法用水量大、产生废水多[13],难以得到大规模产业化应用。因此,开发集绿色低温、能有效保持生物活性成分的油茶籽制油新技术成为油茶产业发展的必然趋势。项目组在研究传统水代法利用亲水分子之间的内聚力排挤出油脂等提油原理的基础上,借鉴和参考ALCON调质原理[14],开发出了一种油茶籽油湿法提取新技术[15]。本文通过响应面优化实验设计,研究湿法提取工艺中加水量、提油助剂添加量、提取温度、提取时间等关键工艺参数对油茶籽提油效率的影响,以求达到在相对低温处理后得到大部分油并保护油中生物活性成分不受破坏、不排放废水、同时节约能源等目的,为油茶籽油的湿法提取技术的产业化和高品质产品的开发提供技术依据。

1材料与方法

1.1实验材料油茶籽,湖南省浏阳市聚康油茶专业合作社。石油醚、无水乙醇、冰醋酸、异辛烷、浓硫酸、3,5-二硝基水杨酸,分析纯,市售;提油助剂;正己烷、甲醇,色谱纯,国药集团化学试剂有限公司;福林酚(Folin-Ciocalteu)试剂,合肥博美生物科技有限公司;没食子酸(≥98%,CAS号149-91-7)、角鲨烯(≥98%,CAS号111-02-4)、角鲨烷(≥98%,CAS号111-01-3)、维生素E(≥97%,CAS号10191-41-0)、β-谷甾醇(≥98%,CAS号83-46-5)、苯并(a)芘(≥95%,CAS号50-32-8)标准品,上海源叶生物有限公司。FW-100高速万能粉碎机;101-2A电热鼓风干燥箱;DL-5-B低速大容量离心机;UV-5200紫外可见分光光度计;DHG-9140A数显恒温水浴锅;旋转蒸发仪;岛津GC-14C气相色谱仪(配FID检测器);Agilent1100型高效液相色谱仪;SZF-6型粗脂肪测定仪(索氏抽提原理)。

1.2实验方法

1.2.1油茶籽湿法提油工艺油茶籽湿法提油工艺流程如图1所示。

image.png

油茶籽湿法提油具体的操作参数和步骤:油茶籽经脱壳后,将油茶籽仁在80 ℃下烘烤、冷却、粉碎,用陶瓷研磨棒将油茶籽仁粉研磨过约180 μm(80目)筛;取一定质量(10 g左右,W1)的筛下仁粉(脂肪含量为Y1),加入适量预先混合的水和提油助剂溶液,在适当的温度下搅拌揉搓约50 min(在该过程可观察到游离油和聚集性固体颗粒),直至聚集的颗粒成团而难以搅动;将游离油和聚集固渣团进行离心分离,倾出上清油相,再重复离心2次,倾出上清油相,汇总油相,备存,用于油脂品质测定;取脱脂固渣称重(W2),并测其脂肪含量(Y2),按式(1)计算油茶籽仁提油效率(Y)。

Y=(W1Y1-W2Y2)/W1Y1×100%(1)

1.2.2油茶籽仁主要成分测定水分及挥发物含量,参照GB 5009.3—2016;蛋白质含量,参照GB 5009.5—2016(第一法);脂肪含量,参照GB 5009.6—2016(第一法);淀粉含量,参照GB 5009.9—2016。

1.2.3油茶籽油相关指标测定色泽,参照GB/T 22460—2008;透明度、气味、滋味,参照GB/T 5525—2008;水分及挥发物含量,参照GB 5009.236—2016第二法;不溶性杂质含量,参照GB/T 15688—2008;酸值,参照GB 5009.229—2016第一法;过氧化值,参照GB 5009.227—2016第一法;谷甾醇含量,参照GB/T 25223—2010;维生素E含量,参考GB/T 26635—2011;角鲨烯含量,参考LS/T 6120—2017;溶剂残留量,参照GB 5009.262—2016;苯并(a)芘含量,参考GB 5009.27—2016第一法。

1.2.4数据处理采用Origin2018软件进行基础数据处理、分析与作图,利用Design-Expert V 8.0.6.1对Box-Behnken响应面优化设计实验进行整理分析。

2结果与分析

2.1油茶籽仁的主要成分实验所用油茶籽仁的主要成分如表1所示。

image.png

由表1可知:本实验所用油茶籽仁的脂肪含量为43.65%,符合水热调质法从油茶籽仁中提取油脂的基本要求(脂肪含量大于40%)[16];油茶籽仁的蛋白质含量为8.68%淀粉含量为803%,与一般油茶籽仁的蛋白质和淀粉含量相符;水分含量为4.36%,低于油茶籽的安全水分(10%),有利于贮藏期间保持油茶籽仁的营养品质[17]。

2.2响应面实验优化油茶籽湿法提油工艺条件

2.2.1响应面实验设计及结果在前期实验基础上,确定提取时间50 min,选取加水量(A)、提取温度(B)、提油助剂添加量(C)为自变量,以油茶籽仁提油效率(Y)作为响应值,进行Box-Behnken优化设计实验,所有实验均重复3次,结果取平均值。Box-Behnken实验因素与水平见表2,Box-Behnken实验设计及结果见表3。从表3可见,各组实验的提油效率都在65%以上,最高可达88.18%,说明本研究采取的湿法提油技术可以将油茶籽仁中的大部分油脂提取出来。原因可能在于:①在一定的湿热条件下,提油助剂溶液和油茶籽仁中的皂素、蛋白质、淀粉等亲水分子之间相互作用而形成氢键等内聚力[18],在特制器械的搅拌、揉搓和推拉等作用下,使油料细胞中的油滴分子受到内外夹击而更易被挤出;②提油助剂会引起皂素、淀粉和蛋白质的表面张力和表面电荷发生变化,从而防止和破坏油茶籽油提取过程中可能形成的乳化现象,有利于油脂和油溶性生物活性成分被排挤出来[19-20];③一定的温度会促进提油助剂分解释放出气体,从而使揉搓过程中形成的紧密结实的料渣聚集团产生蓬松效果,有利于油脂和油溶性生物活性成分的流出。排出油脂后剩余的固体料渣颗粒会吸收水分而聚集成团(最终脱脂固渣水分含量为16.47%),通过离心即可实现油脂与结团料渣的分离。

image.png

2.2.2响应面实验结果的回归分析

利用Design-Expert V 8.0.6.1对表3中17组数据进行多元回归拟合,得到以提油效率(Y)为目标函数的响应面回归方程:Y=85.27-1.93A-1.51B-0.22C+0.045AB+0.54AC-0.18BC-9.81A2-4.51B2-6.20C2。回归方程的方差分析见表4。由表4可知:回归方程模型极显著(P<0.01),表明湿法提油的提油效率和各因素之间的相关关系显著;失拟项不显著(P>0.05),表明该模型可用于预测油茶籽仁提油效率。由Design-Expert V8.0.6.1分析可知:模型响应值(提油效率)决定系数R2为0.948 5,校正后R2为0917 7,表明模型拟合程度高;模型的变异系数(2.70%)小于5%,表明模型对响应值的置信度好,可真实反映实验结果。综上所述,该回归模型对响应值的拟合程度高,能够良好地反映响应值与自变量的关系,可以用该模型对湿法提取油茶籽油的提油效率进行分析预测。其中二次项A2、B2、C2影响极显著(P<0.01),表明这几个因素对湿法提取油茶籽油提油效率的影响并不是简单的线性关系。根据F值的大小判断各因素对湿法提取油茶籽油提油效率的影响程度为加水量(A)>提取温度(B)>提油助剂添加量(C)。

image.png

2.2.3最佳工艺条件的确定

通过Design-Expert V 8.0.6.1预测湿法提取油茶籽油的最佳工艺条件为:加水量119%,提取温度54.15 ℃,提油助剂添加量0.99%,提取时间50 min。在最佳工艺条件下,理论提油效率为8548%。根据实际操作情况将最佳工艺条件调整为加水量12%、提取温度55 ℃、提油助剂添加量1%、提取时间50 min,该条件下的提油效率为8638%,与油茶籽油冷榨提油效率[21]相当,但相比于冷榨法,本法已将具有亲水性的蛋白质、淀粉等固杂颗粒凝聚成紧密的固渣料团,从而大大减少了混入油脂中的固渣量。在最佳条件下进行3次验证实验,得到平均提油效率为86.07%,与理论预测值(85.48%)只相差0.59百分点,表明实验结果与模型预测值相符度较高,说明采用该响应面优化所得工艺条件可靠。

2.3湿法提取油茶籽油的品质

按1.2.1方法,在上述最佳工艺条件下提取得到的油茶籽油,经湖南省振华食品检测研究院检测其品质指标,结果见表5。由表5可知,湿法提取的油茶籽油除透明度微浊、水分及挥发物含量偏高以外,其他指标满足T/LYCY 001—2020《特、优级油茶籽油》要求,尤其是其维生素E、角鲨烯和谷甾醇含量明显高于标准中优级油茶籽油的指标值,分别达到189.0、221.9 mg/kg和385.2 mg/kg。根据工厂实践经验,采取吸附剂吸附或真空干燥处理即可得到澄清透明油茶籽油,各项指标满足T/LYCY 001—2020中的优级油茶籽油质量标准。由此可见,湿法提油工艺对于油茶籽油的生产具有积极作用,尤其是对维生素E、角鲨烯等生物活性成分的保护有明显优势。

3结论

(1)以油茶籽仁为原料,加入少量的水和提油助剂,在低温条件下进行适宜强度和时间的搅拌,再通过离心,可以提取出油茶籽仁中的绝大部分油脂,整个生产工艺不产生废水,所得毛油基本不含固杂。

(2)湿法提取油茶籽油的最佳工艺条件为加水量12%、提油助剂添加量1%、提取温度55 ℃、提取时间50 min,在此条件下油茶籽仁提油效率达86%以上,生物活性成分维生素E、角鲨烯和谷甾醇含量分别高达189.0、221.9 mg/kg和385.2 mg/kg,油脂整体品质基本达到T/LYCY 001—2020《特、优级油茶籽油》中的优级油茶籽油质量要求。

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