楊慶利,秦松

1(山東省花生研究所,山東 青 島,266100)2(中國科學(xué)院海洋研究所,山東青島,266071)

水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝條件優(yōu)化＊

楊慶利1,2,秦松2

1(山東省花生研究所,山東 青 島,266100)2(中國科學(xué)院海洋研究所,山東青島,266071)

以海濱錦葵籽仁為原料,利用水酶法提取海濱錦葵籽仁油。通過單因素實(shí)驗(yàn)及中心組合實(shí)驗(yàn)研究了固液比、提取溫度、酶用量、提取時(shí)間等因素對(duì)油脂出油率的影響,確定了水酶法提取海濱錦葵籽仁油的工藝條件。結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)各影響因素對(duì)海濱錦葵籽仁油提取率作用的大小依次為:酶用量 >提取溫度 >固液比>提取時(shí)間。水酶法提取海濱錦葵籽仁油的優(yōu)化工藝參數(shù)為:酶用量 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1∶6,提取時(shí)間 230 min,在該工藝條件下海濱錦葵籽仁油提取率達(dá)到 24.281%。

海濱錦葵籽仁油,提取,水酶法,響應(yīng)面分析

海濱錦葵 (Kosteletzkya virginica)是錦葵科海濱錦葵屬多年生宿根、耐鹽木本油料植物,自然分布于美國含鹽沼澤地帶[1]。海濱錦葵種子黑色、腎形,含油率在 17%以上,粗蛋白含量在 27.4%～29.6%,而去殼種子含 32%左右的蛋白質(zhì)和 25%左右的脂肪,和大豆相比,油脂含量不相上下[2]。與其它的能源油料植物相比,由于其較高的耐鹽性[3],可以利用鹽堿灘涂地,不與糧食作物爭(zhēng)地等優(yōu)點(diǎn),因此可以作為生物柴油原料,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

水酶法是近年來研究和應(yīng)用的一種新型提取油脂工藝,它以機(jī)械和酶解為手段降解植物細(xì)胞壁,使油脂釋放。與傳統(tǒng)的壓榨法和溶劑浸出法相比,它可以同時(shí)提取油脂和蛋白,條件溫和,蛋白變性少,操作安全[4-5]。國內(nèi)外研究者已經(jīng)針對(duì)此技術(shù)應(yīng)用于大豆、菜籽、玉米胚芽、花生仁等油料作物油脂和蛋白的提取展開了研究[6]。王素梅等研究得到的水酶法提取玉米胚芽油工藝路線簡(jiǎn)單可行,且油脂提取率達(dá)88%-92%[7];謝祥茂等研究水酶法處理萃取大豆油工藝,提取率為 70%[8]。本節(jié)就水酶法提取海濱錦葵籽仁油脂進(jìn)行了研究,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面分析法確定了水酶法提取海濱錦葵籽仁油脂的工藝條件,為海濱錦葵籽仁油的深入研究及海濱錦葵籽仁油制備生物柴油的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

海濱錦葵籽購于江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,去掉外層黑色種殼后粉碎至 40目備用。Alcalase 2.4 L水解蛋白酶 (pH值 6.5～8.5,55～70℃,酶活力2.4 AU/g),丹麥 Novo公司生產(chǎn)。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

天津市達(dá)康電器公司 KDF-2311型康達(dá)多功能食品破碎機(jī);江蘇省金壇市衡豐儀器廠 85-2型恒溫磁力攪拌器;美國 Sigma公司 3K15型高速冷凍離心機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝流程

將海濱錦葵籽仁粉加適量蒸餾水配成一定固液比的懸液,用 1 mol/L的 NaOH或 HCl溶液調(diào)節(jié)到適宜的 pH,按種仁質(zhì)量加入液態(tài)酶,攪拌,酶解結(jié)束后,浸提液在 4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心 20 min,得到海濱錦葵籽油。將海濱錦葵籽油在 105℃下干燥至恒重之后稱重計(jì)算出油率,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3次,取平均值。

海濱錦葵籽仁油出油率/%=(提取海濱錦葵籽仁油質(zhì)量 /海濱錦葵籽仁質(zhì)量)×100

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

以固液比、提取溫度、酶用量、提取時(shí)間和 pH值等因素作為考察因子,以海濱錦葵籽仁油出油率作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)因素和水平見表 1。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)因素和水平

1.2.3 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用 4因素 3水平的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以固液比、提取溫度、酶用量、提取時(shí)間 4個(gè)因素作為研究對(duì)象,考察它們對(duì)海濱錦葵籽仁出油率的影響。實(shí)驗(yàn)因素和水平見表 2,實(shí)驗(yàn)安排見表 4。

表2 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 水酶法提取海濱錦葵籽仁油單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 固液比對(duì)出油率的影響

提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取時(shí)間240 min,pH8,固液比對(duì)出油率影響見表 3。從表 3可以看出,固液比為 1∶6時(shí),出油率達(dá)到最高。

表3 固液比與出油率的關(guān)系

2.1.2 溫度對(duì)出油率的影響

固液比 1∶6,酶用量 0.02 mL/g,提取時(shí)間 240 min,pH8,提取溫度對(duì)出油率的影響見圖 1。從圖 1可以看出,溫度在 60℃時(shí),出油率達(dá)到最大值,低于60℃,酶促反應(yīng)速度慢,當(dāng)高于 60℃,酶容易失活。

圖 1 溫度與出油率的關(guān)系

2.1.3 酶用量對(duì)出油率的影響

固液比 1∶6,提取溫度 60℃,提取時(shí)間 240 min,pH值 8,不同酶用量對(duì)出油率的影響見圖 2。從圖 2可以看出,隨著酶用量的增加,出油率逐漸增加,當(dāng)酶用量超過 0.02 mL/g時(shí),出油率增加速度放慢。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,本實(shí)驗(yàn)選擇酶用量為 0.02 mL/g。

圖 2 酶用量與出油率的關(guān)系

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)出油率的影響

適宜的酶解時(shí)間應(yīng)從油料細(xì)胞的降解程度及提取油效果兩方面確定。固液比 1∶6,提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,pH值 8,不同提取時(shí)間對(duì)出油率影響見圖 3。從圖 3可以看出,在 240 min內(nèi),酶解時(shí)間越長(zhǎng),蛋白降解越徹底,油脂釋放越充分,240 min時(shí)出油率達(dá)到最高,為 22.88%,240 min后,出油率變化不明顯。

2.1.5 pH值對(duì)出油率的影響

圖 3 提取時(shí)間與出油率的關(guān)系

固液比 1∶6,提取溫度 60℃,酶用量 0.02 mL/g,提取時(shí)間 240 min,pH值對(duì)出油率的影響見圖 4。從圖 4可以看出,pH<8,隨著 pH值增大,出油率呈上升趨勢(shì),pH<8以后,出油率隨 pH值的繼續(xù)增大而呈下降趨勢(shì)。

圖 4 pH值與出油率的關(guān)系

2.2 水酶法提取海濱錦葵籽仁油工藝條件優(yōu)化

2.2.1 二次回歸模型擬合

2.2.2 方差分析

通過 D esign-Expert軟件進(jìn)行方差分析來驗(yàn)證回歸模型及各參數(shù)的顯著性,結(jié)果見表 5。由表 5 可以看出,模型 Prob>F值小于 0 .01,表明該模型是高度顯著的。因此模型中的,X2,X3,X4,X1X2,X1X3,1,,,都是顯著的。模型失擬項(xiàng)的 Prob>F值為 0 .161 5>0.05,模型失擬項(xiàng)不顯著,模型選擇合適。同時(shí),軟件分析的模型相關(guān)系數(shù) R2為92.73%,大于 9 0%,說明模型相關(guān)度很好。變異系數(shù)反映模型的置信度,變異系數(shù)越低模型的置信度越好。本實(shí)驗(yàn)的變異系數(shù) 4.09%,說明模型方程能很好的反應(yīng)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)值。所以,我們可以用該模型方程來分析響應(yīng)值的變化。

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2.3 各因素影響程度分析

各因素的 F值可以反映出各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的重要性,F值越大,表明對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,即重要性越大。從方差分析表可知:F(X1)=25.92,F(X2)=27.25,F(X3)=40.36,F(X4)=13.53。因此各因素對(duì)水酶法提取海濱錦葵籽仁油影響程度大小順序?yàn)?酶用量 >提取溫度 >固液比 >提取時(shí)間。

2.3.4 工藝參數(shù)優(yōu)化

X1與 X2,X1與 X3交互作用顯著 (圖 5和圖 6),其它各因素交互作用不顯著 (沒有列出響應(yīng)曲面圖)。從圖 5可以看出,在酶用量 0.02 mL/g,提取時(shí)間 240 min時(shí),出油率隨固液比和提取溫度的變化會(huì)產(chǎn)生較大變化。當(dāng)固液比為 14∶75,提取溫度為62.8℃時(shí),出油率達(dá)到最大值 23.977%。從圖 6可以看出,在提取溫度 60℃,提取時(shí)間 240 min時(shí),出油率隨固液比和酶用量的變化會(huì)產(chǎn)生較大變化,當(dāng)固液比 69∶400和酶用量 0.024 mL/g,出油率達(dá)到最大值 24.352%。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表

圖 5 X1、X2對(duì)出油率的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖 6 X1、X3對(duì)出油率的響應(yīng)面圖和等高線圖

進(jìn)一步通過軟件分析計(jì)算,得到最大響應(yīng)值 (Y)時(shí) X1、X2、X3和 X4對(duì)應(yīng)的編碼值分別為 X1=-0.06、X2=0.31、X3=0.82、X4=-0.16。與其相對(duì)應(yīng)的水酶法提取海濱錦葵籽仁油的最佳條件為酶用量 0.0241 mL/g,提取溫度 63.1℃,固液比 97∶600,提取時(shí)間為 230.4 min。考慮到實(shí)際操作的方便,將各提取條件修正為酶用量 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1/6,提取時(shí)間為 230 min。在修正條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,出油率為 24.281%,與理論預(yù)測(cè)值 24.532%相差 0.251%,相對(duì)誤差為 1.023%,這進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)回歸模型的合適性。

3 結(jié)論

(1)水酶法提取海濱錦葵籽仁油數(shù)學(xué)回歸模型為:

(2)各因素影響水酶法提取海濱錦葵籽仁油程度大小順序?yàn)?酶用量 >提取溫度 >固液比 >提取時(shí)間。

(3)水酶法提取海濱錦葵籽仁油的最佳條件為酶用 0.024 mL/g,提取溫度 63℃,固液比 1∶6,提取時(shí)間為 230 min,在此條件下出油率為 24.281%。

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Optim ization of Aqueous Enzymatic Extraction Technology of O il fromKosteletzkya virginicaSeeds

Yang Qing-li1,2,Qin Song1
1(Shandong Peanut Research Institute,Qingdao 266100,China)2(Institute ofOceanology,The Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

Kosteletzkya virginicaseedswere taken as raw materials and the aqueous enzymatic extraction technology was used to extract seed oil.The single factor experi ment and the response surface methodology were adopted to study the effects of solid to water ratio,extraction temperature,the ratio of enzyme to seeds,extraction time and pH on oil extraction rate.The order of these factors in ter ms of the influence on the oil extraction rate within the experimental rangewas as follows:the ratio of enzyme to seeds>extraction temperature>the ratio of solid to water>extraction time.The optimal technologicalparametersofoil extraction fromKosteletzkya virginicaseeds should be as follows:the ratio of enzyme to seeds 0.024 mL/g,extraction temperature 63℃,the ratio of solid to water 1/6 and extraction ti me 230 min.Under such conditions,total oil extraction rate is 24.281%.

Kosteletzkya virginicaseeds oil,extraction,aqueous enzymatic extraction technology,reponse surface methodology

博士 (秦松教授為通訊作者,E-mail:peanut126@sohu.com)。

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z189,2006AA10A114);公益性行業(yè)農(nóng)業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(nyhyzx07-014)

2010-10-19,改回日期:2010-11-27