陶　佳, 杭義萍, 龔華清

(華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 廣東 廣州　510640)

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加速溶劑萃取技術(shù)分析谷物中的油脂含量綜合研究型實(shí)驗(yàn)

陶佳, 杭義萍, 龔華清

(華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 廣東 廣州510640)

從研究型教學(xué)的理念出發(fā),開(kāi)設(shè)了“加速溶劑萃取技術(shù)分析谷物中的油脂含量”綜合研究型實(shí)驗(yàn)。闡述了實(shí)驗(yàn)選題的目的和意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理、內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)選題新穎、具有較強(qiáng)的實(shí)用性,學(xué)生的參與熱情較高,能夠幫助學(xué)生全方位學(xué)習(xí)實(shí)際樣品的前處理的原理與分析方法,拓寬學(xué)生的視野,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。該實(shí)驗(yàn)樣品成本較低、安全性較高,可作為大學(xué)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推廣。

谷物; 油脂含量; 綜合性實(shí)驗(yàn)； 加速溶劑萃取

借鑒國(guó)內(nèi)外高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及學(xué)生所掌握的萃取實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了“加速溶劑萃取技術(shù)分析谷物中的油脂含量”綜合研究型實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)利用常見(jiàn)的谷物如花生、芝麻、大豆等作為原料,幫助學(xué)生掌握一種新型的植物油萃取技術(shù)——加速溶劑萃取,將經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代化技術(shù)結(jié)合,將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與激發(fā)學(xué)生興趣相結(jié)合,目的在于讓學(xué)生掌握解決實(shí)際問(wèn)題的一般方法,同時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)處理過(guò)程也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1　實(shí)驗(yàn)的目的和意義

化學(xué)專業(yè)如何改革和調(diào)整,以適應(yīng)新型人才培養(yǎng)的要求,成為了各大高校相關(guān)教育工作者的工作重點(diǎn)[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為化學(xué)專業(yè)本科教學(xué)中的重要內(nèi)容,是將理論知識(shí)與實(shí)踐過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的重要紐帶[2]。因此,著眼于解決問(wèn)題、巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容對(duì)于培養(yǎng)兼具科學(xué)理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)技能的化學(xué)專業(yè)人才十分重要[3]。本實(shí)驗(yàn)主要意義如下:

(1) 分析對(duì)象貼近生活。本實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象為花生、芝麻和大豆,均為日常生活中最常見(jiàn)的食物。在眾多的谷類食品中,這三者的油脂含量較高,而人如果在日常飲食中攝入過(guò)多的油脂,會(huì)給身體健康帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)擔(dān),因而其油脂含量是人們關(guān)注的重要指標(biāo)之一[4-5]。通過(guò)介紹,引起學(xué)生的好奇和興趣,激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

(2) 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)。萃取實(shí)驗(yàn)理論是化學(xué)專業(yè)學(xué)生需掌握的重要知識(shí)點(diǎn)之一,然而以往的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一,通常只選取幾種不同的溶劑對(duì)于目標(biāo)物進(jìn)行萃取。加速溶劑萃取技術(shù)(ASE)是在升高溫度和增大壓力的條件下,用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取的一種全新的萃取方法[6-8]。在綜合實(shí)驗(yàn)中加入加速溶劑萃取儀的使用，讓學(xué)生更全面學(xué)習(xí)儀器分析的基礎(chǔ)技能,對(duì)今后在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步學(xué)習(xí)或在工作中應(yīng)用都是非常實(shí)用的技能儲(chǔ)備。

(3) 鍛煉學(xué)生綜合能力。在學(xué)習(xí)了分析化學(xué)及實(shí)驗(yàn)與儀器分析及實(shí)驗(yàn)兩門課程的基礎(chǔ)之上,將理論運(yùn)用于解決實(shí)際樣品的分析測(cè)試,有助于學(xué)生加深對(duì)基本知識(shí)理論的理解。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)一個(gè)完整的實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程：掌握基本理論與知識(shí)、樣品處理、加速溶劑萃取、數(shù)據(jù)處理等步驟,可以充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力,鍛煉學(xué)生的綜合能力。

2　實(shí)驗(yàn)要求與安排

2.1實(shí)驗(yàn)要求

本實(shí)驗(yàn)主要要求學(xué)生掌握以下幾點(diǎn)基本知識(shí)與技能:

(1) 實(shí)際樣品花生、芝麻與大豆的處理方法；

(2) 加速溶劑萃取儀預(yù)熱與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；

(3) 利用加速溶劑萃取技術(shù)萃取花生、芝麻與大豆中的油脂；

(4) 利用重量法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2實(shí)驗(yàn)安排

我校的本科“綜合分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”共48個(gè)學(xué)時(shí),6個(gè)實(shí)驗(yàn),平均每個(gè)實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。“加速溶劑萃取技術(shù)分析谷物中的油脂含量”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括加速溶劑萃取植物油和重量法分析油脂含量。平均每次參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生為8人,共分為4組,每2人一組。本實(shí)驗(yàn)使用加速溶劑萃取儀(APLE1000)提取花生、芝麻和大豆的油脂,利用分析天平對(duì)油脂含量進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)并得出結(jié)論。具體實(shí)驗(yàn)安排見(jiàn)表1。

3　實(shí)驗(yàn)原理

圖1為加速溶劑萃取系統(tǒng)示意圖。具體萃取路線：在高溫(50～200 ℃)和高壓(3.44～21MPa)下,用有機(jī)溶劑在較短的時(shí)間內(nèi)(5～10min)萃取樣品。

表1　實(shí)驗(yàn)安排

壓縮氣體的作用是吹洗萃取池,使萃取液進(jìn)入收集瓶中。目前,加速溶劑萃取法適用于固體或可以保留在萃取池中的半固態(tài)樣品的萃取。溫度和壓力升高后的液相萃取能比常溫常壓下的萃取效率更高的原因主要有兩個(gè):增加溶解度和擴(kuò)散系數(shù)及降低表面張力。

圖1　加速溶劑萃取系統(tǒng)示意圖

提高溫度能夠增加待萃取物在溶劑中的溶解度[9-11]。例如,在理想條件下,溫度從50 ℃升高到150 ℃能使蒽的溶解度提高約15倍；而烴類的溶解度,如正十五烷可以提高數(shù)百倍。萃取溫度越高擴(kuò)散速率越快,然而在一定濃度的多組分系統(tǒng)里,溫度和擴(kuò)散速率的確切關(guān)系其實(shí)很難確定。一般而言,溫度從25 ℃增至150 ℃,體系的擴(kuò)散系數(shù)大約增加2～10倍。另外,如果靜態(tài)的萃取過(guò)程中加入和傳統(tǒng)索氏萃取法類似新的萃取溶劑的步驟,則可增加溶劑進(jìn)入樣品基體的擴(kuò)散,從而提高萃取率。增加新的萃取溶劑將會(huì)增加萃取池內(nèi)溶液的濃度梯度,新補(bǔ)充的萃取溶劑可保證在部分萃取液進(jìn)入收集瓶后萃取池內(nèi)的溶液被及時(shí)稀釋。根據(jù)菲克第一定律,濃度梯度越大,擴(kuò)散速率越快。

在降低表面張力方面,溫度和壓力都有著非常重要的影響[12-14]。提高溫度能極大地減弱了由范德華力與溶質(zhì)分子和樣品基體活性位置的偶極吸引力引起的溶質(zhì)與基體之間的強(qiáng)相互作用力，溶質(zhì)分子的解析動(dòng)力學(xué)過(guò)程被加速了,解析過(guò)程中所需的活化能被減小。另外,升高溫度可降低溶劑的黏度,溶劑進(jìn)入樣品基體的阻力從而被減小,同時(shí)溶劑更易擴(kuò)散進(jìn)入樣品基體,更有利于萃取。增加足夠的壓力能使溶劑在較高的溫度下仍保持液態(tài)，同時(shí),高壓有利于對(duì)分散于基質(zhì)間隙的樣品的萃取,使萃取液在機(jī)制中擴(kuò)散。

4　實(shí)驗(yàn)

4.1儀器與試劑

儀器:APLE1000加速溶劑萃取儀(見(jiàn)圖2),配有33mL萃取池、60mL收集瓶；電子分析天平；循環(huán)真空水泵；恒溫水浴鍋；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；研杵和研缽；烘箱；通風(fēng)櫥；100mL圓底燒瓶；移液槍。

試劑:硅藻土；無(wú)水硫酸鈉；石英砂；帶皮熟花生；生黑芝麻；大豆粉；正己烷。

圖2　APLE1000加速溶劑萃取儀

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 實(shí)驗(yàn)樣品的制備。用分析天平分別稱取8g熟花生、生芝麻、大豆粉,3g硅藻土,稱量精確到0.1mg,放入研缽中研磨,至再無(wú)粗大顆粒且樣品與硅藻土混合均勻,將研磨均勻的樣品移入33mL萃取池,樣品與萃取池的空隙盡量用硅藻土填滿。

(2) 植物油收集瓶的準(zhǔn)備。取干凈的100mL圓底燒瓶,放入烘箱中,烘箱溫度調(diào)至102 ℃±2 ℃,干燥1h；然后取出燒瓶,使其冷卻(防塵)至天平室溫度,將收集瓶放到分析天平上稱量,精確至0.1mg,備用。

(3)APLE1000加速溶劑萃取儀的準(zhǔn)備。先開(kāi)機(jī)預(yù)熱,按照實(shí)驗(yàn)的APLE萃取條件設(shè)置萃取參數(shù),連接好實(shí)驗(yàn)所需的萃取溶劑；預(yù)置好方法后對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)熱；先將樣品全部在萃取池中填充好,然后將萃取池放入儀器樣品盤上,調(diào)至萃取位,運(yùn)行之前保存好的方法文件,進(jìn)行萃取。

(4) 二因素二水平實(shí)驗(yàn)考察加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油的結(jié)果。預(yù)實(shí)驗(yàn)中以植物油的提取率為指標(biāo),首先采用二因素(萃取時(shí)間、萃取溫度)二水平正交試驗(yàn)方案研究加熱溫度和靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)提取過(guò)程的影響。其他實(shí)驗(yàn)條件：萃取溶劑為100%正己烷，加熱時(shí)間為5min，淋洗體積為40%，吹掃時(shí)間為60s，循環(huán)次數(shù)2次，萃取壓力為10mpa。萃取率是植物油與谷物的質(zhì)量比,每組萃取方案做3組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)得到的最佳結(jié)果確定最佳的萃取條件。今后的實(shí)驗(yàn)中,每組學(xué)生只需在最佳條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)即可。正交設(shè)計(jì)因素和水平見(jiàn)表2。表中A為加熱溫度，B為靜態(tài)萃取時(shí)間。

表2　加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油

(5) 三因素二水平實(shí)驗(yàn)考察加速溶劑萃取花生油的結(jié)果。壓力特性是加速溶劑萃取技術(shù)中的最重要特性之一,因此以花生油為例,加入壓力因素,采用三因素(萃取時(shí)間、萃取溫度、萃取壓力)二水平正交試驗(yàn)方案研究加速溶劑萃取對(duì)花生油的提取過(guò)程。其他實(shí)驗(yàn)條件：萃取溶劑為100%正己烷，加熱時(shí)間為5min，淋洗體積為40%，吹掃時(shí)間為60s，循環(huán)次數(shù)2次。萃取率是植物油與谷物的質(zhì)量比,每組萃取方案做三組平行實(shí)驗(yàn)取平均值。正交設(shè)計(jì)三因素二水平見(jiàn)表3，表中C為萃取壓力。

表3　加速溶劑萃取花生油、芝麻油和大豆油正交設(shè)計(jì)三因素和二水平表

(6) 溶劑蒸發(fā)。萃取完成后,將收集瓶中的萃取液緩緩倒入油脂收集瓶中,然后用萃取溶劑小心沖洗收集瓶?jī)?nèi)壁,并將沖洗液收集到油脂收集瓶中(要小心操作,以防溶劑濺到油脂收集瓶外壁)，然后利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除掉溶劑,在70 ℃水浴中加熱。

(7) 烘干稱量。將油脂收集瓶放入烘箱中,在100 ℃條件下加熱1h,取出油脂收集瓶冷卻至天平室的溫度；稱量,精確至0.1mg。通過(guò)比較萃取率,獲得最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。得出花生、大豆食品中油脂的含量。萃取率的計(jì)算公式為

其中:m0為萃取池中樣品的質(zhì)量(g)，m1為脂肪收集瓶空瓶的質(zhì)量(g)，m2為萃取液蒸干后含脂肪的收集瓶質(zhì)量(g)。

4.3結(jié)果與討論

4.3.1二因素二水平實(shí)驗(yàn)考察加速溶劑萃取植物油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4中數(shù)據(jù)可看出:萃取溫度和靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)植物油萃取率的影響較大，在溫度一定時(shí),增加靜態(tài)萃取時(shí)間對(duì)萃取率提高的效果顯著；在靜態(tài)萃取時(shí)間不變時(shí),提高萃取溫度,則花生油的萃取率升高。從萃取率可得出植物油的最佳萃取條件均為:萃取溶劑為100%正己烷，加熱溫度為130 ℃，萃取壓力為10mpa，加熱時(shí)間為5min，靜態(tài)時(shí)間為10min，淋洗體積為40%，吹掃時(shí)間為60s，循環(huán)次數(shù)2次。

表4　加速溶劑萃取谷物二因素二水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.2三因素二水平實(shí)驗(yàn)考察加速溶劑萃取花生油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5的結(jié)果可知,萃取溫度和靜態(tài)萃取時(shí)間一定時(shí),增加萃取壓力可以提高植物油的萃取率。但是在較高的壓力條件下,會(huì)降低儀器的使用壽命,因此在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然使用10mPa的萃取壓力。

表5　加速溶劑萃取花生油三因素二水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.3分析谷物中的油脂含量

從表6中的結(jié)果可知,3組實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD較小,表明該實(shí)驗(yàn)方法具有較高的穩(wěn)定性?；ㄉ?、芝麻、大豆中油脂的測(cè)定結(jié)果的平均值與已發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果較為接近,表明該方法有較高的準(zhǔn)確性。因?qū)W生之間存在的個(gè)體差異性,對(duì)于誤差較大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以安排學(xué)生設(shè)置1～2個(gè)課外學(xué)時(shí)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

表6　花生、芝麻、大豆中的油脂含量及對(duì)比

5　結(jié)語(yǔ)

“基于問(wèn)題解決的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革”項(xiàng)目一直是我校教改過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),可以使充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手操作的興趣,發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性?！凹铀偃軇┹腿〖夹g(shù)分析谷物中的油脂含量”的綜合型研究實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、善于創(chuàng)造、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)踐,使我校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)的質(zhì)量得到很大的提高。

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Acomprehensiveexperimentofanalysingoilcontentinsoyfoodbasedonacceleratedsolventextractiontechnique

TaoJia,HangYiping,GongHuaqing

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Consideringtherequirementsofhighqualityfoodinmodernlifeandtheconceptofresearch-basedteaching,thispaperproposesacomprehensiveresearchexperimentfocusedon“Theanalysisofoilcontentinsoyfoodbasedontheacceleratedsolventextractiontechnique,”thedesignedmechanism,contentandresultsarediscussedindetail.Theteachingpracticeshowsthatthisnovelexperimentshavenotonlyastrongpracticability,butalsoagreatappealforstudents.Thislessoncouldassistthestudentsinstudyingthepre-treatmentofrealsamples,analyticalmethodsanddataprocessingsoftwarecomprehensively.Inaddition,itcouldbroadenstudents’horizonsandcultivatesthestudents’engineeringconsciousness.Thesampleinexperimentsislowcostandhighsafety,itissuitabletobeusedastheteachingcontentofcomprehensiveanalyticalchemistryexperiment.

soyfood;oilcontent;comprehensiveexperiments;acceleratedsolventextraction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.016

2016-01-24修改日期：2016-03-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015ZM055)

陶佳(1988—)，女，湖南株洲，博士，講師，主要從事分析化學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究工作.

E-mail：cejtao@scut.edu.cn

O6-3;O658.2

A

1002-4956(2016)7-0063-04