劉陽陽,趙修華,祖元剛,葛云龍,李媛媛,吳銘芳

(東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150040)

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蘇籽油在超臨界CO2流體中溶解度及其抗氧化性能研究

劉陽陽,趙修華,祖元剛*,葛云龍,李媛媛,吳銘芳

(東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150040)

采用超臨界CO2流體萃取技術分別探討壓力、溫度對蘇籽油溶解度及得率的影響,利用Chrastil方程對不同萃取條件下蘇籽油溶解度進行模型擬合,并利用GC-MS技術對超臨界CO2流體萃取和索氏提取得到的蘇籽油進行脂肪酸成分分析,并利用DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)測定蘇籽油的自由基清除能力。結果表明,相同溫度下,蘇籽油溶解度與得率隨壓力增大而增大;相同壓力下,蘇籽油溶解度與得率隨溫度增大而減小;在313 K,35 MPa條件下,溶解度S最大為16.68 g/L,并得到以溫度(T)和CO2密度(ρ)為相關因素的蘇籽油溶解度模型方程;蘇籽油中不飽和脂肪酸含量達90%以上,且不同提取方法得到的蘇籽油組分差異不大,超臨界萃取與索氏提取得到的蘇籽油的自由基清除能力的IC50值分別為22.66、27.76 mg/mL。

蘇籽油,溶解度,DPPH,超臨界CO2,Chrastil模型

紫蘇(Perillafrutescens),屬唇形科紫蘇屬,一年生草本植物,在我國具有悠久的栽培歷史,紫蘇籽葉可入藥,具有鎮(zhèn)痛、解毒、祛痰之功效[1],是衛(wèi)生部公布的首批60種既是藥品又是食品的物種之一。紫蘇的種籽稱為蘇籽。蘇籽富含多種脂肪酸,其中不飽和脂肪酸含量達90%以上,其中α-亞麻酸含量高達60%以上,長鏈多不飽和脂肪酸的前體物質,在人體內(nèi)可以轉化生成二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)[2-3]這兩種被稱為腦黃金的生命活性因子是構成大腦細胞和人體神經(jīng)細胞的主要成分,具有降血壓、提高記憶力、延緩機體衰老等作用[4-5]。目前紫蘇已被廣泛應用于保健食品和醫(yī)藥行業(yè)[6]。

目前,植物種子油常用的提取方法有溶劑浸提法、冷榨法、熱榨法、超聲波萃取法、超臨界CO2流體萃取法等[7-10]。溶劑浸提法由于溶劑殘留量較大,采用此法提取的植物油由于溶劑殘留較大,很難達到食用標準;熱榨法,由于對種子采取了高溫處理,在后續(xù)種子油儲藏以及氧化穩(wěn)定方面會受到較大影響;冷榨法,雖然在低溫狀態(tài)下提取避免了氧化,但產(chǎn)率相對較低;超聲波萃取法,由于得率太低,提取效率不高而往往很少被采用;作為一種新興的油脂提取方法,超臨界CO2流體萃取法,由于提取效率高、產(chǎn)品純度高、無溶劑殘留、綠色、環(huán)保等優(yōu)點,已廣泛應用于植物提取方面[7-12]。

早在1982年,Chrastil[13]在大量實驗的基礎上提出了物質在超臨界CO2中溶解度與溫度、壓強、密度等存在一定的關系,并提出了著名的Chrastil溶解度方程,在此之后,國外學者已經(jīng)對杏仁油[14]、米糠油[15]、大麻油[16]、菜籽油[17]、花生油[18]等油脂在超臨界CO2中溶解度進行了研究,Adachi[19]、J. M. A. delValle[20]、Sparks[21]等人開展了大量關于物質在超臨界CO2中溶解度的研究,并提出了幾個溶解度模型。在國內(nèi),關于油脂在超臨界CO2中的溶解度的研究鮮有報道。目前,國內(nèi)外對蘇籽油在超臨界CO2中的溶解度問題尚未有報道。因此,探討蘇籽油在超臨界CO2中的溶解度,進而為工業(yè)化生產(chǎn)蘇籽油,優(yōu)化蘇籽油生產(chǎn)工藝顯得尤為重要。

本實驗采用超臨界CO2流體萃取蘇籽油,探討萃取的壓力、溫度等因素對油脂回收率及油脂在超臨界CO2中溶解度的影響,利用氣相-質譜(GC-MS)對超臨界C02與索氏提取得到的油脂的脂肪酸成分進行了分析,并對蘇籽油的自由基清除能力進行了研究。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

蘇籽產(chǎn)自于河南,由黑龍江省藥材公司提供,經(jīng)機械脫殼后進行粉碎,60 ℃烘干48 h后備用;無水乙醇分析純,天津市天力化學試劑有限公司;正己烷色譜純,迪馬科技;甲醇色譜純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、特丁基對苯二酚(TBHQ)、維生素E(VE)上海源葉生物科技有限公司。

HA221-50-06型超臨界萃取裝置江蘇南通華安超臨界設備公司;氣相色譜儀-質譜儀、UV2550型紫外-可見分光光度計日本島津公司;旋轉蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠;循環(huán)水式真空泵鄭州長城科工;電熱恒溫鼓風干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司;K Q 250 DB 型數(shù)控超聲波儀上海精密儀器生產(chǎn)有限公司;恒溫水浴鍋金壇市美特儀器廠;FA2004電子天平上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1蘇籽油提取方法取320 g烘干的蘇籽種子粉,裝入1 L的超臨界萃取釜中,開啟CO2鋼瓶,打開高壓泵進行加壓。以恒定較小的二氧化碳流速進行萃取以保證反應釜內(nèi)處于平衡狀態(tài),分別設定萃取壓力為20、25、30、35 MPa,萃取溫度為40、60、80 ℃,分別在萃取開始后5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、70、80、90、100、120、150、180、210 min時收集油脂,并進行稱重,同時記錄二氧化碳的消耗量。收集后的油脂進行密封后,置于4 ℃的冷庫中進行貯藏,以防止油脂變質氧化。

取20 g烘干的蘇籽粉,裝入索氏提取裝置,采用正己烷作溶劑進行抽提,10 h后停止提取,旋轉蒸發(fā)回收正己烷得到蘇籽油,收集后稱重。收集后的油脂進行密封后,置于4 ℃的冷庫中進行貯藏,以防止油脂變質氧化。分別計算蘇籽油得率、回收率及溶解度,以二氧化碳消耗量為橫坐標,收集得到的蘇籽油為縱坐標,得到的提取曲線的斜率即為蘇籽油在超臨界CO2中的溶解度[16]。

蘇籽油得率(%)=收集得到的蘇籽油質量m(g)/蘇籽種子粉的質量M(g)×100

蘇籽油回收率(%)=超臨界提取得到的蘇籽油質量m(g)/索氏提取得到的蘇籽油質量M(g)×100

溶解度S(g/L)=收集得到的蘇籽油質量M(g)/消耗的二氧化碳的體積V(L)

1.2.2蘇籽油甲酯化方法采用堿式甲酯化,取100 μL蘇籽油置于圓底燒瓶中,加入10 mL正己烷與10 mL 0.5 mol/L的氫氧化鈉-甲醇溶液,振蕩3 min,80 ℃水浴加熱30 min,反應完全后,加入10 mL蒸餾水,靜置分層,取上層溶液,備分析用。

1.2.3蘇籽油GC-MS檢測方法氣相色譜條件:色譜柱:HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25μm);升溫程序為150 ℃保持1 min,以5 ℃/min升至250 ℃,保持1 min;載氣為高純氦氣(99.99%),流速40 mL/min;進樣量1 μL;分流比10∶1;進樣口溫度:250 ℃。

質譜條件:電子轟擊(EI)離子源;傳輸線溫度280 ℃;離子源溫度250 ℃;質量掃描范圍50～1000 m/z,全掃描。

1.2.4DPPH自由基清除能力分別以乙酸乙酯-乙醇(1∶2)溶液為溶劑,制備6 mL不同濃度(10～80 mg/L)的蘇籽油與(0.625～80 μg/L)的VE與TBHQ溶液,分別向上述溶液加入10 mL DPPH乙醇溶液,黑暗處理30 min后,以乙酸乙酯-乙醇(1∶2)溶液作為空白對照實驗,在波長為517 nm處檢測其吸光度。并分別計算其自由基清除率。

其中:Aj代表樣品的吸光度,Ai代表空白對照的吸光度。

1.2.5數(shù)據(jù)處理采用SPSS17.0與excel2007對所得數(shù)據(jù)進行擬合處理。

2　結果與分析

2.1壓力對蘇籽油質量的影響

壓力對蘇籽油得率的影響如圖1所示,曲線的斜率即為蘇籽油溶解度。不同條件下蘇籽油質量隨二氧化碳消耗量增加而增加,且增加的幅度即曲線斜率越來越小,即溶解度越來越小,這主要是因為隨著反應的進行,物料中剩余的油脂越來越少,CO2溶解的蘇籽油不足以達到飽和狀態(tài),進而導致溶解度減小。在恒定的溫度條件下,在20～35 MPa范圍內(nèi),低壓下蘇籽油的質量相對較低,隨著壓力的增加,蘇籽油的質量逐漸增加。如表2所示,在高壓條件下,蘇籽油的得率與回收率相對高,更接近索氏提取的得率。這可能是由于在同一溫度下,壓力越大,二氧化碳的密度就越大。這與張君萍等[22]對沙蔥,劉瑞雪等[23]對牡丹籽油的研究結果相一致。

圖1　不同壓力下蘇籽油質量與二氧化碳消耗量的關系曲線Fig.1　Pressure dependence of extraction yield of Perilla frutescens seed oil in relation to CO2consumption 注:(a)313 K;(b)333 K;(c)353 K。

壓力(MPa)溫度(K)得率(g/g蘇籽種子質量)回收率(%)203130.11024.99253130.12528.29303130.21147.71353130.27662.43203330.04911.08253330.13831.17303330.20345.87353330.27261.47203530.0133.00253530.07517.02303530.14432.54353530.24956.32

2.2溫度對蘇籽油質量的影響

圖2表明,在恒定的壓力條件下,313～353 K范圍內(nèi),蘇籽油的質量隨著溫度的增加而逐漸減小。原因可能是同一壓力下,溫度越高,二氧化碳的密度越小。這與Tomita[16]、Po-Yen Chen[24]等的研究結果相一致。在20 MPa條件下,不同溫度條件下蘇籽油質量差異相對較大;在35 MPa條件下,不同溫度條件下蘇籽油質量差異相對較小,說明低壓條件下,溫度對蘇籽油質量影響較大;高壓條件下,溫度對蘇籽油質量影響較小;這可能是由于低壓條件下,不同溫度下二氧化碳密度差異相對較大,高壓條件下,不同溫度條件下二氧化碳密度差異相對較小。

2.3蘇籽油在超臨界二氧化碳中的溶解度

采用Chrastil方程對蘇籽油的溶解度數(shù)據(jù)進行了擬合,Chen Po-Yen,Gong Xiao-Yan,Jokic Stela,Kwon Kyung-Tae等人已驗證了此模型[24-27],Chrastil認為物質在超臨界流體中的溶解度S與溶劑的密度ρ與溫度T有關,其關系模型如下:

ln(S)=k ln(ρ)+a/T+b

式(1)

a=ΔH/R and b=-ln(MC/(MS+k MC))+q

式(2)

其中S(g/L)代表溶質在超臨界流體中的溶解度,ρ(g/L)代表超臨界流體的密度,T(K)代表反應溫度,k代表結合常數(shù),ΔH代表反應的總熱量,q為常數(shù),Ms 代表溶質的相對分子質量,Mc代表溶劑的相對分子質量。

表2　蘇籽油在超臨界CO2中的實驗溶解度與理論溶解度

如表2所示,在恒定溫度下,蘇籽油在超臨界二氧化碳中的溶解度隨著壓力的增加而增加;在恒定壓力下,蘇籽油的溶解度隨著溫度的增加而減小。這與Tomita等[16]的研究結果相一致。在313 K、35 MPa條件下,蘇籽油的溶解度達到最大值16.68 g/L。如圖3、圖4所示,同一溫度,不同壓力下的蘇籽油溶解度呈線性趨勢。采用Chrastil方程對蘇籽油的溶解度數(shù)據(jù)進行擬合,得到ln(S)與ln(ρ)的關系曲線。擬合結果為k=10.096;a=-4204.654;b=-55.864,a為負值表示當CO2密度恒定時,溶解度隨溫度增加而增加。在313～353 K范圍內(nèi)擬合結果的R2為99%。

圖3　ln(S)與ln(ρ)關系曲線Fig.3　Plots of ln(S)verus ln(ρ)

圖4　溶解度S與CO2密度ρ關系圖Fig.4　Plots of S verus ρ

為檢驗擬合結果的可靠性,通過計算平均偏差(AARD)進行檢驗,平均偏差計算方法如下:

式(3)

2.4蘇籽油脂肪酸成分分析

采用氣相質譜法檢測蘇籽油主要成分,總離子流圖如圖5、圖6所示,采用超臨界CO2流體萃取得到蘇籽油共鑒別出5種主要成分,采用索氏提取技術得到的蘇籽油亦鑒別出5種成分,蘇籽油中主要有亞麻酸、亞油酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸。采用面積歸一法得到各個組分的相對含量如表3所示,各個峰相應的質譜采用與標準譜圖NIST對照進行檢索,并逐個解析各個峰對應的質譜圖。

圖5　超臨界提取得到的蘇籽油總離子流圖Fig.5　GC chromatogram of Perilla frutescens seed oil extracted by SC-CO2注:1.棕櫚酸;2. 硬脂酸;3. 油酸;4. 亞油酸;5. 亞麻酸。

表3　不同提取方法得到的蘇籽油的脂肪酸成分對比

圖6　索氏提取得到的蘇籽油總離子流圖Fig.6　GC chromatogram of Perilla frutescensseed oil extracted by soxhlet method

如表3所示:超臨界CO2流體萃取得到蘇籽油中亞麻酸含量約為59.83%,索氏提取得到的蘇籽油中亞麻酸僅為51.93%。索氏提取得到的蘇籽油中亞油酸、油酸、棕櫚酸、硬脂酸均略高于超臨界提取得到的蘇籽油的含量,這可能是由于溶劑浸提過程中長時間高溫造成的,超臨界CO2流體萃取得到蘇籽油中不飽和脂肪酸含量約為92%,高于索氏提取方法得到的蘇籽油中的含量。

2.5蘇籽油DPPH自由基清除能力分析

以DPPH為例對蘇籽油自由基清除能力進行了探究,同時以VE和TBHQ作為對照,圖7表明,隨著蘇籽油濃度的增加,對DPPH自由基的抑制率逐漸增加,說明蘇籽油對DPPH自由基的抑制率與濃度在一定程度上成正相關作用。VE和TBHQ的IC50值分別為3.76、3.22 μg/mL,而超臨界萃取與索氏提取得到的蘇籽油的IC50值分別為22.66、27.76 mg/mL。索氏提取得到的蘇籽油的IC50值高于超臨界流體萃取得到的蘇籽油的IC50值,這可能是由于在索氏提取過程中溫度持續(xù)較高而造成的。

圖7　不同提取方法得到的蘇籽油自由基清除能力Fig.7　Scavenge DPPH capacity of Paeonia ostiiseed oil extracted by different methods

3　結論

蘇籽油在超臨界CO2中的溶解度與溫度和密度有關,并首次確定了蘇籽油溶解度模型方程:ln(S)=10.096ln(ρ)-4204.654/T-55.864。同一溫度下,蘇籽油的溶解度隨壓力的增加而增加。同一壓力條件下,蘇籽油的溶解度,隨溫度的增加而減小。因此,適度的低溫和高壓有利于進行蘇籽油的超臨界萃取,在時間和二氧化碳消耗量恒定的情況下,本研究得到了蘇籽油的超臨界CO2流體最佳萃取溫度為313 K,壓力為35 MPa。

不同提取方法得到的蘇籽油組分差異不大,超臨界萃取得到的蘇籽油的自由基清除能力強于索氏提取得到的蘇籽油。

蘇籽油脂肪酸含量豐富,主要成分有亞麻酸、亞油酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸。其中亞麻酸是人體必需的不飽和脂肪酸,能夠促進EPA和DHA的轉化合成。因此,對蘇籽油的溶解度進行研究,進而為超臨界萃取工藝優(yōu)化提供理論基礎,對于蘇籽油的開發(fā)利用具有非常重要的意義。

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Solubility evaluation ofPerillafrutescensseed oil in supercritical carbon dioxide and its antioxidative activity

LIU Yang-yang,ZHAO Xiu-hua,ZU Yuan-gang*,GE Yun-long,LI Yuan-yuan,WU Ming-fang

(Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Northeast Forestry University,Ministry of Education,Harbin 150040,China)

In this research,oil was extracted fromPerillafrutescensseed by using supercritical carbon dioxide(SC-CO2)to investigate the effect of pressure and temperature on the solubility and yield. The solubility data was correlated based on the Chrastil model,fatty acid compositions ofPerillafrutescensseed oil was further investigated through gas chromatography-mass spectrometry. Resualts showed that solubility was increased with increasing pressure at constant temperature and decreased with increasing temperature at constant pressure.The highest solubility was obtained at 313 K,35 MPa.A solubility model ofPerillafrutescensseed oil based on the temperature and the density of CO2was obtained. Morever,GC-MS analysis results showed no significant difference in the fatty acid composition ofPerillafrutescensseed oil among different extraction methods and over 90% of poly unsaturated fatty acid was obtained fromPerillafrutescensseed oil. DPPH-scavenging capacity study showed that the IC50value of oil extracted using SC-CO2and Soxhlet method were 22.66 mg/mL and 27.76 mg/mL.

Perillafrutescensseed oil;solubility;DPPH·；supercritical CO2;Chrastil model

2016-01-08

劉陽陽(1988-)，男，碩士研究生，研究方向：植物化學與植物藥，E-mail:lyybotanynefu@163.com。

祖元剛(1953-)，男，博士，教授，研究方向：植物資源生態(tài)利用，E-mail:yuangangzu@163.com。

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(20140470102)。

TS224.4

A

1002-0306(2016)13-0116-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.015