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脉冲电场处理双低油菜籽提高出油率 及对主要脂肪酸的影响

发布日期:2018-01-19 中国油脂网

王丽娟,钱建亚
(扬州大学 食品科学与工程学院,江苏 扬州 225127)


摘要:将脉冲电场(PEF)作用于经水分含量调节的秦优7号双低油菜籽,优选出异丙醇作为浸提溶剂,发现PEF处理油菜籽有利于提高出油率。以脉冲电压、物料停留时间、脉冲频率和脉冲宽度为参数,以出油率为考察指标,在单因素试验的基础上采用响应面法进行了条件优化。结果表明:各操作参数对出油率的影响均极显著;在最佳PEF处理条件下,即脉冲电压35 kV、物料停留时间185 s、脉冲频率806 Hz、脉冲宽度8 μs,出油率由未经处理时的71.60%提高到95.21%。进一步的分析表明,菜籽油中主要脂肪酸油酸、亚油酸、棕榈酸、亚麻酸及硬脂酸的含量发生了显著变化,油中饱和脂肪酸含量增加而不饱和脂肪酸含量减少。
关键词:脉冲电场;菜籽油;出油率;双低油菜籽;脂肪酸
中图分类号:TS224;TQ644   文献标识码:A

文章编号:1003-7969(2016)10-0006-05
 

Pulsed electric field treating double-low rapeseed to elevate
oil yield and effect on main fatty acids
WANG Lijuan, QIAN Jianya
(School of Food Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu, China)


Abstract:Isopropanol was screened out as the solvent to extract oil from Qinyou No. 7 double-low rapeseed which was treated by pulsed electric field (PEF) after moisture pre-adjusted. It was found that treating rapeseed by PEF was beneficial to elevate the oil yield. With oil yield as indicator, based on single factor experiment, pulse voltage, material residence time, pulse frequency and pulse width were optimized by response surface methodology. The results showed that all the operation parameters had extremely significant effects on oil yield. Under the optimal conditions of pulse voltage 35 kV, material residence time 185 s, pulse frequency 806 Hz and pulse width 8 μs, the oil yield increased from 71.60% to 9521%. The further analysis suggested that the contents of main fatty acids (oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, linolenic acid and stearic acid) in rapeseed oil changed significantly. The content of saturated fatty acids in rapeseed oil increased, while the content of unsaturated fatty acids decreased.
Key words:pulsed electric field (PEF); rapeseed oil; oil yield; double-low rapeseed; fatty acid


  脉冲电场(PEF)是一种重要的非热加工技术,已被广泛应用于食品杀菌和钝酶研究[1-3]。PEF对植物油溶出方面的研究也日益增多,如Guderjan等[4]发现,PEF处理不仅能提高玉米胚芽油的得率,还能提高油中植物甾醇含量;PEF处理可以提高橄榄油得率6.5%~7.4%。Guderjan等[5]利用PEF技术不仅提高了出油率,还提高了菜籽油中生育酚、多酚、抗氧化剂和植物甾醇的含量。于庆宇等[6]采用PEF技术对大豆油提取进行研究,确定了提高大豆油得率的最佳参数。曾新安等[7]研究了强脉冲电场处理对花生油品质的影响。
     然而,在既有文献中,PEF的处理方式均为针对连续相的液体,即电极与物料直接接触,形成“闭合”电路,生产能力小、设备要求高。我们的前期工作发现PEF可以应用于非连续相的固体物料[8],物料与电极不同时接触或都不接触,在原料的运输和预处理过程中即可进行电场处理,有利于实现工业化的大规模处理。菜籽油是我国主要食用植物油之一[9],本研究拟采用PEF处理油菜籽,优化提高出油率的操作条件,并考察菜籽油脂肪酸组成的变化。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 原料与试剂
     双低油菜籽,秦优7号,主要成分为水分6.99 g/100 g、粗蛋白质18.54 g/100 g(N×6.25)、粗脂肪3900 g/100 g和硫苷29.59 μmol/g,产地为江苏盐城。
     正戊烷:国药集团化学试剂有限公司;石油醚 (沸程60~90 ℃)和95%乙醇:上海苏懿化学试剂有限公司;异丙醇:上海焱晨化工实业有限公司。以上试剂均为分析纯。实验用水为蒸馏水。
1.1.2 仪器与设备
     HD35-5脉冲高压电源:天津惠达电子元件厂;Wave Surfer 24MXs-B示波器:美国Lecroy公司;AR3130电子分析天平:美国Ohaus Corp Pine Brook公司。
1.2 试验方法
1.2.1 溶剂选择及出油率计算
     以95%乙醇、正戊烷、石油醚 (沸程60~90 ℃) 和异丙醇作溶剂。称取油菜籽50 g,磨碎,按油菜籽粉与溶剂比为1∶ 5加入溶剂,75 ℃浸提两次,每次 2 h,收集提取液,用旋转蒸发器脱溶,根据下列公式计算出油率。
     出油率=浸出油的质量/油菜籽中粗脂肪的质量×100%
     综合考虑出油率、产品质量、试剂毒性和价格诸因素,选择异丙醇作为溶剂。未经PEF处理的对照样品的出油率为71.60%。
1.2.2 PEF处理
     将油菜籽水分含量调节至由预备试验得到的50 g/100 g,平铺于电场处理腔中,固定极板间距离为45 mm。选取脉冲电压、物料停留时间、脉冲频率和脉冲宽度进行单因素试验和响应面优化试验,以出油率为考察指标。提取油时,将PEF处理后的油菜籽于40 ℃干燥至水分含量低于6 g/100 g。
1.2.3 脂肪酸组成分析
     脂肪酸甲酯的制备:参照GB/T 17376—2008中三氟化硼甲酯化法处理样品。取25 mg菜籽油置于25 mL容量瓶中,加入5 mL 0.5 mol/L NaOH-CH3OH溶液,在65 ℃皂化30 min,升温至70 ℃,加入5 mL BF3-CH3OH (体积比1∶ 3) 溶液,加热甲酯化3 min,冷却至室温,加入5 mL正己烷,摇匀,静置分层,加入饱和食盐水提升液面至瓶颈处,静置分层,取上层有机相放入试管中,过0.22 μm尼龙膜微滤器,放入进样瓶,氮吹除溶剂,待测。
     GC-MS分析:DB-WAX毛细管柱 (30 m×025 mm×0.25 μm);采用程序升温,初温80 ℃,保持3 min,以10 ℃/min升至220 ℃,保持20 min;载气为氦气,流速0.9 mL/min;分流进样(分流比10∶ 1);电子电离源(能量70 eV);接口温度250 ℃;质量扫描范围33~500 u;进样量1.0 μL;溶剂延迟时间3 min。
1.2.4 统计分析
     采用统计软件Excel 2007、Design-Expert 8.0.6中响应面分析方法进行数据分析和绘图[10-11]。所有结果均是3次重复试验所得平均值。用SPSS 220进行显著性分析,用Duncan法进行多重比较,单因素试验结果图中用不同大写字母和小写字母分别表示组间差异极显著(P<0.01)和显著(P<005),相同小写字母表示组间差异不显著(P>005)。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 脉冲电压对出油率的影响
     设定脉冲频率为600 Hz,脉冲宽度为8 μs,物料停留时间为180 s,脉冲电压分别调节为10、15、20、25、30 kV和35 kV。脉冲电压对出油率的影响见图1。
    


QQ截图20180119154224    

图1 脉冲电压对出油率的影响
  由图1可以看出,脉冲电压在小于30 kV时出油率随脉冲电压增大极显著增加(P<0.01),30 kV后趋于平稳。原因可能是电场强度增大致使细胞膜的通透性发生了改变[12-14],细胞破坏程度增大,油脂的溶出率也增加。10~30 kV属于脉冲电场作用于物料的电场穿孔阶段,此时的电场强度大于临界电场强度,细胞内外的物质可以通过被穿破的微孔自由流出,因而出油率呈现极显著增加的趋势;当脉冲电压达到30 kV以上时,PEF作用达到饱和状态,电压增大,细胞膜通透性不再增加。
2.1.2 物料停留时间对出油率的影响
     设定脉冲电压为30 kV,脉冲宽度为8 μs,脉冲频率为600 Hz,物料停留时间分别调节为60、90、120、150、180 s和210 s。物料停留时间对出油率的影响见图2。
    

QQ截图20180119154234
    

图2 物料停留时间对出油率的影响
  由图2可以看出,180 s前随着物料停留时间的延长,出油率极显著增加(P<0.01),180 s后出油率趋于平稳,原因可能是脉冲电场对物料持续作用,作用时间越长,细胞内外的物质通过被穿破的微孔自由交换率增加,因而出油率呈现极显著增加的趋势;而当物料停留时间达到一定值后,细胞膜的通透性不再继续增加。因此,物料停留时间延长使出油率逐渐提高后趋于稳定。
2.1.3 脉冲频率对出油率的影响
     设定脉冲电压为30 kV,脉冲宽度为8 μs,物料停留时间为180 s,脉冲频率分别调节为100、200、400、600、800 Hz和1 000 Hz。脉冲频率对出油率的影响见图3。
    

QQ截图20180119154243
    

图3 脉冲频率对出油率的影响
  由图3可以看出,在脉冲频率小于800 Hz时,出油率随着脉冲频率增加极显著增加(P<001),原因是对于每一次电容器放电而言,脉冲频率提高,脉冲数会增多,对物料破坏程度就会加大。因此,细胞内外的物质通过被穿破的微孔自由交换率增加,从而使出油率提高。
2.1.4 脉冲宽度对出油率的影响
     设定脉冲电压为30 kV,脉冲频率为600 Hz,物料停留时间为180 s,脉冲宽度分别调节为1、2、4、6、8 μs和10 μs。脉冲宽度对出油率的影响见图4。
    

QQ截图20180119154253
    

图4 脉冲宽度对出油率的影响
  由图4可以看出,脉冲宽度小于4 μs时对出油率影响较小,4 μs后影响较大,8 μs时出油率达到最大值。在其他参数不变的条件下,脉冲宽度增大,物料接受的能量增加,细胞内外的物质通过被穿破的微孔自由交换率增加,出油率增大。
2.2 响应面法优化试验
     在单因素试验结果的基础上,分别以A、B、C和D表示脉冲电压、物料停留时间、脉冲频率和脉冲宽度,并以1、0和-1分别代表自变量的高、中和低水平。根据Box-Behnken设计,采用四因素三水平安排实验,编码及因素水平见表1,响应面试验设计及结果见表2。

表1 响应面试验因素水平编码

水平 脉冲电
压/kV
物料停
留时间/s
脉冲频
率/Hz
脉冲宽
度/μs
-1 25 150 700 7
0 30 180 800 8
1 35 210 900 9
 

表2 响应面试验设计及结果

试验号 A B C D 出油率(Y)/%
1 -1 -1 0 0 86.84
2 1 -1 0 0 94.25
3 -1 1 0 0 89.40
4 1 1 0 0 94.97
5 0 0 -1 -1 89.86
6 0 0 1 -1 91.96
7 0 0 -1 1 91.76
8 0 0 1 1 91.83
9 -1 0 0 -1 86.85
10 1 0 0 -1 94.63
11 -1 0 0 1 88.25
续表2
试验号 A B C D 出油率(Y)/%
12 1 0 0 1 93.89
13 0 -1 -1 0 89.63
14 0 1 -1 0 93.26
15 0 -1 1 0 92.20
16 0 1 1 0 91.71
17 -1 0 -1 0 87.98
18 1 0 -1 0 94.74
19 -1 0 1 0 88.53
20 1 0 1 0 94.86
21 0 -1 0 -1 89.63
22 0 1 0 -1 91.70
23 0 -1 0 1 90.37
24 0 1 0 1 92.04
25 0 0 0 0 93.25
26 0 0 0 0 93.00
27 0 0 0 0 93.10
28 0 0 0 0 93.12
29 0 0 0 0 93.00
 
  采用Design-Expert软件进行分析,得到多元二次回归模型Y=-250.59+4.51A+0.76B+020C+28.13D-3.07×10-3AB-2.5×10-4AC-0.11AD-3.43×10-4BC-3.33×10-3BD-5.08×10-3CD-0038A2-9.38×10-4B2-5.54×10-5C2 -1.25D2。 
     回归方程系数显著性检验及方差分析见表3。由表3可知,所建模型具有统计学意义自变量一次项A、B、C和D,二次项AB、AD、BC、CD、A2、B2、C2和D2的差异极显著 (P<001),其他项均不显著。模型P<0.000 1,表明回归模型达到了极显著水平;失拟项P=0.054 5>0.05差异不显著,无失拟因素存在。因此,可用该回归方程对试验结果进行分析。模型相关系数R2=0.996 0,R2Adj=0.992 1,且信噪比为54.219,远远大于4,进一步说明模型拟合效果好,用该模型对出油率进行预测是合适的。
     根据模型,最佳工艺条件为:脉冲电压35.00 kV,物料停留时间185.84 s,脉冲频率806.75 Hz,脉冲宽度7.88 μs;此时出油率的理论预测值为9550%。考虑实际操作的便利,将工艺参数修正为脉冲电压35 kV、物料停留时间185 s、脉冲频率806 Hz、脉冲宽度8 μs,进行验证试验,重复3次取平均值,得出油率为95.21%,与理论预测值相差不大。因此,通过响应面所得的最佳PEF处理条件可靠。

表3 回归方程系数显著性检验及方差分析

变异源 平方和 自由度 均方 F P
模型 163.50 14 11.68 252.12 <0.000 1* *
A 129.96 1 129.96 2 805.53 <0.000 1* *
B 8.60 1 8.60 185.71 <0.000 1* *
C 1.24 1 1.24 26.80 0.000 1* *
D 1.03 1 1.03 22.16 0.000 3* *
AB 0.85 1 0.85 18.27 0.000 8* *
AC 0.05 1 0.05 1.00 0.334 8   
AD 1.14 1 1.14 24.72 0.000 2* *
BC 4.24 1 4.24 91.61 <0.000 1* *
BD 0.04 1 0.04 0.86 0.368 5   
CD 1.03 1 1.03 22.24 0.000 3* *
A2 5.80 1 5.80 125.25 <0.000 1* *
B2 4.63 1 4.63 99.87 <0.000 1* *
C2 1.99 1 1.99 43.06 <0.000 1* *
D2 10.11 1 10.11 218.19 <0.000 1* *
残差 0.65 14 0.05    
失拟项 0.61 10 0.06 5.67 0.054 5   
纯误差 0.04 4 0.01    
总和 164.15 28  
 注:* *表示差异极显著(P<0.01);*表示差异显著(P<0.05)。下同。


2.3 PEF处理油菜籽对油中主要脂肪酸的影响
     在最佳工艺条件下对油菜籽进行PEF处理,采用异丙醇溶剂对处理后的油菜籽进行浸提,通过GC-MS 分析菜籽油中主要脂肪酸的变化,结果见表4。

表4 高压脉冲电场处理油菜籽对油脂肪酸
组成的影响

%

脂肪酸 对照组 PEF处理组
油酸 59.86±0.120 3 53.82±0.024 9* *
亚油酸 14.57±0.016 3 15.36±0.034 0* *
棕榈酸 5.60±0.020 5 6.16±0.041 9* *
亚麻酸 5.07±0.024 9 6.00±0.024 9* *
硬脂酸 0.37±0.029 4 0.26±0.016 3*  
 
  由表4可知,与PEF处理前的对照组相比,菜籽油中主要脂肪酸油酸、亚油酸、棕榈酸、亚麻酸及硬脂酸含量变化差异极显著或显著;饱和脂肪酸含量增加,不饱和脂肪酸含量减少。油脂的主要成分在加工和使用过程中可以发生变化[15]。与对照组比较,饱和脂肪酸(SFA)由5.97%上升至642%,其中单不饱和脂肪酸(MUFA)由59.86%下降至53.82%,多不饱和脂肪酸(PUFA)由19.64%上升至21.36%;SFA、MUFA、PUFA比由1∶ 10.02∶ 329变为1∶ 8.38∶ 3.33。
3 结 论
     (1)采用脉冲电场对秦优7号双低油菜籽处理可提高其出油率。脉冲电压、物料停留时间、脉冲频率和脉冲宽度对出油率的影响均极显著(P<001)。各因素间的交互作用情况为脉冲电压和物料停留时间、脉冲电压和脉冲宽度、物料停留时间和脉冲频率以及脉冲频率和脉冲宽度之间的交互作用极显著,脉冲电压和脉冲频率及物料停留时间和脉冲宽度之间的交互作用不显著。
     (2)响应面法优化所建模型与实际结果高度相关(R2=0.996 0),在预测模型修正的最佳工艺条件下,即脉冲电压35 kV、物料停留时间185 s、脉冲频率806 Hz、脉冲宽度8 μs,出油率为95.21%,与理论预测值95.50%相差不大,比未经处理的71.60%提高33%。
     (3)脉冲电场处理油菜籽对菜籽油中主要脂肪酸油酸、亚油酸、棕榈酸、亚麻酸及硬脂酸的含量影响极显著或显著。油中饱和脂肪酸含量增加,而不饱和脂肪酸含量减少。具体情况还有待进一步分析。
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