盐藻油超声波提取工艺优化及理化性质分析

孙协军 李秀霞 冯彦博 刘雪飞 毕海燕

(渤海大学化学化工与食品安全学院，锦州 121013)

盐藻油超声波提取工艺优化及理化性质分析

孙协军 李秀霞 冯彦博 刘雪飞 毕海燕

(渤海大学化学化工与食品安全学院，锦州 121013)

以丙酮为提取溶剂，考察了超声波功率、液固比、提取温度、提取时间和提取次数对盐藻油得率的影响，并对不同方法所得盐藻油的理化性质进行了分析。结果表明，超声波功率和提取次数对盐藻油得率没有显著影响(P>0.05)，其余各因素影响的主次顺序为：超声温度>液固比>超声时间，超声波辅助提取盐藻中油脂的最佳工艺参数为：液固比29 mL/g、超声时间47 min、超声温度48 ℃，在优化条件下，盐藻油的得率最高为16.20%。常规回流提取、微波提取和超声波提取对盐藻油的理化性质没有显著影响，盐藻油的黏度(40 ℃运动黏度>80 mm2/s)和酸值(>10 mgKOH/g)较高，需要经过降酸降黏处理后才能被加工利用。

盐藻油 超声波 提取 理化性质

盐藻，即盐生杜氏藻(DunalselalSalina)，是单细胞的浮游植物，属于绿藻门、真绿藻纲、团藻目、盐藻科，其藻体为卵圆形、椭圆形或梨形，长18～28 μm，宽9.5～14 μm，没有细胞壁，在不同的盐度、光照、温度等环境下其形态变化较大[1]。具有不消耗淡水、倍增周期短、单位面积产量大等优点，并且可以在盐碱地、黏土地、滩涂以及浅海、湖泊养殖。商业盐藻粉含有30%左右蛋白质、15%～20%的油脂、10%～20%盐类及10%左右水分等成分[2]，盐藻油脂含量较高且盐藻油富含棕榈酸、油酸和亚油酸等不饱和脂肪酸和类胡萝卜素等活性成分，具有很好的营养价值和保健功能。微藻油由于富含类胡萝卜素等抗氧化物质，氧化稳定性较好，在食品、医药和饲料等领域有良好的应用前景[3]。

油脂提取常用的方法主要有压榨法、有机溶剂浸提法[4]、超临界CO2萃取法[5]、微波萃取[6]及超声波辅助溶剂萃取[7]等。由于微藻细胞在十几个微米左右，不能采用压榨法提取油脂，常用有机溶剂或植物油作为溶剂提取微藻油脂，超声波辅助技术常用在油脂溶剂萃取过程，具有短时高效的特点[7]，本研究采用超声波辅助溶剂萃取的方法提取盐藻油，并对得到的盐藻油的理化性质进行分析，为盐藻油的进一步开发利用奠定理论研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料

盐藻粉由大连丰源达饵料有限公司提供。

1.2 主要试剂和仪器

37种脂肪酸甲酯标品(30 mg/mL)：美国Restek公司；三氟化硼乙醚溶液、乙酸乙酯、石油醚等均为分析纯。

2014C气相色谱仪：岛津仪器苏州有限公司；HGT-300E氮、氢、空气发生器：北京汇龙公司。

1.3 试验方法

1.3.1 回流提取方法

称取一定量盐藻粉于100 mL平底烧瓶中，按液固比为25 mL/g加入一定的提取溶剂，连接冷凝管，在水浴温度为65 ℃条件下回流提取10 h后，提取液减压抽滤，抽滤液置于已于105 ℃恒重的磨口平底烧瓶中，旋转蒸发回收溶剂，然后将盛提取物的烧瓶放入105 ℃烘箱干燥至恒重，计算盐藻油含量。

1.3.2 微波提取方法

称取一定量盐藻粉于微波样品罐中，按设计加入一定量的提取溶液，设定合适的提取温度、搅拌速度100 r/min和风冷时间10 min，在不同的微波功率下提取一定时间, 到设定风冷时间结束后，取出样品罐，将提取液减压抽滤，滤液置于已恒重的磨口平底烧瓶中，旋转蒸发回收溶剂，然后将盛提取物的烧瓶放入105 ℃烘箱干燥至恒重，计算盐藻油得率。

1.3.3 超声波辅助提取方法

称取盐藻粉样品1 g于100 mL具塞锥形瓶中，按要求加入一定的提取溶剂，超声处理一定时间后减压抽滤，旋转蒸发回收溶剂，将提取物放入105 ℃烘箱干燥至恒重，计算盐藻油得率。

1.3.4 脂肪酸分析方法

色谱条件：Rt-2560色谱柱(100 m×0.25 mm×0.2 μm)，升温程序：初始温度100 ℃，以4 ℃/min升至240 ℃，保持35 min；入口压力135.5 kPa，载气氮气，总流量28.1 mL/min，柱流量0.49 mL/min，线速度11.9 mL/min，进样量1 μL，分流比50∶1，汽化室温度225 ℃，检测器温度250 ℃。

定量方法：采用外标法定量，将37种脂肪酸甲酯标准品稀释至适当倍数后，进样1 μL，采用色谱工作站处理得到的数据，以各脂肪酸甲酯峰面积x(×105)为横坐标，相应的质量浓度y(mg/mL)为纵坐标，绘制标准曲线。盐藻油脂肪酸含量按下式计算：脂肪酸含量=[脂肪酸甲酯浓度(mg/mL)×定容体积(mL)/样品质量(mg)]×100%。

甲酯化方法：精确称取微藻油脂样品100 mg于20 mL具塞试管中，加入1 mL 0.5 mol/L氢氧化钾甲醇溶液3 mL，60 ℃恒温水浴保持10 min，冷后加入1 mL 12.5%三氟化硼乙醚溶液2 mL，恒温水浴煮沸2 min，放冷后加入适量石油醚震荡，试管中溶液全部转移至50 mL分液漏斗中，并加入适量饱和氯化钠溶液分层，取上层醚层，水浴蒸干大部分溶剂后，石油醚定容至5 mL。

1.3.5 微藻油脂理化性质分析方法

水分含量测定：参照 GB/T 5528—2008《动植物油脂水分及挥发物含量测定》；运动黏度测定：参照GB/T 265—1988《石油产品运动粘度测定法和动力粘度计算法》；酸值测定：参照 GB/T 5530—2005《动植物油脂酸值和酸度测定》；皂化值测定：参照 GB/T 5534—2008《动植物油脂皂化值的测定》；过氧化值测定：参照 GB/T 5538—2005《动植物油脂过氧化值测定》；热值：全自动氧弹式量热仪测定方法。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2003、SPSS11.0及Matlab7.0数学软件进行分析，以盐藻油得率为考查指标。

2 结果与分析

2.1 不同提取方法的比较

采用丙酮作为提取溶剂，以油脂得率为衡量指标，在液固比5 mL/g和提取温度同为50 ℃条件下，对盐藻油脂的回流提取(提取时间1 h)和超声波辅助提取方法(超声功率360 W、提取时间10 min)进行了比较，油脂得率分别为(12.33±0.29)%和(13.25±0.34)%，超声波提取效率显著高于回流提取(P<0.05)，以下对超声波辅助提取盐藻油脂工艺参数进行优化研究。

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 超声波功率的影响

精确称取1 g盐藻粉，固定超声温度30 ℃和液固比5 mL/g，在不同的超声波功率下超声提取10 min，比较不同超声波功率对盐藻油得率的影响，结果见图1。盐藻油提取的最佳超声波功率低于以山核桃为原料的最适超声波功率，而与花椒籽油和桑葚子油的试验结果近似[7-9]，由此推断，超声波功率对油脂提取效率的影响与物料的大小有关，杜双奎等[10]报道在300 W的超声波功率下，在一定粒度范围内(<50目)，粒度大小对亚麻籽油出油率有显著影响。从图1看出，较低的超声波功率就可以达到很好的提取效果，这应该是由盐藻细胞较小所决定的，因此，出现超声波功率增加对盐藻油萃取效率影响较小的试验结果。在本试验中，350 W功率下盐藻油的得率较高(13.32%)，而高功率的超声波引起的热效应较大，相应的溶剂损失增加，提取效率降低，因此，选择超声波功率为350 W进行下一步试验。

图1 不同超声波功率对盐藻油得率的影响

2.2.2 提取温度的影响

精确称取1 g盐藻粉，选择液固比为5 mL/g，在不同温度下提取10 min，比较不同提取温度对盐藻油得率的影响。在超声波清洗器初始水温从20 ℃增加到40 ℃过程中，盐藻油得率从12.89%增加到13.96%，而在初始水温超过40 ℃后，盐藻油得率有下降的趋势，在初始水温为50 ℃时，盐藻油得率降为13.92%，这与丙酮沸点(56.48 ℃)较低有关。超声波是一种机械波，350 W下超声波清洗器工作10 min后，清洗器里的水温会升高5 ℃左右，盐藻油的浸出效率随着溶剂温度的增加而增加，而超声波清洗器水温超过40 ℃时，在超声波机械作用下，溶剂的损失增加，提高提取温度所带来的有益作用不能抵消溶剂挥发的副作用，盐藻油得率逐渐降低，因此，选择40 ℃的提取温度进行下一步试验。

图2 超声浸提温度对盐藻油得率的影响

2.2.3 提取时间的影响

精确称取1 g盐藻粉，选择液固比为5 mL/g进行超声波辅助提取试验，比较不同提取时间对盐藻油得率的影响。从图3中可见，超声波作用时间在15～35 min范围内的盐藻油得率显著高于超声5 min时(P<0.05)，盐藻油得率在30 min时达到最高值(14.32%)，说明此时油脂的提取已经基本完成，而此后随着提取时间的增加，盐藻油得率反而呈现出下降的趋势，可能是长时间的超声波作用导致溶剂温度过高，一方面溶剂损失过大，造成盐藻油得率下降，另一方面较高的温度下，富含不饱和脂肪酸、类胡萝卜素和叶绿素等成分的盐藻油发生氧化分解，导致盐藻油的提取效率反而随着时间的增加而降低的现象，因此，选择30 min为适合的提取时间进行下一步试验。

图3 超声作用时间对盐藻油得率的影响

2.2.4 液固比的影响

精确称取1 g盐藻粉，在不同液固比下超声波辅助提取30 min，比较不同液固比对盐藻油得率的影响。从图4中可以看出，当液固比从5 mL/g增加到20 mL/g时，盐藻油得率从14.32%升高到15.31%，而后随着液固比的增加而逐渐降低，在液固比为30 mL/g时液固比降为14.97%，但不同液固比对盐藻油得率均没有显著影响(P>0.05)，液固比增加对提取效率的提高有一定有益影响，这得益于油脂在物料和溶剂间的渗透压随着液固比的增加而加大，提高了传质效率，而增加提取次数则逐渐抵消了这一影响[11]。因此，液固比对油脂提取效率的影响是很有限的，在一定范围内，液固比的增加不但有利于油脂提取效率的提高，也使得后继的抽滤等步骤更容易进行，因此，本试验选择液固比为20 mL/g进行下一步试验。

图4 液固比对盐藻油得率的影响

2.2.5 提取次数的影响

在超声波功率350 W、提取温度40 ℃、提取时间30 min、液固比20 mL/g条件下，超声波辅助提取盐藻油，考查提取次数对盐藻油得率的影响，结果见图5，提取次数对盐藻油得率没有显著影响(P>0.05)，考虑到提取2次时得率升高幅度较大，而此时提油后的盐藻渣颜色为淡黄绿色，比第1次提取后的盐藻渣颜色要浅很多，在进一步对盐藻渣利用时无需再脱脂处理，因此，选择提取次数2次进行下一步正交试验。

图5 提取次数对盐藻油得率的影响

2.3 正交试验

通过单因素试验，发现超声波功率和提取次数对盐藻油脂得率影响不大，因此固定超声波功率为350 W，提取次数确定为2次，选取液固比(X1)、超声时间(X2)和超声温度(X3)进行三因素三水平的二次通用旋转组合试验，试验设计的因素、水平和试验结果见表1。用Excel 2003对试验数据进行多元回归拟合，得到盐藻油脂得率的回归方程如下：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3-0.01X1X2-0.03X1X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.01X2X2-0.09X3X3。

表1 正交试验设计与结果分析

对回归方程做显著性检验与方差分析，结果见表2。回归方程的复相关指数为R2=0.94，说明回归方程适合用于超声波辅助提取盐藻油脂的理论预测。

表2 回归方程的方差分析

对回归方程一次项和二次项系数的t检验结果见表3，由表3可知，除X1X2、X1X3和X2X2项不显著外，其他各项都有不同程度的显著性，剔除不显著项后的回归方程如下：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.09X3X3。

各因素对盐藻油得率影响的主次顺序为：超声温度>液固比>超声时间。

表3 回归系数的t检验结果

2.3.1 交互作用分析

超声时间和超声温度间存在交互作用(见图6)。由图6可知，超声时间和超声温度对油脂得率均有较大影响，随着超声温度的增加，油脂得率逐渐增加；超声温度越高，油脂得率达到最大值所需的时间越短。随超声温度的提高，油脂得率先提高后降低，低温长时间可起到与高温短时间相同的作用。

图6 超声时间和超声温度对盐藻油得率的影响

2.3.2 最优提取工艺参数的优化

将得到的回归方程进行局部寻优分析，利用数学极值的方法，通过最优解得到最佳工艺参数为：液固比29 mL/g、超声时间47 min、超声温度48 ℃，在此组合条件下盐藻油的得率最高为16.20%(预测值为16.36%)，相对误差为1%，与预测结果相符。

2.4 不同提取方法对盐藻油理化性质的影响

对回流提取(提取温度60 ℃、提取时间5 h)、微波辅助提取(微波功率600 W，浸提温度54 ℃，液固比10 mL/g，浸提时间9.7 min)和超声波辅助提取(2.3.2优化条件下)的盐藻油理化性质分析结果见表4。由表4可见，不同提取方式对盐藻油理化性质没有显著影响(P>0.05)，盐藻油水分含量较低(<1%)，酸值较高，这可能与盐藻油中游离脂肪酸和脂溶性色素能成分含量较高有关，盐藻油40 ℃运动黏度也较高，大约为大豆色拉油(30 mm2/s左右)的2～3倍，因此，提取后的盐藻油需经过降酸降黏后才能被加工利用。

表4 不同提取方式盐藻油理化性质的影响

3 结论

在以丙酮为提取溶剂的条件下，对盐藻油超声波提取工艺进行了优化，建立了盐藻油超声波辅助提取的数学模型。以盐藻油得率为衡量指标，各因素影响的主次顺序为：超声温度(X3)>液固比(X1)>超声时间(X2)。提取的回归方程为：Y=15.77+0.18X1+0.11X2+0.18X3+0.08X2X3-0.14X1X1-0.09X3X3。通过matlab7.0软件寻优得到最佳工艺参数为：液固比29 mL/g、超声时间47 min、超声温度48 ℃，在优化条件下，盐藻油的得率最高为16.20%，与预测结果相符。常规回流提取、微波提取和超声波提取对盐藻油的理化性质没有显著影响，盐藻油的黏度和酸值较高，需要经过降酸降黏处理后才能被加工利用。

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Optimization of Ultrasound Assisted Extraction Technique of Oil from Dunaliella Salina and Its Physical and Chemical Properties

Sun Xiejun Li Xiuxia Feng Yanbo Liu Xuefei Bi Haiyan

(College of Chemistry, Chemical engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013)

Effects of ultrasonic power, L/S ratio, extracting temperature, extracting time and extracting frequency on oil yield produced fromDunaliellasalinawere studied when acetone was applied as extracting solvent; the physical and chemical properties ofsalinaoil had been analyzed. The results showed that ultrasonic power and frequency of extraction had no effect on the oil yield significantly (P>0.05); the order exhibited of factors on oil yield

was as follows: extracting temperature>ratio of liquid to solid>extracting time; optimal conditions could be obtained as follows: L/S ratio of 29 mL/g, extracting time of 47 min, extracting temperature at 48 ℃; oil yield was predicted to be 16.20% when powder was extracted on the optimal condition. Different extracting methods as conventional reflux extraction, microwave extraction, and ultrasound-assisted extraction had no effect on physical and chemical properties of oil significantly, the viscosity (dynamic viscosity in 40 ℃ was more than 80 mm/s) and acid value of oil (>10 mgKOH/g) was too high to be applied in food processing without deacidification process and viscosity reduction.

oil, ultrasound, extracting method, physical and chemical properties

TS219

A

1003-0174(2016)02-093-06

“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD29B06)，中国博士后科学基金面上资助项目(20090460422)，辽宁省食品安全重点实验室开放课题(LNSAKF2011015)

2014-06-20

孙协军，男，1969年出生，实验师，水产品贮藏加工

李秀霞，女，1973年出生，副教授，水产品贮藏加工