沙棘籽油脱色参数优化及效果的评价

冯丽丹, 郝 明, 张 威, 李 捷, 魏 娟, 毕 阳,柴守环

(甘肃农业大学食品科学与工程学院1,兰州 730070)

(甘肃农业大学林学院2,兰州 730070)

(甘肃梓园生物工程有限责任公司3,兰州 730070)

沙棘籽油是从沙棘籽中提取的油脂,具有抗氧化[1]、抗炎[2]、治疗多种皮肤损伤[3, 4]等功能,现已广泛应用于食品、药品及化妆品等行业。未经精制的沙棘籽油颜色较深,其中含有水分、色素、部分游离脂肪酸及呈味物质等[5],影响籽油的商品性及后期储存的稳定性。吸附脱色法在植物油的脱色中应用最为广泛,常用的脱色剂有凹凸棒土、活性炭、活性白土及硅藻土等。质量分数3%的凹凸棒土可以有效吸附大豆油中的色素[6],炭/凹凸棒土复合材料对棕榈油进行脱色漂白,脱色后红色值、过氧化物质量分数分别降低了57.36%和76.34%[7]。使用活性炭对芝麻油进行脱色,脱色率可达23.27%,并且可较好保留油脂中木酚素和维生素E[8]。添加质量分数17%的活性白土于94 ℃下脱色94 min,山桐子油的脱色率可达91.07%[9]。复合硅藻土能有效脱除菜籽油中天然色素[10]。尽管有诸多植物油脂脱色研究,但有关沙棘籽油的脱色工艺参数优化及对主要品质指标的影响鲜见报道。

本研究以沙棘籽原油为原料,选用4种常用脱色剂,以脱色率为关键参数,优选1种脱色剂;并对优选脱色剂的添加量、脱色温度及时间进行的单因素实验和正交优化实验,获得最佳脱色参数;以沙棘籽原油为对照,分析2种沙棘籽油的常规理化指标、脂肪酸种类及相对含量、体外抗氧化活性的差异,评估凹凸棒土的脱色效果。为沙棘籽油脱色工艺参数优化,合理开发利用沙棘籽油提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

超临界CO2萃取沙棘籽原油,以蒸馏水作为参比,在500 nm处有最大吸收峰。

活性炭、凹凸棒土、活性白土、硅藻土均为食品级;甲醇,色谱纯;DPPH、硫酸亚铁、水杨酸、过氧化氢、磷酸氢二钠、无水硫酸钠、铁氰化钾、无水乙醇、三氯乙酸、三氯化铁、正己烷、氢氧化钾、硫酸氢钠等试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器与设备

Agilent 7000D气相色谱三重四级杆串联质谱联用仪,Multiskan Go全波长酶标仪,UV752N紫外可见分光光度计,SHZ-D真空泵,L550离心机,RE-52AA旋转蒸发仪。

1.2 方法

1.2.1 沙棘籽油脱色工艺

参考刘瑞花等[8]的方法并做适当调整。准确称取沙棘籽油5.0 mL置于容器中,加入一定比例脱色剂与籽油混匀,在真空度为0.06～0.09 MPa,旋转速度为100 r/min,于一定温度脱色一定时间,脱色结束后,3 500 r/min离心20 min,收集上清液。

1.2.2 脱色剂的筛选

称取活性炭、凹凸棒土、硅藻土、活性白土各0.10 g,分别置于50 mL 心形瓶中,分别加入沙棘籽油5.0 mL,按照1.2.1的操作,40 ℃脱色20 min,检测OD500值,并按照式(1)计算脱色率。

1.2.3 脱色工艺参数优化

针对1.2.2优选的脱色剂,进行单因素实验和正交实验。单因素实验在1.2.2的初始条件下分别设置脱色剂质量分数(1%、2%、3%、4%、5%)、脱色温度(25、40、50、60、70 ℃)、脱色时间(10、20、30、40 min) ,检测脱色率的变化。在单因素实验的基础上,在最优值附近设置水平,进行L9(34) 正交优化实验。

1.2.4 脱色效果评价

1.2.4.1 脱色率的测定

参照叶展等[11]的方法,并作适当调整。以蒸馏水作为参比,于500 nm处测定籽油吸光度,根据吸光值按式(1)计算脱色率。

(1)

式中:A1为沙棘籽原油的吸光度;A2为沙棘籽油脱色后的吸光度。

1.2.4.2 沙棘籽油感官及常规理化指标测定

酸价参照GB 5009.229—2016;过氧化值参照 GB 5009.227—2016;碘值参照 GB/T 5532—2008;水分、挥发物参照 GB 5009.236—2016进行测定。

1.2.4.3 沙棘籽油脂肪酸种类及相对含量测定

甲酯化:参照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的测定》中5.2.2.2酯交换法。

色谱条件:色谱柱为 Agilent DB-23(30 m× 250 μm×0.25 μm);柱流速1 mL/min;升温程序:50 ℃保持4 min,以 10.0 ℃/min升温至 150 ℃,保持 3 min,以 4.0 ℃/min升温至 230 ℃,保持 5 min,进样口加热温度 250 ℃;高纯氦气(He),分流进样,分流比为20∶1。

质谱条件:电子轰击离子源(EI),离子源温度230 ℃,接口温度230 ℃,四极杆温度150 ℃;离子源能量 70 eV,质谱扫描范围 35～600m/z。

定性定量分析:各组分经过NIST标准谱库检索相匹配,再结合有关文献进行人工谱图解析,按面积归一化法计算脂肪酸相对含量。

1.2.4.4 体外抗氧化活性测定

用无水乙醇溶液将脱色沙棘籽油及沙棘籽原油分别稀释为一定浓度,用于DPPH自由基、羟自由基清除能力及还原能力的测定。

DPPH自由基清除率的测定:参考邢丽杰等[12]的方法略有改进,准确吸取样品溶液1.0 mL,加入0.2 mmoL/L DPPH乙醇溶液1.0 mL,摇匀,密封,避光30 min,采用全波长酶标仪,以无水乙醇调零,在波长517 nm处测定吸光值。以平均值绘图,按式(2)计算清除率。

(2)

式中:A0为1.0 mL无水乙醇+1.0 mL DPPH溶液;A1为1.0 mL样品溶液+1.0 mL DPPH溶液;A2为1.0 mL样品溶液+1.0 mL 无水乙醇。

羟自由基清除率的测定:参照赵统超等[13]的方法进行测定。

总还原能力的测定:参考郑满荣等[14]的方法并略有改动。取1.0 mL籽油样品溶液加入2.5 mL 0.2 mol/L的磷酸盐溶液(pH=6.6)和2.5mL 1%铁氰化钾溶液,50 ℃水浴30 min,加入 2.5 mL 10% 三氯乙酸溶液,3 500 r/min 离心 30 min,取上清液2.5 mL,依次加入 2.5 mL 蒸馏水,0.5 mL 0.1% 三氯化铁溶液,静置30 min,在700 nm 处测定吸光度,蒸馏水做空白。以A700平均值绘图。

1.2.5 数据处理方式

各项测定至少重复3 次,实验数据用Excel 2016 软件计算平均值及标准差,利用SPSS 24.0软件进行 Duncan′s 多重差异显著性分析,P<0.05表示差异显著。利用GraphPad Prism 9.0软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 4种脱色剂对沙棘籽油脱色率的影响

脱色剂种类对沙棘籽油脱色率的影响如图1所示,4种脱色剂对沙棘籽油均有一定脱色能力,脱色率由高到低依次为:凹凸棒土(12.99%)>硅藻土(11.46%)>活性炭(6.57%)>活性白土(4.06%)。凹凸棒土的脱色率分别高出活性白土219.87%、活性炭97.77%和硅藻土13.29%,且均呈现显著水平。故选择凹凸棒土为沙棘籽油脱色剂用于后续脱色工艺参数优化及评价研究。

图1 脱色剂种类对沙棘籽油脱色率的影响

油脂吸附脱色效果受吸附剂的孔径、极性和吸附质的尺寸、吸附剂表面基团、吸附质、溶剂的化学特性等多种因素共同作用[15]。研究显示凹凸棒土对沙棘籽油呈现较好的脱色率,与Liu等[6]的研究结果相似。凹凸棒土具有特殊的矿物形态和针状、纤维状或纤维集合状的晶体结构[16, 17],4种脱色剂中凹凸棒土对沙棘籽油的脱色率最高,可能与其孔径及特殊构造等因素有关。

2.2 沙棘籽油脱色参数的优化

2.2.1 凹凸棒土添加量、脱色温度、脱色时间对沙棘籽油脱色率的影响

凹凸棒土添加量、脱色温度和时间对沙棘籽油脱色率的影响如图2所示。随着凹凸棒土添加量增加,脱色率呈单峰型变化。当质量分数为3%时,脱色率达到最大,较质量分数1%、2%、4%、5%分别高出了72.40%、43.13%、177.94%、327.40%,差异均显著(P<0.05)。脱色剂添加量较少时,不能完全吸附油脂中的色素,随着添加量增加,脱色率呈上升趋势,添加量继续增加,脱色剂逐渐聚集,造成脱色率下降[9]。因此,选择3%为凹凸棒土的最适质量分数。

图2 凹凸棒土添加量、脱色温度和时间对沙棘籽油脱色率的影响

随着脱色温度升高,脱色率呈上升趋势。当温度升至60℃时,脱色率趋于稳定,较25、40、50 ℃分别高出285.16%、45.36%、23.55%,差异均显著。温度继续升高至 70 ℃时,脱色率较60 ℃时提高了4.29%,但差异不显著。随着温度升高,脱色剂的活性位点被不断激活[18],脱色剂与油脂体系中分子间的运动加强,籽油脱色率上升[6, 19],当温度继续升高,吸附剂与油脂中的色素逐渐达到最大吸附平衡,脱色率上升不显著[9]。因此,选择60 ℃为最佳脱色温度。

随着脱色时间的延长,脱色率呈上升趋势。脱色时间达到30 min时,脱色率趋于稳定,较10、20 min分别高出77.62%、14.14%,差异均显著;脱色40 min时,脱色率较30 min提高了0.43%,但差异不显著。脱色时间过短时,凹凸棒土对油脂中色素的吸附未能达到饱和状态,随着脱色时间的延长,凹凸棒土与油脂中色素接触越来越充分,脱色率逐渐增加,逐渐到平衡状态,脱色率趋于稳定[20]。因此,选择30 min为最佳脱色时间。

2.2.2 沙棘籽油脱色正交实验结果与分析

沙棘籽油脱色正交实验结果及方差分析分别见表1、表2,极差R值表明影响脱色率的因素顺序为:A>C>B,由k值得到最佳实验组合为A3B2C1,方差分析显示:A因素对脱色率影响显著,B因素和C因素对实验结果影响不显著,结合实验成本、效率及对沙棘籽油中活性成分的综合考虑,实验最佳组合为A3B1C1,即脱色剂质量分数为4%,脱色温度为50 ℃,脱色时间为10 min,经3次重复验证,在此条件下脱色率为(26.93±0.11)%,与表1正交实验的第8组A3B2C1的脱色率(27.12%)无显著差异,说明A3B1C1可以作为最终优化脱色条件。

表2 沙棘籽油脱色正交实验方差分析

凹凸棒土的最佳质量分数为4%,该结果低于凹凸棒土对米糠油[21]、蚕蛹油[22]的脱色添加量,但高于大豆油的脱色添加量[6],导致用量差异的主要原因与油脂的种类密切相关。此外,沙棘籽油的最高脱色率仅为26.93%,该结果与凹凸棒土对米糠油脱色率90%以上[21]差距较大。其主要原因是米糠油的脱色温度达到了110 ℃,沙棘籽油含有大量的活性成分[23],不宜使用过高的脱色温度。

2.3 沙棘籽油脱色前后感官品质及常规理化指标变化

脱色对沙棘籽油感官及常规理化指标的影响见表3,沙棘籽油经脱色处理后,颜色由橙红色脱色至橙黄色,脱色后水分和挥发物质量分数下降了64.28%,表现为籽油的固有气味变淡。其原因可能是脱色过程中系统负压与脱色剂的共同作用下,水分、挥发物和游离脂肪酸被不断抽离及吸附引起。酸价、过氧化值和碘值是衡量油脂氧化酸败的重要指标。脱色沙棘籽油酸价较原油下降了2.92%,过氧化值提高了9.41%,碘值下降了2.36%,这与刘元法等[24]报道的结果不一致,可能是脱色体系在加热及旋转的条件下,一定程度促进了油脂的部分氧化,导致籽油的碘值下降,过氧化值上升。经比较,表3中各指标均符合国际沙棘协会颁布的T/ISAS 003—2021《沙棘籽油》。

表3 脱色对沙棘籽油感官及常规理化指标的影响

2.4 脱色沙棘籽油脂肪酸种类及相对含量分析

沙棘籽油脱色前后脂肪酸总离子流色谱图及脂肪酸组成与相对含量分别如图3、图4所示,沙棘籽油脱色前后均检出7种脂肪酸(图3),脱色后2种必需脂肪酸的质量分数变化显著,亚油酸提高1.3%,α-亚麻酸下降了2.9%(图4),这与吸附剂的吸附作用有关[25],部分油脂会被吸附,造成脂肪酸组成的改变[26],但脱色对籽油多不饱和脂肪酸相对总含量影响不显著。研究检出脂肪酸较T/ISAS 003—2021多一种,为花生酸,其余6种脂肪酸的质量分数均符合T/ISAS 003—2021。

注:1～7分别为棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、α-亚麻酸、花生酸。图3 沙棘籽油脱色前后脂肪酸总离子流色谱图

注:C1为棕榈酸;C2为棕榈油酸;C3为硬脂酸;C4为油酸;C5为亚油酸;C6为α-亚麻酸;C7为花生酸图4 沙棘籽油脱色前后脂肪酸组成与质量分数

2.5 脱色沙棘籽油的抗氧化能力分析

沙棘籽油脱色对DPPH自由基、羟自由基清除率及总还原能力的影响见图5,脱色沙棘籽油对DPPH自由基的清除率随其浓度的增加而增强(图5a),质量浓度为2、4、6 mg/mL时,脱色沙棘籽油相应清除率较原油分别低37.21%、31.61%、13.21%,差异均显著;8 mg/mL时,较原油差异不显著;10 mg/mL时,高出原油5.07%,差异显著。脱色籽油对羟自由基清除率随浓度的增加呈单峰型变化趋势(图5b),质量浓度高于0.6 mg/mL时,清除率略下降。清除率峰值较原油略有后移,质量浓度在0.2～1.0 mg/mL范围内,相应清除率较原油差异不显著。吸光值越大说明样品的总还原能力越强[12],脱色籽油质量浓度为2～10 mg/mL的吸光值A700在1.05～1.08之间,呈轻微的上升趋势(图5c),较原油变化趋势更为平缓,但相应浓度的清除率较原油差异不显著。结果表明,脱色对沙棘籽油清除羟自由基能力和还原能力无显著影响。籽油质量浓度低于8 mg/mL时,脱色处理降低了沙棘籽油对DPPH自由基的清除能力。

注:大写字母不同表示组内不同浓度清除率差异显著;小写字母不同代表组间同浓度清除率差异显著。图5 沙棘籽油脱色对DPPH自由基、羟自由基清除率及总还原能力的影响

自由基清除率和总还原能力是衡量抗氧化能力的重要指标。植物油中不饱和脂肪酸与脂质伴随物,如生育酚[27,28]、植物甾醇和酚类化合物[29]等共同构成内源性抗氧化体系,成分间存在相加、协同及拮抗作用等关系,从而影响油脂的氧化稳定性[30]。本研究显示,籽油质量浓度低于8 mg/mL时,脱色处理降低了沙棘籽油对DPPH自由基的清除能力。这与油茶籽油采用白土活性炭粒复合脱色对DPPH自由基清除能力影响规律[31]类似,凹凸棒土脱色过程中,可能是吸附了酚类化合物,导致 DPPH自由基清除能力的变化。此外,沙棘籽油脱色前后羟自由基清除率和总还原能力差异不显著,可能与籽油中不饱和脂肪酸的含量变化不显著相关[30]。

3 结论

沙棘籽油最佳脱色剂为凹凸棒土,在单因素基础上通过正交优化实验得到最佳脱色参数为:凹凸棒土质量分数4%,脱色温度50 ℃,脱色时间10 min,在此条件下脱色率可达26.93%。脱色处理未改变籽油中脂肪酸的种类及多不饱和脂肪酸的相对含量,脱色对羟自由基清除率及总还原能力无显著影响。因此,可以采用凹凸棒土作为沙棘籽油的良好脱色剂进行开发。