上海海洋大学学报  2015, Vol. 24 Issue (2): 293-302   PDF    
响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油的研究
张春华1, 包斌1, 2, 陈山乔1, 沈晶晶1, 潘镜3, 陶宁萍1, 4, 吴文惠1, 2, 4     
1. 上海海洋大学 食品学院, 上海 201306;
2. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心, 上海 201306;
3. 云南海王水产有限公司, 云南 普洱 654800;
4. 上海海洋大学 海洋科学研究院, 上海 201306
摘要:为优化罗非鱼头油的提取工艺,通过单因素试验选择超临界CO2萃取罗非鱼头油的单因素水平,采用响应面法优化超临界CO2萃取罗非鱼头油的工艺条件,分析了罗非鱼头油的品质及脂肪酸组成。结果表明:超临界CO2技术萃取罗非鱼头油的最优工艺条件是压力36 MPa、温度41℃和时间3.1 h,超临界CO2流体技术优于蒸煮法、碱水解法和酶解法;罗非鱼头油的最大提取率是79.5%,其碘值、过氧化值和酸值分别是(5.36±0.15) mg/kg、(4.27±0.33) mmol/kg、(139.0±8.9) g/100g;罗非鱼头油的饱和脂肪酸(saturated fatty acid, SFA)、单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid, MUFA)和多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)的含量分别是27.85%, 41.74% 和 30.41%,罗非鱼头油丰富的脂肪酸构成暗示着其优良的营养价值和功能性。
研究亮点: 从低碳环保新技术和水产品加工综合利用的视角进行罗非鱼头的高值化研究;采用食品工程新技术-超临界CO2萃取技术提取罗非鱼头油;发现超临界CO2萃取技术提取的罗非鱼头油的优良品质特性;发现罗非鱼头油种类丰富的MUFA和PUFA。
关键词罗非鱼头油    超临界CO2萃取    响应面    鱼油品质    脂肪酸组成    

鱼油作为动物脂肪,能为人类提供丰富的脂肪酸,营养价值高。鱼油与陆生动植物脂肪最大的区别是含有五烯酸和六烯酸。此外鱼油还可以预防心脑血管疾病,抑制炎症[1, 2],增强免疫力等,具有很好的药用价值。鱼油的传统提取方式主要有蒸煮法、碱水解法、酶解法等[3],但是这些方法存在破坏鱼油品质、提取不彻底的问题。而超临界CO2萃取技术因具有提取率高、鱼油品质好、环保等优点[4, 5],近年来已经被广泛应用于食品、药品、香料、化工等领域[6]。目前罗非鱼的加工产品主要有冻鱼片和冻全鱼[7],但是在罗非鱼的加工过程中,会产生大量的副产物,主要包括头、尾、骨、 皮、 鳞、 内脏等,约占原料鱼的40%~55%[8],这些副产物并未被充分利用,若不进行有效处理,不仅会造成资源的大量浪费,而且会污染环境。有研究表明这些副产物中约含有20%的脂肪[9],这对研究鱼油具有很大的价值。目前对罗非鱼副产物的研究多集中在内脏、鱼皮等的研究,如吉宏武等[10]研究了罗非鱼下脚料鱼油提取精炼工艺和脂肪酸工艺,但是对鱼头的研究较少。

本文以罗非鱼头为原料,采用超临界CO2萃取法提取罗非鱼头油,利用响应面法优化鱼油的提取工艺,通过回归模型对提取工艺进行预测,获得最优工艺条件,并对提取后的罗非鱼头油进行品质测定和脂肪酸组成分析,为罗非鱼头的综合利用及以后的科学研究提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料与试剂

罗非鱼头(云南新海丰水产有限公司);CO2(食品级,纯度大于99.9%)购自上海利旦工业气体有限公司;十九烷酸甲酯购于上海安谱实验科技股份有限公司;其他化学试剂均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器

主要仪器:Speed SFE-2超临界萃取仪(美国Applied Separations公司);电子天平(北京赛多利斯仪器系统);高速组织捣碎机(海标本模型厂);水浴锅(上海新苗医疗器械制造有限公司);台式高速冷冻离心机(上海天美科学仪器有限公司);电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司);7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)(美国安捷伦公司)。

1.3 实验方法 1.3.1 原料预处理

冷冻的罗非鱼头解冻后,组织捣碎机捣碎,分装于密封袋中,-18 ℃冷冻贮藏备用。

1.3.2 鱼油的超临界CO2萃取

称取30 g样品,均匀填置于50 mL萃取釜内,密封萃取釜,确认萃取装置阀门都是关闭状态后将萃取釜连接到萃取装置上,设定萃取温度,萃取压力和萃取时间,待温度稳定后,打开CO2贮气罐阀门,验证气密性良好后打开N2贮气罐阀门,打开计量泵,CO2与N2一起经高压计量泵加压至所需的萃取压力,由底部进入萃取釜进行萃取过程,静态萃取15 min后打开出口阀收集萃取物,达到萃取时间后萃取过程结束,收集鱼油。

1.3.3 单因素试验设计

以萃取时间、萃取温度、萃取压力作为影响罗非鱼头油萃取效果的主要因素,以萃取率为考察指标,进行单因素试验[11]

在萃取温度40℃条件下萃取时间3 h,考察15、25、35、45 和55 MPa的萃取压力对罗非鱼头油提取率的影响;在萃取温度为40 ℃,萃取压力35 MPa条件下,考察1、2、3、4 和5 h的萃取时间对罗非鱼头油提取率的影响;萃取时间为3 h,萃取压力为35 MPa条件下,考察35、40、45、50和55 ℃的萃取温度对罗非鱼头油提取率的影响。

1.3.4 响应面试验设计及其验证性试验

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理,综合单因素试验所得结果,确定萃取温度、萃取压力、萃取时间3个因素分别用A、B和C表示,每一个自变量的低、中、高试验水平分别以-1、0、+1进行编码(表1)。以罗非鱼头油提取率为响应值(Y),在单因素试验的基础上,采用3因素3水平的响应面分析方法,对罗非鱼头油的超临界CO2萃取工艺进行优化,其水平编码如下表1,每组试验平行进行3次。

表1 响应面分析因素和水平 Tab.1 The factors and levels of response surface method
1.3.5 罗非鱼头油品质的测定

水分及挥发物含量的测定按照GB/T 5528—2008进行,酸值的测定按照GB/T 5530—2005进行,碘值的测定按照GB/T 5532—2008进行,过氧化值的测定按照GB/T 5538—2005进行。

1.3.6 统计分析

实验数据均做3次平行,并利用Oring 8.6对单因素试验数据进行图像绘制。采用Design-ExpertV8进行中心组合试验设计,并利用此软件进行F检验,考察各因素及交互作用的显著性,置信区间为95%。

1.3.7 脂肪酸分析

称取鱼油,其质量换算后约为0.2 g鱼头质量。加入1.0 mL 1N H2SO4和10 μL 10 mg/mL十九烷酸甲酯。N2吹10 s赶走空气,立即塞好瓶盖于80 ℃水浴,90 min后取出冷却10 min,加入1.5 mL 0.9%的NaCl和200 μL正己烷,涡旋20 s,2 000 r/min离心2 min,取上层用于脂肪酸分析。

色谱柱为DB-5ms(30 m×0.25 mm×0.25 μm),进样量为1 μL,进样温度为270 ℃,无分流,载气为氦气(99.999%),流量为1 mL/min,柱温为70 ℃保持5 min,以25 ℃ /min升至200 ℃,以2 ℃ /min升至280 ℃,接口温度为280 ℃,离子源温度为230 ℃。

2 结果与讨论 2.1 不同萃取压力对罗非鱼头油得率的影响

在萃取温度40 ℃和萃取时间3 h的条件下,考察萃取压力(15、25、35、45 和55 MPa)对罗非鱼头油萃取率的影响(图1)。随着萃取压力的增加,鱼油的萃取率不断增加。当压力小于35 MPa时,随着压力的增加,鱼油的萃取迅速从41.30%升高到82.81%,当压力达到35 MPa后,继续增加压力,鱼油的萃取率在78%~82%的范围内基本不变。

图1 不同萃取压力对鱼油提取率的影响 Fig.1 The effect of different pressure on fish oil extraction rate

在萃取过程中当压力低于35 MPa时,CO2流体的密度随着压力的增加而升高,不断接近罗非鱼头油的密度而发挥CO2的脂溶性,根据相似相溶原理,鱼头油在CO2流体中的溶解度不断增加,从而使萃取率快速升高。当压力达到35 MPa时,继续升高压力,溶解度基本达到饱和状态,罗非鱼鱼头油的溶解量几乎不再增加,萃取率增加变缓,甚至不变[12]。因此,考虑到萃取效率和能耗等问题,选择35 MPa为适宜的萃取压力。

2.2 萃取温度对罗非鱼头油得率的影响

在萃取时间3 h和萃取压力35 MPa的条件下,考察萃取温度(35、40、45、50和55 ℃)对罗非鱼头油萃取率的影响(图2)。在35~55 ℃的温度范围内,随着萃取温度的不断升高,鱼油的萃取率呈现先升高后降低的趋势。当温度达到40 ℃时鱼油的萃取率达到最大值为78.12%,而继续升高温度,鱼油的萃取率不断降低,从78.12%最终降为55.39%。

图2 不同萃取温度对罗非鱼头油提取率的影响 Fig.2 The effect of different temperature on fish oil extraction rate

当温度低于40 ℃时,升高萃取温度使分子间的热运动加剧,使传质效率和扩散系数增加,从而增加CO2流体的溶解度,萃取率升高。而当温度高于40 ℃时,升高温度,使CO2流体的密度降低,使其溶解能力降低,萃取率降低[13]。因此,为了提高鱼油的萃取率,同时又降低能耗,选择40 ℃为适宜的萃取温度。

2.3 萃取时间对罗非鱼头油得率的影响

在萃取温度40 ℃和萃取压力35 MPa的条件下,考察萃取时间(1、2、3、4和5 h)对罗非鱼头油萃取率的影响(图3)。随着萃取时间的不断延长,鱼油的萃取率不断增加。当萃取时间小于3 h时,增加萃取时间,鱼油的萃取率从42.9%迅速升高到78.6%,当时间达到3 h后,继续增加时间,鱼油萃取率的增加减缓。

图3 不同萃取时间对罗非鱼头油提取率的影响 Fig.3 he effect of different time on fish oil extraction rate

当萃取时间小于3 h时,CO2流体对物料浸提不完全,萃取率低,增加萃取时间,CO2流体与物料充分接触,使浸提充分,所以能迅速地提高萃取率。当萃取时间达到3 h后,物料已基本被充分萃取,再增加萃取时间对萃取率影响不大,所以萃取率增加缓慢[14]。因此考虑效率和成本等问题,选择3 h为适宜的萃取时间。

2.4 响应面分析结果

在单因素试验的基础上,利用响应面分析法进行萃取工艺条件的优化,试验方案及结果见表2

表2 响应面试验方法及结果 Tab.2 The test methods and results of response surface method

利用Design Expert 软件对表2试验结果进行回归拟合分析,得到提取率Y对萃取温度A、萃取压力B、萃取时间C的二次多项回归方程为:Y=78.02+1.61×A+5.76×B+2.75×C+0.25×A×B+0.16×A×C+1.55×B×C-6.23×A2-4.26×B2-4.97×C2。回归方程方差分析见表3,可信度分析见表4

表3 回归模型显著性检验及方差分析 Tab.3 The significance test and variance analysis of regression model

表4 回归方程可信度分析 Tab.4 The credibility analysis of regression model

由回归方程系数显著性检验可知: 模型极显著(P<0.01),一次项萃取温度A、萃取压力B、萃取时间C 极显著; 二次项A2、B2、C2极显著; 交互项AB、AC不显著、BC显著(表3)。模拟方程也极显著(P﹤0.000 1),同时失拟项不显著(P=0.573 2),由回归方程可信度分析(表4)可知,建立的模型具有较高的总决定系数(R2=0.9877),同时CV值较低,具有较好的试验稳定性,说明该试验所得到的二次方程能够很好地对试验结果进行预测。由回归方程所作的响应曲面图及其等高线图见图4-6所示。

图4 萃取温度和萃取压力对提取率影响的响应面图和等高线图 Fig.4 The response surface and contour plots of the effect of temperature and pressure on fish oil extraction rate

图5 萃取温度和萃取时间对提取率影响的响应面图和等高线图 Fig.5 The response surface and contour plots of the effect of temperature and time on fish oil extraction rate

图6 萃取压力和萃取时间对提取率影响的响应面图和等高线图 Fig.6 The response surface and contour plots of the effect of pressure and time on fish oil extraction rate

由等高线可知,存在极值的条件在圆心的位置。比较图4-6可知:萃取压力对罗非鱼头油提取率的影响非常显著,表现为曲线较陡,等高线(响应值)随其数值变化而迅速变化;萃取时间和萃取温度次之,表现为曲线较平缓,等高线(响应值)随其数值变化较小[15, 16]。回归模型预测的超临界CO2提取罗非鱼头油的最佳工艺条件为萃取温度41 ℃,萃取压力36 MPa,萃取时间3.1 h,此时的鱼油提取率为79.5%。

2.5 实验性验证

为验证该响应面优化方法的真实性,采用上述响应面优化的最佳提取条件(萃取压力为36 MPa,萃取时间为3.1 h,萃取温度为41 ℃)用超临界CO2法对罗非鱼头油进行提取,重复提取3次,鱼油提取率平均值为78.34%,与预测值的相对误差为1.16%,因此采用响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油的工艺条件参数准确可靠,具有实用价值。

2.6 罗非鱼头油品质的测定

对超临界CO2萃取的罗非鱼头油进行感官评定及理化指标测定,并与蒸煮法[17]、碱水解法[1, 11]和酶解法[18]提取的鱼油进行比较(表5)。与蒸煮法、碱水解法和酶解法相比,超临界CO2萃取法的鱼油提取率最高,为78.34%,蒸煮法的提取率最低,为59.43%。且经超临界CO2萃取得到的鱼油具有良好的色泽,鱼腥味淡,无酸败味,水分含量0.28%,酸值为5.36 mg/kg,过氧化值为4.27 mmol/kg,碘值为139 g/100 g,符合国家一级标准,而经蒸煮法和碱水解法提取的鱼油只有酸值和过氧化值达到二级标准,酶解法制得鱼油除其碘值为125.87 g/100 g达到国家一级标准外,其他理化指标仅能达到二级标准,且这3种方法得到的鱼油均有明显鱼腥味和酸败味(表5)。

表5 不同提取方法的鱼油感官评定及理化指标 Tab.5 The sensory evaluation and physicochemical indexes of fish oil by different extraction methods

相较蒸煮法、碱水解法和酶解法,超临界CO2萃取是在低温高压无氧的条件下完成,且不引入有机试剂,无试剂残留,不会对鱼油产生破坏,更不会使其氧化加快,能最大限度地保持其成分及生理活性[19, 20]。超临界CO2流体萃取是在低温、高压、无氧的环境中进行,能最大限度地维持鱼油原有的成分,避免一些鱼油成分的损失,因此经超临界CO2流体萃取的鱼油比蒸煮法、酶解法和碱水解法提取的鱼油有更低的饱和脂肪酸比例和更高的不饱和脂肪酸比例,这与吉宏武和丁月用超临界CO2流体萃取鱼内脏鱼油的成分分析结果是一致的[11, 12]

2.7 罗非鱼头脂肪酸组成分析

分别对响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油的最优处理(36 MPa,41℃,3.1 h)与蒸煮法、碱水解法和酶解法提取的罗非鱼头油进行脂肪酸组成分析并进行比较(表6)。

表6 不同提取方法的鱼油脂肪酸组成 Tab.6 The fatty acid composition of fish oil by different extraction methods

超临界CO2萃取的罗非鱼头油的脂肪酸构成分析表明MUFA、PUFA 和SFA的含量分别是41.74%,30.41%和27.85%,不饱和脂肪酸含量高达72.15%。与超临界CO2萃取的罗非鱼头油相比,蒸煮法、碱水解法和酶解法提取的罗非鱼头油不饱和脂肪酸含量则分别为67.64%、67.65%和69.27%。

超临界CO2萃取的罗非鱼头油单不饱和脂肪酸以C18∶1、C16∶1和C20∶1为主,多不饱和脂肪酸以C18∶2、C20∶3、C20∶2、C20∶4、C20∶5、C18∶3、C22∶5和C22∶6为主。蒸煮法、碱水解法和酶解法提取的罗非鱼头油的EPA(C20∶5)和DHA(C22∶6)分别为脂肪酸总量的0.37%~0.42%和1.13%~1.25%,超临界CO2萃取的罗非鱼头油EPA和DHA分别为脂肪酸总量的0.45%和1.32%。

响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油,获得最高罗非鱼头油提取率的同时也具有优良的脂肪酸组成比例(表5)。

3 结论

超临界CO2萃取罗非鱼头油的最优条件为萃取压力36 MPa,萃取时间3.1 h,萃取温度41 ℃,与甲鱼鱼油萃取条件20 MPa、45 ℃和6 h相比,具有优良的萃取效率[21],与王静等[22]萃取蚕蛹油脂的研究结论是相似的。改变超临界CO2的萃取条件,如萃取压力、萃取温度和萃取时间,罗非鱼头油的提取率变化幅度能达到19.15%,其中萃取压力的影响最大,这与浸提组织具有良好的浸出结构以及超临界CO2的溶解性能密切相关[12]

超临界CO2萃取的其他条件被限定,增大压力,超临界CO2流体的密度也相应增加,使其溶解罗非鱼头油的能力增大的同时,罗非鱼头组织被压缩,流油毛细通路变细,势必带来萃取时间延长和能耗增加。研究也发现单因素试验最高萃取压力条件具有最高的罗非鱼头油提取率,而响应面试验中,最高的萃取压力并没有显示最高的提取率。超临界CO2的萃取温度恰当时,CO2流体的分子间距和罗非鱼头油的分子扩散相适应[23],萃取温度为40 ℃是两者相适应的最佳温度,因为单因素试验和响应面试验都具有最大的罗非鱼头油提取率。超临界CO2萃取压力和萃取温度一定时,罗非鱼头油在罗非鱼头组织和CO2流体间的传质速率逐渐升高直至平衡,该时间是3.1 h,和刑立民的结论相类似[23]

响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油的提取率达到79.5%,不饱和脂肪酸含量为72.15%,单不饱和脂肪酸中以C18∶1、C16∶1和C20∶1为主,多不饱和脂肪酸以C18∶2、C20∶3、C20∶2、C20∶4、C20∶5、C18∶3、C22∶5和C22∶6为主,与罗非鱼内脏鱼油相比具有种类更多的脂肪酸组成及其优良比例[18],与蒸煮法、碱水解法和酶解法的罗非鱼头油相比具有优良的品质指标特征和更丰富的脂肪酸构成特征。响应面优化超临界CO2萃取罗非鱼头油获得最高提取率的同时也能得到优良脂肪酸构成及比例的鱼油。

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Optimization for supercritical CO2 extraction of tilapia fish head oil by response surface method
ZHANG Chunhua1, BAO Bin1, 2, CHEN Shanqiao1, SHEN Jingjing1, PAN Jing3, TAO Ningping1, 4, WU Wenhui1, 2, 4     
1. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Shanghai Aquatic Products Processing and Preservation Technology Research Center, Shanghai 201306, China;
3. Yunnan Haiwang Aquaculture Technology Group, Yunnan Puer 654800;
4. Marine Science Institute, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
Abstract: To optimize the extraction process, the tilapia fish head oil was extracted by supercritical CO2 extraction (SC-CO2) from tilapia fish head. The signal factors were chosen by single-factor experiments and the optimal extraction conditions of tilapia fish oil by SC-CO2 were optimized by response surface method. Then the quality and fatty acid composition of tilapia fish head oil were analyzed. The results showed that the optimum conditions were extraction pressure 36 MPa, extraction temperature 41℃ and extraction time 3.1 h, which was better than cooking method, alkali hydrolysis method and enzymatic method. The extraction rate under the optimal extraction condition by SC-CO2 was 79.5%, and the iodine value, POV and acid value were 5.36±0.15 mg/kg, 4.27±0.33 mmol/kg and 139.0±8.9 g/100g respectively. The contents of saturated fatty acid (SFA), monounsaturated fatty acid (MUFA) and polyunsaturated fatty acid (PUFA) were 27.85%, 41.74% and 30.41% respectively. The tilapia fish head oil was rich in fatty acid composition, which indicated excellent nutritional value and functionality.
Key words: tilapia fish head oil    supercritical CO2 extraction    response surface method    quality    fatty acid composition