燕麦油的开发与利用.doc

第一章 绪论1.1 引言燕麦，学名为Avena sativa L，一般分为带稃型皮燕麦和裸粒型裸燕麦两大类1。裸燕麦在我国别名很多，如莜麦、玉麦、燕麦和铃铛麦等。燕麦是一种重要粮食和饲料作物，是世界性栽培作物，主要集中产区在北半球温带地区，主产国有俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚、德国、芬兰及中国等。我国燕麦主产区为内蒙古、河北、吉林、山西、陕西、青海和甘肃等地，云、贵、川、藏也有小面积种植，其中以内蒙古种植面积最大，约占全国总面积35% 以上2。在世界八大粮食作物总产量排名中，燕麦居第五位3。燕麦是世界上一种重要的农作物,传统上主要作动物饲料用。目前，食用燕麦在营养价值上主要是作为膳食纤维源，具有降低胆固醇功能，而且其蛋白质平衡4。燕麦不属于油料作物,但在与玉米、小麦、大米等谷类比较中，它的脂肪含量极为突出，平均值为6.3% ,居谷物之首，远远高于小麦(1.3%)、粳米（0.7%）以及小米（1.7%）的含量5。因此，燕麦油脂的加工已成为燕麦深加工的一个重要组成部分。 1.2 燕麦油的组成及营养成分燕麦脂肪的含量约为310%，90% 的燕麦脂肪含量超过了5%，主要分布在胚乳中。燕麦中脂肪的含量主要取决于其遗传性状、环境因素及测定方法。燕麦油脂中的成分主要分为甘油三酯、游离脂肪酸、磷脂、糖脂和甾醇酯等几类6。（表1.1）。表1.1 燕麦脂肪的主要组成成分（%）三甘油酯游离脂肪酸磷脂糖脂甾醇酯极性结合脂质来源72.910.117美国64.285.02.87.26.617.26.911.20.10.6加拿大(9个品种)32.450.62.011.07.112.110.911.91428加拿大(9个品种)43.156.4784.010.5211.626105.89.692.1420.234.2美国（2个品种）芬兰787934芬兰燕麦脂肪酸为优质脂肪酸，主要脂肪酸为棕榈酸、油酸和亚油酸，占总脂肪酸含量95%以上。脂肪酸中棕榈酸含量为1326%，硬脂酸为13，油酸为2247，亚油酸为2552%，亚麻酸为13。此外，燕麦油中还含有月桂酸、棕榈油酸、花生四烯酸、二十碳不饱和脂肪酸及痕量的木蜡酸和神经酸7。燕麦油中不饱和脂肪酸含量约为80%，主要为油酸和亚油酸。油酸为单不饱和脂肪酸，较多不饱和脂肪酸有更高的氧化稳定性，具有降血糖、调节血脂、降低胆固醇等作用，可有效防止动脉硬化8。亚油酸为多不饱和脂肪酸，可以改善脂类代谢，降低血浆中胆固醇和甘油三酯的浓度；可以调控基因表达和脂肪细胞的分化；作为细胞膜磷脂的重要成分，具有维持细胞膜的功能，还能增强人体免疫力，保证动物机体健康；此外，还能对血液产生影响，具有降低心血管病、炎症、 肿瘤的发生率等功能9。经常食用燕麦油, 可预防心脏病、癌症、降血压、防止动脉硬化等。燕麦油中还含有多酚、甾醇、内源性的维生素E前体等多种抗氧化物质，这些抗氧化物质可以在体外表达，有些也可以在体内表达。它们不仅可以抑制燕麦油的氧化酸败，延长燕麦油的储存稳定性10，还可以清除自由基，抗氧化，延缓衰老等功效。燕麦油中的卵磷脂具有预防脂肪肝、保护心脏、促进大脑发育、提高记忆力、消除青春痘、预防老年痴呆症等功能。可见，燕麦油具有较高的营养价值。1.3 燕麦油的应用燕麦油中含有较多的糖脂组分，这些组分可作为食品添加剂、化妆品和药物运载体。研究表明，分提的燕麦油脂产品中含有大量的糖脂，在40份棕榈油，58份水，和2份燕麦油组成的体系中，糖脂同分提棕榈油混合时具有极好地乳化性。当这种乳化剂（6.25%）同低脂酸奶酪混合时能明显增强食品的安全性4。燕麦精制油可作为化妆品和面部保养剂和乳化剂。传统溶剂法得到的燕麦粗有中含有约81% 的不饱和脂肪酸，1% 的不皂化物和8% 的游离脂肪酸。燕麦粗油经特殊的精炼工艺可以的到品质较好的燕麦精制油，可广泛应用于化妆品中11。燕麦脂质中的半乳糖脂二半乳糖基二酰甘油(DGDG)是燕麦极性脂质组分中主要成分,DGDG可产生局部乳化油，DGDG具有增强保湿作用，加拿大某公司用超临界浸出制备燕麦油的商业产品，用于面部保护剂工业。燕麦油天然抗氧化性在保持这些产品的稳定性中起着非常重要的作用12。如果经济条件允许，燕麦油可作为食用油。它具有良好的脂肪酸组成，较好的稳定性和温和的气味。当高油型燕麦作物大量种植时，从燕麦中制取和加工油脂的成本将降低。在发展燕麦产品（脱脂燕麦粉及其组分）市场中，制取燕麦油是必须的，将来燕麦油脂有可能取代传统油脂用于食品。1.4燕麦油脂的提取方法1.4.1植物油脂的提取方法 植物油脂提取方法有机械压榨法，浸出法、水代法、索氏抽提法、超临界二氧化碳提取等方法。（1）机械压榨法机械压榨法是利用机械外力的挤压作用，将油料中油脂提取出来的方法，也称压榨法制油13。压榨法制油是一种古老而实用的制油技术。早在5000年以前，古代劳动人民已经懂得用挤压籽仁的方法获得油脂。用于压榨法制油的机械主要有液压榨油机和螺旋榨油机两种。液压榨油机虽然具有结构简单、动力消耗小等优点，但由于存在着饼残油率较高、生产能力小、间歇性生产，以及压榨周期长、操作麻烦、劳动强度大等缺陷，已逐渐被连续式螺旋压榨机所取代。目前液压式榨油机主要用于偏远的山村，以及电力比较缺乏的地区，但对于一些特殊的油料而言，如油棕果、油橄榄、可可仁等，液压式榨油机也有着其他榨油机不可替代的优势14。机械法虽然是一种古老的制油方法，其制油过程存在着根本的缺点，即出油率低，饼中残油率高，油和饼的损耗大，而且油饼的利用受到高温热处理影响食用品质的限制，生产过程相对动力消耗较大，但它工艺简单灵活、适应性强， 因而此法依然广泛应用于小批量、多品种或特种油料的加工，尤其对于高油分油料之预榨一浸出工艺，有着广阔的应用前景。此外，压榨油风味独到，无溶剂残留，是深受消费者青睐之绿色食品。一旦热处理技术改善后的压榨工艺和高效大型设备投入工业化生产，机械法制油必定会有其强大的生命力和市场份额例。（2）浸出法 浸出法是一种较先进的制油方法，它是应用固液萃取的原理，选用某种能够溶解油脂的有机溶剂，经过对油料的接触（浸泡或喷淋），使油料中油脂被萃取出来的一种方法，多采用预榨饼后再浸提。 在我国，采用直接浸出或预压榨浸出工艺的植物油脂每年超过800万吨，这些油几乎全部使用的是6号溶剂油，其主要成分为六碳的烷烃和环烷烃，沸点在6090（发达国家用的工业己烷，沸点在66.268.1）。由于6号溶剂油是从石油中提炼的的产品，而今石油能源短缺，市场价格居高不下，而且剩余的高沸点溶剂对饼粕食用卫生安全质量有影响，因此人们不得不考虑开发替代溶剂。目前国内已经有人开始丙烷、丁烷等作为溶剂提取小麦胚芽油的研究，这种方法适合一些特种油脂的分离提取，油脂中有效成分不被破坏，所得的蛋白粕可以用于深加工，有很好的发展前景。还有进行油料生胚挤压膨化后直接进行浸出制油的研究，生坯挤压膨化后，多孔性增加，酶类被钝化，溶剂对料层的渗透比和排泄性都大为改善，浸出速率提高，混合油浓度增大，浸出毛油品质提高，出油率大大提高。国外生胚膨化浸出工艺已广泛应用，我国对这一技术的研究和应用也有了较大的进展。 浸出法具有出油率高，粕中残油率低，劳动强度低，生产效率高，粕中蛋白质变性程度小，质量较好，容易实现大规模生产和生产自动化等优点。其缺点为浸提出来的毛油含非油物质较多，色泽较深，质量较差，且浸出所用溶剂易燃易爆，而且具有一定毒性，生产的安全性差以及会造成油脂中溶剂的残留。 （3） 水代法水代法就是把热水(90以上，用量1：22.5)加到磨成浆状的料浆中，使蛋白质微粒吸水膨胀，并借助两者的密度差，采用震荡方式进行油脂分离的方法，即所谓“水代油法”。该方法是利用油料中非油成分和水的亲和力不同，从而将油脂和亲水性的蛋白质、碳水化合物等分离。水代法适用于高含油物料，如花生、杏仁、芝麻、核桃等等，典型产品为小磨香油，其历史悠久15。张鑫等人16通过对浓香花生小磨油工艺的研究，生产出了既可烹饪又可凉拌菜肴的高档花生小磨香油，利用气质联用对其香味成分进行了分析，发现其与普通花生油和芝麻小磨香油的香味成分有着相当的差别，可以作为鉴别浓香花生小磨香油参考。郭炎强17对水代法生产葵花籽香油进行了研究，以葵花籽为原料，采用葵花籽磨酱加工设备。用水代法生产葵花籽的香油产品不饱和脂肪酸含量高、品质优良，可供凉拌菜肴和烹饪。水代法优点在于安全可靠，工艺简单，易于操作，油脂制品风味保持良好，但是水代法出油率较低、分离较困难，并且其操作方式一直停留在间歇式手工操作或半机械化之落后状态，没有实现生产连续化、规模化18。（4）索氏抽提法索氏提取法测定脂肪含量是普遍采用的经典方法，是国标的方法之一，也是美国AOAC(Association of Official Analytical Chemists，政府农业化学家协会)中920.39、960.391脂肪含量的测定方法(半连续溶剂萃取法)。随着科学技术的发展，该法也在不断地改进和完善，如目前已有改进的直滴式抽提法和脂肪自动测定仪法19。索氏提取法适用于脂类含量高、结合态的脂类含量较少、能烘干磨细、不易吸湿结块的样品的测定。食品中的游离脂肪酸一般都能直接被乙醚、石油醚、正己烷等有机溶剂抽提，而结合态的脂肪不能直接被乙醚、石油醚提取，需要在一定的条件下进行水解处理，使之转变为游离脂肪酸后方能提取，故索氏提取法测得的只是游离态脂肪酸，而结合态脂肪测不出来。此法提取的脂溶性物质为脂肪类物质的混合物，除含有游离态脂肪酸外还含有磷脂、色素、树脂、固醇、芳香油等醚溶性物质。因此，用索氏提取法测得的脂肪也称为粗脂肪19。此法是经典方法，对大多数样品结果比较可靠，但费时间，溶剂用量大，且需专门的索氏抽提器。（5）超临界二氧化碳萃取法 超临界流体(SCF)是指处于超过物质本身的临界温度和临界压力状态时流体，物质的临界状态是指其气态和液态共存的一种边缘状态，在此状态中，液态的密度与其饱和蒸汽的密度相同，因而界面消失20。超临界流体密度接近于液体，黏度和扩散系数接近于气体，具有良好的溶解性能和传递特性，且在临界点附近，流体的这种特性受压力和温度变化的影响更为显著。因此，人们可利用控制压力、温度的变化来实现摹取和分离的过程。超临界流体萃取技术(SCFE或SFE)正是利用了超临界流体这一特性。目前，超临界流体萃取技术作为一种新型的分离技术，已被人们所公认，并且迅速渗透到化学工程、生物工程、食品工程、材料工程、精细化工和环境保护等领域。实验和工业中常采用C02作超临界流体萃取的溶剂，即超临界二氧化碳萃取法(SFECO2)。由于C02作溶剂时，溶剂来源丰富、使用安全、萃取选择性好、产品油和粕的质量有保证。1.4.2燕麦油提取的研究现状 燕麦油的提取目前主要为溶剂提取和超临界二氧化碳提取，此外，还有索氏抽提等方法。任清等人21用石油醚浸提法提取燕麦麸皮中的燕麦油，研究了料液比、浸提温度、浸提时间对燕麦油提取的影响，并进行正交试验，优化提取工艺，得到了燕麦油最佳的提取参数。 申伟浩等人22对燕麦油的超临界CO2萃取条件进行了研究，分析了不同萃取温度，萃取压力，夹带剂对萃取率的影响。通过正交设计对萃取条件进行了优化，得到了最佳的工艺条件。何文兵等23用超临界CO2流体萃取技术从燕麦麸皮中萃取燕麦麸油，研究燕麦油的提取工艺，确定了燕麦油的最佳工艺条件。屠兰英等人24采用超临界 CO2 流体萃取技术从高原加拿大燕麦麸皮中萃取燕麦麸油，研究萃取压力 温度 时间对麸油提取率的影响，通过正交试验确定了萃取燕麦麸油的最佳工艺条。李林，张大顺25研究了SCF-CO2、添加夹带剂的SCF-CO2、正己烷、甲醇4 种不同的方法萃取燕麦油对燕麦油脂肪酸组成及清除DPPH自由基的活性，表明超临界CO2 萃取的燕麦油营养价值比较均衡，超临界CO2尤其是添加了乙醇为夹带剂的超临界CO2萃取的燕麦油具有较强的清除自由基活性。魏决等人10采用索氏抽提法研究了乙醚、丙酮、丙酮无水乙醇、正己烷四种不同的溶剂对燕麦进行萃取，表明，丙酮、丙酮无水乙醇两种溶剂浸提燕麦油脂提取率较高。1.5 燕麦油抗氧化活性的研究抗氧化剂是一类能有效阻止或延缓自动氧化的物质，具有清除自由基，预防衰老、癌症和心血管疾病等作用。食品中广泛应用的合成抗氧化剂如丁基羟基甲苯(butylated hydroxytoluene，BHT)、叔丁对甲氧酚制剂(butylated hydroxyanisole，BHA)、特丁基对苯二酚(tertiary butyl hydroquinone，TBHQ) 等由于具有潜在毒性和致癌作用受到人们的排斥26，因此对天然抗氧化剂的开发和研究已成为生物学、医学和食品科学研究的热点。天然抗氧化剂是指从天然物体中提取的具有抗氧化性的物质，用于防油脂尤其是富脂食品的氧化酸败，以及由氧化剂所导致的褪色、褐变、维生素破坏等。天然抗氧化剂由于安全、无毒等优点广受欢迎。目前，天然抗氧化剂已从单纯作用于油脂和含油食品，发展到作为体内氧自由基的清除剂，以达到保护人体细胞组织、保护心脑血管循环系统、抗癌及延缓衰老等生理作用，现已取得了许多研究成果。在日常的饮食中，如果每天每样食物都均衡摄取，再合理摄食一些具有抗氧化功能的食品不但可维持抗氧化剂在体内的正常运转达到防止细胞脂质氧化的功能，而且可消除摄食过量在体内聚积的危险。具有抗氧化功能的食品种类很多，其中植物类型包括大豆、花生、棉籽、芥菜、油菜籽、大米、芝麻籽、可可壳、燕麦、茶叶、橄榄、大蒜、苹果皮、甘草、芥末、豆蔻花、玫瑰壳等。其抗氧化成分主要有：-生育酚、抗坏血酸、-萝卜素、类胡萝卜素、番茄红素以及类黄酮、花青素、绿原酸等多酚类物质。1.5.1 抗氧化性检测方法抗氧化活性的检测模式主要有: (1) 测量底物(标记底物)或产物的量的变化; (2) 测量氧化反应的速率; (3) 测量特征自由基变化的速度或程度;(4) 测量被测物的抑制率, IC50和 TEC50; (5) 测量被测物产生与标准抗氧化剂同等作用的浓度27。目前常用的抗氧化活性检测方法主要基于以下机理: (1)在特定条件下, 样品对检测体系中脂类物质的氧化抑制能力反映被测物的抗氧化活性; (2)在特定条件下,样品对检测体系中自由基的清除能力反映被测物的抗氧化活性; (3)在特定条件下,测定样品的还原能力反映被测物的抗氧化活性。抗氧化活性检测方法主要有自由基清除能力的检测方法、脂质体系抗氧化能力的检测方法、抗氧化剂还原能力的检测方法等方法。（1）自由基清除能力的检测方法自由基的清除是抗氧化剂发挥抗氧化作用的主要机制。自由基的清除能力是通过检测在简化的无脂体系中潜在的抗氧化剂提供的氢或者电子向自由基迁移的能力。稳定的色原体自由基 (如DPPH)在有机体系中已被广泛用于抗氧化活性的检测。这些方法可能在筛选抗氧化剂方面是有用的。但是对于生物体系而言, 这些稳定的自由基同不稳定的自由基相比而言是外来的, 如在氧化过程中中间反应产生的羟基自由基和过氧化自由基 28。常用来作为色原体的自由基有ABTS自由基、DPPH自由基、羟基自由基、超氧阴离子自由基的、氧自由基等。（2）脂质体系抗氧化能力的检测方法 脂质过氧化( lipid peroxidation,简称 LPO) 是指脂类( LH ) 的多不饱和脂肪酸( PUFA ) 在自由基的引发下经酶促或非酶促作用,使其发生过氧化而生成脂质过氧化物的过程。脂质的过氧化过程与生物体正常结构的紊乱和膜功能损伤有关。脂质的氧化也称脂质的过氧化, 主要有 3种类型: 自由基氧化,酶氧化和非自由基非酶促氧化。最重要的氧化反应是由自由基引发的链式反应,也称自动氧化,其典型途径包括链的引发、 增长和终止。脂质体系抗氧化能力检测中常用的被氧化底物体系主要有:油脂或富含油脂的食物,油酸、甲基油酸, 低密度脂蛋白 ( LDL ) 和高密度脂蛋白HDL) 29 -31; 检测体系主要有: 有机溶剂或 (水)束和反胶束体系、 乳化体系, 脂质体和微粒体。脂体系抗氧化能力的检测方法主要分为两类: 脂质化初期产物的检测: 过氧化值法 ( POV ) , 共轭二氢过氧化物法和硫氰酸铁法 ( FTC ); 脂质氧化终物的检测: 硫代巴比妥酸法( TBARS)、 顶空气相谱法,茴香胺值法和羰基值法。每种方法都各有有优缺点,实际检测时应综合考虑.但是脂质体系抗氧化能力检测方法的还存在一定的不足,主要包括: ( 1)抗氧化剂在水相和油相间的分配效应; ( 2)被氧化底物的性质和组成 (如脂质不饱和程度,脂肪的物理化学状态等 ); ( 3)诱导氧化反应的方式 (如升高温度、 各种催化剂或自由基引发剂的的添加,增大氧压以及搅拌等)。（3）抗氧化剂还原能力的检测方法()铁离子还原能力 ( FRAP)FRAP的原理是基于氧化还原反应的比色法。在酸性条件下, Fe3+-TPTA ( Fe3+-三吡啶三嗪 )被抗氧化剂还原成 Fe2+TPTZF,溶液变成深蓝色, 并且在 593 nm处有强吸收。FRAP法具有快速、 简便、重复性好等优点。该法不仅用于检测食物及饮料的抗氧化活性, 也可用于检测纯天然抗氧化剂的活性32。（）循环伏安法循环伏安法( cyclic voltammetry , CV ) 主要用于测定分子之间发生的电子转移。近来 Kohen等人用CV 法评价生物体液或组织匀浆液中低分子量抗氧化剂的总还原能力。CV 法测得的是复杂混合物总的抗氧化能力,不能测定复杂混合物中的单一抗氧化剂。CV 法不可逆, 敏感度较低, 但是结果可靠,重复性好,适于比较研究 33。1.5.2 燕麦油抗氧化活性研究现状 目前，燕麦油的抗氧化研究主要在清除DPPH自由基和对油脂氧化体系的抑制。 李林，张大顺【25】用DPPH 自由基SCF-CO2 萃取的燕麦油，能有效清除DPPH 自由基， 魏决1。郭玉蓉2。金小培【10】 将燕麦油加到猪油中，研究燕麦油对猪油氧化的抑制能力，表明燕麦油能有效抑制猪油的氧化。何文兵等【34】对燕麦麸油的抗氧化作用进行了研究, 测定了其对DPPH 自由基、羟基自由基的清除作用、还原能力以及对猪油的抗氧化能力。结果表明, 燕麦麸油对自由基的清除和猪油的抗氧化能力较强, 且随加入量的增加清除能力和抗氧化能力增强, 因此, 燕麦麸油是开发抗氧化剂良好的原料。魏决等人【35】 将索氏法抽提的燕麦麸油加入香肠中，研究其对香肠抗氧化作用的影响，实验结果表明燕麦麸油能有效防止的香肠的氧化酸败。1.5 本课题研究的目的及意义燕麦是营养全价的农作物，在全球范围内尽管燕麦与小麦和稻米相比所占的消费量较低，然而其医疗价值和保健作用，已被古今中外医学界所公认。现代医学经过大量的临床研究观察，证实了经常食用燕麦能有效预防心血管疾病。虽然燕麦具有较高的营养价值，但目前燕麦深加工产业还不够成熟，而燕麦油的深加工作为其中重要的一部分更是发展薄弱。对燕麦油提取工艺及功能特的研究是燕麦油脂资源深入开发利用的关键。近年来，开发新的特种油脂及油脂资源已成为油脂科研工作者的研究热点。燕麦中油脂含量较高，且燕麦油具有较好的脂肪酸组成，并且含有多种活性物质，在医药、食品、日用化工等方面有很高的经济价值。燕麦油由于含有各种多酚类、维生素E、甾醇、- 羟基脂肪酸等具有抗氧化作用的物质，作为天然抗氧化食品的来源越来越受到国内外的重视。 燕麦油在国内外的应用还刚刚处于起步阶段，尤其是国内，其研究和应用远不如稻米油、玉米油及小麦胚芽油等。由于燕麦油具有充足的来源和极为良好的营养功能，能配合满足食品多种功能的需要，为食品加工领域提供了功能多、营养好基础原料，在食品和其它相关领域的应用正逐渐受到人们的重视和青睐，不过由于燕麦油制取及精制上的某些局限性，燕麦油的应用由此受到了极大的限制。因此，本课题寻找合适有效的方法改善燕麦蛋白的溶解性、乳化性和起泡性等理化特性，期望燕麦蛋白的这些特性能更好的匹配相关应用食品的要求，从而拓宽其应用范围。 本课题以“十一五”国家科技支撑计划项目功能型燕麦新品种选育与新型健康食品开发及产业化示范（2006BAD02B05）为依托，旨在研究燕麦油的提取工艺及抗氧化活性。研究制取燕麦油的最佳工艺参数，分析了其理化特性及成分，评价了其抗氧化活性，并且研究了燕麦油在食品中的应用，为燕麦的深加工提供一定的理论基础，实现燕麦的综合加工利用，为提高燕麦生产的附加值、农业增收、农业增效服务。1.6 本课题主要研究内容1.6.1燕麦油提取工艺的优化以燕麦为原料，采用溶剂浸提法提取燕麦油。综合考虑提取温度、浸提时间、浸提次数各因素对燕麦油提取率及燕麦粕残油率的影响，确定各因素的最佳范围。在单因素试验基础上，选取各为自变量，燕麦粕的残油率为响应值，利用响应曲面法的中心组合设计对燕麦油的提取工艺进行优化，得到燕麦油的最佳提取工艺。1.6.2燕麦油理化性质及成分分析将燕麦粗油经脱胶、脱酸处理去除油脂中主要的胶质和游离脂肪酸。分析比较了精制前后燕麦油的理化性质（色泽、折射率、比重、密度、透明度、气味、碘值、皂化值、酸值、游离脂肪酸、不皂化物、过氧化值）、脂肪酸的组成、维生素E 含量及粗油中磷脂含量。1.6.3 燕麦油抗氧化活性研究从抑制油脂氧化的能力、清除DPPH自由基能力、清除羟基自由基的能力、清除超氧阴离子自由基的能力、还原能力以及对Fe2+的螯合能力等方面评价燕麦油的抗氧化活性，并比较燕麦粗油（COO）和燕麦精制油（ROO）抗氧化能力的强弱，为开发新型天然抗氧化剂及发展抗氧化、防衰老的新功能食品、药品提供了一定的理论依据。1.6.4 燕麦油在重油蛋糕中的应用研究燕麦油替代部分人造黄油在重油蛋糕中的应用，分析不同替代量的燕麦油对蛋糕的理化参数及质构的影响，确定最佳的替代量，并研究不同温度下最佳替代量的燕麦油蛋糕的保质期。 响应面法优化燕麦油提取工艺蔡红燕 齐玉堂 刘英*（武汉工业学院食品科学与工程学院， 湖北 武汉 430023）摘要：以燕麦为原料，正己烷为溶剂，在单因素试验基础上，选取提取温度、浸提时间、浸提次数为自变量，燕麦粕的残油率为响应值，利用Box-Benhnken 中心组合设计原理和响应面分析法，研究各自变量及其交互作用对残油率的影响，模拟得到二次多项式回归方程的预测模型，确定燕麦油的最佳提取工艺条件为：提取温度为55、每次浸提时间为80min，浸提次数为3次，此时残油率的预测值为0.655%。经验证，其实际残油率为0.654%。关键词：燕麦油；响应面法；残油率；工艺Response Surface Methodology for Optimization of Oat Oil Extraction TechnologyCAI Hongyan QI YutangLIU Ying（College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, Hubei ）ABSTRACT：In order to optimize oat oil extraction conditions,oat was extracted with n-hexane . three extraction parameters including extraction temperature , length of extraction time and extraction times wereoptimized using central composite design and response surface methodology based on single factor investigations for achieving minimum residual oil rate of oat meal. A mathematical quadratic polynomial regression equation reflecting the relationship between residual oil rate and the above extraction parameters was set up.The optimal extraction technology parameters were found as follows: extraction temperature 55; length of extraction time 80min; and extraction times 3 times .Under the optimized conditions, the residual oil rate was 0.654%, close to the predicted value of 0.655% .Key words: oat oil; response surface method (RSM) ; residual oil rate；technology燕麦不属于油料作物, 但在与玉米、小麦、大米等谷类比较中，它的脂肪含量极为突出，且油脂在其籽粒中的分布情况也与其它谷物有所差异。燕麦脂肪含量在3.4%9.7% 之间, 平均值为6.3% ,居谷物之首，远远高于小麦(1.3%)、粳米（0.7%）以及小米（1.7%）的含量1。燕麦中脂质主要分布在胚乳中2。燕麦脂肪属于优质脂肪酸, 主要由甘油三醋、磷脂、糖脂和幽醇组成。棕榈酸、油酸和亚油酸占总脂肪酸含量95%以上3,燕麦油中不饱和脂肪酸含量高，其中含有丰富的亚油酸，经常食用燕麦油, 可以预防心脏病、抗癌、降血压、防止动脉硬化等。燕麦油中含有维生素E等多种抗氧化物质，这些抗氧化物质可以在体外表达，有些也可以在体内表达。这些抗氧化物质不仅可以提高燕麦油脂的抗氧化酸败的能力，延长燕麦油的储存稳定性4，还可以清除自由基，延缓衰老，所以燕麦油可用于化妆品中。可见, 燕麦油具有较高的营养价值和较好的保健功能。随着我国社会经济的发展, 油料资源日趋短缺, 每年都需要进口大量的油料。因此,进行燕麦油提取研究, 对提高燕麦附加值、解决我国油料资源短缺问题有着重要的意义。申伟浩5、宋雪梅6、屠兰英7、Heikki Aro8等人虽对燕麦油的超临界二氧化碳提取工艺进行了研究，但超临界工艺设备要求高，价格昂贵，大规模生产可操作性差，现在工业生产多采用溶剂提取法。本文选用与工业生产中常用正己烷9为有机溶剂提取燕麦油。任清10、魏决11等人对燕麦油的溶剂提取工艺有所研究，但对燕麦油提取工艺的响应面研究尚未见报道。响应曲面分析法（Response surface methodology，RSM） 设计是评价指标和因素间的非线性关系的一种试验设计方法，与传统数理统计方法相比，RSM以最经济的方式、较少的试验次数和较短的时间对所选的试验参数进行全面研究，得出正确结论，其优越性为越来越多的研究者关注。本文采用响应曲面法的Box- Behnken 设计，对燕麦油的提取工艺进行优化，为燕麦油的工业化生产和产业升值提供依据和参考。1 材料与方法1.11 材料燕麦：河北张家口市农科院提供（粗脂肪含量为8.76%）。 乙醚、正己烷、氢氧化钾、盐酸、浓硫酸、硫酸铜等试剂均为分析纯。1.1.2 仪器FZ102型微型植物试样粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司），SZF-06B型脂肪测定仪（上海新嘉电子有限公司），FA2104N型电子分析天平（上海民桥精密科学仪器有限公司），RE52CS型旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）、SHZ-D（）型循环水式真空泵（巩义市英峪予华仪器厂），GZX-9070ME型数显鼓风干燥箱（上海博远事业有限公司医疗设备厂），LD5-10型低速离心机（北京医用离心机厂）、KND-04A型消化炉（上海精隆科学仪器有限公司）。1.2 方法1.2.1 检测方法13 粗脂肪的测定：执行GB/T 5009.6-20031.2.2 燕麦油提取工艺流程 燕麦清理破碎溶剂浸提离心旋转蒸发燕麦油 操作要点：1)清理：将燕麦中的石子、发霉变质颗粒、不完整颗粒等杂质清理出去；2）破碎:将燕麦用微型植物粉碎机粉碎过2mm筛；3）溶剂浸提：选用工业生产中常用溶剂正己烷为有机溶剂，工业中常用料液比（m/v）为1:（1.2 2.4）12，为操作方便，选取料液比为1:2，用水浴锅中加热静止浸提； 4）离心：将浸提后的液体4000r/min离心15min；5）旋转蒸发浓缩：将离心后的上清液在旋转蒸发浓缩，浓缩后即得到燕麦油。1.2.3 燕麦油得率测定 将旋转蒸发器的样品接收瓶恒重，称取一定质量的燕麦，按上述工艺提取燕麦油，旋转蒸发得到燕麦油后将接收瓶再次恒重。接收瓶前后两次质量的差值即为提取燕麦油的质量。燕麦油得率计算公式为： 1.2.4 残油率的测定 参照国家标准GB/T 5009.6-200313中索氏抽提法测定燕麦粕中的粗脂肪的含量，计算其残油率。残油率计算公式为： 1.2.5 燕麦油提取单因素试验选取不同的提取温度45、50、55、60、65，做单因素实验，浸提时间为60min，浸提1次。选取不同的浸提时间40、60、80、100、120min，做单因素实验，提取温度60，浸提1次。选取不同的浸提次数1、2、3、4、5次，做单因素实验，提取温度60，每次浸提时间为60min。1.2.6 工艺优化试验根据单因素试验结果，选择对燕麦油提取工艺影响较大的因素，采用Box-Behnken 设计进行实验设计,采用Design Expert7.0 软件进行数据处理和回归分析，对燕麦油提取工艺参数进行优化。2 结果与分析2.1 单因素试验2.1.1 提取温度对燕麦油提取的影响由图1 可知随着温度的增加，残油率不断减小，从45到60间残油率降低趋势相对较陡，温度超过60后下降趋势又趋于平和。提取温度升高，油脂粘度会降低，流动性能好，有利于燕麦油的提取。但当温度达到65时，提取温度已接近正己烷的沸点68.7，此时溶剂易汽化，溶剂不易渗入到燕麦细胞中去，导致燕麦油提取效率不高。图1 表明，随着温度的升高，燕麦油得率先增加后降低，从50到60上升趋势较明显，这时由于温度的提高增加了溶剂分子和油脂分子的动能，促进扩撒作用的进行，但当温度上升到65时，燕麦油得率降低，这可能是因为提取温度太高使部分燕麦油的组成成分挥发，导致燕麦油得率下降。综合考虑残油率和燕麦油得率，燕麦油提取温度为5565。图1 提取温度对燕麦油提取的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on the extraction of oat oil2.1.2 浸提时间对燕麦油提取的影响由图2可知随着浸提时间的延长，燕麦油残油率不断降低，从40min到60min，残油率下降幅度较大，60min以后残油率下降幅度减小。这主要是因为随着时间的延长，溶液体系的渗透压达到了平衡，在60min左右趋于平衡，60min后，燕麦油的提取越来越困难，油脂继续溶出的量很少，此时延长提取时间对于残油率的影响不大图2表明，在浸提时间从40min到60min时，燕麦油得率有所提升，但超过60min后，燕麦油得率先降低后趋于平稳。这可能是因为浸提时间超过60min后，燕麦油继续溶出的量不多，但随着时间的延长，溶剂会挥发，溶剂浓度降低，操作过程中燕麦油损耗增加，导致最终燕麦油得率减少。综合考虑残油率和燕麦油得率，同时考虑到能耗，燕麦油提取时每次浸提的时间为4080min。图2 浸提时间对燕麦油提取的影响Fig.2 Effect of extraction time on the extraction of oat oil2.1.3 浸提次数对燕麦油提取的影响图3 浸提次数对燕麦油提取的影响Fig.3 Effect of extraction times on the extraction of oat oil由图3可知，随着浸提次数的增加，燕麦油残油率不断降低，最后趋于平稳。浸提两次时残油率降低幅度较大，超过2次后，随着浸提次数的增加，残油率下降幅度减小。这是因为受燕麦油脂含量的限制，大部分燕麦油已经提取出来，剩余部分的油脂提取将会越来越困难。图3表明，随着浸提次数的增加，燕麦油得率不断上升，最后趋于平稳。提取两次时上升幅度较大，以后上升幅度较小。提取次数的增加有利于燕麦油的提取，但也会增加溶剂的损耗，延长操作周期，影响生产效率。所以从经济和提取效率考虑，再结合残油率和燕麦油得率，燕麦油提取时浸提次数不超过3次。2.2 燕麦油提取工艺优化试验2.2.1 响应面试验设计与结果 根据Box-Benhnken 中心组合试验设计原理，综合单因素试验结果，确定提取温度、浸提时间、浸提次数的增加范围，在单因素试验的基础上采用三因素三水平的响应面分析方法进行试验设计，各试验组的编码与取值见表1，试验设计及结果见表2。表1 响应面试验因素水平编码表Table1 Variables and levels in the three-variable, three-levelBox-Behnken experimental design水平因素温度/ (X1)浸提时间/min (X2)浸提次数 (X3)-155401060602+165803使用Design Expert 7.0 软件，以提取温度、浸提时间、浸提次数为响应变量，以燕麦粕的残油率为响应值，对表3的数据进行处理，得到表4 回归方程方差分析表，利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合，得到预测模型如下：Y=0.94-0.044X1-0.043X2-0.25X3+0.031X1X2+0.037X1X3+0.025X2X3-0.034X12-4.31E-03X22+0.041X32表2 Box-Behnken 试验设计及结果Table2 Arrangement and results of the three- variable, three-levelBox-Behnken experimental design编号温度/ (X1)浸提时间/min (X2)浸提次数 (X3)残油率/%10-110.75520000.96530000.9564-1100.865510-11.1066-1-101.00571-100.88580000.9449-1010.72410-10-11.300111100.871120-1-11.303130000.960140110.71150000.9001601-11.159171010.677表3 回归方程方差分析表Table3 Analysis of variances for the developed regression equation项平方和自由度均方F值P值模型0.5590.06287.190.0001X10.01610.01622.300.0022X20.01510.01520.750.0026X30.5010.50708.710.0001X1 X23.969E-00313.969E-0035.620.0496X1 X35.402E-00315.402E-0037.650.0279X2 X32.426E-00312.426E-0033.430.1063X1 X14.921E-00314.921E-0036.960.0335X2X27.831E-00317.831 E-0030.110.7490X3 X37.056E-00317.056 E-0039.990.0159残差4.946E-00377.066 E-003失拟项2.174E-00337.246 E-0031.050.4636净误差2.772E-00346.930 E-003总离差0.5616注：R2=0.9912 Radj.2=0.9798由表3 可以看出，该模型效应极显著(P 0.0001)，各因素中一次项X1（提取温度）、X2（浸提时间)、X3（浸提次数）都是极显著的（P 0.01)，其影响作用从大到小排序为浸提次数(P 0.0001)、浸提温度(P =0.0022)和提取时间(P = 0.0026)。交互作用项X1 X2、 X1 X3和二次项X1 X1、 X3 X3是显著的（P 0.05)，交互项X2 X3和二次项X2X2不显著。由此可见，各具体试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。R2=0.9912，说明该回归方程回归效果比较；Radj.2=0.9798，说明可信度高；失拟项不显著（P=0.4636），说明回归方程拟合程度良好。根据回归方程，做出响应面分析图(图46)，考察所拟合的响应曲面的形状，分析提取温度、浸提时间、浸提次数对燕麦油提取工艺的影响。2.2.2 提取温度与浸提时间的交互作用图4 显示了在浸提次数为1次的条件下，提取温度和浸提时间对残油率的交互影响。在提取温度一定得情况下，残油率随浸提时间的延长逐渐降低。在浸提时间一定得情况下，残油率随温度的升高逐渐降低。从等高线可以看出两者间的交互作用显著。图4 提取温度与浸提时间对残油率影响的等高线及响应面立体图Fig.4 Contour plots and response surface of the extraction of oatoil as the interaction of extraction temperature and extraction time2.2.3 提取温度与浸提次数的交互作用 图5 提取温度与浸提次数对残油率影响的等高线与响应面立体图Fig.5 Contour plots and response surface of the extraction of oatoil as the interaction of extraction temperature and extraction times图5显示了在浸提时间为80min的条件下，提取温度和浸提次数对残油率的交互影响。由图中可以看出，在提取温度一定时，随着浸提次数的增加，残油率明显降低，说明提取次数对燕麦油提取的影响显著。在浸提次数一定时，随着提取温度的升高，残油率缓慢降低，说明温度对燕麦油提取的影响较弱。由等高线可以看出，两者间的交互作用是显著的。2.2.4 浸提次数与浸提时间的交互作用图6 浸提次数与浸提时间对残油率影响的等高线与响应面立体图Fig.6 Contour plots and response surface of the extraction of oatoil as the interaction of extraction time and extraction times图6 显示了在提取温度为55时，浸提次数与浸提时间对残油率的交互影响。由图可以看出，在浸提时间一定时，随着浸提次数的增加，残油率急剧降低。在浸提次数一定时，残油率随着时间的延长逐渐降低，且下降坡度不如浸提次数的影响大。这也说明了浸提次数较浸提时间对燕麦油提取的影响大。由等高线可以看出，两者的交互作用呈直线，说明其对燕麦油提取影响的交互作用不显著。2.2.5提取工艺条件的优化利用Design expert 软件结合回归模型，预测燕麦油提取的最佳工艺条件为：在提取温度为55、每次浸提时间为80min，浸提次数为3次时，残油率可达到0.655%。2.2.6 模型验证为了验证模型的可预测性，对模型所得最佳工艺条件进行检验和验证。其实际的残油率（%）为0.6540.0016，与理论预测值较为一致。因此，认为基于响应面分析法所得的优化燕麦油提取工艺参数准确可靠，得到的提取条件具有一定的实际应用价值。3 结论3.1 通过单因素试验考察燕麦油提取温度，每次浸提时间以及浸提次数对燕麦油提取的工艺参数的影响。结果表明各因素的范围为：提取温度5565，每次浸提时间4080min，浸提次数不超过3次。3.2 通过单因素试验、中心组合试验设计, 建立了燕麦油提取的数学模型。其残油率的的表达式为： Y=0.94-0.044X1-0.043X2-0.25X3+0.031X1X2+0.037X1X3+0.025X2X3-0.034X12-4.31E-03X22+0.041X32回归模型拟合及方差分析表明, 影响燕麦油的主要因素依次是：浸提次数、提取温度、浸提次数。各试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，提取温度与浸提时间、提取温度与浸提次数间的交互作用显著。回归方程