正已烷與亞臨界丁烷萃取醬渣中的粗脂肪

黃惠敏，閻杰，譚春遠，鄔子君，周志堅

(仲愷農業工程學院 化學化工學院，廣東 廣州，510225)

醬油渣，也稱醬渣，是醬油生產的主要副產物。在醬油釀造過程中，被利用的主要是蛋白質，絕大多數粗纖維和脂肪仍留在醬渣中。醬渣極易變質發臭，處理極為困難[1]。直接作為肥料，會造成植物燒根、枯死，大量鹽分或脂肪進入土壤及地下水，易使水質惡化，土壤鹽化。國內，有單位對醬渣進行發酵，開發作為生物有機肥[2-4]、生產乙醇[5]、乙酰半纖維素[6]，以及膳食纖維[7]。這些工作為醬渣的綜合利用進行了有益的探索。但是，這些方法工藝復雜，或時間長，或處理量小。尤其是以大豆為原料的醬渣，其中的粗脂肪(crude fat,CF)含量高達30.9%～46%[8]。這些方法沒有很好的利用這一資源。

為了利用粗脂肪，有單位將醬渣熱風干燥、加入大量輔料再壓榨，降低了處理量，且物理吸附使出油率降低，僅為15%～30%[9]；也有采用烘箱干燥，再用正已烷萃取或預壓萃取油脂[10]；有試驗以正己烷、乙醇和水作為雙相溶劑在萃取油脂的同時得到黃酮[11]。受原料、醬油生產方法及生活習慣的影響，國外極少相關報道。LALMAN等[12]從高含水的發酵體系中用正已烷-甲基叔丁基醚甲醚混合溶劑回收長鏈脂肪酸，試驗量僅為1 mL，過程需加入硫酸及氯化鈉。

為了實現從醬渣中回收粗脂肪，項目組進行了大量工作[8, 13-17]。試驗發現由于原料水分高達70%～85%，醬體軟，難以直接壓榨。先真空干燥再正已烷萃取，所獲粗脂肪質量好，但處理時間長，處理量有限[15]。項目組也曾用含水量為42.70%的醬渣進行相關試驗[13]，結果顯示，在超聲作用下，以丙酮為溶劑，在室溫條件下達到了理想的萃取效果，同樣條件下，正已烷的效果卻很差。不加超聲，丙酮的萃取效果也較差，加超聲使得設備復雜。目前，正已烷以及亞臨界丁烷萃取[18]在油脂工業中獲得了廣泛應用，基于易于工業放大，易于快速處理醬渣的考慮，本文選擇這2種溶劑進行試驗。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗原料：干醬渣，開平粵師傅食品有限公司提供，經測定干醬渣含水量為13.01%，粗脂肪含量為34.7%(干基)。

正己烷、丁烷、乙醚、異辛烷、乙酸、碘化鉀、氫氧化鉀、乙醇均為分析純，天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

YLS16A烘干法水份測定儀，上海精密科學儀器有限公司；ST 243脂肪測定儀，福斯分析儀器公司；6 890/5 975氣相色譜-質譜聯用儀，美國安捷倫科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 正己烷萃取

低水分原料制備：醬渣經60 ℃真空干燥2 h，經測定水分含量為7.10%。

高水分原料制備：原料醬渣經噴霧加入不同質量的水，混合均勻，再密封冷藏48 h，經測定樣品含水量分別為20.10%，26.05%，32.10%。

萃取操作：將已稱量的醬渣置于萃取釜中(圖1)，加入正己烷，裝好裝置，65 ℃恒溫一定時間，放出溶液-混合油。萃取完畢，升溫至80 ℃，真空回收大量溶劑之后，倒出殘渣，置于80 ℃真空烘箱烘至恒重，取粕測殘油率。

粗脂肪(CF)在正已烷中的溶解性試驗：探索性試驗顯示，25 ℃時，0.5%的水會完全溶于豆油或醬渣粗脂肪。向粗脂肪中加入質量分數為0.3%的水，搖勻。準確稱量60 g正已烷加入已知質量的容量瓶，滴加含水粗脂肪并搖勻，至體系剛出現混濁為止，稱量并計算粗脂肪在正已烷中的溶解度，平行3次。用豆油代替粗脂肪進行對比試驗。

1.3.2 亞臨界萃取

將稱量后的醬渣置于萃取釜中(圖2)，在常溫下用丁烷萃取(0.3～0.5 MPa)，丁烷用量為醬渣質量的1.2倍，萃取完畢，38 ℃減壓氣化以回收粗脂肪及粕中殘留丁烷，回收的溶劑氣體再經過壓縮機壓縮冷凝液化后循環使用，取粕測殘油率。

1.3.3 測定方法

(1)含油量的測定：采用ST 243脂肪測定儀，按GB 5009.6—2016[19]進行測定。

(2)過氧化值測定：按GB 5009.227—2016[20]進行測定。

(3)酸價測定：按GB 5009.229—2016[21]進行測定。

(4)水分的測定：采用YLS16A水份測定儀105 ℃烘干法。

(5)脂肪酸組成的測定：脂肪酸甲酯化參考文獻[22]略作改進。準確稱取粗脂肪0.100 0 g加入容量瓶，加5 mL 5%(體積分數)的鹽酸-甲醇溶液，10 mL二氯甲烷-甲醇溶液(體積比1∶1)，密封，80 ℃水浴1 h。降至室溫，用甲醇定容至20 mL，得待測液。GC-MS條件參考文獻[23]的方法。

2 結果與分析

2.1 正己烷萃取

2.1.1 溶劑用量的影響

以含水量7.10%的醬渣進行試驗。結果如圖3所示，隨著溶劑用量增加，醬渣殘油率越來越低，當液料比 (mL∶g)超過8時，增加溶劑的效果不明顯。在實際生產中，為減少萃取次數，可適當增加溶劑用量。下文試驗液料比固定為8 (mL∶g)。

2.1.2 水分對粗脂肪萃取的影響

圖4顯示，含水量7.10%的原料萃取15 min均趨于平衡，而含水量13.01%的原料約20 min趨于平衡，且殘油更低。這似乎表明，水分高對萃取更有利，這顯然有悖于“相似相溶”原理。因此，針對水分的影響進行了系列試驗，如圖5所示，含水量7.10%比13.01%的殘油高，再次證實了圖4的結果，但除了7.10%的原料外，其余樣品均顯示，水分高，殘油率高，多次試驗得到了同樣的結果。圖5同時顯示，含水量13.01%及7.10%，提取5次，粕中殘油降至1%以下。含水量20%，提取5次，粕中殘油降至2.08%。如果對粕中殘油要求不高，醬渣含水量在20%以下，是可以用正已烷進行萃取的。這一點對工業生產特別有用。新鮮醬渣水分含量70%以上，直接壓榨難以將水分降至20%以下。單獨熱風干燥，時間長，油脂易氧化。真空干燥對設備要求高，處理量有限。而采用預壓，快速將水分降至50%以下，再熱風干燥，將水分快速降低至20%以下是完全可能的?；诖朔治?，項目組采用新鮮醬渣進行了多次放大試驗，新鮮醬渣水分含量70%～75%，經60 min預壓,水分含量降至42%～45%，再用流化床105 ℃熱風干燥10 min，干醬渣水分含量為13.0%～14.5%。

2.1.3 萃取動力學

從理論上看，水極性強，正已烷與油脂極性弱，水與正已烷或油脂接觸，相溶性差。在萃取中，水分子會嚴重阻礙正已烷與油脂的滲透。為了萃取的需要，在生產中總是盡可能降低原料中的水分含量[24]。然而，圖4、圖5的試驗結果卻顯示，含水量高(13.01%)比含水量低(7.10%)對脂肪的萃取更有利，為進一步驗證，論文對此進行了動力學研究。

從已有報道來看，從天然產物中萃取有效成分的動力學模型均為指數型。本文所用醬渣為顆粒狀，采用球形模型，內擴散是整個過程的速率控制步驟[25]。參考CHU等[26]的研究，從醬渣中萃取粗脂肪的動力學方程可以表示為：

(1)

式中：c，主體溶液油脂的質量濃度，g/mL；c∞，平衡時主體溶液油脂的質量濃度，與顆粒內相等，g/mL；t，萃取時間，min；c0，t=0 min時刻主體溶液油脂的質量濃度，即初始質量濃度，g/mL；k，速率常數，min-1，與原料特性、擴散系數、原料尺寸等因數有關。

根據上式，ln[c∞/(c∞-c)]與t呈線性關系，斜率為速率常數。

論文將圖4試驗結果進行數據處理，以ln[c∞/(c∞-c)] 對t作圖，結果見圖6。根據圖6，ln[c∞/(c∞-c)]與t線性關系較好，R2均大于0.90，擬合度好。2種原料萃取的速率常數分別為0.313 4 min-1與0.340 2 min-1，比從油菜籽中萃取油脂的速率常數大[25]。且水分含量為13.01%的原料比水分含量為7.10%略大。圖6還顯示，2條曲線均有一截距，根據方程(1)，2種原料萃取的初始質量濃度c0≠0 g/mL，且含水量7.10%的c0更大。這表明，溶劑加入瞬間，部分油脂無需從顆粒內向外滲透，直接溶解，或者說，部分油脂存在于顆粒外表面。

將方程(1)變形，并代入模型參數，可以得到含水量7.10%與13.01%2種原料的萃取動力學模型分別為：c理論=0.046 13-0.046 13e-(0.313 4t+1.105 8)、c理論=0.043 38-0.043 38e-(0.340 2t+0.368 2)。表1為該模型的顯著性分析。由表1可知，實際的c與c理論的2者之間無顯著差異，說明模型可信度高，可以預測實際萃取過程。原料含水量為7.10%與13.01%，2者之間具有顯著性差異，說明原料含水量對醬渣萃取粗脂肪有顯著影響。

表1 動力學模型的顯著性分析Table 1 Significance analysis of kinetic model

前述分析表明,針對試驗的2種原料，含水高(13.01%)的原料萃取速率比含水低(7.10%)的大；2種原料顆粒外表面都存在油脂，含水量7.10%的原料顆粒外表面油脂含量比13.01%的更大。

2.1.4 粗脂肪的溶解性試驗

萃取的本質是溶劑對目標物的溶解過程，為進一步驗證上文試驗與動力學分析，即水分略高對粗脂肪的萃取有利，論文進行了粗脂肪在正已烷中的溶解性試驗。結果如表2所示，含水量0.3%的豆油在正已烷中溶解度為(5.52±0.23)g/100g正已烷；而含水0.3%的粗脂肪為(10.57±0.38)g/100g正已烷。該試驗表明，含相同且量不多的水，正已烷對粗脂肪的溶解度比豆油大得多。這也表明，從含少量水的醬渣中萃取粗脂肪，正已烷是一種較好的溶劑。

表2 含水豆油與含水粗脂肪在正己烷中的溶解度Table 2 Solubility of hydrous soybean oil and hydrous CF in n-hexane

2.2 亞臨界丁烷萃取

圖7顯示，亞臨界丁烷單次萃取適宜時間為20 min，4次已萃取完全。該試驗表明，粕中殘油比正已烷以及丙酮[8]萃取都低。

2.3 兩種方法所獲粗脂肪對比

2.3.1 理化性質對比

亞臨界丁烷與正已烷2種萃取方法所獲產物的對比見表3、表4。根據表3，2種方法所獲脂肪酸組成無明顯差異。但表4顯示，亞臨界丁烷所獲產物的過氧化值以及酸值均比正已烷低。而且，圖8顯示，亞臨界丁烷所獲得的粕顏色淺很多。這是因為，與丙酮[8]、正已烷相比，亞臨界萃取是常溫萃取，38 ℃脫溶。全過程低溫，對提高蛋白質以及油脂的品質更有利[27]。亞臨界技術不破壞熱敏性物質，工作壓力低，目前已實現日處理物料達200 t[28]。論文試驗顯示，該技術完全可用于從醬渣中萃取粗脂肪。

表3 兩種方法所獲產物的脂肪酸組成Table 3 Fatty acids composition obtained by the two methods

表4 不同方法所獲粗脂肪理化指標Table 4 Physical and chemical indexes of CF obtained by different methods

項目組換不同批次的醬渣進行了多次亞臨界萃取試驗，顯示粗脂肪過氧化值6.00～12.16 mmol/kg，酸價為45.6～74.6 mg KOH/g。這與項目組前期采用真空干燥，再正已烷萃取所獲結果基本相同。

2.3.2 粗脂肪紅外光譜圖

2.4 分析與討論

2.4.1 水分的影響

醬油生產過程，大豆經過浸泡、蒸煮，蛋白質變性。而大豆蛋白為球蛋白，其表面有氨基、羧基等極性基團，表現為親水性，內部為疏水性空間結構，油脂分子存在于疏水的內部空間。在發酵過程中，當蛋白質外殼被微生物分解并溶于水后，油脂分子在疏水作用下聚集成脂肪粒，被截留于醬渣顆粒內，該顆粒主要由纖維、殘存蛋白等強極性物質構成，這些強極性物質吸水，形成相對穩定、質地柔軟的顆粒結構。干燥時，大量水分子揮發，形成多孔網絡結構，過大的部分孔洞坍塌，油脂分子聚集外露。因此，溶劑萃取速率快，且加入溶劑瞬間，有大量油脂溶解。

試驗時，為方便對比，水分含量為7.10%與13.01%2種原料質量相同，溶劑用量也相同。原料含水高，則干基質量少，總油脂量少，相對于油脂質量，溶劑用量增大了，客觀上增大了顆粒內外的濃度差，所以，萃取速率大，達平衡時殘油也低。也正是由于水分為7.10%的原料中油脂含量高，初始質量濃度大，即c0≠0，且c0更大，即顆粒外表面油脂的量更大。

根據上文的試驗結果，萃取1次，水分含量7.10%醬渣的殘油為8.00%。如果去除水分，以干基進行計算，達到平衡時，水分含量13.01%醬渣的理論殘油應為7.48%，這與實測值7.60%接近。這說明，水分含量為13.01%的醬渣，達平衡時殘油率更低，主要原因是溶劑用量相對于干基增加所致。這也說明只要水分含量不超過13%，它對粗脂肪萃取的影響都可以忽略。但如果原料水分含量超過20%，如圖5所示，水對萃取的影響非常顯著，可以得出：用正已烷萃取醬渣中的粗脂肪，原料水分含量對萃取效果的影響較復雜，隨著水分含量升高，呈現出先有利，再無影響，最后不利的趨勢，無顯著影響(轉折點)的水分含量約為13%。

醬油在生產過程中，所用含油原料主要為大豆。在發酵過程中，部分甘三酯水解，生成了游離脂肪酸[29]，這類物質極性較大，使得體系極性增強，根據相似相溶原理，溶劑中含少量極性物質對萃取更有利。這使得醬渣中含少量水對正已烷萃取其中的粗脂肪有利。

2.4.2 亞臨界丁烷萃取的經濟性

單從萃取上看，工業規模亞臨界萃取成本比正已烷高，每噸約高幾十元。如果從獲得產品全過程來看，常規方法，采用真空，設置要求高、處理量小、產業化難度大。不采用真空，產品顏色深、過氧化值高、產品開發難度大。采用本文的方法，新鮮醬渣經預壓、熱風干燥將水分含量降至13%左右，再正已烷萃取，粗脂肪回收較完全，利于實現工業化。但是，從粕中以及從混合油(萃取得到的溶液)中回收正已烷，所需溫度高，對粗脂肪以及粕均不利。

亞臨界丁烷萃取效率高、干燥時間短、粗脂肪幾乎不被氧化、粕中粗脂肪的殘留低。丁烷脫除、回收容易，無溶劑殘留，適宜于大批量處理。亞臨界技術工作壓力低，目前相關設備已大規模生產，工業化無困難。綜合上述分析，與正已烷相比，亞臨界丁烷萃取無疑更具有優越性。

3 結論與展望

干醬渣可以用正已烷或者亞臨界丁烷直接萃取，快速將殘油降至1%以下，工業放大完全可行。2種方法所獲粗脂肪的紅外光譜無顯著差異，且過氧化值均不高，酸值高。但亞臨界法產物的過氧化值以及酸值均比正已烷低，粕顏色更淺，是優選方法。

動力學研究顯示，正已烷從醬渣中萃取粗脂肪的速率常數比普通油料大很多，且初始質量濃度不為0 g/mL。這是由于醬渣顆粒為多孔結構，部分油脂聚集外露。

醬渣粗脂肪酸值高的主要原因是原料大豆在發酵過程中部分油脂發生了水解反應。產物極性增強，使得水分對正已烷萃取粗脂肪的影響很大且復雜，水分不是越低越好，適當含水對萃取更有利。