Effects of different extraction methods on extraction effect and functional properties of Korean pine seed oil
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摘要:目的 立足于溶剂法,通过对比超声波、微波、光波单独处理较短时间的红松籽油的得率,以及处理后单独浸提红松籽油得率的增加情况,明确在红松籽油提取过程中处于主导作用的方法,同时确认4种提取方法对红松籽油的理化指标、脂肪酸和抗氧化能力的影响。方法 按照GB/T 5009.229—2016《食品中酸价的测定》、GB/T 5532—2008《动植物油脂 碘值的测定》和GB/T 5009.227—2016《食品中过氧化值的测定》分别测定4种方法提取的红松籽油的酸值、碘值和过氧化物值,采用气相色谱–质谱联用法测定红松籽油中脂肪酸的种类和质量分数,采用分光光度法测定红松籽油对DPPH·和ABTS+·的清除能力。结果 正己烷作为最佳提取溶剂,当提取温度25 ℃,液料比18 mL/g,浸提时间5 h红松籽油得率为65.52%。超声波法(300 W,10 min)、微波法(380 W,100 s)、光波法(400 W,11 min)单独处理时的红松籽油得率分别为67.63%、62.26%、58.25%。上述3种方法处理后再单独使用正己烷浸提,使总提取时间达到5 h后的红松籽油得率分别增加了2.18%、4.50%、6.10%。4种方法提取的红松籽油符合GB/T 2716—2018《食品安全国家标准 植物油》中酸值(≤ 4 mg/g)、过氧化值(≤ 0.25 g/100 g)的限量标准。溶剂法制备出的红松籽油的酸值和过氧化值均最低(P < 0.05)。脂肪酸质量分数由高到低分别是亚油酸(44.54% ~ 46.32%)、油酸(28.29 % ~ 28.83%)和皮诺敛酸(13.15% ~ 14.51%)。溶剂法、超声波法、微波法、光波法所提取的红松籽油清除DPPH·和ABTS+·的IC50值分别是9.41、8.80、9.43、9.61 g/L和5.10、5.51、6.10、5.43 g/L。结论 对超声波法、微波法和光波法单独作用及浸提后得率进行比较,发现超声波法、微波法和光波法在提取过程中起主导作用。与溶剂法、微波法和光波法相比,超声波法提取的红松籽油得率高,不饱和脂肪酸质量分数高,抗氧化能力强,能够达到较好的提取效果,此方法应用于红松籽制油工业中具有一定优势。Abstract:Objective Based on solvent method, by comparing the yields of Korean pine seed oil separately treated by ultrasonic method, microwave method or light wave method, and the soaking yields of Korean pine seed oil after separate method treatment, the dominant method in the extraction process of Korean pine seed oil was identified. At the same time, the effects of four extraction methods on physicochemical indexes, fatty acids and antioxidant capacity of Korean pine seed oil were confirmed.Method According to the GB/T 5009.229−2016 Determination of Acid Value in Food, GB/T 5532−2008 Determination of Iodine Value of Animal and Vegetable Oils and GB/T 5009.227−2016 Determination of Peroxide Value in Food, the acid value, iodine value and peroxide value of Korean pine seed oil extracted by the four methods were determined. The type and mass fraction of fatty acids in Korean pine seed oil were determined by gas chromatography-mass spectrometry method, and the scavenging abilities of Korean pine seed oil to DPPH· and ABTS+· were determined by spectrophotometry.Result The optimum extraction solvent was n-hexane. When the extraction temperature was 25 ℃, the liquid to solid ratio was 18 mL/g, the extraction time was 5 h, the yield of Korean pine seed oil was 65.52%. The yield of Korean pine seed oil was 67.63%, 62.26% and 58.25% by ultrasonic (300 W, 10 min), microwave (380 W, 100 s) and light wave (400 W, 11 min), respectively. After the three methods treated separately and the extraction was carried out with n-hexane individually, the yield increased by 2.18%, 4.50% and 6.10%, respectively after the total time reaching 5 h. The Korean pine seed oil extracted by the four methods can meet the limit standard of acid value (≤ 4 mg/g) and peroxide value (≤ 0.25 g/100 g) in GB/T 2716−2018 National Food Safety Standard Vegetable Oil. The acid value and peroxide value of Korean pine seed oil prepared by organic solvent method were the lowest (P < 0.05). The mass fractions of fatty acid from high to low were linoleic acid (44.54% − 46.32%), oleic acid (28.29% − 28.83%) and pinocyanic acid (13.15% − 14.51%). The DPPH· and ABTS+· IC50 values of Korean pine seed oil extracted by solvent, ultrasonic, microwave and light wave methods were 9.41, 8.80, 9.43, 9.61 g/L and 5.10, 5.51, 6.10, 5.43 g/L, respectively.Conclusion The yields of ultrasonic method, microwave method or light wave method separately, and soaking yields after the single treatment were compared. It is found that ultrasonic, microwave and light wave method play a leading role in the extraction process. Compared with the solvent method, microwave method and light wave method, Korean pine seed oil extracted by the ultrasonic method has a higher extraction percentage, a higher mass fraction of unsaturated fatty acid, a stronger antioxidant capacity, and can achieve better extraction effect. This method has some advantages in the Korean pine seed oil extraction industry.
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Keywords:
- Korean pine seed oil /
- extraction method /
- physicochemical index /
- fatty acid /
- antioxidant
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采矿、大量燃烧化学燃料以及过度施肥等人类活动造成Cd、Zn、Pb等重金属持续不断的进入土壤,给人类、环境和农业生产带来极大危害[1-2]。重金属作为一类典型的累积性污染物,难以被土壤微生物所分解,且具有长期性、不可逆性、隐蔽性等特点,并可通过土壤-植物系统迁移累积,继而通过食物链进入人体,最终引起人体内各种生理功能改变[3-4]。Cd和Pb作为一种植物的非必需元素,一旦在植物体内发生积累,就会影响植物的生长发育[5]。Zn是植物的微量营养元素,参与植物体内的生理生化反应,但过量的Zn也会对植物体产生毒害作用[6]。目前,重金属污染已在全球范围内成为一个严重的、亟需解决的环境问题[7]。近年来,除了对一些草本和水生植物的重金属富集特性做了大量的研究之外,对木本植物的重金属富集特性也逐渐开展研究,如黑杨(Populus nigra)[8]、白榆(Ulmus pumila)[9]、柳树(Salix × smithiana)[10]。但是,面对国内重金属污染程度高、面积大、损失重的严峻形势,这些研究积累是远远不能满足实际需求的。
银中杨(Populus alba ‘Berolinensis’)具有生长快、材质优良、抗寒及抗病虫害等方面特点,是防护林,丰产速生林以及城市绿化的首选树种。由于银中杨一般生长在道路两侧,易受汽车尾气的影响,可能会如同行道树毛白杨(Populus tomentosa)一样在各部位积聚一定含量的Cd、Zn和Pb [11]。然而,银中杨各部位对土壤中重金属的富集特性尚未见报道。本研究用不同含量Cd、Zn或Pb处理盆栽银中杨的土壤,分析银中杨根、茎、叶对Cd、Zn和Pb的富集量和生物富集系数,以期弄清银中杨对土壤中Cd、Zn和Pb的富集特性。
1. 材料与方法
1.1 供试材料及处理方法
2015年4月末,在黑龙江省平山森林植物检疫隔离试种苗圃内,将银中杨插扦苗种植于规格为250 mm×280 mm(高×直径)且含有5 kg土壤基质的花盆中,每盆插扦1株,土壤基质为沙土:草炭土:本地土=1:1:1。定期浇水除草,恢复生长2个月后,于7月初将长势一致、健康的银中杨分为10组,每组50株,对其进行重金属处理,使土壤中的Cd含量为0.5、1.5、2.5 mg/kg、Pb含量为300、500、700 mg/kg、Zn含量为300、500、700 mg/kg。各组的标记代码为Cd0.5(0.5 mg/kg)、Cd1.5(1.5 mg/kg)、Cd2.5(2.5 mg/kg),Zn300(300 mg/kg)、Zn500(500 mg/kg)、Zn700(700 mg/kg)、Pb300(300 mg/kg)、Pb500(500 mg/kg)、Pb700(700 mg/kg),对照组CK不加任何试剂。重金属处理2个月后,于9月初进行银中杨整株采样,并采集对应土壤样品,用于测定重金属含量。每个处理组设置3个重复,每个重复随机采样3株。Cd、Zn和Pb在土壤中的含量设计依据土壤环境质量标准;农林生产和植物正常生长的土壤临界值进行确定[12]。
1.2 重金属含量测定
将采集回的银中杨洗净,整株按根、茎、叶分成3部分,并和采集的土壤一同在70℃下烘干至恒质量。然后将银中杨各部位样品及相应土样粉碎,过100目筛,聚乙烯密封袋保存备用。植物样品参照李冰等[13]的方法利用HNO3-HClO4进行电热板消煮、土壤样品参照龙加洪等[14]的电热板消煮法进行前处理并进行适当稀释后,利用火焰原子吸收光谱仪ICE3000自动进样,测定各样品重金属含量。
1.3 数据处理与分析
银中杨某部位对重金属的富集系数(BCF)=C植i/C土i,式中:C植i指植物某部位的重金属i的含量(mg/kg),C土i指土壤中重金属i的含量(mg/kg)。
使用SPSS19.0软件统计数据的平均值和标准误差。采用Pearson进行双变量相关性分析,检验银中杨各部位的重金属含量与土壤中重金属含量之间的相关性。采用one-way ANOVA进行差异显著性方差分析,以LSD (最小显著法)在0.05水平下检验各处理与对照之间差异显著性。
2. 结果与分析
2.1 银中杨各部位对重金属的富集量与土壤中重金属含量的相关性
银中杨根、茎、叶对Cd、Zn和Pb的富集量均与土壤中相应的重金属含量呈极显著的正相关(P < 0.01,n=12,见表 1)。
表 1 银中杨各部位对重金属的富集量与土壤中重金属含量的相关性Table 1. Correlations between the bio-accumulation amount of heavy metals in each part of Populus alba 'Berolinensis' and heavy metal content in the soil项目
ItemCd Zn Pb 相关系数Correlation
coefficientP 相关系数Correlation
coefficientP 相关系数Correlation
coefficientP 根Root 0.729 <0.01 0.937 <0.01 0.972 <0.01 茎Stem 0.916 <0.01 0.897 <0.01 0.973 <0.01 叶Leaf 0.944 <0.01 0.937 <0.01 0.797 <0.01 2.2 银中杨各部位对Cd的富集量及对Cd的富集系数
在Cd各处理组,银中杨各部位对Cd的富集量均显著高于CK,根、茎、叶分别为CK的2.21~6.72倍、3.61~6.55倍、3.78~6.12倍(P < 0.05,见图 1A)。由图 1A可知,银中杨茎、叶对Cd的富集量随处理含量的升高而不同程度的升高,但Cd2.5处理组的根对Cd的富集量显著的低于Cd1.5处理组(P < 0.05)。说明土壤中高含量的Cd超越银中杨根对Cd的富集阈限。银中杨不同部位之间对Cd的富集未表现出任何规律。
图 1 银中杨各部位的Cd含量(A)和对Cd的富集系数(B)不同小写字母表示银中杨相同部位不同处理之间差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示银中杨相同处理不同部位之间差异显著(P < 0.05);Cd0.5、Cd1.5、Cd2.5分别表示Cd含量为0.5、1.5、2.5 mg/kg。下同。Figure 1. Content (A) and bio-concentration factor (B) of Cd in each part of Populus alba 'Berolinensis'Different lowercase letters mean there is significant difference among varied treatment concentrations in the same part (P < 0.05); different capital letters mean there is significant difference among varied parts in the same treatment concentrations (P < 0.05); Cd0.5, Cd1.5, Cd2.5 represent the Cd content of 0.5, 1.5, 2.5 mg/kg, respectively. The same below.银中杨各部位对Cd的富集系数见图 1B。由图 1B可知,高含量处理组的根、茎、叶对Cd的富集系数均不同程度的低于低含量处理组,且各处理组的银中杨各部位对Cd的富集系数均显著的低于CK(P < 0.05)。Cd0.5和Cd1.5处理组的根、茎、叶之间对Cd的富集系数差异不显著(P>0.05),但Cd2.5处理组的根显著低于茎和叶(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Cd的富集系数与土壤中的Cd含量呈负相关,且在低含量下对Cd的富集能力一致,但高含量下根对Cd的富集能力弱于茎和叶。
2.3 银中杨各部位对Zn的富集量及对Zn的富集系数
银中杨各部位对Zn的富集量显著高于CK,根、茎、叶分别是CK的3.22~8.99倍、1.75~3.43倍、2.17~4.07倍(P < 0.05,见图 2A)。由图 2A可知,根、茎、叶对Zn的富集量随土壤中Zn处理含量的升高而依次不同程度的升高。Zn300处理组中的叶、根、茎和Zn500、Zn700处理组中的根、叶、茎对Zn的富集量依次显著降低(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Zn的富集量均与土壤中Zn含量呈依赖关系,且存在着明显的差异,在低含量时表现为叶>根>茎,在中、高含量时表现为根>叶>茎。
土壤中的Zn含量对银中杨富集系数的影响呈根茎叶特异性,且各处理组的银中杨各部位对Zn的富集系数均不同程度的高于CK(图 2B)。由图 2B可知,Zn300处理组的叶对Zn的富集系数显著高于Zn500和Zn700处理组(P < 0.05),但各处理含量之间的根或茎差异不显著(P>0.05)。Zn300处理组中的叶、根、茎和Zn500、Zn700处理组中的根、叶、茎对Zn的富集系数依次不同程度的降低。说明银中杨各部位对Zn的富集能力存在明显的差异,在低含量时表现为叶>根>茎,在中、高含量时表现为根>叶>茎。
2.4 银中杨各部位对Pb的富集量及对Pb的富集系数
在Pb各处理组,银中杨根、茎、叶对Pb的富集量均显著高于CK,且依次为CK的4.51~17.76倍、5.06~21.10倍、10.58~15.46倍(P < 0.05,见图 3A)。由图 3A可知,银中杨根、茎对Pb的富集量随Pb处理含量的升高而依次显著升高(P < 0.05),但Pb700处理组的叶较大程度的低于Pb500处理组。Pb各处理组中的根对Pb的富集量均显著高于茎和叶(P < 0.05),且分别是茎、叶的1.90~5.74倍、2.10~2.89倍。说明土壤中高含量的Pb能超越银中杨叶对Pb的富集阈限,且银中杨对Pb的富集主要集中在根。
土壤中的Pb含量对银中杨对Pb的富集系数影响也呈根茎叶特异性,且各处理组的银中杨各部位对Pb的富集系数均不同程度的高于CK(见图 3B)。由图 3B可知,Pb700处理组的叶对Pb的富集系数显著低于Pb500和Pb300处理组(P < 0.05),但根和茎对Pb的富集系数随Pb处理含量的升高依次升高,其中Pb700处理组与Pb300处理组差异显著(P < 0.05)。Pb各处理组中的根对Pb的富集系数均显著高于茎和叶(P < 0.05),分别是茎、叶的1.89~5.76倍、2.07~2.88倍。说明银中杨根对Pb的富集能力显著强于茎、叶。
3. 结论与讨论
土壤重金属含量、重金属种类以及植物种类均会显著影响植物对土壤中重金属的富集量[15-18]。本研究发现银中杨各部位的Cd、Zn和Pb含量均与土壤中的相应的重金属含量呈极显著的正相关(P < 0.01),各处理组的银中杨根、茎、叶中相应的重金属含量均显著高于CK(P < 0.05),但高含量的Cd处理超越根对Cd的富集阈限、高含量的Pb处理超越叶对Pb的富集阈限。说明土壤中的Cd、Zn和Pb含量影响银中杨对其的富集量,且呈根茎叶特异性。富集系数表示土壤中重金属向植物体内迁移的难易程度,是表征植物对重金属吸收能力的一项重要评价指标[19-20]。植物对重金属的富集系数也受重金属含量、重金属种类和植物种类的影响[21-22]。本研究发现高含量Cd处理下的根、茎、叶对Cd的富集系数均不同程度的低于低含量处理;高含量Zn处理下叶对Zn的富集系数和高含量Pb处理下叶对Pb的富集系数也均不同程度的低于低含量处理,但根、茎对Zn的富集系数对Zn的处理含量不敏感,而根、茎对Pb的富集系数却对Pb的处理含量呈依赖性。说明土壤中的Cd、Zn和Pb含量影响银中杨对其的富集能力,同时也呈根茎叶特异性。
张会敏等[23]发现相思谷尾矿8种定居植物对重金属吸收主要集中在根部。而唐欢欢等[24]在研究植物对重金属的吸收与富集作用时发现植物根部对As和Cu的富集作用比根部以上突出,而对Zn相反。说明植物对土壤中重金属的富集能力受重金属种类和富集部位的影响。本研究发现银中杨各部位之间对Cd的富集量未表现出任何规律,但对Cd的富集系数,在低含量下一致,在高含量下根显著低于茎和叶(P < 0.05)。Zn低含量处理下的叶、根、茎和高含量处理下的根、叶、茎对Zn的富集量和富集系数均依次不同程度的降低。Pb各含量处理均使根对Pb的富集量和富集系数显著高于茎和叶(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Cd的富集情况表现为茎和叶的富集阈限高于根部;对Zn的富集情况在低含量时表现为叶>根>茎,在中、高含量时表现为根>叶>茎;对Pb的富集主要集中在根。
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表 1 不同溶剂浸提的红松籽油得率
Table 1 Effects of different solvents on yield of Korean pine seed oil
提取溶剂 Extraction solvent 乙酸乙酯 Ethyl acetate 石油醚 Petroleum ether 正己烷 n-hexane 无水乙醇 Anhydrous ethanol 油脂得率 Oil yield/% 50.65b 52.75c 56.68d 15.46a 注:小写字母不同表示差异显著(P < 0.05)。下同。Notes: different lowercase letters indicate significant differences (P < 0.05). The same below. 表 2 液料比对红松籽油得率的影响
Table 2 Effects of liquid to solid ratio on yield of Korean pine seed oil
液料比 Liquid to solid ratio/(mL·g−1) 6 10 14 18 22 26 油脂得率 Oil yield/% 55.31a 57.14b 58.83c 60.50d 60.67d 60.71d 表 3 提取时间对红松籽油得率的影响
Table 3 Effects of extraction time on yield of Korean pine seed oil
提取时间 Extraction time/h 1 3 5 7 9 11 油脂得率 Oil yield/% 47.57a 60.51b 65.52c 65.68c 65.78c 65.85c 表 4 提取功率对红松籽油得率的影响
Table 4 Effects of extraction power on yield of Korean pine seed oil
超声波法 Ultrasonic method 微波法 Microwave method 光波法 Light wave method 功率 Power/W 得率 Yield/% 功率 Power/W 得率 Yield/% 功率 Power/W 得率 Yield/% 200 63.45d 340 45.44a 250 44.04a 250 65.68e 360 49.21b 300 49.76b 300 67.63f 380 54.35e 350 51.60c 350 62.35c 400 51.93d 400 58.25e 400 60.45b 420 50.41c 450 56.74d 450 56.07a 440 49.53b 500 55.28c 表 5 提取时间对红松籽油得率的影响
Table 5 Effects of extraction time on yield of Korean pine seed oil
超声波法 Ultrasonic method 微波法 Microwave method 光波法 Light wave method 时间 Time/min 得率 Yield/% 时间 Time/s 得率 Yield/% 时间 Time/min 得率 Yield/% 5 65.78e 60 54.35a 3 45.65a 10 67.63f 70 54.84a 5 47.20b 15 64.31d 80 55.95b 7 52.09c 20 62.99c 90 57.62c 9 52.94e 25 61.61b 100 62.26d 11 58.25d 30 57.73a 110 61.16d 13 51.49c 表 6 4种方法提取红松籽油得率
Table 6 Yield of Korean pine seed oil extracted by four methods
% 溶剂法 Solvent method 超声波法 Ultrasonic method 微波法 Microwave method 光波法 Light wave method 65.52c 67.63d 62.26b 58.25a 表 7 3种方法处理后浸提红松籽油得率与单独作用提取比例
Table 7 Yield of Korean pine seed oil extracted by three methods and extracting percentage of separate action
% 超声波法 Ultrasonic method 微波法 Microwave method 光波法 Light wave method 处理后浸提得率
Yield for soaking
after treatment单独作用提取比例
Extraction percentage by separate action处理后浸提得率
Yield for soaking
after treatment单独作用提取比例
Extraction percentage by separate action处理后浸提得率
Yield for soaking
after treatment单独作用提取比例
Extraction percentage by separate action2.18A 96.88a 4.50B 93.26b 6.10C 90.52c 注:大写字母不同表示处理后浸提得率差异显著(P < 0.05),小写字母不同表示单独作用提取比例差异显著(P < 0.05)。Notes: different capital letters indicate that there are significant differences in yield for soaking after treatment (P < 0.05),and different lowercase letters indicate that there are significant differences in extraction percentage by separate action (P < 0.05). 表 8 不同提取方法制备红松籽油的理化性质
Table 8 Physical and chemical properties of Korean pine seed oil prepared by different extraction methods
提取方法 Extraction method 酸值 Acid value/(mg·g−1) 碘值 Iodine value/(g·100 g−1) 过氧化值 Peroxide value/(g·100 g−1) 溶剂法 Solvent method 0.89a 145.65a 0.18a 超声波法 Ultrasonic method 0.93a 150.44d 0.21b 微波法 Microwave method 0.95b 147.77b 0.22b 光波法 Light wave method 0.97c 148.06c 0.24c 表 9 4种提取方法对红松籽油脂肪酸组成和质量分数的影响
Table 9 Effects of extration methods on composition and mass fraction of fatty acids in Korean pine seed oil
脂肪酸种类 Type of fatty acid 质量分数 Mass fraction/% 溶剂法
Solvent method超声波法
Ultrasonic method微波法
Microwave method光波法
Light wave method棕榈酸 Palmitic acid (C16:0) 4.90d 3.68b 3.56a 3.91c 硬脂酸 Stearic acid (C18:0) 3.61d 2.41a 2.55c 2.49b 油酸 Oleic acid (C18:1) 28.30a 28.83c 28.29a 28.55b 亚油酸 Linoleic acid (9c,12c-C18:2) 46.32d 44.87c 44.54a 44.78b 皮诺敛酸 Pinolenic acid (5c,9c,12c-C18:3) 13.15a 14.51d 13.83b 14.17c 花生酸 Arachidic acid (C20:0) 0.74c 0.69b 0.54a 0.68b 花生一烯酸 Cis-11-eicosenoic acid (C20:1) 1.05a 1.02a 1.21b 1.18b 不饱和脂肪酸 Unsaturated fatty acid 88.82 89.23 87.87 88.68 -
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