水酶法提油技术及其对植物油脂品质影响的研究进展

植物是天然油脂的重要来源,由于其种籽中含有丰富的油脂和蛋白质,常常被称为“油籽”。其中,以大豆、花生、葵花籽、油菜籽、南瓜籽、石榴籽、美藤果籽、山茶籽、蓖麻籽、山桐子果实等为原料的研究已有报道[1-4]。同时,植物油脂中含有生育酚、植物甾醇、谷维素、酚类化合物和多种不饱和脂肪酸(如:油酸、亚油酸和亚麻酸)等营养物质,具有抗氧化、降低心脏疾病风险、预防癌症和心血管疾病等功能[5-6]。

传统工业上提取植物油的方法主要是压榨法和萃取法。压榨法主要包括热榨法和冷榨法;压榨法提取的油脂质量较好,但是油脂的回收率较低;热榨法所得油脂的产量高,然而由于高温条件会导致多不饱和脂肪酸变质和氧化酸败,易产生难闻的异味,从而影响提取油脂的品质;冷榨法虽然不需要蒸炒等高温处理,可以最大程度地保护油脂的营养成分,但却有能耗高、提取率低的缺点[7-8]。早期的萃取方法主要是采用有机溶剂对植物油料进行提取,虽然所得油脂的提取率高,但因使用的有机溶剂具有高挥发性、可燃性、毒性等缺点,并且难以去除,在产品和操作的安全性方面存在一定的隐患。因此,水剂提油法应运而生。水剂法是以水为提取剂的萃取方法,与有机溶剂萃取法相比,水剂法具有成本低、安全性高、且操作简便、对萃取物的损害小等优点;此外,水剂法可以利用蛋白质和油对水亲和力的不同,同时分离食用油脂和蛋白质。尽管优势突出,但水剂法仍然存在油脂提取率低的问题。近年来,为了克服这一问题,许多研究将水剂法与生物酶制剂(如:蛋白质水解酶、植物细胞破壁酶等)相结合,形成了水酶法提油技术。酶的添加破坏了植物油料细胞壁和脂质体的膜结构,从而促进了油脂的释放[9-10]。在一些情况下,水酶法与其他辅助手段相结合(如:超声波、微波等)可以改善酶对组成细胞壁基质的渗透作用,进一步帮助酶破坏细胞壁和脂质体的膜结构,进而缩短酶解时间、提高油脂的提取率。本文总结了在水酶法提油过程中酶制剂的选择、水酶法与其他辅助技术联用的研究,同时,分析了水酶法提油技术对油品质的影响,总结了水酶法提取植物油过程中存在的问题并展望了其发展前景。

1 水酶法提油技术的研究进展

水酶法提油技术是在水剂法的基础上发展起来的[11],利用酶(如:蛋白质酶类、植物细胞破壁酶或者磷脂酶等)水解植物细胞壁的多糖结构、蛋白质成分以及油脂体的膜结构[12],从而提高油脂的渗透性,在提取油的过程中增强乳液中油的释放,再根据水油密度差和油的不溶解性,通过离心即可获得游离油[1,13]。酶的选择取决于植物油料细胞壁的结构组成以及油脂体界面膜结构的组成成分,一般细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和果胶[3];油脂体的膜结构主要由磷脂、蛋白质和多糖类物质组成[14]。因此,选择合适的酶制剂是得到高产率油脂的关键。

1.1 水酶法提油过程中常用的酶制剂

1.1.1 植物细胞破壁酶

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶等组成,可以阻止植物细胞内油脂和蛋白质等营养成分向外扩散,同时可以防止外界溶剂渗透到细胞内。根据细胞壁的组成成分,常用的酶有纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶,不同的酶可以降解细胞壁的不同成分。李琼等[15]选用纤维素酶对胡麻籽进行水酶法提油,在优化条件下胡麻籽油提取率达到了64.00%,且所得的油脂气味纯正、品质优良、稳定性高。余婷婷等[16]和朱俊朋等[17]均以油茶籽作为原料,分别选用纤维素酶和果胶酶作为破壁酶,结果发现油脂提取率有很大的差别,分别是18.00%和85.78%,说明在水酶法提油过程中酶制剂的选择至关重要。植物水解酶(Viscozyme® L)是一种具有纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶等多种酶活性的复合酶,它可以更彻底的水解保护油脂体的细胞壁结构以及细胞膜中的不同多糖,促进细胞内油脂的释放。D width=8,height=17,dpi=110

AZ-SU

REZ等[10]分别使用纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和Viscozyme® L提取蓖麻籽油,与未添加酶的对照相比,经各种酶辅助提取的油回收率均有所增加,其中使用Viscozyme® L提取的油产量显著高于其他酶,提取率最高可达80.00%。LIU等[2]观察了经纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶和Viscozyme® L处理后油体的微观结构,发现经Viscozyme® L和纤维素酶处理后的油体变大,且分布均匀,而经半纤维素酶和果胶酶处理后的油体完整、规则且分布均匀,表明Viscozyme® L和纤维素酶对油体释放的效果优于半纤维素酶和果胶酶。在Viscozyme® L的不同作用条件下,花生细胞壁中果胶(CDTA溶性果胶和Na2CO3溶性果胶)、半纤维素和纤维素含量都发生了不同程度的变化。如图1所示,Viscozyme® L通过降解纤维素的C—C伸缩、C—O伸缩和CH2的对称弯曲;半纤维素的O—C—O的不对称伸缩;果胶的C—C伸缩和C—O伸缩的结构位点,使花生的细胞壁得到充分的降解,从而达到释放细胞内油脂和蛋白质的目的。

1.1.2 蛋白质水解酶

蛋白质既是组成植物细胞壁和油脂体界面膜的结构大分子,同时也是植物细胞质内容物的重要组成成分。蛋白酶可以通过酶解细胞壁和界面膜上的结构蛋白为小分子的肽(作用机理如图2所示),从而破坏细胞壁的网状结构,降低界面膜的稳定性;同时在蛋白酶的作用下,细胞内蛋白质结构变得疏松,使细胞内的油脂和蛋白质得以释放[18]。杨柳等[19]考察了5种蛋白酶(中性蛋白酶、风味蛋白酶、碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶和复合蛋白酶)对水酶法提取大豆油脂提取率的影响,不同蛋白酶对油脂的提取率差异显著,其中,在碱性蛋白酶的作用下,大豆油脂的最高提取率为73.08%。吴健宝等[20]采用碱性蛋白酶通过水酶法提取菜籽油,在料液比1∶5(g∶mL,下同)、酶添加量1.6%、pH 8.0、温度60 ℃、时间4.5 h的优化条件下,菜籽油得率为81.42%。MENG等[21]利用荧光显微技术观察水解过程中蛋白质和油脂的变化,发现部分蛋白质抑制了油脂的释放,经蛋白酶水解3 h后油脂几乎完全释放,并且利用傅里叶变换红外光谱研究了蛋白质的二级结构与油脂释放的关系,发现蛋白质的二级结构影响油脂释放,结果表明在水酶法提取过程中,蛋白质的结构发生变化,有利于油脂释放。LI等[22]比较了水剂法提油和水酶法提油,发现加入碱性蛋白酶2.4 L后花生油的提取率显著高于未添加酶的水相提油;同时,作者比较了蛋白酶7 L、蛋白酶6 L、蛋白酶50 FP、木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶2.4 L等5种酶对水酶法提油过程中产生的乳状液稳定性的影响,在蛋白酶的作用下,乳状液的蛋白质界面膜被破坏,促进了游离油的释放。

植物油料中的磷脂主要以游离态或者结合态(与蛋白质或者碳水化合物形成的复合物)的形式存在。不同的植物油料,磷脂的组成成分不同,主要有:磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、甘油磷脂酸和磷脂酰肌醇。磷脂既是生物膜结构的重要组成成分,同时,磷脂的存在也影响着植物油脂的品质。在水酶法提油过程中,为了提高油脂的提取率,磷脂酶经常用于降解油脂体的生物膜结构。如图3所示,磷脂酶通过特异性的作用于磷脂分子内部的关键位点水解磷脂,破坏油脂体的界面膜结构,根据水解位置的不同,可以分为:磷脂酶A、磷脂酶B(又称溶血卵磷脂)、磷脂酶C和磷脂酶D。NIU等[23]研究发现磷脂酶A1和磷脂酶A2可以显著的破坏磷脂结构提高游离油产量。LAMSAL等[24]研究了磷脂酶对花生油脂体乳状液稳定性的影响,发现磷脂酶C通过酶解磷酸甘油酯的sn-3位点来释放磷酸根;同时,将G-zyme999和Lysomax以1∶1进行复配,磷酸甘油酯的sn-1和sn-2位酯键都被破坏,乳状液的稳定性也被破坏。李杨等[25]经研究发现经磷脂酶处理后的乳状液中,磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺发生水解,而磷脂酸的含量增加;溶血卵磷脂和磷脂酶A2分别作用于sn-1和sn-2酯键,而磷脂酶D通过酶解sn-4位酯键,促进磷酸基团解离形成脂肪酸,导致油滴粒径增大,破坏了乳状液的稳定性,从而提高了油脂的提取率。

复合酶是指将同种或者不同类别的酶按照比例进行复配,可以增强酶水解细胞壁和油脂体膜结构的作用。在水酶法提取植物油脂的过程中,复合酶的使用会显著提高植物油脂的提取率。NIU等[23]在水酶法提油中将纤维素酶和果胶酶以1∶1复配,有效地破坏细胞壁的结构,所得油脂体产率最高可达90.7%。HOU等[3]通过添加半纤维素、纤维素和果胶酶的复合酶,与对照和单酶处理相比较,发现复合酶能够显著的提高油脂的产量。程倩等[4]在相同的处理条件下,比较了中性蛋白酶、碱性蛋白酶和复合纤维素酶及其复合酶对油脂提取率的效果,发现复合酶处理对葵花籽油提取率有显著影响,其中,复合纤维素酶和中性蛋白酶组合的复合酶提油效果最好,油脂提取率最高达到90.03%。JIAO等[26]用纤维素酶、果胶酶和蛋白酶及其组成复合酶分别提取南瓜籽油,与对照组(无酶)相比,均能显著的提高提取率,并且复合酶在温度(44 ℃)、酶的质量分数(1.4%)、时间(66 min)和辐照功率(419 W)的工艺条件下,油脂的产率为64.17%,表明复合酶在提取油脂的过程中可以有效破坏细胞壁的完整结构,此外,还能破坏子叶细胞的蛋白质网络和油脂体周围的膜结构,从而得到高产量的油脂。然而,并非所有的酶复合都可以提油脂提取率。NGUYEN等[12]利用木瓜蛋白酶、木瓜蛋白酶与纤维素酶A复合酶进行水酶法提取沙棘种籽油脂,发现木瓜蛋白酶提油率显著的高于复合酶的提油率。这可能是由于与传统的油料相比,沙棘种籽细胞壁中纤维素和半纤维素的含量较低,木瓜蛋白酶的加入可以起到破坏脂质体的效果,更有利于油脂的提取。复合酶法之所以可得到高产量的油脂,主要是由于多种酶复合通过协同作用可以更有效地破坏复杂的植物细胞壁成分和结构,从而提高油脂提取率。

1.2 水酶法与其他辅助技术的联用

水酶法提取油脂存在着酶制剂价格高、酶解反应时间较长、油脂得率低等缺点,为了克服这一缺点,水酶法常与其他辅助技术相结合,如:微波-水酶法提油技术、超声波-水酶法提油技术、超声波-微波辅助水酶法提油技术等,可以有效地降低成本、缩短酶解时间、提高油脂产量。

1.2.1 微波辅助法

微波-水酶法提油技术,是指在酶解油料之前,将粉碎的种籽经微波处理,通过使其主要成分断裂来削弱细胞壁,促进酶更好的水解细胞壁,从而可以提高水酶法的提油效果。ARROYO等[27]采用水酶法提取经微波预处理(微波功率400 W,温度70 ℃,时间100 min)的吉卡罗种籽,在粒径为0.59 mm,Viscozyme® L的添加量为3%、固液比为1∶4,培养时间为5 h的工艺条件下,得到了69.71%的油脂,且显著的高于用索氏提取法的油得率(36%)。JIAO等[26]以南瓜籽为原料,通过微波辅助水酶法提油技术获得了高产量的南瓜籽油,提取率高达64.17%(单一水酶法提取率为59.88%)。刘蒙佳等[28]将黑芝麻加水制浆,经过微波(功率400 W)处理4 min,然后再加入碱性蛋白酶(添加量为0.1%),在pH 8.0,酶解温度50 ℃,酶解2 h,油脂的得率达到了207.43 g/kg。微波-水酶法提油技术在加热的条件下,更有效地破坏了细胞壁结构和包裹油体的细胞膜,从而减少酶的添加量,促进油脂的释放。与此同时,温度的升高可能会对蛋白质的结构造成影响,而关于微波-水酶法对植物蛋白质结构和品质影响尚有待研究。

1.2.2 超声波-水酶辅助法

超声波是以压力波的形式通过介质传播,并以增强分子运动的形式而引起激发,超声波诱导的空化作用破坏细胞壁的结构,可以增加植物组织的渗透性,因此,加速了油体的释放的速度,提高了油脂的产量,缩短了加工时间[3]。GOULA等[29]使用超声波-水酶法提取石榴籽油,与单独的水酶法相比,油脂提取率提高了18.4%,萃取时间缩短了91.7%。高淼等[30]以棕榈果为油料,通过超声波-水酶法提油技术在最优工艺条件下(料液比1∶8.2,酶解温度42 ℃,酶添加量4.2%)得到了提取率为34.62%的油脂。HAN等[31]采用超声波-水酶法提取玉米胚芽油,研究了超声波处理时间和温度对油提取率的影响,并对其质量和抗氧化活性进行了研究。随着超声波处理时间和温度的增加,玉米胚芽油的提取率逐渐增加,在超声波处理20 min,温度40 ℃的条件下,玉米胚芽油的提取率提高15.86%,同时,采用超声波-水酶法提取的玉米胚芽油质量指标优于溶剂法提取玉米油。综上所述,与单一水酶法相比,超声波-水酶法提取植物油料不仅可以有效缩短反应时间、提高油脂提取率,而且所得植物油脂的品质优于传统方法。然而,超声波空化作用产生的冲击力和剪切力也会对蛋白质的结构产生影响,降低蛋白质的品质,需要进一步优化工艺条件。

1.2.3 超声波-微波辅助法

超声波-微波辅助水酶法提油技术是指在水酶法提取植物油的基础上,再分步进行超声波、微波处理。胡滨等[32]以葡萄籽为植物油料,首先采用超声波技术对葡萄籽进行预处理,再通过添加酶进行酶解,最后再进行微波破乳;同时,分别对超声波预处理条件、酶解条件和微波破乳条件进行了优化,水酶法所得葡萄籽油提取率为77.48%,在此基础上进行超声波预处理得到了87.65%的油脂,油脂得率提高了10.17%;然后,经过微波破乳处理后,油脂的提取率达到93.83%。该方法得到的植物油提取率非常高,但过程较为复杂,且用到的器材昂贵,耗能大。魏松丽等[33]以菜籽为植物油料,在40 ℃、超声波强度400 W的辅助条件下处理30 s,利用微波作用乳状液,在最优的工艺条件:乳液体积分数60%、微波强度600 W和微波时间70 s下,提取率高达96.3%。

1.2.4 其他辅助方法

此外,还有一些其他辅助方法与水酶法提油技术相结合。程雪等[34]采用热处理辅助水酶法进行油脂提取,在酶添加量3.49%、酶解温度46 ℃、酶解时间为3 h、酶解pH 6.0的工艺条件下,提取了59.02%的紫苏籽油。盖晴晴等[35]将牡丹籽经0.3 mol/L的柠檬酸浸泡6 h后烘干(100 ℃),再经过水酶法提油技术进行提取,发现经酸处理后细胞壁变薄,蛋白质发生形变,促进了油滴聚集,最后得到了提取率为55.31%的牡丹籽油。李扬等[36]以大豆为植物油料,经真空挤压膨化预处理后,水酶法提取的总得油高达93.61%。

2 水酶法提取植物油脂品质的研究进展

2.1 水酶法提取植物油脂中脂肪酸的组成

植物油脂中脂肪酸主要是由饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸组成,不饱和脂肪酸包括单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。不同的植物油脂中脂肪酸的组成成分有所差异,表1列出了传统法与水酶法提取的植物油脂中常见的5种脂肪酸的含量。

不饱和脂肪酸具有调节血压、降低血脂、预防炎症和预防癌症等生理功能。由表1可以看出,经水酶法提取的植物油脂中不饱和脂肪酸的含量明显高于传统提取方法,不饱和脂肪酸的含量均在76%,以油酸和亚油酸的含量为主,说明水酶法更有利于维持植物油脂品质。XU等[9]在提取米糠油时,分别采用了水酶法提油技术和索氏提取法来提取植物油脂,所得到的脂肪酸的组分没有差异,但脂肪酸的含量却存在显著差异,水酶法提取的米糠油的不饱和脂肪酸含量(76.31%)显著高于索氏提取法(75.24%),以亚油酸和油酸含量最高,分别为38.84%和34.31%,这是由于水酶法在相对温和的提取条件不易引起不饱和脂肪酸分解,较大程度的保留了不饱和脂肪酸的含量。程倩等[4]对比分析了水酶法、压榨法和浸出法3种提取方法对葵花籽油脂肪酸的组成和含量差异,结果表明水酶法提取葵花籽油的组成和含量均不存在显著性差异。李晴等[37]分析了水酶法和冷榨法对不同脂肪酸的影响,结果发现水酶法提取的山核桃油不饱和脂肪酸含量为94.09%,显著高于冷榨法(90.93%),而水酶法提取的饱和脂肪酸含量(5.74%)明显低于冷榨法(9.41%)。因此,从水酶法提取植物油脂肪酸的组成和含量来说,水酶法更有利于高品质油脂的提取。

2.2 水酶法提取植物油的理化性质分析

评价植物油脂品质的理化指标有色泽、酸价、过氧化物值、皂化值、碘值、羰基价、不皂化值、烟点等,本文就水酶法提取的植物油脂的酸价、碘值、皂化值和过氧化值4个理化指标进行了分析。酸价是评价植物油脂水解程度的指标,即游离脂肪酸含量的指标,酸价越小,油脂的质量越好。由表2可知,米糠油和南瓜籽油的酸价较高,而葡萄籽油、玉米胚芽油、蓖麻籽油和山桐子油的酸价较低,尤其是玉米胚芽油的酸价仅为0.03 mg KOH/g。具有抗氧化性能的植物油越来越重要,因为抗氧化剂能够保护人体免受癌症、糖尿病和心血管疾病等疾病的影响,抗氧化性能的测定通常采用DPPH自由基清除试验。JIAO等[26]比较了水酶法和索氏提取法提取油DPPH自由基清除能力差异,结果发现虽然2种方法提取油DPPH清除自由基的能力都随着油浓度增加而增加,但是水酶法提取油的DPPH自由基清除能力更优异,IC50值(123.93 mg/mL)低于索氏提取法(IC50=152.84 mg/mL)。通常认为,低酸价和低过氧化值的油脂是高质量的油脂[9]。表2中,除了蓖麻籽油的过氧化值超过了20 mmol/kg,其他植物油的过氧化值均小于10 mmol/kg;同时,植物油脂的皂化值都大于150 mg KOH/g,皂化值越大,说明脂肪酸分子质量越小,亲水性越强,并且皂化值还表示油的纯度,皂化值越大,说明油脂中杂质越少,油脂的品质越高;植物油脂的碘值也很高,说明植物油脂的不饱和脂肪酸的含量较高,这同上述水酶法提取植物油脂可得到高含量的不饱和脂肪酸的结果相一致;由此可以得出水酶法提油技术可以得到较高品质的油脂。

2.3 水酶法提取油的活性成分分析

植物油脂的生理功能作用除了依赖于食物油中的脂肪酸外,一些生物活性成分在预防心血管疾病、延缓衰老等方面发挥着重要作用[2],如:生育酚、维生素E、角鲨烯等。维生素E是一种脂溶性的维生素,同时也是抗氧化剂,主要包括4种生育酚(α-生育酚、β-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚)和生育三酚;角鲨烯是一种高度不饱和脂肪烃,广泛的存在于橄榄油、大豆油和花生油中;甾醇具有和维生素E相似的抗氧化活性。研究显示,不同的提取方法对植物油中的活性成分含量的影响不同。表3列出了不同方法提取的油脂中活性成分的含量差异。程倩等[4]采用3种方法提取葵花籽油,通过对比发现,水酶法提取油中维生素E含量显著低于其他2种方法,虽然甾醇和角鲨烯的含量与压榨法相差不大,但却明显低于有机溶剂提取法。然而,张敏等[41]和XU等[9]等提取的米糠油活性成分都高于有机溶剂提取法,这一差异可能受到植物油料的种类、加工工艺条件的影响。

3 结语

综上所述,与传统的提油技术相比,水酶法提取植物油料中油脂具有很多的优越性,但水酶法仍然存在许多问题,限制了水酶法的工业化应用。(1)酶制剂的价格偏高且使用量大,从而导致生产成本的增加;(2)在水酶法提油过程中,酶解的时间较长,不利于工业化生产,而且蛋白酶和磷脂酶的添加,对蛋白质和油脂的品质会有所影响;(3)水酶法与其他辅助技术的联用虽然可以增加植物油脂的提取率,但其操作更加复杂且用到高耗能设备,因此其工艺流程需要进一步优化以适应工业化生产;(4)用水量大,水酶法在提取油脂和蛋白质时,会使用到大量的水,随之也会产生废水,处理不当以造成环境污染;(5)水酶法提取植物油脂的过程中会产生稳定的乳状液,降低油脂的提取率。随着生物酶技术、工业设备研究的发展,以及水酶法提油中破乳技术研究的深入,水酶法提油技术在未来一定会有更广阔的发展前景。

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