芝麻酶法脫皮工藝的優(yōu)化

宋國(guó)輝，黃紀(jì)念*，蘆 鑫，孫 強(qiáng)，張麗霞

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，國(guó)家油脂加工技術(shù)研發(fā)分中心，河南 鄭州 450002)

芝麻酶法脫皮工藝的優(yōu)化

宋國(guó)輝，黃紀(jì)念*，蘆 鑫，孫 強(qiáng)，張麗霞

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，國(guó)家油脂加工技術(shù)研發(fā)分中心，河南 鄭州 450002)

采用纖維素酶、木聚糖酶和果膠酶對(duì)芝麻進(jìn)行脫皮處理，研究最優(yōu)化的酶法脫皮工藝條件。以脫皮率為考察指標(biāo)，首先采用混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行用酶篩選以及優(yōu)化復(fù)配比例。在確定混合酶復(fù)配比例的基礎(chǔ)上，采用單因素和正交試驗(yàn)對(duì)酶法脫皮工藝進(jìn)行優(yōu)化。確定最優(yōu)酶處理工藝為：纖維素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6比例復(fù)配、酶用量為芝麻質(zhì)量的0.4%、酶解時(shí)間30min、酶解溫度50℃。此工藝條件下芝麻脫皮率可達(dá)98.3%。該工藝可替代傳統(tǒng)的堿液濕法脫皮工藝，符合綠色環(huán)保生產(chǎn)的要求。

酶；芝麻；脫皮；混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

芝麻(Sesamum indicum)，又稱為胡麻、脂麻、油麻，一年生草本植物，既可以食用，又可以作為油料，是世界上最古老的油料作物之一[1]。芝麻皮質(zhì)量占籽粒的17%左右，芝麻皮主要由大量的草酸和不可消化的纖維組成，對(duì)口感產(chǎn)生不良影響，草酸的存在會(huì)降低人體對(duì)鈣的吸收率以及對(duì)蛋白的消化率。經(jīng)脫皮后的芝麻仁中，草酸的含量從籽質(zhì)量的3%降到0.25%，明顯降低了對(duì)蛋白質(zhì)和鈣的消化吸收的不良影響，芝麻仁的風(fēng)味也更佳?？梢?jiàn)芝麻脫皮是擴(kuò)大芝麻在食品行業(yè)應(yīng)用的前提。以脫皮芝麻仁為原料，生產(chǎn)的糖果、點(diǎn)心和調(diào)味品等產(chǎn)品的品質(zhì)和檔次大大提高，同時(shí)也增加了附加值[2]。

目前脫皮芝麻的加工常用濕法加工工藝，該工藝采用浸泡、攪拌和淘洗分離芝麻的皮和仁。浸泡可以使芝麻皮層吸水膨脹，有利于芝麻皮從仁上剝離。芝麻浸泡工序大多采用化學(xué)物質(zhì)作為脫皮劑，常用燒堿或純堿的水溶液浸泡，將芝麻皮腐蝕，然后采用機(jī)械攪拌將皮脫掉。采用這種工藝浸泡芝麻，加快了流體在芝麻皮層中的滲透速率，使浸泡工序所需時(shí)間由原來(lái)的4～6h，減少到了0.5h左右，極大地提高了生產(chǎn)效率。但該工藝也存堿液洗滌耗水量大、大量含堿廢水排放等問(wèn)題，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的不良影響。用燒堿或純堿作為脫皮劑，這些化學(xué)物質(zhì)與芝麻的接觸，也給脫皮芝麻食用的安全性帶來(lái)了隱患。

酶法脫皮是農(nóng)產(chǎn)品加工中常用的脫皮方法之一，原理是采用特定的酶降解表皮物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)脫皮加工。酶處理技術(shù)在柑橘、甜橙、臍橙、黃桃、亞麻、胡椒、海參和魷魚(yú)脫皮中都有相關(guān)應(yīng)用研究[3-14]，但目前尚未見(jiàn)將酶技術(shù)應(yīng)用于芝麻脫皮的相關(guān)研究。本研究根據(jù)芝麻皮主要為不可消化的纖維這一特點(diǎn)，采用纖維素酶類如纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶進(jìn)行芝麻脫皮實(shí)驗(yàn)，以期開(kāi)發(fā)一種芝麻綠色脫皮方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芝麻購(gòu)自河南汝南縣；纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶 和氏璧酶制劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海佳勝公司。1.3 方法

1.3.1 芝麻酶法脫皮工藝流程

芝麻→篩分清理→加酶液處理→篩分→脫水→烘干→成品

1.3.2 芝麻脫皮操作步驟

取50g芝麻，加入4倍200mL水(預(yù)先加熱到設(shè)定溫度)和一定量的酶，固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行磁力攪拌一段時(shí)間，然后通過(guò)浮選的方法分離脫掉的皮屑。將分去皮屑的芝麻置烘箱中60℃干燥，即得脫皮芝麻。

不同化成技術(shù)（化學(xué)配方、工藝流程）生產(chǎn)的化成箔通過(guò)常規(guī)參數(shù) ：升壓時(shí) 間（Tr）、耐 壓（Vt）、容量(C)、水煮時(shí)間(Tr60)等測(cè)試難以判別化成箔性能差異、品質(zhì)優(yōu)劣[1,2]。鋁電解電容器制造中常出現(xiàn)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均相似的化成箔，生產(chǎn)的鋁電解品質(zhì)參差不齊，因此，鋁電解制造中對(duì)化成箔品質(zhì)判定的最后方法仍然是做鋁電解壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。

1.3.3 混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以木聚糖酶、纖維素酶、果膠酶3種酶的加入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)[15](平行試驗(yàn)3次)，并通過(guò)設(shè)置下限和上限來(lái)約束設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，使用軟件Minitab 16隨機(jī)化生成設(shè)計(jì)表[16]，Minitab提供了3種混料設(shè)計(jì)(單純形質(zhì)心、單純形格點(diǎn)和極端頂點(diǎn))，本實(shí)驗(yàn)采用單純形質(zhì)心設(shè)計(jì)。

1.3.4 脫皮率計(jì)算

將干燥過(guò)的脫皮芝麻充分混合后，取樣1～3g，挑出完全脫皮(無(wú)黏皮)的芝麻，重復(fù)取樣3次，分別數(shù)出脫皮芝麻和未脫皮芝麻的數(shù)目，按下式計(jì)算脫皮率：

式中：A1為脫皮芝麻的數(shù)目；A2為未脫皮芝麻的數(shù)目。

1.3.5 酶活力測(cè)定

木聚糖酶、纖維素酶、果膠酶活力測(cè)定采用分光光度法[17-19]。木聚糖酶酶活力單位(U)定義為50℃條件下，每分鐘催化1%木聚糖溶液生成1μg木糖所需的酶量；纖維素酶活力單位定義為50℃條件下，每分鐘催化1%羧甲基纖維素鈉溶液生成1μg葡萄糖所需的酶量定義為1個(gè)酶活力單位(U)；果膠酶活力單位定義為在50℃條件下，每分鐘催化1%果膠溶液生成1μg半乳糖醛酸所需的酶量。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合酶的種類及比例初步確定

芝麻皮主要含有大量的草酸以及纖維[2]，草酸在脫皮過(guò)程中可直接溶于浸泡水中，而纖維可能是纖維素、木聚糖和果膠類物質(zhì)，因此，針對(duì)性的以纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶作為考察用酶。3種酶的活力測(cè)定結(jié)果分別為4.6×104、1.96×104、5.47×104U/(min·g)。

2.1.2 三酶混合比例優(yōu)化

植物種子種皮類物質(zhì)主要為纖維素、木聚糖以及果膠類物質(zhì)等，在芝麻皮成分未測(cè)定的情況下，采用混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)酶的種類進(jìn)行初步篩選，以初步確定酶的混合比例。實(shí)驗(yàn)添加酶的總量為芝麻質(zhì)量的0.3%，即0.15g，置50℃水浴以固定的轉(zhuǎn)速攪拌15min進(jìn)行酶處理去皮。采用水浮選的方法去除脫掉的浮皮，然后瀝去水分，置烘箱中60℃干燥，干燥結(jié)束后將芝麻充分混合后，計(jì)算脫皮率。混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)及脫皮率結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三酶復(fù)配混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table1 Mixture experimental design for the combined use of cellulase, xylanase and pectinase

圖1 三酶復(fù)配混料試驗(yàn)等值線圖Fig.1 The isoline of the experimental result

由圖1可以看出，果膠酶比例越低，芝麻脫皮率越高。高值區(qū)域果膠酶的含量低于10%，而木聚糖酶或纖維素酶比例約在20%～80%。由表1可以看出，3種酶單獨(dú)使用比較，全部為果膠酶時(shí)，脫皮率最低，全部為木聚糖酶時(shí)，脫皮率最高。當(dāng)不添加果膠酶，而纖維素酶和木聚糖酶為1:1時(shí)，脫皮率最高。綜上，纖維素酶和木聚糖酶具有較好的協(xié)同作用，而果膠酶的存在影響脫皮效果。

2.2 纖維素酶與木聚糖酶比例確定

在確定了木聚糖酶和纖維素酶具有較好協(xié)同效應(yīng)的前提下，進(jìn)一步研究確定這兩種酶的最佳復(fù)配比例，以這兩種酶的加入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行采用Minitab 16進(jìn)行混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)表及脫皮率結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 纖維素酶與木聚糖酶復(fù)配混料試驗(yàn)及結(jié)果Table2 Mixture experimental design for the combined use of cellulase and xylanase

由表2可知，當(dāng)纖維素酶和木聚糖酶以1:3的比例復(fù)配，即以酶活力4.6×104U/(min·g):3×5.47×104U/ (min·g) = 1:3.6時(shí)，脫皮率最高，為81.2%。通過(guò)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)果膠酶的存在不利于芝麻脫皮，而纖維素酶和木聚糖酶則具有較好的協(xié)同作用，以酶活力1:3.6的比例混合時(shí)脫皮效果最好，這可能預(yù)測(cè)芝麻種皮的主要是由纖維素和木聚糖類組成，這需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。水果類原料的去皮多用果膠酶和纖維素酶[3-10,20]，這與水果的皮層成分多為果膠類和纖維素類物質(zhì)有關(guān)。不同原料酶法去皮所用酶的類型以及比例的不同，主要與不同原料的成分差異和不同結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.3 最佳酶處理?xiàng)l件的單因素試驗(yàn)

2.3.1 酶解時(shí)間對(duì)脫皮率的影響

在酶解溫度50℃、纖維素酶與木聚糖酶比例1:3(酶活力1:3.6)、酶用量為芝麻質(zhì)量的0.3%條件下，作不同酶解時(shí)間的單因素試驗(yàn)，計(jì)算脫皮率。由圖2可知，脫皮率與酶解時(shí)間呈正相關(guān)，隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，脫皮率不斷增大。

圖2 酶解時(shí)間對(duì)脫皮率的影響Fig.2 Effect of hydrolysis time on peeling efficiency

2.3.2 酶解溫度對(duì)脫皮率的影響

在酶解時(shí)間15min、添加酶(纖維素酶0.0375g、木聚糖酶0.1125g)總量為芝麻質(zhì)量的0.3%條件下，作酶解溫度單因素試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。脫皮率隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，50℃時(shí)達(dá)到最大值。溫度在30～45℃時(shí)，脫皮率隨溫度的升高逐漸變大，但增加幅度不明顯。當(dāng)溫度從45℃上升到50℃時(shí)，脫皮率增加幅度明顯，說(shuō)明混料酶最適溫度為50℃。

圖3 酶解溫度對(duì)脫皮率的影響Fig.3 Effect of hydrolysis temperature on peeling efficiency

2.3.3 酶添加量對(duì)脫皮率的影響

在酶解時(shí)間15min、酶解溫度50℃條件下，作混料酶不同添加量(分別為芝麻質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)單因素試驗(yàn)，脫皮率結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果表明在酶添加量0.2%～0.3%(即添加量為0.1～0.15g)時(shí)，芝麻脫皮率上升趨勢(shì)較其他區(qū)域明顯，斜率最大，但0.3%后，脫皮率幾乎沒(méi)有變化，不再增加?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本因素，酶添加量為芝麻質(zhì)量的0.3%(0.15g)最佳。

圖4 酶添加量對(duì)芝麻脫皮率的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on peeling efficiency

2.3.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table3 Orthogonal array design for the optimization of sesame peelliinngg

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平的L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)酶解時(shí)間、酶解溫度和混料酶添加量進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，影響脫皮率的主次因素依次是酶解時(shí)間、酶解溫度和酶添加量，最優(yōu)條件為A3B2C2，即纖維素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6混合、酶解時(shí)間30min、酶解溫度50℃、酶添加量為芝麻質(zhì)量的0.4%，經(jīng)驗(yàn)證脫皮率為98.3%，高于正交試驗(yàn)各組脫皮率結(jié)果。

3 結(jié) 論

通過(guò)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究，篩選出纖維素酶和木聚糖酶對(duì)芝麻脫皮具有協(xié)同作用，纖維素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6的比例混合時(shí)脫皮效果最好，果膠酶對(duì)芝麻脫皮不起作用。在確定酶的復(fù)配比例的基礎(chǔ)上，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化了酶處理的工藝條件，即酶解時(shí)間30min、溫度50℃、酶添加量為芝麻質(zhì)量的0.4%，脫皮率為98.3%，基本實(shí)現(xiàn)了完全脫皮。可見(jiàn)，采用酶法芝麻脫皮技術(shù)可替代堿法脫皮，有效解決了堿法脫皮芝麻生產(chǎn)中因堿液使用帶來(lái)的環(huán)境和食用安全問(wèn)題，符合綠色環(huán)保生產(chǎn)的要求。下一步需要重點(diǎn)研究解決的是酶的重復(fù)循環(huán)利用問(wèn)題，以降低生產(chǎn)成本，加速該技術(shù)在脫皮芝麻加工業(yè)中的推廣應(yīng)用步伐。

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Optimization of Enzymatic Peeling of Sesame

SONG Guo-hui，HUANG Ji-nian*，LU Xin，SUN Qiang，ZHANG Li-xia
(National Research and Development Center for Oil and Fat Processing, Institute of Agricultural Products Processing, Henan Academy of Agriculture Sciences, Zhengzhou 450002, China)

An enzymatic hydrolysis method for peeling sesame was proposed and the optimum hydrolysis parameters were explored. The optimum enzymes and mixing ratio were screened out of cellulase, xylanase and pectinase by mixture experimental design based on peeling efficiency and the hydrolysis conditions were optimized by one-factor-at-a-time and orthogonal array designs. The optimum enzymatic hydrolysis conditions that provided maximum peeling efficiency (98.3%) were determined as 1:3.6, 0.4%, 30 min and 50 ℃ for activity ratio between cellulase and xylanase, total enzyme dosage, hydrolysis time and temperature, respectively. The procedure can be used as an environment-friendly alternative to the traditional procedure of wet alkaline treatment.

enzyme；sesame；peeling；mixture experimental design

TS201.1

A

1002-6630(2013)18-0028-04

10.7506/spkx1002-6630-201318006

2013-03-12

國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB2D000292)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(132102113105)

宋國(guó)輝(1980—)，男，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)榇笞诩Z油作物加工技術(shù)與功能活性物質(zhì)開(kāi)發(fā)。E-mail：sigehe@126.com

*通信作者：黃紀(jì)念(1971—)，男，研究員，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品精深加工與功能食品開(kāi)發(fā)。E-mail：hjinian@sina.com