水酶法提取火麻籽油工藝研究

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(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642)

火麻籽為?？浦参锎舐榈某墒旆N子,含有20%～30%的蛋白質(zhì),25%～30%的碳水化合物,25%～35%的脂肪,10%～15%的可溶性纖維以及大量的微量元素,其中鈣、磷含量及微量元素中鐵、鋅、錳含量均較為突出,在食品以及保健品方面都有很高的應(yīng)用價(jià)值,是“藥食同源”的植物資源之一[1-2]?；鹇樽延筒伙柡椭舅岷扛哌_(dá)75%～90%,亞油酸和亞麻酸含量分別高達(dá)50%～70%和15%～25%,比例接近3∶1,這一比例被認(rèn)為是人體正常代謝所需的最佳比例,能夠達(dá)到降低LDL膽固醇和人體血壓、預(yù)防心血管疾病的作用[3-4];火麻籽油中還存在很多普通植物油所沒有的γ-亞麻酸,含量大約為4%,對于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、過敏性皮膚炎、過敏癥等的防治有一定的積極作用[2]。此外,火麻籽油中的γ-生育酚、植物甾醇、葉綠素、萜類物質(zhì)等活性成分,使其具有較高的保健功效,長期食用對慢性神經(jīng)炎、癱瘓、高血脂等有很好的輔助療效[5]。

目前火麻籽油的提取方法主要有壓榨法和溶劑浸出法;壓榨法所需設(shè)備簡單,提油率較低;溶劑浸出法提油率較高,但提取時(shí)間長,需要大量后續(xù)精煉工序,容易出現(xiàn)溶劑殘留問題[6]。水酶法提油是一種新興的提油方法,主要采用各種酶分解細(xì)胞壁中的纖維物質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)中的脂蛋白復(fù)合體,達(dá)到釋放油脂的目的;它與傳統(tǒng)的壓榨法和浸出法相比,工藝條件較溫和,可以很好地保留油料中蛋白質(zhì)和活性物質(zhì),獲得高品質(zhì)的油脂,還具有環(huán)保、安全以及節(jié)能等特點(diǎn)[7]。本研究采用水酶法提取火麻籽油,探討各因素對提油效率的影響,以期開發(fā)一種新型火麻籽油提取工藝。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

火麻籽 購于廣西巴馬市場;果膠酶(10萬U/g)、纖維素酶(5萬U/g)、中性蛋白酶(10萬U/g)、酸性蛋白酶(5萬U/g) 均購自江蘇銳陽生物科技有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、石油醚 均為分析純。

BS110S分析天平 北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;中草藥粉碎機(jī) 廣州市大祥電子機(jī)械設(shè)備有限公司;SHZ-D循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;DHG-9053B5-III型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;DK-8D型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;pHB-3便攜式pH計(jì) 上海三信儀表廠;TDL-5-A低速臺式大容量離心機(jī) 上海安亭儀器廠。

1.2水酶法提取火麻籽油

準(zhǔn)確稱取經(jīng)干燥粉碎后的火麻籽粉末15.000g于錐形瓶中,按相應(yīng)料液比加入蒸餾水,90℃水浴10min鈍化火麻籽自身所含酶,冷卻至50℃,用0.5mol/L的HCL溶液調(diào)節(jié)料液pH至各酶最適pH,分別加入中性蛋白酶、酸性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶及其復(fù)配酶,在一定溫度下酶解適當(dāng)時(shí)間后,90℃水浴10min滅活所加酶終止反應(yīng),3000r/min條件下離心30min,用20mL石油醚萃取上層清油,萃取3次,合并萃取液,經(jīng)真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去石油醚,即得火麻籽油,精確稱取其質(zhì)量,并按下式計(jì)算提油率。

式中:W1-火麻籽的質(zhì)量,g;W2-酶解提取的火麻籽油的質(zhì)量,g;X1-火麻籽中的含油量,%。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.1.1 單一酶種類的選擇 稱取15.000g火麻籽粉末若干份于錐形瓶中,調(diào)節(jié)料液比為1∶5,分別加入2%(w/w)的中性蛋白酶、酸性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶,按1.2所述,在50℃下酶解5h,并作空白對照。

1.3.1.2 酶復(fù)配方案的選擇 稱取15.000g火麻籽粉末于錐形瓶中,調(diào)節(jié)料液比為1∶5,復(fù)合酶(兩種或三種酶等比例混合)的添加量為2%(w/w),在50℃下酶解5h。

1.3.1.3 復(fù)合酶添加順序的確定 稱取15.000g火麻籽粉末于錐形瓶中,調(diào)節(jié)料液比為1∶5,按不同順序先后加入酸性蛋白酶、纖維素酶,添加量均為1%(w/w),50℃下各自酶解2.5h。

1.3.1.4 復(fù)合酶添加量對提油率的影響 稱取15.000g火麻籽粉末,調(diào)節(jié)料液比為1∶5,先后加入等量的酸性蛋白酶和纖維素酶,總量(w/w)分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%,各酶均在50℃下酶解2.5h,計(jì)算提油率。

1.3.1.5 酶解時(shí)間對提油率的影響 稱取15.000g火麻籽粉末,調(diào)節(jié)料液比為1∶5,酶解溫度為50℃,先加入0.5%(w/w)的酸性蛋白酶分別酶解0.5、1、1.5、2、2.5、3h,再加入等量的纖維素酶酶解相同時(shí)間,酶解完成后計(jì)算提油率。

1.3.1.6 料液比對提油率的影響 稱取15.000g火麻籽粉末,分別調(diào)節(jié)料液比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9,先后加入0.5%(w/w)酸性蛋白酶和纖維素酶,在50℃下各自酶解2h,收集火麻籽油并計(jì)算提油率。

1.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)法,以酸性蛋白酶、纖維素酶復(fù)合酶為實(shí)驗(yàn)用酶,選取料液比(X1)、酶解時(shí)間(X2)、復(fù)合酶添加量(X3)作為自變量,提油率(Y)為響應(yīng)值設(shè)計(jì)了共15個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的回歸響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平編碼如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)采用Design-Expert 7.0.1軟件進(jìn)行分析。

表1 因素水平編碼表Table 1 Encode Table of factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1單一酶種類的選擇

由圖1可見,各種植物酶的加入能提高火麻籽油的出油率,其中以纖維素酶效果最好,其次是酸性蛋白酶和中性蛋白酶,最后是果膠酶。纖維素是火麻籽細(xì)胞壁的主要骨架成份,纖維素酶的使用對細(xì)胞壁的破壞作用較大,故其提油率較高。

圖1 不同單一酶對提油率的影響 Fig.1 Effect of enzyme type on the oil yield

2.2酶復(fù)配方案的選擇

從圖2可以看出,酸性蛋白酶和纖維素酶復(fù)合時(shí)提油率較高,為62.41%,其次是中性蛋白酶和纖維素酶,各酶與果膠酶的復(fù)合效果均低于其它酶的復(fù)配組合。與兩種酶復(fù)配使用相比較,三種酶復(fù)配使用時(shí),提油率并沒有提高,這可能是由于三種酶的最佳工藝條件差異較大,導(dǎo)致在相同條件下不能發(fā)揮三種酶的最佳效果,且酶的用量對提取效果也有影響。因此本實(shí)驗(yàn)選用酸性蛋白酶與纖維素酶進(jìn)行復(fù)配。

圖2 不同復(fù)合酶對提油率的影響 Fig.2 Effect of compound enzyme on the oil yield

2.3酶的添加順序的確定

由圖3可知,酶的加入次序不同時(shí),提油率大小為:先加酸性蛋白酶>同時(shí)加酶>先加纖維素酶。先加入蛋白酶,會對料液的黏稠性的降低起到一定的積極作用,有利于后續(xù)加入的纖維素酶的反應(yīng)[8],故先加酸性蛋白酶時(shí)提油率較高。兩酶同時(shí)添加時(shí)提油率略有降低,可能由于二者最佳pH及最適溫度不同,同時(shí)加酶時(shí)酸性蛋白酶可能會分解掉部分纖維素酶[9],不能發(fā)揮兩酶最佳效果。因此選擇先加酸性蛋白酶作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)用酶的添加順序。

圖3 酶的添加次序?qū)μ嵊吐实挠绊? Fig.3 Effect of adding order of compound enzyme on the oil yield

2.4復(fù)合酶添加量對提油率的影響

由圖4可知,隨著復(fù)合酶添加量的提高,提油率不斷上升,酶的添加量達(dá)到1%時(shí),提油率達(dá)到最高,這是由于酶可以破壞細(xì)胞壁及細(xì)胞中的脂蛋白等結(jié)構(gòu),使油脂溶出,有利于火麻籽油的釋放;繼續(xù)提高酶的添加量,提油率反而有所降低。因此,復(fù)合酶的添加量以1%為宜。

圖4 復(fù)合酶添加量對提油率的影響 Fig.4 Effect of enzyme additive amount on the oil yield

2.5酶解時(shí)間對提油率的影響

從圖5中可以看出,在4h之前,隨著酶解時(shí)間的延長提油率逐漸增加,在4h時(shí)達(dá)到最大,延長酶解時(shí)間提油率下降。酶解前期隨著酶解時(shí)間的延長,細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)逐步被破壞,細(xì)胞充分裸露在酶的環(huán)境中,與酶接觸增多,有利于酶的作用。過長時(shí)間會導(dǎo)致酶解液乳化作用的產(chǎn)生,油與料漿的分離難度加大,引起提油率下降。因此,酶解時(shí)間選擇4h較合適。

圖5 酶解時(shí)間對提油率的影響 Fig.5 Effect of hydrolysis time on the oil yield

2.6料液比對提油率的影響

由圖6可知,在一定范圍內(nèi),隨著料液比的增大,提油率也隨之提高,當(dāng)料液比為1∶4時(shí)提油率最高為69.14%;繼續(xù)增大料液比,提油率呈現(xiàn)降低趨勢。體系料液比較低時(shí),粘稠度較大,流動性差,導(dǎo)致酶和底物不能充分接觸,反應(yīng)不完全,提油率不是很高;體系料液比較高時(shí),降低了底物的濃度,減少酶分子與底物分子相互作用幾率,使酶作用效果下降[10]。所以水酶法提油過程中料液比為1∶4較適宜。

圖6 料液比對提油率影響 Fig.6 Effect of liquid/solid ratio on the oil yield

2.7響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2,方差分析見表3,利用Design-Expert 7.0.1軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析,得到數(shù)學(xué)模型:Y=76.96-1.88X1-2.10X2+1.63X3+1.42X1X2-0.90X1X3+2.41X2X3-2.70X12-8.49X22-4.31X32。

回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.9683,p值為0.0031(p<0.01),回歸方程模型達(dá)到顯著水平,且失擬項(xiàng)不顯著,說明該模型與實(shí)際情況擬合度良好,模型選擇合理。同時(shí),由F值大小可以判斷,在所選擇的因素范圍內(nèi),3個(gè)因素對提油率影響的排序?yàn)?酶解時(shí)間(X2)>料液比(X1)>加酶量(X3)。

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and result of response surface analysis

從表3可知,料液比X1,酶解時(shí)間X2和加酶量X3的一次項(xiàng)均達(dá)到顯著水平,表明對火麻籽提油率的線性效應(yīng)顯著;二次項(xiàng)X12對曲面效應(yīng)顯著,二次項(xiàng)X22、X32對曲面效應(yīng)極顯著,交互項(xiàng)X2X3對曲面效應(yīng)顯著,表明酶解時(shí)間和加酶量之間存在交互作用。由圖7可知,隨著酶解時(shí)間(X2)和復(fù)合酶添加量(X3)的增加,提油率逐漸上升;但繼續(xù)延長酶解時(shí)間和復(fù)合酶添加量時(shí)提油率開始下降。3個(gè)因素在所選范圍內(nèi)均能產(chǎn)生最佳的響應(yīng)值,說明此3因素的選擇及其實(shí)驗(yàn)范圍合理有效。

表3 回歸與方差分析結(jié)果Table 3 Results of regression and variance analysis

圖7 酶解時(shí)間和復(fù)合酶添加量交互作用 對提油率的影響的響應(yīng)面分析 Fig.7 Response surface analysis of significant effective interaction items of enzymatic time and enzyme additive amount on the oil yield

由Design-Expert7.1軟件分析,得出水酶法提取火麻籽油的最佳工藝條件為料液比1∶3.59,酶解時(shí)間3.74h,復(fù)合酶添加量1.10%,在此條件下模型預(yù)測的

最大提油率為77.60%。考慮到實(shí)際操作的情況,將此最佳提取條件修正為料液比1∶3.6(g/mL),酶解時(shí)間3.8h,復(fù)合酶添加量1.1%,在此條件下,進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),兩次平行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果平均值為75.64%,與預(yù)測值誤差為1.2%,吻合良好,說明該模型能夠較好地預(yù)測火麻籽油水酶法提取工藝的提油率情況。

3 結(jié)論

3.1酸性蛋白酶和纖維素酶復(fù)配時(shí)的提油率明顯高于其他酶的復(fù)配組合;加酶次序?qū)μ嵊吐视酗@著影響,先加酸性蛋白酶能顯著提高出油率,其次為同時(shí)加酶,先加纖維素酶時(shí)提油率最低。

3.2通過響應(yīng)曲面分析得到火麻籽油水酶法提取的最佳工藝條件為:料液比1∶3.6(g/mL)、酶解時(shí)間3.8h、加酶量為1.10%。在該條件下,火麻籽油的提油率為75.64%。

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