超聲波輔助水酶法提取米糠油的工藝研究

仇梓冰,劉法顯,付　磊,姚　笛,于長青

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319)

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超聲波輔助水酶法提取米糠油的工藝研究

仇梓冰,劉法顯,付磊,姚笛,于長青*

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319)

為了提高米糠的出油率,本文采用超聲波輔助水酶法,對混合液進(jìn)行破乳,得到最佳工藝條件。通過研究復(fù)合酶的種類、比例、添加量以及酶解條件對米糠出油率的影響,在單因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行Box-Benhnken響應(yīng)面實驗。結(jié)果表明超聲波輔助水酶法提取米糠油的最佳條件為:料液比1∶6,酶解溫度設(shè)定為51 ℃,酶解時間5 h,超聲波功率230 W,超聲時間20 min,酶添加量為1.38%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1)。此條件下得到米糠的出油率為90.53%。

米糠油,超聲波,水酶法,響應(yīng)面

米糠是大米生產(chǎn)的副產(chǎn)物,一般含油14%～24%[1]。碾米時米糠經(jīng)常和米胚芽混合在一起,實際上糙米到精米的過程中碾下的米糠中也包含一部分的米胚芽[2]。米糠油是從稻谷脫殼后的糙米到精米的碾白物中提取的油脂,米糠與米胚芽雖然只占稻谷重量的6%～8%左右,利用米糠深加工制油可增值10～50倍,經(jīng)濟(jì)效益顯著[3]。米糠油的油酸和亞油酸、維生素E、膳食纖維、甾醇、生育酚、角鯊烯、阿魏酸酯、γ-谷維醇有助于人體營養(yǎng)的吸收,國內(nèi)外公認(rèn)米糠油為營養(yǎng)健康的食用油,是因為其具有降低血液中血脂、清除血液中的多余的膽固醇、促進(jìn)青少年生長發(fā)育等有益健康的作用[4-8]。

傳統(tǒng)提取米糠油的方法分為壓榨法和溶劑浸出法[9],壓榨法的缺點是出油率低,能耗大;溶劑浸出法的缺點是需要大量的溶劑,存在安全隱患。水酶法提米糠油是近幾年來新興的提油方法,其優(yōu)點是米糠油色澤淺,游離脂肪酸含量高,同時保護(hù)米糠油中其它非油組分不被破壞,因此其應(yīng)用范圍較廣[10-11]。超聲波是利用空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、機械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等作用來加快油脂的反應(yīng)速率。超聲波可在液體介質(zhì)中形成微泡,微泡在破裂過程中會釋放較多的能量,可以提高反應(yīng)速率[12-13]。本實驗采用超聲波輔助水酶法提取米糠油,探究超聲波功率、超聲波時間、料液比、酶解溫度、酶解時間等對米糠出油率的影響。在單因素基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面的方法來對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,確定最佳工藝參數(shù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

米糠黑龍江大慶市林甸縣大米加工廠提供;纖維素酶3×105U/g、堿性蛋白酶105U/g、果膠酶5×105U/g、α-淀粉酶3700 U/g、聚半乳糖醛酸酶105U/g、β-葡聚糖酶2×104U/g北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供;其他試劑均為分析純。

DK-S24型恒溫水浴鍋,DGG-9030A電熱型恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海森信實驗儀器有限公司;PE-20k酸度計梅特勒-托利多儀器;SZC-D 脂肪測定儀上海纖檢儀器;SB25-12DTD 超聲清洗儀寧波新芝生物;L420離心機長沙湘儀離心機有限公司;AR2140電子天平梅特勒-托利多儀器上海有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1粗脂肪成分的測定脂肪測定:索氏提取法,參照國標(biāo)GB/T 14772-2008。

1.2.2米糠油提取工藝流程將超聲波處理過的米糠混合物滅酶,離心后,用吸管小心將上層油取出,加入蒸餾水,離心得上清油,放入55 ℃鼓風(fēng)干燥箱中,去除水分至恒重,稱量,得到游離油1。用原料2倍體積水對渣1進(jìn)行30 min的水洗,離心后得到水解液2,將乳狀液、水解液1和水解液2進(jìn)行合并,對混合液采用冷凍解凍(在-16 ℃進(jìn)行凍結(jié)12 h,室溫解凍2.5 h,3000 r/min,離心20 min)的方法進(jìn)行破乳,離心得到游離油2。

圖1　水酶法提取米糠油工藝流程圖Fig.1　Flow chart of extraction oil from rice bran by aqueous enzymatic

1.2.3計算方法

米糠含油率(%)=索氏提取米糠油質(zhì)量/米糠質(zhì)量×100

米糠出油率(%)=(游離油1質(zhì)量+游離油2質(zhì)量)/(米糠總質(zhì)量×米糠含油率)×100

1.3米糠油提取的單因素實驗

1.3.1單一酶種類的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶5,酶添加量0.4%,酶解時間2 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同酶對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.2復(fù)合酶種類的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶5,酶添加量0.4%,酶解時間4 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同復(fù)合酶種類對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.3復(fù)合酶比例的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶5,復(fù)合酶添加量1.2%,酶解時間4 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同復(fù)合酶比例對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.4料液比的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按復(fù)合酶添加量1.2%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解時間4 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲波功率170 W,超聲時間15 min,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同料液比對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.5酶解溫度的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶6,復(fù)合酶添加量1.2%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解時間4 h,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲波功率170 W,超聲時間15 min,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同酶解溫度對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.6酶添加量的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶6,酶解時間4 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲波功率170 W,超聲時間15 min,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察復(fù)合酶添加比例(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1)一定時,不同酶添加量對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.7酶解時間的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶6,復(fù)合酶添加量1.4%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲波功率170 W,超聲時間15 min,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同酶解時間對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.8超聲波功率的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶6,復(fù)合酶添加量1.4%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解時間5 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲時間15 min,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同超聲波功率對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.3.9超聲波時間的確定稱取經(jīng)過預(yù)處理的米糠100 g,按料液比1∶6,復(fù)合酶添加量1.4%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解時間5 h,酶解溫度50 ℃,酶解pH按相應(yīng)酶說明書中的最適pH進(jìn)行調(diào)節(jié),超聲波功率230 W,以米糠的出油率為參考指標(biāo),考察不同超聲波時間對米糠出油率的影響,重復(fù)3次,取平均值。

1.4米糠油提取的響應(yīng)面優(yōu)化

根據(jù)單因素實驗結(jié)果,采用Design-Expert V8.0.6軟件中的Box-Benhnken設(shè)計方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,選取酶解溫度、酶添加量、超聲波功率和酶解時間為響應(yīng)變量,分別以A、B、C、D表示,以-1、0、1分別代表變量的水平值,以米糠出油率Y為響應(yīng)值,利用響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化,并作出響應(yīng)面圖及回歸方程模型。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用SASS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析;Design-Expert V8.0.6軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

表1　響應(yīng)面實驗因素水平及編碼Table 1　Levers and code of factor chosen for response surface experiment

2　結(jié)果與分析

2.1米糠粗脂肪的含量

經(jīng)國標(biāo)方法測得米糠中的粗脂肪為17.38%。

2.2酶的篩選和比例

2.2.1單一酶的篩選細(xì)胞壁是阻止油脂釋放的主要成分,細(xì)胞壁主要由纖維素,半纖維素,果膠等物質(zhì)構(gòu)成[14]。其內(nèi)部的油脂常與蛋白質(zhì)、多糖結(jié)合形成脂蛋白、脂多糖的形式存在[15],不易分離,所以選取淀粉酶、聚半乳糖醛酸酶、堿性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、葡聚糖酶進(jìn)行酶解。如圖2所示。

圖2　單一酶的種類對米糠的出油率影響Fig.2　Effect of single enzyme on the extraction efficiency of rice bran oil注：1：無酶；2：α-淀粉酶；3：聚半乳糖醛酸酶； 4：堿性蛋白酶；5：纖維素酶，6：果膠酶，7：β-葡聚糖酶。

由方差分析可知,只有堿性蛋白酶和纖維素酶對米糠的出油率差異不顯著,其他種類之間均差異顯著,可使出油率增加,但效果不盡相同,單一酶中纖維素酶、堿性蛋白酶的出油率較高,分別為50.1%、48.23%,比其他酶種類提高幅度要大。主要因為酶具有專一性[11],Aparna S等學(xué)者研究復(fù)合酶的添加對油脂的提取有協(xié)同作用,可顯著增加物料出油率[16]。故只使用一種酶具有局限性,所以考慮使用復(fù)合酶的方法來最大限度的提高出油率。

2.2.2復(fù)合酶的篩選復(fù)合酶的出油率如圖3所示。由方差分析可知,兩種酶復(fù)配時,堿性蛋白酶與果膠酶混合出油率高于其他兩種酶復(fù)合的出油率,三種酶復(fù)配要顯著優(yōu)于兩種酶復(fù)配效果,同時發(fā)現(xiàn)三種酶復(fù)配時各種酶依次添加的順序也影響著米糠的出油率,堿性蛋白酶、纖維素酶和果膠酶的混合中先添加堿性蛋白酶比最后添加時出油率要高出3.35%,堿性蛋白酶、纖維素酶和葡聚糖酶的混合中先添加堿性蛋白酶比最后添加時出油率要高出4.10%,發(fā)現(xiàn)先加堿性蛋白酶對出油率有一定的提高作用,這是由于先加堿性蛋白酶使米糠脂蛋白先酶解,使蛋白質(zhì)中的長肽變成短肽并且釋放出油脂,而經(jīng)過蛋白酶分解過后,形成的水包油型乳狀液不穩(wěn)定,較容易破壞,可釋放更多的油脂。侯真真學(xué)者在研究水酶法提取火麻子油時發(fā)現(xiàn)先加蛋白酶有較好的效果[17],得出相似的結(jié)論。故選擇堿性蛋白酶、纖維素酶和果膠酶這三種酶復(fù)合。

圖3　復(fù)合酶的種類對米糠油的提取率效果Fig.3　Effect of composite enzyme on the extraction efficiency of rice bran oil注：1：纖維素酶+堿性蛋白酶，2：纖維素酶+果膠酶，3：纖維素酶+葡聚糖酶，4：堿性蛋白酶+果膠酶，5：堿性蛋白酶+葡聚糖酶，6：果膠酶+葡聚糖酶，7：堿性蛋白酶+纖維素酶+果膠酶，8：纖維素酶+果膠酶+堿性蛋白酶，9：堿性蛋白酶+纖維素酶+葡聚糖酶，10：葡聚糖酶+纖維素酶+堿性蛋白酶。

2.2.3復(fù)合酶比例對出油率的影響酶總的添加量為1.2%,堿性蛋白酶、纖維素酶和果膠酶按一定得比例配比,如圖4所示。由方差分析可知,當(dāng)復(fù)合酶的比例為1∶2∶1時,出油率達(dá)到較高為77.49%,高于其他配比。這是因為米糠中大約含有8%～12%的粗纖維[18],酶量添加少,起不到顯著效果,所以需要增加纖維素酶用量來充分破除米糠的細(xì)胞壁。

圖4　復(fù)合酶比例對米糠油的提取率效果Fig.4　Effect of the proportion of composite enzyme on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3酶解單因素實驗結(jié)果

2.3.1料液比對出油率的影響由圖5可知,隨著料液比的增加米糠的出油率明顯增加,達(dá)到料液比1∶6時出油率最高。這是因為水起到溶解酶的作用,讓酶加速細(xì)胞壁的分解,有利于提高出油率,但由于料液比的持續(xù)增加,米糠的出油率反而降低。這是因為隨著料液比的繼續(xù)增加,蛋白質(zhì)析出較多,形成較多的乳狀液,形成水包油型的物質(zhì),使一部分油無法分離。所以在此條件下1∶6時最適合,出油率較高。

圖5　料液比對米糠出油率的影響Fig.5　Effect of solid-to-liquid ratio on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3.2酶解溫度對出油率的影響從圖6可知,隨著酶解溫度的升高,米糠的出油率先逐漸增加,當(dāng)達(dá)到50 ℃時出油率達(dá)到最高,之后隨著溫度的升高,米糠的出油率反而降低。因為大部分酶都有各自適合的酶解溫度,表現(xiàn)出較強的活力來分解植物細(xì)胞壁,釋放出更多的油脂;當(dāng)溫度高于酶的最適溫度時,酶失去活力,不能作用于米糠中,使出油率降低。所以,在此條件下復(fù)合酶的最適溫度為50 ℃。

圖6　酶解溫度對米糠出油率的影響Fig.6　Effect of enzyme temperature on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3.3酶添加量對出油率的影響由圖7可知,當(dāng)酶量逐漸加大時,米糠出油率顯著增加,當(dāng)酶的添加量在1.4%之后趨于穩(wěn)定略有提高,且酶的添加比例為1∶2∶1,這是因為米糠中的米糠油基本釋放出來,酶量增加出油率增加不明顯,還造成成本極大的浪費,所以在此條件下酶添加量為1.4%較合適。

圖7　酶添加量對米糠出油率的影響Fig.7　Effect of enzyme dosage on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3.4酶解時間對出油率的影響圖8表明,隨著酶解時間的增長,米糠的出油率逐漸增加,當(dāng)?shù)竭_(dá)5 h時,米糠的出油率最高為88.49%,在5 h之后趨于平緩,但在6 h之后,出油率略有下降,隨著酶解時間的增加,使酶充分的與米糠反應(yīng),分解植物細(xì)胞壁釋放更多的油脂。但時間較長卻能形成較多乳狀液,不易破乳。所以選取5 h為最適酶解時間。

圖8　酶解時間對米糠出油率的影響Fig.8　Effect of enzyme time on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3.5超聲波功率對出油率的影響研究不同超聲波功率對米糠出油率的影響。如圖9所示。隨著超聲波功率的增加,米糠的出油率逐漸增大,當(dāng)達(dá)到230 W時,出油率最高。因為超聲波有利于植物細(xì)胞壁的分解有助于油的提取,當(dāng)230 W時,反而出油率降低,是因為細(xì)胞壁破碎過小,形成了乳狀油,不利于油脂的分離。所以未必超聲波功率越高越好。

圖9　超聲波功率對米糠出油率的影響Fig.9　Effect of ultrasonic power on the extraction efficiency of rice bran oil

2.3.6超聲波時間對出油率的影響由圖10所示,當(dāng)酶解條件一定時,超聲波功率為230 W時,隨著超聲波時間的增加米糠出油率先增加后減少。時間較長反而影響實驗的效果。當(dāng)在20 min時,出油率最高達(dá)到89.19%。

圖10　超聲波時間對米糠出油率的影響Fig.10　Effect of ultrasonic duration on the extraction efficiency of rice bran oil

表2　響應(yīng)面分析實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2　The design and result of response surface analysis test

2.4酶解條件響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計

回歸方程:

Y=89.82+0.54A+0.52B+5.00C+1.74D-0.39AB-0.08AC+0.61AD-0.22BC-0.043BD-1.01CD-5.30A2-4.06B2-4.04C2-1.37D2

根據(jù)表3可知,回歸方程模型F值為60.7,p<0.0001表現(xiàn)為極顯著,且方程失擬項p值為0.2444(p>0.05),表現(xiàn)為不顯著,表明該方程對實驗數(shù)據(jù)擬合度良好,預(yù)測值和真實值之間有良好的相關(guān)性。模型的方差分析結(jié)果中總模型的均方和為98.38%,即回歸方程中所有自變量的變化可以解釋98.38%的因變量變化,米糠油的提取過程影響因素較多,而且實驗的偶然誤差也不可避免,因此說明該建模能用于米糠油的超聲波提取工藝優(yōu)化。由F檢驗可知,顯著性的大小依次為C>D>A>B,說明水酶法輔助超聲波提取米糠油的影響因素大小依次為超聲波功率>酶添加量>酶解溫度>酶解時間。

圖11是交互作用對米糠出油率影響的響應(yīng)面優(yōu)化圖和等高線圖,從圖中可看出,CD對米糠出油率有顯著的交互作用。等高線為橢圓形,響應(yīng)面曲面越陡,交互作用越顯著,若等高線為圓形,則表示交互作用不顯著。從圖中可知超聲波功率與酶添加量具有較好的交互作用,其他交互作用不明顯。在實際操作過程中,一定要嚴(yán)格控制超聲波功率和酶添加量,可以適當(dāng)?shù)臏p少酶解時間。

圖11　交互作用響應(yīng)面與等高線圖形Fig.11　Response surface and contour graph

2.5驗證實驗

根據(jù)模型預(yù)測最佳工藝條件為:酶解溫度為50.71 ℃,酶解時間5.04 h,超聲波功率228.12 W,酶添加量為1.38%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),理論出油率達(dá)到91.64%。在料液比1∶6,酶添加量為1.38%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解溫度設(shè)定為51 ℃,酶解pH按說明書調(diào)節(jié),酶解時間為5 h,超聲波功率為230 W,超聲時間20 min,此條件下,做三次平行實驗,米糠的出油率為90.53%。說明響應(yīng)面理論值與實驗值吻合較好。

表3　響應(yīng)面實驗回歸與方差分析結(jié)果Table 3　Results of regression and variance analysis for response surface experiment

注:*,0.01

3　結(jié)論

本實驗利用復(fù)合酶的方法并通過超聲波輔助來優(yōu)化米糠油的提取條件,通過實驗可知,復(fù)合酶比單一酶更容易使米糠細(xì)胞壁分解完全,超聲波輔助能使米糠中的油脂充分釋放。利用響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳酶解條件為:料液比1∶6,酶添加量為1.38%(堿性蛋白酶∶纖維素酶∶果膠酶=1∶2∶1),酶解溫度設(shè)定為51 ℃,酶解pH按說明書調(diào)節(jié),酶解時間為5 h,超聲波功率為230 W,超聲時間20 min。此條件下得到米糠的出油率為90.53%。

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Research of technology of extraction oil from rice bran with ultrasonic assisted aqueous enzymatic

QIU Zi-bing,LIU Fa-xian,FU Lei,YAO Di,YU Chang-qing*

(College of Food Science,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)

To improve the rice bran oil yield,using ultrasonic assisted aqueous enzymatic method and the demulsify the emulsion,the optimum technological conditions were obtained.The effect of the type,proportion,dosage of enzyme and the hydrolysis conditions on the extraction of rice bran oil was investigated.On the basis of single factor,the Box-Benhnken response surface experiment was carried out.The optimum parameters of the extraction process was solid-to-liquid ratio of 1∶6,hydrolysis temperature of 51 ℃,hydrolysis time of 5 h,the ultrasonic power of 230 W,ultrasonic time of 20 min,hydrolysis dosage of 1.38%(alkaline protease∶compound cellulase∶pectinase=1∶2∶1).Under these optimal hydrolysis conditions,the yield efficiency of rice bran oil was up to 90.53%.

rice bran oil;ultrasound;aqueous enzymatic;response surface

2015-10-12

仇梓冰(1991-),女,碩士研究生,研究方向：功能性食品,E-mail:qiuzb1991@163.com。

于長青(1969-),男,博士,教授,研究方向：畜產(chǎn)品加工和功能性食品研究與開發(fā),E-mail:spxyycq@126.com。

黑龍江省高校創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)計劃項目(2014TD006)。

TS201.2

B

1002-0306(2016)09-0250-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.040