水酶法提取堅果油的研究進(jìn)展

張根生*，謝春麗，王鐵鈞，倪雪，丁一丹

哈爾濱商業(yè)商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院（哈爾濱 150076）

近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對食用油脂的品質(zhì)問題逐漸重視，除了傳統(tǒng)動植物油外，堅果油的營養(yǎng)安全問題漸漸走入人們的視線。堅果是植物的果實(shí)，是天然的綠色食品[1]，油脂含量大多在40%以上，是優(yōu)質(zhì)食用油的原材料。因此，通過研究高效、綠色的油脂提取技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)。

常見的提油方法主要有壓榨法、有機(jī)溶劑法、擠壓膨化-浸出法、超臨界CO2萃取法、水酶法等。水酶法是近些年發(fā)展起來的一種新型提油技術(shù)，其原理是在機(jī)械破碎的基礎(chǔ)上，通過酶制劑溶解細(xì)胞壁或細(xì)胞中的可溶性物質(zhì)，利用非油成分對水、油的親和力的不同以及油水比重不同的特點(diǎn)將油分離出來[2]。與其他提油方法相比，水酶法提油技術(shù)簡單、操作安全、效率高、污染少[3]。其工藝流程包括原料預(yù)處理、配液、調(diào)節(jié)溫度和pH、酶解、滅酶、離心、破乳、收集游離油等。隨著水酶法提取堅果油脂技術(shù)的不斷進(jìn)步，其研究重點(diǎn)主要集中在堅果的預(yù)處理、細(xì)胞壁的破除和破乳工藝上，其中酶制劑是其工藝技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此有很多學(xué)者對花生油、核桃油等堅果油水酶法提取進(jìn)行大量研究[4-9]。綜述水酶法提取堅果油的研究現(xiàn)狀及存在問題，為該技術(shù)在提取堅果油中的應(yīng)用及研究提供參考。

1 堅果油水酶法提取前處理工藝研究進(jìn)展

水酶法提取堅果油脂時，出于對反應(yīng)時間和游離油得率的考慮，需要在提取油脂之前對堅果種子進(jìn)行前處理。堅果種子的破碎程度對提油效果有很大影響，若細(xì)胞壁得到充分破壞，細(xì)胞中的水溶性成分易于溶出，擴(kuò)大生物酶的作用面積和擴(kuò)散速率[10]。水酶法提取堅果油脂的預(yù)處理多采取機(jī)械破碎，破碎方法包括干磨法和濕研磨法[11]，一般堅果種子破碎時所采用的破碎方法與堅果的種類和提取油脂工藝有關(guān)。

鄧博心等[12]在研究預(yù)烘烤對花生水酶法制油的油脂釋放行為及品質(zhì)的影響中，使用超微組織化粉碎機(jī)對花生進(jìn)行粉碎，可以達(dá)到破碎花生子葉細(xì)胞（長70～100 μm，寬12～20 μm）而使細(xì)胞內(nèi)容物充分暴露的效果，顯著提高油脂得率。朱凱艷等[13]采用小型中藥粉碎機(jī)對花生進(jìn)行粉碎，研究不同破碎程度對乳狀液的穩(wěn)定性及提油率的影響，結(jié)果表明在粉碎11次后花生體積的平均粒徑減小到28 μm時水酶法提油率達(dá)88.8%。若繼續(xù)破碎，乳化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，提油率降低。機(jī)械破碎法雖然會提高游離油的提油率，但該方法也存在一些不足之處，如在一定范圍內(nèi)，細(xì)胞的破碎程度越大提油率越高，但如果顆粒過小則會加大后續(xù)破乳工藝的難度。張偉光等[14]在水酶法提取冬瓜籽油時，發(fā)現(xiàn)油脂的提取率與冬瓜籽顆粒體積的大小有很大關(guān)系，研究表明粒徑超過60目時，油脂提取率會下降。Nyam等[15]對高含油量的瓜子進(jìn)行機(jī)械粉碎時，也表明粒徑體積對提油率有影響，若粒徑體積過小可能會造成粘連，嚴(yán)重影響得油率。采用濕法研磨的前處理方法提取堅果油尚未有報道，Pereira等[16]采用濕法研磨對大豆進(jìn)行預(yù)處理，可使水酶法提油率提高至88%左右。Dominguez等[17]研究發(fā)現(xiàn)其不足之處是濕法破碎的過程中容易導(dǎo)致磷脂和蛋白乳化造成乳狀液的產(chǎn)生，但也可為堅果由水酶法提取預(yù)處理工藝研究提供參考。機(jī)械破碎法對于原料破碎程度要求較高，在水酶法提取堅果油的過程中需將堅果油料粉碎至細(xì)胞大小水平，而目前工廠采用的破碎機(jī)械主要是齒輥破碎機(jī)、圓盤剝殼機(jī)、錘片式粉碎機(jī)等[18]，這些粉碎設(shè)備在工業(yè)化生產(chǎn)中很難做到將油料均勻地粉碎到細(xì)胞水平，達(dá)不到水酶法的要求。因此，如何選取適當(dāng)?shù)挠土掀扑榉椒捌扑槌潭扔写芯俊?/p>

2 堅果油水酶法提取破壁工藝研究進(jìn)展

水酶法提取堅果油時大多采用能夠降解堅果種子細(xì)胞壁或者對脂蛋白、脂多糖等有降解作用的生物酶。利用生物酶的酶解作用對堅果種子的細(xì)胞壁進(jìn)行破壞，使脂質(zhì)體中的油脂釋放出來，提高出油率[19]。酶法破壁是一種綠色、安全、營養(yǎng)的新方法，并受到青睞。在酶法破壁過程中，酶的種類、酶的用量及不同酶解條件對提油率有很大影響。

2.1 酶的種類及用量對油脂提取率的影響

不同種類的酶可以降解種子細(xì)胞中不同組分，選取恰當(dāng)?shù)拿割愐约昂线m的配比可以提高油脂提取率。水酶法提取堅果油脂工藝中常用的酶主要有纖維素酶、果膠酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶等。酶種類雖多，但由于不同種類的酶對于不同種類堅果的作用效果不盡相同，研究還沒有發(fā)現(xiàn)堅果油提取專用酶的存在，因此在破壁過程中酶的選擇是酶解的關(guān)鍵。在提取過程中酶的使用量也是不可忽視的問題，整個油脂的提取過程以及后續(xù)的破乳都需要酶的參與，這就提高了酶制劑的用量，生產(chǎn)成本也會隨之提高。

蛋白酶是水解蛋白質(zhì)肽鏈的一類酶的總稱，有研究表明蛋白酶能夠使嵌在細(xì)胞壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的蛋白水解，降低細(xì)胞壁的阻礙能力，細(xì)胞內(nèi)的蛋白和油脂更容易被釋放出來[20]。包怡紅等[21]通過實(shí)驗(yàn)證明在加酶量相同條件下，使用堿性蛋白酶時水酶法提取松籽油得率最高[22]。Li等[23]也得出相同結(jié)論，采用堿性蛋白酶對松籽進(jìn)行酶解時提取率達(dá)到89.12%。Latif等[24]分別研究Protex 7L（蛋白酶）、Kemzyme（α-淀粉酶、β-葡聚糖酶）、Alcalase 2.4 L（堿性蛋白酶）、Natuzyme（纖維素酶、木聚糖酶、植酸酶、α-淀粉酶、果膠酶）和Viscozyme L（戊聚糖復(fù)合酶）等多種酶對葵花籽水酶法提油率的影響，研究表明在其他條件一致的情況下，采用Viscozyme L的油脂提取率達(dá)到87.25%。此外，也有研究表明一些復(fù)合酶具有協(xié)同作用[25-26]，有利于油脂的提取率。胡濱等[27]在研究水酶法提取西瓜籽油時，采用復(fù)合酶對西瓜籽進(jìn)行破壁，再使用堿性蛋白酶酶解，西瓜籽油提取率達(dá)91.45%。

酶的添加量與酶的種類以及酶的活力有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，隨著酶使用量的不斷增加，堅果油脂的得率隨之升高[28]。若酶添加量過多，底物與酶充分反應(yīng)，考慮到酶本身屬于蛋白質(zhì)導(dǎo)致容易乳狀液的形成，同時也會造成酶的浪費(fèi)。季澤峰等[29]采用水酶法提取核桃油，結(jié)果表明酶濃度在0.6%～1.0%范圍內(nèi)充分反應(yīng)，隨著酶用量不斷增加，核桃的清油提取率呈上升趨勢，酶濃度為1%時，提油率可達(dá)51.69%。繼續(xù)增加酶用量，油脂得率不再增加。因此，選擇適宜的酶制劑種類及酶添加量是直接影響到水酶法能否應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2.2 不同酶解條件對油脂提取率的影響

在酶解堅果種子細(xì)胞壁過程中，影響酶解效果的因素有很多，但主要影響因素是溫度、pH和時間。在酶解過程中，酶解溫度應(yīng)該以既有利于酶解，又不會影響最終的油脂的品質(zhì)為前提。溫度過高，酶容易失活，導(dǎo)致油脂提取率較低；溫度過低，則會降低酶的活性，導(dǎo)致酶解速度下降，影響出油率以及最終的品質(zhì)。胡煒東等[30]提取南瓜籽油時使用纖維素酶，于47 ℃進(jìn)行酶解，南瓜籽油得率為89.12%。宋玉卿等[31]對酶法提取榛子油的工藝條件進(jìn)行研究，結(jié)果表明，酶解pH 7.5、酶解溫度45 ℃、酶解時間2 h、加酶量2%、料液比1︰5（g/mL）時，榛子提油率為85.2%。在酶解過程中酶解時間也需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，理論來說酶解時間越長油脂的提取率越高，但酶解時間過長會導(dǎo)致酶解過程中產(chǎn)生的乳狀液趨于穩(wěn)定，對后期破乳增加難度。王靜等[32]在提取碧根果油時發(fā)現(xiàn)，在堿性蛋白酶添加量2.05%、pH 12.15、酶解時間1.5 h條件下，碧根果油提取率為82.24%。若酶解超過1.5 h，會導(dǎo)致能耗和生產(chǎn)周期延長。除了酶解時間和酶解溫度之外，酶解時pH也是不可忽略因素，過高或過低均會破壞酶蛋白的空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致酶失活，因而選擇合適的酶解pH至關(guān)重要。若使用單一酶，則需要知道其適當(dāng)pH范圍。朱振寶等[33]對水酶法提取大扁杏仁油的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明Alcalase 2.4 L為最合適蛋白酶，酶解pH 9.0時油脂提取率可達(dá)72.1%。然而有時實(shí)際的酶解pH會與理論上的pH存在一些差異，需要特別注意。

3 堅果油水酶法提取破乳工藝研究進(jìn)展

雖然水酶法提取堅果油脂具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在水解過程中，蛋白質(zhì)、油、磷脂及其他一些大分子物質(zhì)比如淀粉、纖維素等同時被釋放，這些物質(zhì)相互結(jié)合，將油脂包裹在內(nèi)形成穩(wěn)定的乳化體系，導(dǎo)致酶解離心后直接回收得到的游離油非常有限，嚴(yán)重影響提油率，因此需要對這些乳狀液進(jìn)行破乳，而破乳方法是制約水酶法提取油脂工藝應(yīng)用的重要“瓶頸”問題，這一問題限制其在油脂提取工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[34-36]。如何有效地破除乳狀液提高油脂的提取率，成為水酶法提油技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

雖然乳化機(jī)制和破乳技術(shù)的研究較為成熟，但具體應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。破乳的核心主要是破壞乳狀液的界面張力致使乳狀液的穩(wěn)定性降低，因而使油滴被釋放出來。破乳的方法主要有4種，即物理方法、化學(xué)方法、生物酶法、聯(lián)合法。

3.1 物理方法

物理方法破乳主要是通過物理手段加速乳狀液中液滴的聚集使乳狀液失去穩(wěn)定性。王瑛瑤等[37]對如何破除水酶法提取花生蛋白和油脂過程中產(chǎn)生的乳狀液進(jìn)行研究，研究表明采用冷凍解凍的破乳法破乳率達(dá)91.6%。Van等[38]證實(shí)與其他破乳方法相比冷凍解凍法能更好地破壞乳狀液的穩(wěn)定性。Mat等[39]在綜述水酶法從油料種子中提取油脂及乳化法研究進(jìn)展中指出乳化液的含量與游離油的含量不可分離，采取離心分離的方式進(jìn)行破乳有很好效果。

3.2 化學(xué)方法

化學(xué)方法破乳是通過使用化學(xué)試劑改變?nèi)闋钜航缑婺さ男再|(zhì)，從而使乳狀液失去穩(wěn)定性。Li等[36]對水酶法提取花生油時將乳狀液的pH調(diào)節(jié)到花生蛋白的等電點(diǎn)，使乳狀液的游離油回收率達(dá)到85.71%。有一些研究表明在乳狀液中加入某些無機(jī)鹽，可能破壞蛋白質(zhì)雙電層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使油滴之間發(fā)生聚集達(dá)到破乳目的[40]。

3.3 生物酶法

生物酶法破乳則是通過生物酶的作用改變界面蛋白的分子結(jié)構(gòu)，使乳狀液界面膜發(fā)生改變，乳狀液失去其穩(wěn)定性達(dá)到破乳的目的。趙自通等[41]對水酶法提取花生油過程中產(chǎn)生的乳狀液采用木瓜蛋白酶進(jìn)行破乳，研究表明：在酶解溫度58 ℃、料液比1∶3（g/mL）、酶濃度1 400 U/g、酶解時間3 h條件下花生油的破乳率為93.44%±0.82%。Zhang等[42]在水酶法制取花生油的研究中發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶在酶解溫度55 ℃、酶添加量1 600 U/g條件下，破乳率達(dá)到94.0%。Li等[36]對水酶法產(chǎn)生的花生乳狀液用磷脂酶A1進(jìn)行破乳，結(jié)果表明油脂的得率隨著酶濃度的增加而增多，酶濃度1.5%時破乳率達(dá)到56.7%。

3.4 聯(lián)合法

聯(lián)合法破乳是指將物理法、化學(xué)法、生物酶法中的2種或者多種方法聯(lián)合使用。有文獻(xiàn)表明采用酶法聯(lián)合化學(xué)法進(jìn)行破乳有很好的效果。張根生等[43]在提取南瓜籽油的過程中，乳狀液的破除選擇酶法聯(lián)合化學(xué)法，破乳率由原來的88.39%增至95.47%。李楊等[44]對水酶法提取大豆油和蛋白時采用超聲輔助乙醇的破乳方法，其破乳率可在瞬時近100%，此方法應(yīng)該同樣適用于堅果油提取過程中乳狀液的破除。

水酶法中乳狀液的破除一直是水酶法生產(chǎn)和加工工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，也是油脂和蛋白質(zhì)提取的重要研究內(nèi)容。目前，中國水酶法提油工藝的開發(fā)與利用正處于起步階段，水酶法提取堅果油脂還有一個關(guān)鍵性問題就是工藝處理所產(chǎn)生的污水較多，若處理方法不妥，可能對周圍環(huán)境造成污染。此外，水酶法提油工藝水相中還含有適合微生物生長繁殖的成分，容易導(dǎo)致各種微生物的滋生[45]，所以水酶法制油過程中產(chǎn)生的廢水需要及時處理，若能再次對其進(jìn)行綜合開發(fā)利用，不僅可以降低水處理費(fèi)用，還可以提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

隨著油脂提取技術(shù)研究不斷深入，綠色、安全、高效的水酶法提油技術(shù)逐漸得到認(rèn)可，其工藝也在不斷優(yōu)化，提油率逐漸增高，將成為堅果油脂提取產(chǎn)業(yè)中的重要技術(shù)手段。堅果種子前處理過程中采用干法機(jī)械破碎的方式有利于細(xì)胞內(nèi)容物充分暴露，顯著提高油脂得率；濕法研磨破碎的方式還需進(jìn)一步研究。酶法破壁時應(yīng)根據(jù)堅果種子細(xì)胞壁的組成成分選擇恰當(dāng)?shù)拿讣昂线m添加量。破乳時采用生物酶法破乳率較高，且不會引入有害物質(zhì)，最終得到的油脂品質(zhì)高且耗能低，是今后研究重點(diǎn)方向。水酶法提取堅果油脂工藝較為成熟，但還存在前處理過程中堅果種子的粉碎程度很難掌握，酶法破壁過程中酶制劑使用量大、成本高，復(fù)雜乳狀液體系破乳效果不夠理想等問題。隨著這些問題不斷解決，更加高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的水酶法提油技術(shù)會為堅果油提取工業(yè)帶來快速發(fā)展。