葵花籽油的酶輔助壓榨制備工藝優(yōu)化

郭紫婧 趙修華 祖元?jiǎng)?王思瑩 劉佩巖

(東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

葵花籽是世界重要油料資源之一，且其種植地在我國(guó)分布廣泛，是我國(guó)主要的油料作物之一?？ㄗ延鸵云洫?dú)特的營(yíng)養(yǎng)保健作用成為人們最喜愛(ài)的食用油?？ㄗ延椭詡涫芮嗖A，主要在于它含油量高，籽仁含油平均高達(dá)50%[1]，其味道芳香可口；并且含有90%的不飽和脂肪酸，其中亞油酸占66%，還含有VE、植物固醇磷脂、胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)成分，具有調(diào)節(jié)新陳代謝、維持血壓平衡、降低血液中膽固醇含量等作用[2]。

在《花生油、葵花籽油系列國(guó)標(biāo)研討會(huì)》中指出：花生、葵花籽是我國(guó)百姓喜愛(ài)的干果型食品，花生油、葵花籽油是消費(fèi)者公認(rèn)的高端食用油脂，在制修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一定要認(rèn)真貫徹“適度加工”的原則，為最大程度保存油料固有的營(yíng)養(yǎng)成分和最大限度地防范因過(guò)度加工而導(dǎo)致有害有毒物質(zhì)的產(chǎn)生。

目前提取葵花籽油的主要方法有壓榨法、有機(jī)溶劑法和水酶法[3]。壓榨法榨出的油可以保留葵花籽油的特有風(fēng)味，但出油率普遍較低。壓榨法分為冷榨法和熱榨法，冷榨葵花籽油的顏色較淺，澄清透明，整體的外觀(guān)表現(xiàn)較好但出油率較低；熱榨葵花籽出油率較高，但油顏色深，不飽和脂肪酸受熱易氧化。有機(jī)溶劑法提油效率高，過(guò)氧化值低，但存在溶劑殘留問(wèn)題，導(dǎo)致食用安全性較差并造成環(huán)境污染。酶具有改善食品品質(zhì)和加工性能，在食品工業(yè)中應(yīng)用日益深入和廣泛。酶可以作為降解植物細(xì)胞壁和油體蛋白的手段，進(jìn)而釋放油脂[4]。已有水酶法提取葵花籽油的工藝報(bào)道，雖然獲得油脂的品質(zhì)較好，但在酶解過(guò)程中加水量較大，使后續(xù)油水分離困難；冷榨法油脂雖然品質(zhì)好，但出油率偏低。

理論上講，酶輔助壓榨法制得的葵花籽油，既可以降低榨油溫度來(lái)保持葵花籽的特殊風(fēng)味，又可以避免過(guò)度加工所造成的食品安全問(wèn)題，還可以更充分地利用原料，避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。本文擬采用酶輔助壓榨法制備葵花籽油，優(yōu)化其最優(yōu)制備條件，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)葵花籽：市售脫殼葵花籽(含水量約為8%，含油量約為54.93%)，產(chǎn)地為內(nèi)蒙古巴彥淖爾。

(2)纖維素酶(50 μ·mg-1)、α-淀粉酶(50 μ·mg-1)和酸性蛋白酶(50 μ·mg-1)由上海源葉生物科技有限公司提供；果膠酶(50 μ·mg-1)、堿性蛋白酶(50 μ·mg-1)和中性蛋白酶(50 μ·mg-1)均由西安隆茂生物科技有限公司提供。

1.1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

粉碎機(jī)：CRC公司；AB204-S/FACT電子天平：METTLER TOLEDO股份有限公司；PE 1600電子稱(chēng)：METTLER TOLEDO股份有限公司；B-491熱水浴鍋：BUCHI實(shí)驗(yàn)室技術(shù)服務(wù)有限公司；鼓風(fēng)干燥式烘箱：THERMO FISHER SCIENTIFIC股份有限公司；榨油機(jī)：六木牌SG30-2D小型家用榨油機(jī)；cu-5000離心機(jī)：DAMON公司；索氏提取器：KIMAX玻璃器皿。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 葵花籽油制取的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將去殼葵花籽稍微粉碎，過(guò)10目篩，稱(chēng)取適量葵花籽粉末備用；

(2)稱(chēng)取適量超純水，調(diào)至適宜pH值；

(3)稱(chēng)取適量酶，加入適宜pH值的超純水中，混勻，制成酶液；

(4)將酶液噴灑至備用的葵花籽粉末中，攪拌均勻；

(5)將灑入酶液的葵花籽放入適溫的恒溫水浴鍋中反應(yīng)若干小時(shí)，每30 min攪拌1次；

(6)將酶解后的葵花籽60℃烘干2 h至含水量低于5%；

(7)將烘干的葵花籽榨油，榨油溫度控制在35℃(±5℃)，壓榨3遍；

(8)將毛油進(jìn)行離心(5 000 r·min-1，10 min)，得到清油，稱(chēng)重并計(jì)算出油率。

(9)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以平均數(shù)作為某一條件下出油率結(jié)果。

1.2.2 葵花籽含油率測(cè)定方法

在酶輔助榨油單因素實(shí)驗(yàn)之前，采用索氏提取法[5]對(duì)葵花籽原料的含油率進(jìn)行了測(cè)定。稱(chēng)取粉碎后的葵花籽原料5 g，并包裹入濾紙筒內(nèi)，將濾紙筒放入抽提筒內(nèi)，連接脂肪燒瓶，加入石油醚至瓶?jī)?nèi)容積的2/3處，通入冷凝水，將底瓶浸沒(méi)在恒溫水浴鍋中75℃加熱，回流提取6 h，提取完畢后將脂肪瓶旋蒸至恒重，稱(chēng)重，計(jì)算葵花籽含油率。重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取平均值。算公式：

(1)

式中：X為葵花籽原料的含油率(%);m為投入的葵花籽原料質(zhì)量(g);m0為脂肪燒瓶的質(zhì)量(g);m1為葵花籽油和脂肪燒瓶的質(zhì)量(g)。

1.2.3 葵花籽冷榨法出油率測(cè)定方法

為了更好地體現(xiàn)酶輔助榨油法對(duì)提油率的影響，在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行了葵花籽原料冷榨出油率測(cè)定。將葵花籽烘干至含水率低于5%，稱(chēng)取200 g烘干后的葵花籽放入榨油機(jī)中榨油，反復(fù)榨取3次，將榨出的毛油離心，并將離心后的清油稱(chēng)重，計(jì)算出油率。將實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。計(jì)算公式：

(2)

式中：X為出油率(%);m為投入的葵花籽原料質(zhì)量(g);m1為葵花籽清油質(zhì)量(g)。

1.2.4 酶輔助壓榨法對(duì)葵花籽出油率的影響

實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，從酶的種類(lèi)、酶的添加量、pH值、液料比、酶解溫度和酶輔助壓榨法時(shí)間六個(gè)方面考察了不同的酶反應(yīng)條件對(duì)葵花籽出油率的影響，最后得到提油效率最高的工藝條件。

1.2.4.1 酶種類(lèi)對(duì)葵花籽出油率的影響

油料作物中含有多種成分，由于酶在酶解過(guò)程中的專(zhuān)一性[6]，所以需要確定不同種類(lèi)的酶對(duì)油提取效率的影響。劉媛媛[7]采用水酶法提取葵花籽油的研究中，測(cè)試了不同酶對(duì)葵花籽油提取效率的影響，其中果膠酶、α-淀粉酶、纖維素酶、酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶對(duì)提油效率有較大提高。本實(shí)驗(yàn)將采用果膠酶、α-淀粉酶、纖維素酶、酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，最后確定對(duì)提油效率影響最大的酶的種類(lèi)。

1.2.4.2 酶添加量對(duì)葵花籽出油率的影響

在不考慮底物數(shù)量的條件下，反應(yīng)的速率和酶的添加量成正相關(guān)，然而，酶具有高效性，即在底物數(shù)量一定的情況下，由于酶的催化活性很高，當(dāng)酶添加到一定量的時(shí)候，反應(yīng)速率達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)添加酶也不會(huì)使反應(yīng)速率增加。相反，繼續(xù)增大酶量很可能會(huì)導(dǎo)致酶相互附著，降低酶與底物的傳質(zhì)效率，反而降低反應(yīng)效率[8]。從反應(yīng)效率和生產(chǎn)成本方面考慮，本實(shí)驗(yàn)將酶與原料的質(zhì)量比設(shè)置為0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%，最后確定最佳酶添加量。

1.2.4.3 pH值對(duì)葵花籽出油率的影響

pH是酶解工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)酶的活性和油與蛋白質(zhì)的分離、提取具有一定影響。不同種類(lèi)的酶對(duì)pH條件的要求也不同，在最適pH時(shí)，酶分子才能發(fā)揮最大活性和最佳效率。經(jīng)查閱資料[9～13]得，果膠酶的適宜pH條件為3.0～5.0；α-淀粉酶的適宜pH條件為5.0～7.0；纖維素酶的適宜pH條件為3.5～6.5；酸性蛋白酶的適宜pH條件為2.5～5.0；堿性蛋白酶的適宜pH條件為9.0～11.0；中性蛋白酶的適宜pH條件為7.0～8.0。本實(shí)驗(yàn)將先確定最佳酶種類(lèi)，再根據(jù)實(shí)際使用的酶進(jìn)行pH條件的篩選，最后確定最佳pH值。

1.2.4.4 液固比對(duì)葵花籽出油率的影響

水可以促使酶更好地溶解，從而使酶更好地與底物接觸，增加酶解的效率[14]。但加水量過(guò)多會(huì)影響油料作物的天然香味，并且增加后續(xù)榨油的操作難度。加水量過(guò)少則會(huì)致使酶無(wú)法與底物均勻接觸，進(jìn)而降低酶解效率，造成油的提取率增加不明顯的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)將液固比條件梯度設(shè)置為15%、20%、25%、30%和35%，最后確定最佳的液固比。

1.2.4.5 酶解溫度對(duì)葵花籽出油率的影響

在酶解過(guò)程中溫度對(duì)提油率的影響也很重要，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使酶失去活性，降低反應(yīng)速率，油和蛋白質(zhì)的品質(zhì)也會(huì)受到影響。和pH條件一樣，每一種酶都有自己的適宜溫度。經(jīng)查閱資料[15～18]得，果膠酶的適宜反應(yīng)溫度為15～55℃；α-淀粉酶的適宜酶解溫度為60～90℃；纖維素酶的適宜酶解溫度為40～60℃；酸性蛋白酶的適宜酶解溫度為30～50℃；堿性蛋白酶的適宜酶解溫度為25～70℃；中性蛋白酶的適宜酶解溫度為40～50℃。本實(shí)驗(yàn)將在確定最佳酶種類(lèi)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行溫度條件的篩選，最后確定最佳酶解溫度。

1.2.4.6 酶解時(shí)間對(duì)葵花籽出油率的影響

酶解時(shí)間也會(huì)影響油料作物的提油率。酶解時(shí)間過(guò)短會(huì)使油料不能夠有效地酶解，造成提取率低；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致油品質(zhì)下降，且在酶解一定時(shí)間后對(duì)提取率的增加不明顯，造成能源浪費(fèi)。本實(shí)驗(yàn)將時(shí)間條件梯度設(shè)置為：1.5、2、2.5、3和3.5 h，最后確定最佳反應(yīng)時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 葵花籽含油率

采用索氏提取法提取對(duì)葵花籽原料的含油率進(jìn)行了測(cè)定。經(jīng)過(guò)3次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到葵花籽原料的含油率是54.93%。

2.2 葵花籽冷榨法出油率

采用冷榨法對(duì)葵花籽原料的出油率進(jìn)行了測(cè)定。經(jīng)過(guò)3次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后得到葵花籽冷榨出油率為13.41%。

2.3 酶輔助壓榨法工藝條件的確定

2.3.1 酶的確定

不同酶的適宜溫度和適宜pH不同，每一種酶的溫度條件和pH條件也有所區(qū)別。果膠酶：50℃，pH=3.0；α-淀粉酶：70℃，pH=6.0；纖維素酶：55℃，pH=4.5；酸性蛋白酶：40℃，pH=4.0；堿性蛋白酶：50℃，pH=10.0；中性蛋白酶：45℃，pH=7.5。在各種酶適宜的溫度和pH、酶添加量為0.5%、液固比30%、酶解時(shí)間3 h條件下，各種酶對(duì)葵花籽出油率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 酶篩選實(shí)驗(yàn)Fig.1 The experiment of enzyme screening

由圖1可知，使用酶輔助壓榨法可以大大提高冷榨葵花籽的出油率。其中，纖維素酶對(duì)出油率的提高最為明顯，比傳統(tǒng)冷榨法的出油率提高了2倍以上。而使用果膠酶反應(yīng)的樣品，在烘干后出現(xiàn)發(fā)粘的現(xiàn)象，使油脂不容易壓榨出來(lái)，導(dǎo)致果膠酶樣品的出油率與其他樣品的出油率有較大差距。根據(jù)酶種類(lèi)篩選的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)所選用的酶為纖維素酶。

2.3.2 酶添加量的確定

在使用纖維素酶、pH=4.5、液固比30%、酶解溫度55℃、酶解時(shí)間3 h的條件下，酶添加量與原料的質(zhì)量比分別設(shè)置為0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%。不同酶添加量對(duì)葵花籽出油率的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著酶添加量的增加，出油率也在不斷上升，在0.7%時(shí)達(dá)到最高水平，保持一段平穩(wěn)之后大幅度下降。查閱資料得知，當(dāng)酶添加到一定量的時(shí)候，反應(yīng)速率達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)添加酶也不會(huì)使反應(yīng)速率增加。但酶添加量過(guò)多，即0.9%、1%時(shí)，樣品出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，阻礙了榨油時(shí)油脂的釋放，故導(dǎo)致出油率大幅下降。根據(jù)酶添加量單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)所選用的酶添加量為0.7%。

2.3.3 pH值的確定

在使用纖維素酶、酶添加量0.7%、液固比30%、酶解溫度55℃、酶解時(shí)間3 h的條件下，根據(jù)纖維素酶反應(yīng)時(shí)適宜的pH區(qū)間，將pH值分別設(shè)置為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0和6.5。不同pH值對(duì)葵花籽出油率的影響見(jiàn)圖3。

圖2 酶添加量對(duì)出油率的影響Fig.2 The effects of enzyme dose on oil yield

圖3 pH值對(duì)出油率的影響Fig.3 The effects of pH on oil yield

圖4 液固比對(duì)出油率的影響Fig.4 The effects of liquid-solid ratio on oil yield

由圖3可知，在纖維素酶反應(yīng)時(shí)適宜的pH區(qū)間中，pH條件對(duì)葵花籽出油率影響不大。在pH值為4.5時(shí)，出油率最高。根據(jù)pH值單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)將纖維素酶的最適pH確定為4.5。

2.3.4 液固比的確定

在使用纖維素酶、酶添加量0.7%、pH=4.5、酶解溫度55℃、酶解時(shí)間3 h的條件下，將水與原料的質(zhì)量比，即液固比分別設(shè)置為15%、20%、25%、30%和35%。不同液固比對(duì)葵花籽油的出油率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，液固比對(duì)葵花籽出油率的影響較大。隨著液固比的增加，出油率呈上升狀態(tài)，在25%時(shí)到達(dá)最高值，在30%～35%區(qū)間大幅度下降。液固比較小時(shí)，體系粘度較大，不利于酶分子與原料充分接觸，而液固比較大時(shí)，加速了油脂與原料的分離，使樣品在烘干后損失了部分油脂，導(dǎo)致榨油時(shí)出油率較低。根據(jù)液固比單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)確定的液固比為25%。

2.3.5 酶解溫度的確定

在使用纖維素酶、酶添加量0.7%、pH=4.5、液固比25%和酶解時(shí)間3 h的條件下，根據(jù)纖維素酶解的適宜溫度區(qū)間，將溫度條件設(shè)置為40、45、50、55和60℃。不同溫度對(duì)葵花籽出油率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 溫度對(duì)出油率的影響Fig.5 The effects of temperature on oil yield

圖6 時(shí)間對(duì)葵花籽出油率的影響Fig.6 The effects of time on oil yield

由圖5可知，溫度是影響酶解的一個(gè)重要條件。在纖維素酶酶解適宜的溫度區(qū)間中，隨著溫度的升高，葵花籽的出油率呈大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，在溫度為55℃時(shí)到達(dá)頂峰。根據(jù)溫度條件單因素試驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)確定的酶解溫度為55℃。

2.3.6 酶解時(shí)間的確定

在使用纖維素酶、酶添加量0.7%、pH=4.5、液固比25%和酶解溫度55℃的條件下，將酶解時(shí)間設(shè)置為1.5、2、2.5、3和3.5 h。溫度條件對(duì)葵花籽油出油率的影響見(jiàn)圖6。

由圖6可知，酶解達(dá)到一定時(shí)間后，葵花籽出油率到達(dá)了較高水平，之后趨于平穩(wěn)，稍有降低，但長(zhǎng)時(shí)間的酶解對(duì)生產(chǎn)成本和油的品質(zhì)都不利。根據(jù)時(shí)間條件單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)確定的酶解時(shí)間為2.5 h。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)上述單因素實(shí)驗(yàn)分析，得到酶輔助壓榨法制備葵花籽油的最佳工藝條件為：選用纖維素酶，酶添加量為原料質(zhì)量的0.7%，pH=4.5,液固比為25%，酶解溫度為55℃，酶解時(shí)間為2.5 h。在最優(yōu)條件下，葵花籽的出油率為46.72%，葵花籽油提取率為85%。

(2)在相同榨油溫度(35℃±5℃)和含水率(≤5%)條件下，傳統(tǒng)冷榨法得到的葵花籽出油率為13.41%，酶輔助壓榨法葵花籽油的出油率是傳統(tǒng)冷榨法的3.48倍。

(3)在覃建龍[19]等人對(duì)葵花籽油提取的研究中所提到的冷榨法葵花籽油提取率為53.69%，在王旭[20]等人對(duì)葵花籽油酶法提取的研究中，最佳工藝條件下的葵花籽油提取率為80.94%。本實(shí)驗(yàn)用酶輔助壓榨的方法，經(jīng)過(guò)工藝條件優(yōu)化，所得到的葵花籽油提取率為85%。而且酶輔助壓榨法制備葵花籽油，不但保留了傳統(tǒng)壓榨法油脂氣味香濃的特點(diǎn)，還很大程度改善了傳統(tǒng)壓榨法出油率低的問(wèn)題，更避免了浸提法帶來(lái)的食品安全問(wèn)題，充分體現(xiàn)了健康、味美、綠色、環(huán)保的植物油發(fā)展理念。