水酶法提取籽瓜種子油脂工藝的優(yōu)化

羅述博 張 超 趙曉燕 馬 越 趙麗芹 李 武

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，呼和浩特 010018)

(北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心2，北京 100097)

籽瓜又名打瓜，屬西瓜屬普通西瓜種的栽培變種，主要分布于甘肅、內(nèi)蒙古和新疆等地。栽培這種瓜主要是為收籽瓜種子［1］。籽瓜種子含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素B、維生素D等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，單不飽和脂肪酸很高，適合高血壓和心腦血管疾病人食用。特別含有植物固醇這類物質(zhì)，可以降低血液里低密度膽固醇含量。在醫(yī)藥上，黑瓜子有降壓、緩解急性膀胱炎等作用，常吃能延年益壽［2－3］。

水酶法提取油脂在國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)報(bào)道。水酶法提油與壓榨法、浸出法等傳統(tǒng)工藝相比具有諸多優(yōu)點(diǎn):酶解條件溫和、溫度低、以水為提取溶劑，因而油質(zhì)量好、色澤淺、易于精煉，蛋白質(zhì)變性程度小，有利于綜合利用油料中的油脂和蛋白質(zhì)，能耗低，所得毛油及餅粕質(zhì)量都有所提高［4］。生產(chǎn)過程中相對(duì)能耗低，廢水的BOD和COD值大為下降，污染少。目前工業(yè)生產(chǎn)中，只有橄欖油的提取采用此方法。此前未見采用水酶法對(duì)籽瓜種子油脂提取的相關(guān)研究，因此，本試驗(yàn)利用水酶法提取籽瓜種子油脂，通過響應(yīng)面優(yōu)化其最佳工藝條件，為生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

籽瓜種子:民籽1號(hào)，甘肅省民勤縣金谷源農(nóng)業(yè)科技有限公司;中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、復(fù)合蛋白酶、纖維素酶上海江萊生物科技有限公司;果膠酶:諾維信公司。

1.2 儀器與設(shè)備

1030Analyzer定氮儀 HT1043脂肪快速提取器:瑞士Tetator公司;RT5加熱磁力攪拌器:德國(guó)IKA公司;DHG－9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:北京市雅士林試驗(yàn)設(shè)備有限公司;AL204電子天平、FE20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì):瑞士METTLER TOLEDO公司;FW100型萬能粉碎機(jī):天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

其中:籽瓜種子去殼后，利用萬能粉碎機(jī)破碎15 s;按照一定料液比加入水，用1 mol/L NaOH和1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)pH;300 r/min攪拌酶解一定時(shí)間，樣品加熱到100℃滅酶5 min;8 000 r/min離心分離20 min，保留殘?jiān)?，舍棄游離油、乳化層和水解液，將殘?jiān)裼?倍的蒸餾水洗滌，8 000 r/min離心分離5 min，棄去上層液體，收集殘?jiān)?將殘?jiān)?0℃隔夜烘干，測(cè)定油脂含量。

1.3.2 水酶法提取單因素試驗(yàn)

酶解時(shí)間對(duì)出油效率的影響:酶解時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h，加酶量3%，酶解溫度 45 ℃，酶解時(shí)間3 h。

加酶量對(duì)出油效率的影響:加酶量分別為1%、2%、3%、4%和5%(酶與底物質(zhì)量比)，溫度45℃，酶解時(shí)間3 h，料液比1∶6。

酶解溫度對(duì)出油效率的影響:酶解溫度分別設(shè)定在40、45、50、55、60 ℃，加酶量 3%，酶解溫度 45℃，酶解時(shí)間3 h。

料液比對(duì)出油效率的影響:料液比分別為1∶4、1∶5、1∶6、1∶7 和1∶8，加酶量 3%，溫度 45 ℃，酶解時(shí)間為3 h。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)工藝條件

選取酶濃度、酶解溫度、酶解時(shí)間和料液比為自變量，出油效率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)(表1)。

表1 籽瓜種子油脂提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4 檢測(cè)方法

含水量:參照 GB/T 5009.3—2003;灰分:參照GB/T 5009.4—2003;脂肪含量:參照 GB/T 5009.6—2003。

1.4 出油效率計(jì)算［5］

式中:A為原料籽瓜種子質(zhì)量/g;B為原料籽瓜種子含油率/%;C為酶解烘干后殘?jiān)|(zhì)量/g;D為酶解烘干后殘?jiān)吐?%。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽瓜種子主要成分

籽瓜種子(民籽1號(hào))的主要成分見表2。

表2 籽瓜種子的主要成分/%

2.2 酶種類的選擇

不同酶提取效果存在很大差異(圖1)，堿性蛋白酶提取效果最好，為73.5%，其次是復(fù)合蛋白酶，木瓜蛋白酶和中性蛋白酶比前兩者低。堿性蛋白酶的高提取率一方面可能是由于其性質(zhì)更容易與籽瓜種子蛋白發(fā)生相互作用，另一方面堿性蛋白酶的最適提取條件是在堿性環(huán)境下進(jìn)行的，高pH能增大蛋白的水解度，更有利于油脂的釋放［6］。纖維素酶和果膠酶的提取效果相較蛋白酶有很大差距。這與籽瓜種子本身的成分含量有關(guān)，其主要組成成分為油脂和蛋白質(zhì)，油脂大部分以脂多糖和脂蛋白的形式存在，蛋白酶的作用更有利于油脂從其中釋放［7］。

圖1 酶種類對(duì)籽瓜種子出油效率的影響

2.3 水酶法提取籽瓜種子油單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 加酶量對(duì)出油效率的影響

由圖2可知，隨著加酶量上升，出油效率也隨著提高，當(dāng)達(dá)到3%時(shí)出油效率穩(wěn)定。酶含量的增加，提高了對(duì)整個(gè)體系中蛋白質(zhì)溶解效果，更好釋放其中的油脂［8］。但進(jìn)一步增加酶用量，出油效率不會(huì)繼續(xù)上升，底物與酶的作用接近飽和?？紤]到加工成本等因素，選擇3%為最適宜的加酶量。

圖2 加酶量對(duì)籽瓜種子出油效率的影響

2.3.2 酶解溫度對(duì)出油效率的影響

圖3中顯示隨著溫度上升，提取率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到45℃之后，出油效率緩慢下降。這可能是因?yàn)槊笇?duì)底物作用都是在適宜條件下其體現(xiàn)最快的反應(yīng)速率，45℃應(yīng)該是所使用酶的最適反應(yīng)溫度，同時(shí)過高的溫度能夠?qū)е旅甘セ钚?，降低反?yīng)速率［9］。

圖3 酶解溫度對(duì)籽瓜種子出油效率的影響

2.3.3 酶解時(shí)間對(duì)出油效率的影響

圖4顯示隨著酶解時(shí)間延長(zhǎng)，出油效率上升，4 h后出現(xiàn)輕微下降。雖然時(shí)間延長(zhǎng)有利用油脂的提取，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物減少，反應(yīng)速度逐漸趨緩，出油效率不再上升［10］，同時(shí)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)是油脂中的不飽和脂肪酸發(fā)生氧化，降低油脂品質(zhì)［11］，因此，選取4 h較為合適。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)籽瓜種子出油效率的影響

2.3.4 料液比對(duì)出油效率的影響

圖5顯示隨著料液比增加，底物濃度上升，并呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在料液比為1∶6的情況下，出油效率達(dá)到最大值。料液比過小，體系流動(dòng)性差，不利于酶對(duì)底物的作用;料液比過大，整個(gè)體系中的酶濃度下降，同時(shí)底物與酶相互碰撞作用的機(jī)會(huì)減少，降低反應(yīng)速度［12］。因此1∶6為最適的料液比。

圖5 料液比對(duì)籽瓜種子出油效率的影響

2.4 響應(yīng)面分析方案與結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，結(jié)果見表3。建立油脂提取率與加酶量、酶解溫度、酶解時(shí)間和料液比4因子的數(shù)學(xué)二次多項(xiàng)回歸方程:

表3 籽瓜種子出油效率響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

表4顯示模型極顯著(P＜0.000 1)，因變量與所考察自變量之間的線性關(guān)系顯著(R2=0.945 2)，模型調(diào)整確定系數(shù)RAdj2=0.890 5，說明該模型能解釋89.05%響應(yīng)值變化，擬合程度高，失擬項(xiàng)不顯著(P ＞0.05)，能很好的對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)［13］。一次項(xiàng)X1、X3及二次項(xiàng) X22、X42表現(xiàn)為極顯著，說明他們對(duì)響應(yīng)值的影響極大，且所考察因素對(duì)響應(yīng)值影響不是單一線性關(guān)系［14－15］。影響因素主次順序?yàn)?加酶量＞時(shí)間＞溫度＞料液比。

表4 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

圖6顯示不同因素交互作用對(duì)提取率的影響，其中等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱［16－17］。在試驗(yàn)范圍內(nèi)尋找出油效率最高點(diǎn)，得到加酶量2.96%，酶解溫度44.4 ℃，酶解時(shí)間 2.86 h，料液比1∶5.74 時(shí)，油脂最高出油效率為 76.5%。

圖6 響應(yīng)曲面立體圖

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

在最佳工藝條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，所得出油效率平均值為76.3%，與回歸方程中最大出油效率76.5%的相對(duì)偏差為1.2%，說明該模型能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)際油脂提取情況。

3 結(jié)論

研究顯示堿性蛋白酶可以最有效的提高籽瓜種子的出油效率，響應(yīng)面分析結(jié)果顯示影響出油效率大小的因素依次為加酶量＞酶解時(shí)間＞酶解溫度＞料液比，其最佳提取條件為加酶量2.96%，酶解溫度44.4 ℃，酶解時(shí)間 2.86 h，料液比 1∶5.74，出油效率為 76.3%。

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