水酶法提取生物油脂的研究進展

榮 輝,吳兵兵,2,楊賢慶,*,李來好,胡 曉

(1.中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點實驗室,廣東廣州 510300;2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

水酶法提取生物油脂的研究進展

榮 輝1,吳兵兵1,2,楊賢慶1,*,李來好1,胡 曉1

(1.中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點實驗室,廣東廣州 510300;2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

本文闡述了水酶法提取生物油脂的研究概況,包括主要的工藝過程和特點以及相關(guān)的影響因素,并對當前水酶法提油的研究現(xiàn)狀和熱點進行了總結(jié),重點關(guān)注了水酶法提取微藻油的最新研究進展。提出了水酶法提油發(fā)展過程中有待解決的關(guān)鍵問題,并且展望了水酶法提取生物油脂的應(yīng)用前景。

水酶法,生物油脂,影響因素,提取

目前我國食用植物油的提取加工方法主要有物理法和化學法兩種,即壓榨法和有機溶劑浸出法。這兩種加工方法的提油率比較高,但在加工前多需要進行濕熱預(yù)處理,導致蛋白質(zhì)變性而降低了利用價值,不利于相關(guān)物質(zhì)的綜合利用,同時也破壞了油品的化學成分,導致油的顏色更深、更黑,進而導致油的品質(zhì)不佳。水酶法是一種新興的油脂提取方法,主要利用機械破碎油料,以水作為分解相,采用相關(guān)的酶(如蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、維生素酶等)在水相中水解油料細胞壁從而使油脂從油料中釋放出來。利用非油成分對油和水的親和力差異及油水比重不同將非油成分和油分離。本文就水酶法提油的工藝原理、影響因素以及應(yīng)用前景作了逐一論述,并對水酶法提取微藻油這一具有廣闊應(yīng)用前景的研究方向進行了重點論述。

1 水酶法提油技術(shù)的發(fā)展歷程

水酶法提油從提出至今已經(jīng)有四十多年的歷史[1]。20世紀70年代以來,隨著生物工程技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)化酶的生產(chǎn)大大降低了酶制劑的價格,應(yīng)用酶法提油也引起了國內(nèi)外相關(guān)專家以及學者的廣泛關(guān)注。1978年,Alder-Nisen[1]提出了大豆蛋白酶法改性制備等電可溶水解蛋白工藝,為酶法分離大豆油和蛋白質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)[2]。隨后的三十多年里,酶法分離植物油料中的油和蛋白質(zhì)等組分的研究已經(jīng)成為了國際上關(guān)注的重點,有關(guān)研究已經(jīng)涉及到各類油料,如茶籽[3]、大豆[4-5]、菜籽[6]、花生[7]、玉米胚芽[8]、葵花籽[9]、薔薇籽[10]等。Li[11]等研究負壓空化介導產(chǎn)生的氣穴加快水酶法(CAEE)從西葫蘆籽中提取油脂,研究表明:纖維素酶、果膠酶、蛋白酶的酶混合物可以用來提取西葫蘆籽油,采用Plakett-Burman設(shè)計以及中心復合法優(yōu)化,得出真空度-0.07 MPa、酶添加量1.05%、提取時間69 min的條件下西葫蘆籽油的提取率最大為58.06%。相比較索氏提取法(SE),CAEE所得油的氧化穩(wěn)定性更好,而且47.67%的亞油酸含量也比SE的44.51%高。

2 水酶法提油的工藝原理以及特點

油料中的油脂主要存在于油料細胞中,并且通常與其他大分子(如蛋白質(zhì),碳水化合物)相結(jié)合,形成“脂多糖”、“脂蛋白”等復合體[12]。植物油料細胞外有一層細胞壁,細胞壁主要是由纖維素,半纖維素,果膠和木質(zhì)素等組成。要想提取油脂,要先把細胞壁破壞,然后把油脂復合體破壞,這樣才可以提取出其中的油脂。水酶法提油技術(shù)是在油料破碎的基礎(chǔ)上,利用能降解油料細胞細胞壁,或者對脂蛋白、脂多糖等復合體有降解作用的酶作用于油料,使油脂從油料中釋放出來,增加油脂的流動性從而提高出油率。酶除了可以降解油料細胞細胞壁,分解脂多糖以及脂蛋白復合體外,還可以破壞油料在磨漿過程中所產(chǎn)生的包裹在油滴表面的脂蛋白膜,降低乳狀液穩(wěn)定性從而可以進一步提高出油率[13]。

水酶法提油作用條件溫和,并且與酶相關(guān)的降解產(chǎn)物不與油脂發(fā)生反應(yīng),可以有效地保護油脂以及蛋白質(zhì)和次級降解產(chǎn)物等,所得的油脂純度高,品質(zhì)好[14]。水酶法操作的溫度低,能耗低,幾乎不使用有機溶劑,提取工藝產(chǎn)生的廢水中的BOD與COD值相對較低,廢水比較容易處理,可以大幅降低對環(huán)境的污染[15]。并且相對于物理法和化學法提油,不需要進行脫膠處理,可以簡化油脂精煉工藝。因此水酶法具有綠色安全、投資少、能耗低、廢棄物易于利用和處理等優(yōu)點,在油脂工業(yè)中應(yīng)用前景十分廣闊[16-18]。

3 水酶法提油的影響因素

影響水酶法提油工藝的因素有很多,不同種類的油料油脂提取率也不同,但是油脂的提取率和蛋白質(zhì)的的回收率主要取決于油脂分離的傳質(zhì)過程以及酶水解作用的效果。因此本文主要討論這兩個過程中的相關(guān)影響因素。

3.1 油料的種類

不同種類的油料,性質(zhì)也不相同,如油脂含量、蛋白質(zhì)種類以及含量等都有所差異。比較Masni[19]等人提取油茶籽油工藝、Juliana[20]等人提取大豆油工藝、Robert[21]等人提取玉米胚芽油工藝可以發(fā)現(xiàn)其工藝參數(shù)也都有所不同。Masni對水酶法提取油茶籽油進行研究,得出最佳的工藝條件為:pH4.5、液料比8∶1、溫度為40 ℃、沖程是300 stroke/min,最大提取率可以達到70%;Juliana研究了水酶法提取大豆油的工藝條件,得出的最佳工藝條件為:液固比10∶1、pH9.0、溫度50 ℃、處理時間1 h,大豆油的提取率高達98%;Robert對水酶法提取玉米胚芽油進行了研究,將玉米胚芽和各種酶的緩沖液在50 ℃攪拌4 h,然后65 ℃處理16 h,收集油脂,最終玉米胚芽油提取率可以高達80%。

3.2 油料的預(yù)處理

在水酶法提油工藝中,油料的預(yù)處理是油料加工過程中的重要環(huán)節(jié)。不同的油料,預(yù)處理方式也不相同。為了提高水酶法提油的產(chǎn)量,預(yù)處理方式的選擇就十分關(guān)鍵。常見的預(yù)處理方法有機械破碎、超聲波、微波、擠壓膨化等。

3.2.1 油料的破碎程度 油料的破碎程度對于水酶法提油效果具有十分顯著的影響。在水酶法提油工藝中,油料的破碎程度直接影響酶的水解效果。在一定的范圍內(nèi),油料破碎后顆粒越小酶水解效果越好。但如果顆粒過小,則會造成后續(xù)工藝破乳難度加大,因此需要找到油料的最佳破碎程度。采用機械進行粉碎,可以降低油料的粒度,充分破壞油料的細胞壁,使細胞內(nèi)的成分充分釋放,提高物料與酶的接觸面積,從而提高酶的水解效果。謝斌[22]等研究油茶籽粉碎程度對水酶法提油效果的影響,結(jié)果表明利用刀片式粉碎機將油茶籽的平均粒徑減小到37.92 μm時,采用水酶法提取茶籽油的總提取率達到96.85%,清油得率達到了91.83%,繼續(xù)對油料進行粉碎,機械能量的繼續(xù)輸入對油茶籽原料的粒徑的影響不大,茶籽粉末粒徑基本保持不變,但提油過程中乳化現(xiàn)象越來越嚴重,乳化液的穩(wěn)定性逐漸提高,導致總得油率降低,且增加了后續(xù)破乳工作的難度,因此不宜繼續(xù)采用刀片式繼續(xù)粉碎。

3.2.2 微波處理 微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波,即波長介于紅外線和特高頻(UHF)之間(波長在1 mm～1 m之間)的電磁波。水和油料作物會吸收微波而使自身發(fā)熱,有助于油料細胞的裂解和油脂釋放。微波輔助水酶法來提取油脂,可以提高油脂的提取率。Zhang[23]等對微波膨化處理輔助水酶法提取油茶籽油這一新型提取方法進行研究,結(jié)果表明微波輔助水酶法提取油茶籽油可以將油的提取率從53%提高到95%。這表明微波膨化預(yù)處理可以顯著提高油的提取率。

3.2.3 超聲波處理 超聲波指的是頻率高于20000 Hz的聲波,它的方向性好,穿透能力強,在超聲波傳播的過程中,介質(zhì)中的粒子產(chǎn)生擺動并且沿著傳播方向傳遞能量。超聲波輔助可以來提高油脂提取率。Carla[24]等對超聲波輔助果膠酶水酶法提取葡萄籽油的影響與傳統(tǒng)的溶劑提取進行了研究對比。結(jié)果表明,與常規(guī)的溶劑萃取法相比,超聲輔助水酶法提取可以提高油的提取率。工藝條件為:超聲功率150 W、處理時間30 min、液固比8∶1,可以將油的提取率提高2.5%。

3.2.4 擠壓膨化處理 擠壓膨化是油料在高溫、高壓、高剪切的作用下,細胞壁受到破壞,油料中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分子發(fā)生伸展、重組,分子表面的電荷進行重新排布,分子間的氫鍵、二硫鍵等部分斷裂,導致蛋白質(zhì)變性,膨化后油料與酶的接觸面積增加,可以增加酶對蛋白質(zhì)的作用,從而更有利于油脂的釋放,并降低乳化率[25]。王心剛[26]等的研究表明,真空擠壓膨化相對于傳統(tǒng)的濕熱預(yù)處理然后水酶法提油的總油提取率提高了約21%,以擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、真空度、物料含水率和模孔孔徑為影響因素,進行單因素實驗,采用響應(yīng)面法進行分析優(yōu)化,確定了最佳的工藝條件為:套筒溫度87 ℃、真空度-0.067 MPa、?？卓讖?2 mm、螺桿轉(zhuǎn)速91 r/min、物料的含水率為16%,油脂提取率可以高達93.87%。這些相關(guān)研究表明,隨著預(yù)處理方式研究的不斷深入,將會對水酶法提油的提油率有著更加積極的影響。

3.2.5 其他處理 除了預(yù)處理以外,別的處理方式也會對油的產(chǎn)量有影響。Akash[27]等對通電加熱和酶的綜合效應(yīng)輔助大豆水法提油的工藝進行研究,實驗的步驟為脫殼、濕磨、酶處理、歐姆加熱、水萃取和離心。考察的因素有歐姆加熱參數(shù)即電場強度(EFS)、終點溫度、加熱時間。最終結(jié)果表明通電加熱可以提高大豆油的提取率,最適條件為:電場強度OH600 V、終點溫度90 ℃、加熱時間為10 min,所得大豆油的提取率為73%。

3.3 酶的種類和用量

不同種類的酶可以降解油料中不同的組分,采用恰當?shù)拿割惡团浔瓤梢蕴岣叱鲇吐?。目前酶法提油工藝中常用的酶主要是纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、蛋白酶、α-淀粉酶、β-葡聚糖酶、半乳糖醛酸酶等。其中纖維素酶、果膠酶、半乳糖醛酸酶對油料細胞的破壞力較強,效果比較好。對于同種油料不同酶作用效果不相同,一般來說,復合酶的作用效果比單一酶的酶解效果要好。Fang[28]等對水酶法提取油茶籽油破乳以及理化性質(zhì)進行了研究,結(jié)果表明:蛋白酶和纖維素酶的組合比單獨的酶取得了較高的油茶籽油產(chǎn)量,用水酶法提油,然后用20%的乙醇破乳,可以實現(xiàn)高達91.38%的油茶籽油提取率。并且水酶法提取的油的游離脂肪酸和維生素E、角鯊烯的含量更高,單不飽和脂肪酸的比例更高,過氧化物值較低。

3.4 酶解條件

在酶解過程中,影響酶解效果的因素很多,主要是溫度、pH、時間這三個因素。酶處理的溫度因油料的種類和酶種類的差異而不同。酶處理的溫度應(yīng)該以既有利于酶解,又不會影響最終的產(chǎn)物品質(zhì)為前提。溫度過高,酶容易失活,導致油料油脂提取率較低,也容易使油料中蛋白質(zhì)變性;溫度過低,則會使酶的活性較低,導致酶解速度緩慢,影響出油率以及最終的品質(zhì)。唐卿雁[29]等對酶法輔助提取米糠油的工藝條件進行了探討,實驗表明利用纖維素酶和果膠酶來進行催化提取米糠油,最佳的工藝條件為:酶水解溫度55 ℃、時間6 h、果膠酶用量1.5%、纖維素酶用量2.0%,米糠油的提取率為63.87%。

酶處理時的pH也因所使用酶的種類不同而有所差異。pH既影響著酶的活性,也影響著油和蛋白質(zhì)的分離。對于單一酶,有著一定的最適pH范圍,而對于復合酶,則需要通過實驗確定最適pH。朱振寶[30]等研究了大扁杏仁油水酶法提取的工藝優(yōu)化,實驗表明,Alcalase 2.4L為最合適的蛋白酶,優(yōu)化的酶解工藝條件為:料液比1∶4、酶解溫度55 ℃、酶解pH9.0、酶解時間4 h、酶的添加量為3%。在該工藝條件下,大扁杏仁油的清油提取率可以達到72.1%。

酶處理的時間同樣因油料的種類和酶種類的不同而不同。在確定最佳酶解時間時,應(yīng)綜合考慮油的提取率、蛋白質(zhì)回收率以及成本等一系列因素。王維茜[31]等對水酶法提取芝麻油的工藝進行了研究,實驗表明,堿性蛋白酶是最適合做提取芝麻油的酶劑,最佳的反應(yīng)條件是:酶水解溫度55 ℃、料液比1∶5、酶水解時間120 min、pH8.5。在該條件下芝麻油的提取率可以達到69.33%。

3.5 乳化和破乳

在水酶法提油過程中,可溶性蛋白質(zhì)被釋放,油脂和蛋白質(zhì)產(chǎn)生共價結(jié)合反應(yīng),使得油脂乳化嚴重,難以被釋放[32]。雖然酶處理可以對乳化的膠體體系產(chǎn)生一定的破壞和抑制作用,但依然會形成乳狀液。這些乳狀液中,含有一定量的油脂,因此要進行破乳來收集其中的油脂[13]。

現(xiàn)今乳化機制和破乳技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟,具體的應(yīng)用仍需要進一步研究。應(yīng)玉桑[33]通過研究大豆水酶法提油所得的乳油的穩(wěn)定性和流動性,得出pH是影響乳油品質(zhì)的重要因素。pH<2.5時,乳油趨向穩(wěn)定,pH在2.5～5.0時,乳油發(fā)生了嚴重的聚合現(xiàn)象,乳油分層脫穩(wěn)。破乳方法多為無機鹽、冷凍-解凍等類型的常規(guī)方法,這些處理方法多用到化學試劑,不符合未來工業(yè)要求,而且破乳率還不夠好,因而目前人們的研究更多的集中在利用酶解法來進行破乳。Zhang[34]等通過對水劑法提取花生油過程中產(chǎn)生的含有豐富油脂的乳狀液進行破乳研究，得出:堿性蛋白酶2709是有效的破乳劑,磷脂酶A2、調(diào)整pH等對乳液穩(wěn)定性的影響不大。最佳條件為溫度55 ℃、加酶量1600 U/g、乳水體積比1∶1、時間1 h,乳狀液的破乳率可以達到94%以上。相比較傳統(tǒng)的熱處理等方法破乳,酶法破乳可以獲得更高產(chǎn)量和更高品質(zhì)的油。

4 水酶法提取生物油脂-微藻油

除了部分異養(yǎng)種外,微藻大多是光合自養(yǎng)型微生物,能有效利用太陽能,將H2O、CO2和無機鹽轉(zhuǎn)化為有機資源,在能量轉(zhuǎn)化和碳循環(huán)中十分重要。微藻多富含蛋白質(zhì)、脂肪、糖以及氨基酸和多不飽和脂肪酸等多種營養(yǎng)物質(zhì),是生產(chǎn)食品、藥品高價值生物活性物質(zhì)和生物柴油的重要來源[35-36]。一些微藻富含類似礦物油的烴類物質(zhì),在當前化石燃料日漸枯竭的前提下,以微藻為原料生產(chǎn)生物柴油的研究已引起了人們的廣泛關(guān)注[37-38]。微藻的繁殖方式通常為二分裂式,細胞生長周期短,便于進行大規(guī)模的培養(yǎng),如部分藻種還可以進行高密度發(fā)酵培養(yǎng)[39];在當前土地資源貧瘠、淡水資源短缺的情況下,部分海生富油微藻可利用海水資源進行大規(guī)模培養(yǎng),有著不占用耕地、節(jié)約資源的優(yōu)點。大多微藻油脂的基本成分與植物油成分相似,但多富含多不飽和脂肪酸,而多不飽和脂肪酸具有保障人體細胞的正常生理功能、降低血液中的膽固醇和甘油三酯、改善血液循環(huán)、增強記憶力和思維能力等眾多功能[40]。而且這些微藻除了富含油脂以外,還含有豐富的蛋白質(zhì)和碳水化合物,在提取油脂后的藻渣,依然具有很高的附加值[41]。因此,高產(chǎn)油品種微藻的篩選及培養(yǎng)、微藻油的提取都已經(jīng)成為了人們的研究熱點[42-44]。

目前,國內(nèi)外提取微藻油的方法主要為壓榨法、溶劑浸出法及CO2超臨界萃取法等。壓榨法收率低、勞動強度大、成本高、動力消耗大。而有機溶劑萃取設(shè)備多、投資大、毛油成分復雜,需要嚴格精煉處理,有機溶劑的使用增加了工藝的煩瑣性、降低了生產(chǎn)的安全性、造成環(huán)境污染。CO2超臨界萃取成本較高,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。傳統(tǒng)微藻油的提取,大多是先將培養(yǎng)后的微藻經(jīng)過離心后獲得微藻泥,再進行冷凍干燥處理得到干藻粉,然后利用藻粉來進行提油。這樣會使生產(chǎn)工藝變得復雜,生產(chǎn)成本增高,不利于工業(yè)化生產(chǎn),所以目前人們研究的熱點傾向于直接利用微藻泥來提取油脂,而水酶法正當其時。對微藻進行水酶法處理目前主要包括三種工藝形式:水酶工藝、溶劑輔助水酶工藝及低水分酶法提取油脂工藝。Li[45]等在脂肪酶Candida sp.99-125固定化基礎(chǔ)上,提取微藻油脂,油脂的提取率達到了98%。Wang[46]等對溶劑輔助水酶工藝進行了研究,使用纖維素酶、半纖維素酶和磷脂酶提取裂壺藻和擬微球藻中的藻油,向反應(yīng)體系中加入了乙醇輔助,油脂提取率分別為87%和73%。過群[47]等對生物酶法破壁生產(chǎn)二十二碳六烯酸油脂的方法進行了研究,并申請了發(fā)明專利。以寇氏隱甲藻為出發(fā)藻株,在液體培養(yǎng)基中進行連續(xù)培養(yǎng),然后加入發(fā)酵液重量0.12%～0.5%的堿性蛋白酶(2709)、0%～0.025%的胰蛋白酶,升溫50～70 ℃,保溫攪拌3～9 h,加入30%～150%的乙醇(乙醇濃度為95%),加入有機溶劑進行萃取得到二十二碳六烯酸毛油,然后將毛油經(jīng)水化、堿煉、脫色、脫臭后得到精煉油。該方法破壁率高達95%,提取率達到90%以上,精煉得率為毛油的70%以上。這說明水酶法提取微藻油具有很大的發(fā)展前景。

5 水酶法提油的問題以及展望

水酶法提油雖然有很多的優(yōu)點,但其中依然有一些問題亟待解決?，F(xiàn)如今水酶法提油后相關(guān)酶的處理都是通過鈍化酶使酶失活,這就造成了酶資源的浪費。雖然當今酶的工業(yè)化生產(chǎn)使得酶成本降低,但相對工業(yè)生產(chǎn)而言,依然會導致生產(chǎn)成本較高。隨著酶工程以及酶固定化技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)用酶將可以重復使用,從而降低生產(chǎn)成本,簡化生產(chǎn)工藝。

其次水酶法提油生產(chǎn)工藝中用水量大,污水產(chǎn)生和處理量大,而且待處理水中蛋白質(zhì)、多糖等適合微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)含量都比較高,如果處理不當,可能會對環(huán)境造成污染,容易快速滋生各種微生物而腐敗[48]。所以水酶法加工工藝中產(chǎn)生的廢水要及時進行處理。隨著廢水處理相關(guān)研究的順利進行,可以建立相關(guān)水的循環(huán)使用系統(tǒng),不僅可以降低廢水的處理費用,從而降低生產(chǎn)成本,還可以節(jié)約水資源,符合未來工業(yè)生產(chǎn)綠色、環(huán)保的要求。

盡管水酶法提油的工業(yè)化生產(chǎn)還存在諸多問題,相關(guān)的研究也更多的還是停留在實驗室層面。但水酶法提油存在著巨大的優(yōu)勢,可以同時得到高品質(zhì)的油脂和蛋白質(zhì),增加原料附加值等。相信隨著相關(guān)研究的不斷深入和完善,綠色、安全、環(huán)保的水酶法提油技術(shù)必將在油脂加工產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更為重要的作用,具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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Research advance in the aqueous enzymatic extraction of biological oil

RONG Hui1,WU Bing-bing1,2,YANG Xian-qing1,*,LI Lai-hao1,HU Xiao1

(1.Key Lab of Aquatie Product Processing,Ministry of Agriculture,National Research and Development Center for AquaticProduct Processing,South China Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China;2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The research overview,technology process,process characterization and influence factors of the aqueous enzymatic extraction of biological oil were reviewed. The research status and focus of aqueous enzymatic extraction were summarized furthermore. Aqueous enzymatic extraction of microalgae oil were reviewed emphasisly. The key problems need to be solved in the development process of aqueous enzymatic extraction of biological oil,and the application prospect of aqueous enzymatic extraction of biological oil was predicted.

aqueous enzymatic extraction;biological oil;influence factors;extraction

2016-07-20

榮輝(1981-),男,博士,助理研究員,主要從事微藻的發(fā)酵培養(yǎng)及活性物質(zhì)提取方面的研究,E-mail:ronghui8915@163.com。

*通訊作者:楊賢慶(1963-),男,本科,研究員,主要從事水產(chǎn)品加工及質(zhì)量安全方面的研究,E-mail:yxqgd@163.com。

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFF0202304);廣東省科技計劃項目(2014A010107019);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2014TS24);農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點實驗室開放基金項目(NYJG201407);廣東省海洋漁業(yè)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(A201401C02)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)02-0374-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.064