響應面優(yōu)化水酶法提取奇亞籽油工藝

楊 端

(鄭州工業(yè)應用技術學院,鄭州 451100)

奇亞籽，屬薄荷家族，種子橢圓形，顏色一般有白色、黑色或灰色等[1-2]。奇亞籽油中富含必需脂肪酸α-亞麻酸和亞油酸，兩者含量分別為62.48%和22.43%，另外奇亞籽油中的油酸、棕櫚酸和硬脂酸含量也較為豐富，分別為6.9%～7.8%、7.1%～7.3%和3.2%～3.6%[3-5]。奇亞籽油具有調節(jié)血脂、抗氧化、降血壓等作用，對腫瘤也有良好的干預作用[6-7]。

奇亞籽油作為一種新興的油脂產品，從其提取工藝、品質特性到生理活性功能的研究還處于初期階段。Imran 等[8]對奇亞籽采用沸水、微波焙燒、烘箱干燥、高壓滅菌4種熱處理方式處理后制備奇亞籽油。Ixtaina等[9]分別通過壓榨和溶劑浸提法獲得奇亞籽油，發(fā)現(xiàn)溶劑浸提法的奇亞籽油產率比壓榨法約高30%。Ixtaina 等[10]利用超臨界流體萃取法制備奇亞籽油，該方法綠色環(huán)保，提取效果受壓力、溫度、時間等因素影響。Guindani等[11]分析認為超臨界流體萃取法雖然在整體操作過程中污染小，但是成本高，無法實現(xiàn)大規(guī)模的生產。岳金霞等[12]利用微波輔助提取奇亞籽油，研究了溶劑種類、液料比、微波功率、微波處理時間等對油脂得率的影響。綜上所述，國內外關于采用水酶法提取奇亞籽油的報道較少。與傳統(tǒng)工藝相比，水酶法在能耗、環(huán)境和安全衛(wèi)生等方面具有顯著優(yōu)勢，并且操作條件溫和，能夠最大程度地保留原料中的微量營養(yǎng)物質。本實驗以奇亞籽為原料，利用響應面法優(yōu)化水酶法提取奇亞籽油的工藝條件，以期為奇亞籽油的進一步開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

奇亞籽，海鹽耐普實業(yè)有限公司；堿性蛋白酶(酶活100 000 U/g)，上海丹妮悅生物科技有限公司；中性蛋白酶(酶活100 000 U/g)，河北鴻濤生物技術有限公司；α-淀粉酶(酶活20 000 U/g)，南京綠意生物科技有限公司；纖維素酶(酶活50 000 U/g)，鄭州宇控生物科技有限公司。

PHSJ-5型實驗室pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；EX1103ZH型電子天平，上海穎領電子衡器有限公司；DHG-L9140A型恒溫干燥箱，上海篤特科學儀器有限公司；TG16KR型高速離心機，上海繼譜科技有限公司；RE-501型旋轉蒸發(fā)儀，鞏義市瑞德儀器設備有限公司；KQ-50B型超聲波清洗機，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水酶法提取奇亞籽油

參考文獻 [13-14]，按如下工藝路線提取奇亞籽油：奇亞籽—干燥粉碎—過80目篩—溶液超聲—調pH—加酶酶解—高溫滅酶—離心—奇亞籽油。

稱取適量奇亞籽，粉碎干燥過80目篩，按一定液料比配制成溶液，在超聲溫度45℃、超聲破壁時間15 min、超聲功率120 W條件下進行超聲預處理，然后將溶液pH調至酶的最適pH，加酶酶解一定時間后，升溫至90℃滅酶10 min，在2 000 r/min條件下離心5 min，即得奇亞籽油。按下式計算奇亞籽油提取率。

Y=m1/m2×100%

式中：Y為奇亞籽油提取率；m1為奇亞籽油質量，g；m2為奇亞籽粉中油脂質量，g。

1.2.2 奇亞籽主要成分測定

粗脂肪測定，參照GB 5009.6—2016；粗蛋白測定，參照GB 5009.5—2016；灰分測定，參照GB 5009.4—2016；水分及揮發(fā)物測定，參照GB 5009.236—2016。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)均使用“均值±標準差”表示，采取組間進行對比，P<0.05表示具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 奇亞籽主要成分(見表1)

表1 奇亞籽主要成分 %

由表1可見，奇亞籽粗脂肪含量相對較高，為31.69%，屬于中含油油料。另外，奇亞籽中還含有約25%的蛋白質。

2.2 單因素實驗

2.2.1 酶種類對奇亞籽油提取率的影響

在酶添加量4%、液料比8∶1、酶解時間2 h、各酶最適pH和溫度下，考察堿性蛋白酶(最適pH 10、溫度45℃)、中性蛋白酶(最適pH 7、溫度40℃)、α-淀粉酶(最適pH 6.5、溫度60℃)和纖維素酶(最適pH 4.5、溫度50℃)對奇亞籽油提取率的影響，結果見圖1。

圖1 酶種類對奇亞籽油提取率的影響

從圖1可知，堿性蛋白酶的奇亞籽油提取率最高，故選擇堿性蛋白酶進行后續(xù)實驗。

2.2.2 液料比對奇亞籽油提取率的影響

在堿性蛋白酶添加量4%、酶解溫度45℃、pH 10、酶解時間2 h條件下，考察液料比對奇亞籽油提取率的影響，結果見圖2。

圖2 液料比對奇亞籽油提取率的影響

從圖2可知，隨著液料比的增加，奇亞籽油提取率也隨之升高，在液料比為8∶1時達到最高，之后隨著液料比的繼續(xù)增加，奇亞籽油提取率降低。這是因為當體系中液料比較低時，物料黏度較大，流動性差，不利于酶與反應物的充分作用，而當體系中液料比較高時，酶與反應物的濃度均降低，酶解不充分。因此，選擇8∶1為最適液料比。

2.2.3 酶添加量對奇亞籽油提取率的影響

在液料比8∶1、酶解溫度45℃、pH 10、酶解時間2 h條件下，考察酶添加量對奇亞籽油提取率的影響，結果見圖3。

從圖3可知，隨著酶添加量的增加，奇亞籽油提取率逐漸提高，在酶添加量為5%時達到最高，繼續(xù)增加酶添加量，奇亞籽油提取率降低。這是因為堿性蛋白酶對脂蛋白等復合體有降解作用，并且由于酶解作用對奇亞籽細胞結構進行破壞，進而增加油脂流動性，有利于油脂釋放，但當酶添加量達到一定程度后繼續(xù)增加，酶與奇亞籽內蛋白的結合達到了飽和狀態(tài)，使得酶作用受到限制，導致奇亞籽油提取率降低。因此，選擇酶添加量為5%。

2.2.4 酶解時間對奇亞籽油提取率的影響

在液料比8∶1、堿性蛋白酶添加量4%、酶解溫度45℃、pH 10條件下，考察酶解時間對奇亞籽油提取率的影響，結果見圖4。

圖4 酶解時間對奇亞籽油提取率的影響

從圖4可知，酶解初期奇亞籽油提取率隨著酶解時間的延長呈現(xiàn)上升的趨勢，當酶解時間達到2 h時，奇亞籽油提取率達到最高，但是繼續(xù)延長酶解時間提取率反而稍有下降，這可能是酶解時間過長，體系中的油脂溶出已經達到了平衡。從節(jié)約成本考慮，選擇酶解時間為2 h。

2.3 響應面實驗

在單因素實驗的基礎上，以堿性蛋白酶作為酶解用酶，在酶解溫度45℃、pH 10條件下，以提取率(Y)為指標，液料比(X1)、酶添加量(X2)和酶解時間(X3)為因素，進行Box-Behnken響應面實驗，以優(yōu)化奇亞籽油的提取條件。響應面實驗因素與水平見表1，響應面實驗設計與結果見表2，方差分析見表3。

表1 響應面實驗因素與水平

表2 響應面實驗設計與結果

表3 方差分析

注：*表示有顯著差異(P<0.05)；**表示有極顯著差異(P<0.01)。

由表3可知，回歸模型極顯著，失擬項不顯著，說明回歸方程對實驗具有較好的擬合性，實驗誤差較小，模型可用于優(yōu)化奇亞籽油提取工藝條件。3個因素對奇亞籽油提取率影響大小為液料比>酶解時間>酶添加量，并且3個因素的影響都達到了極顯著水平；交互相X1X2的影響達到顯著水平，X1X3達到極顯著水平，X2X3的影響不顯著；液料比、酶添加量、酶解時間各因素的二次項對提取率影響均在極顯著水平。

通過對模型方程求解得出提取奇亞籽油的最佳工藝條件為液料比8.47∶1、酶添加量5.17%、酶解時間2.16 h，在此條件下奇亞籽油提取率為89.65%。為了進一步驗證模型的可靠性，對最佳條件進行3次平行實驗驗證，得出奇亞籽油平均提取率為89.53%，與預測值接近，說明回歸模型與實際情況擬合較好。

3 結 論

以奇亞籽作為原料，采用水酶法提取奇亞籽油。通過單因素實驗和響應面實驗確定了奇亞籽油的最佳提取工藝條件為：堿性蛋白酶作為酶解用酶，酶解溫度45℃，pH 10，液料比8.47∶1，酶添加量5.17%，酶解時間2.16 h。在最佳條件下，奇亞籽油提取率為89.53%。