熱處理輔助水酶法提取芝麻油的工藝

歸艷，劉佳林，廖培龍，楊欽偉，張雅娜

綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院（綏化 152061）

芝麻作為我國(guó)重要的油料作物，其含油量在46%～63%左右，高于花生、菜籽等油料。芝麻油是WHO公布的三大最佳食用油之一，被列入中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)藥典，因此被稱為“油中之王”[1-2]。芝麻油中富含不飽和脂肪酸且脂肪酸組成合理，具有降低膽固醇、軟化血管、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的作用[3]。

目前，提取芝麻油的方法主要有水代法、機(jī)械榨法、水酶法等。其中水酶法是一種新興的提油技術(shù)，該方法所得的油脂品質(zhì)好、色澤淺、易于精煉，油與餅渣（粕）易分離等。近年來(lái)雖已有對(duì)水酶法提取芝麻油預(yù)處理的研究，但研究較少，占俊峰[4]對(duì)微波輔助水酶法提取芝麻油工藝進(jìn)行了研究。張濤等[5]對(duì)冷凍微波解凍輔助水酶法提取芝麻油工藝進(jìn)行了優(yōu)化。肖旭華等[6]研究超聲處理?xiàng)l件和酶解條件對(duì)芝麻油提取率的影響。劉蒙佳等[7]研究了微波預(yù)處理參數(shù)對(duì)黑芝麻油脂得率的影響。張雅娜等[8]對(duì)冷凍-微波解凍預(yù)處理、超聲波預(yù)處理輔助水酶法提取芝麻油工藝進(jìn)行了研究。賈照寶等[9]指出，加熱作為預(yù)處理方法，能有效地提高水酶法的清油提取率。因此，此次試驗(yàn)首次嘗試選用熱處理輔助水酶法提取芝麻油，同時(shí)還對(duì)比研究熱處理過(guò)程對(duì)油脂品質(zhì)的影響，為芝麻油的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫皮白芝麻，安徽省渦陽(yáng)縣；冷榨芝麻油，安徽燕莊油脂有限責(zé)任公司；Alcalase 2.4 L（酶活2.4 AU/g），丹麥Novo公司。

ESJ205-4電子分析天平，普利賽斯國(guó)際貿(mào)易有限公司；ZH-25B-B11多功能食品加工機(jī)，河南新飛電器集團(tuán)有限公司；JY92-IIN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，北京泰亞賽?？萍及l(fā)展有限責(zé)任公司；BCD-160TMPQ冰箱，青島海爾股份有限公司；HZS-H水浴振蕩器，哈爾濱市東聯(lián)電子開(kāi)發(fā)有限公司；PHS-3C型pH計(jì)，杭州齊威儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市雙捷實(shí)驗(yàn)儀器廠；GL-16G-II高速冷凍離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；2WAJ阿貝折射儀，廣州力賽計(jì)量檢測(cè)有限公司；WSL-2羅維朋比色計(jì)，浙江托普儀器有限公司；KDN-103F自動(dòng)定氮儀、HYP-10404十孔消化爐，上海纖檢儀器有限公司；SCT-02索氏抽提器，天津玻璃儀器廠；SX-4-10箱式電阻爐，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)工藝流程

1.2.2 脫皮白芝麻主要成分測(cè)定

水分參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測(cè)定》[10]；灰分參考GB 5009.4—2016《食品中灰分的測(cè)定》[11]；蛋白質(zhì)參考GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[12]；脂肪參考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測(cè)定》[13]。

1.2.3 水酶法提取芝麻油

預(yù)處理：稱取50.00 g芝麻，采用多功能食品粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，按試驗(yàn)比例浸泡于檸檬酸緩沖液中，然后進(jìn)行熱處理[14]。

水酶法步驟：酶解所用的酶制劑為水解蛋白酶Alcalase 2.4 L，加酶量為2%（粉碎后芝麻粉質(zhì)量的2%），酶解過(guò)程用2 mol/L的NaOH調(diào)pH，酶解條件為：pH 9.0、溫度55 ℃、酶解時(shí)間3 h。離心轉(zhuǎn)速和時(shí)間為10 000 r/min、10 min，溫度為4 ℃。離心后分為4層（游離油1、乳狀液、水解液和殘?jiān)〕鋈闋钜涸俅芜M(jìn)行冷凍，二次離心，得游離油2，最后將2次所得油脂稱量計(jì)數(shù)[8]。芝麻油提取率按式（1）計(jì)算。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

分別以熱處理時(shí)間（30，40，50，60和70 min）、熱處理溫度（60，70，80，90和100 ℃）、緩沖液pH（3.6，4.0，4.4，4.8和5.2）、緩沖液濃度（0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mol/L）為單因素，考察各因素對(duì)芝麻油提取率的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)果確定正交試驗(yàn)條件范圍，以熱處理時(shí)間、熱處理溫度、緩沖液pH、緩沖液濃度為因素，以芝麻油提取率為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，確定最佳預(yù)處理?xiàng)l件。試驗(yàn)因素與水平表見(jiàn)表1。

表1 正交因素水平表

1.2.6 芝麻油理化指標(biāo)測(cè)定

芝麻油理化指標(biāo)參照GB/T 5525—2008《植物油脂透明度、氣味、滋味鑒定法》[15]、GB/T 22460—2008《動(dòng)植物油脂羅維朋色澤的測(cè)定》[16]、GB/T 5527—2010《動(dòng)植物油脂折光指數(shù)的測(cè)定》[17]、GB 5009.229—2016《食品中酸價(jià)的測(cè)定》[18]、GB 5009.227—2016《食品中過(guò)氧化值的測(cè)定》[19]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有的試驗(yàn)至少進(jìn)行3次，利用Origin 8.5進(jìn)行作圖，并利用SPSS Statistics 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Tukey’s檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 芝麻的主要成分含量

由表2可知，脫皮白芝麻中粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為51.45%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為24.36%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.19%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.80%。

表2 芝麻的主要成分

2.2 熱處理時(shí)間對(duì)芝麻油提取率及品質(zhì)的影響

2.2.1 熱處理時(shí)間對(duì)芝麻油提取率的影響

由圖1可知，當(dāng)熱處理時(shí)間小于50 min時(shí)，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，芝麻水分逐漸減少，油脂逐漸從細(xì)胞中滲出，芝麻油的提取率逐漸增加；當(dāng)熱處理時(shí)間為50 min時(shí)，芝麻油提取率最高，為71.03%；當(dāng)熱處理時(shí)間大于50 min時(shí)，熱處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使油、水、蛋白質(zhì)形成的乳狀液的穩(wěn)定性增加，不利于油脂的分離[20]，而使芝麻油提取率下降。因此，最佳熱處理時(shí)間為50 min。

2.2.2 熱處理時(shí)間對(duì)水酶法芝麻油品質(zhì)的影響

由表3可知，熱處理時(shí)間對(duì)水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數(shù)均無(wú)影響。隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，水酶法芝麻油的色澤逐漸加深。熱處理時(shí)間對(duì)酸價(jià)的影響較大，酸價(jià)隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加（p＜0.05）。熱處理對(duì)油脂酸價(jià)的影響有兩方面：一方面，油脂中脂肪酸尤其是不飽和脂肪酸在加熱作用下發(fā)生氧化裂解，進(jìn)一步氧化產(chǎn)生有機(jī)酸[21]；另一方面，芝麻的熱處理是在水相中進(jìn)行的，可使油脂發(fā)生水解，且熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，水解程度越高，酸價(jià)則越高[22]。水酶法芝麻油在加熱過(guò)程中酸價(jià)雖增加，但均符合一級(jí)精煉芝麻油標(biāo)準(zhǔn)[23]。過(guò)氧化值隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低（p＜0.05），其原因可能有兩種：其一，氫過(guò)氧化物不穩(wěn)定，分解產(chǎn)生氧化次級(jí)產(chǎn)物；其二，產(chǎn)生氫過(guò)氧化物的基質(zhì)減少，氫過(guò)氧化物的生成量減少[21]，這與前人的研究結(jié)果相似[24-25]。

圖1 熱處理時(shí)間對(duì)芝麻油提取率的影響

表3 熱處理時(shí)間對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

2.3 熱處理溫度對(duì)芝麻油提取率及品質(zhì)的影響

2.3.1 熱處理溫度對(duì)芝麻油提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)熱處理溫度低于70 ℃時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，芝麻油提取率逐漸增加，其原因是在熱處理初期，溫度使脂肪和蛋白質(zhì)的結(jié)合力下降，油脂呈游離態(tài)，使得芝麻油提取率不斷增加；當(dāng)熱處理溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，芝麻油提取率最高，為70.23%；當(dāng)熱處理溫度高于70 ℃時(shí)，芝麻油提取率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，這是由于溫度升高到一定程度，蛋白質(zhì)的變性相應(yīng)嚴(yán)重，展開(kāi)的蛋白質(zhì)暴露出疏水性氨基酸，使其更好地定位在油水界面，從而提高乳狀液的穩(wěn)定性，不利于油脂的分離[20]。因此，最佳的熱處理溫度為70 ℃。

2.3.2 熱處理溫度對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

由表4可知，熱處理溫度對(duì)水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數(shù)均無(wú)影響，但對(duì)水酶法芝麻油的色澤、酸價(jià)、過(guò)氧化值有一定影響。隨著熱處理溫度的升高，水酶法芝麻油的色澤逐漸加深，這可能是隨著熱處理溫度的升高，美拉德反應(yīng)加劇，油溶性褐色物質(zhì)增多，導(dǎo)致油脂色澤加深[26]。酸價(jià)隨著熱處理溫度的升高而顯著增大（p＜0.05），其原因是由于溫度越高，油脂的水解越容易發(fā)生，水解程度越高，酸價(jià)越大。隨著熱處理溫度的升高，過(guò)氧化值顯著降低（p＜0.05），但變化幅度較小。其原因：一方面，美拉德反應(yīng)產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)，導(dǎo)致油脂過(guò)氧化值逐漸降低；另一方面，熱處理可有效地鈍化過(guò)氧化物酶及過(guò)氧化物異構(gòu)酶的活性[22,26]。

圖2 不同熱處理溫度對(duì)芝麻油提取率的影響

表4 熱處理溫度對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

2.4 緩沖液pH對(duì)芝麻油提取率及品質(zhì)的影響

2.4.1 緩沖液pH對(duì)芝麻油提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)緩沖液pH低于4.8時(shí)，隨著緩沖液pH的增大，芝麻油提取率逐漸增加。一方面，緩沖液pH越低，細(xì)胞壁破壞的程度越大，可溶性固形物溶出越多；另一方面，溶出的固形物主要是可溶性多糖和蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，其溶解度受pH影響較大[14]，越接近芝麻蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，蛋白質(zhì)溶解性越差，可溶性固形物含量也就越低。隨著pH的升高，蛋白質(zhì)的溶解性逐漸降低，破壞了油脂和蛋白質(zhì)的乳化狀態(tài)，更多的油脂游離出來(lái)；當(dāng)緩沖液pH為4.8時(shí)，芝麻油提取率最高，為71.09%；當(dāng)緩沖液pH高于4.8時(shí)，由于蛋白質(zhì)溶解性升高，芝麻油提取率反而下降，因此，最佳緩沖液pH為4.8。

2.4.2 緩沖液pH對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

由表5可知，緩沖液pH對(duì)水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數(shù)、色澤均無(wú)影響，而對(duì)酸價(jià)、過(guò)氧化值有一定的影響。酸價(jià)隨緩沖液pH的增大而顯著降低（p＜0.05），其原因可能是在較低pH下，H+作為催化劑加速油脂的水解反應(yīng)，使游離脂肪酸的含量增加，酸價(jià)隨pH的降低而升高[22]。過(guò)氧化值隨緩沖液pH的增大而顯著增加（p＜0.05），其原因可能是在酸性條件下，過(guò)氧化物酶更易鈍化，過(guò)氧化物酶活性降低，酶促反應(yīng)速率降低，過(guò)氧化值小，此結(jié)果與王素梅等[22]的研究結(jié)果相似。

圖3 不同緩沖液pH對(duì)芝麻油提取率的影響

表5 緩沖液pH對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

2.5 緩沖液濃度對(duì)芝麻油提取率及品質(zhì)的影響

2.5.1 緩沖液濃度對(duì)芝麻油提取率的影響

由圖4可知，當(dāng)緩沖液濃度低于0.2 mol/L時(shí)，隨著緩沖液濃度的增加，芝麻油提取率逐漸增加，其原因可能是芝麻中蛋白質(zhì)等物質(zhì)與緩沖液中的離子以某種形式結(jié)合，而使油脂得以釋放；當(dāng)緩沖液濃度為0.2 mol/L時(shí)，芝麻油提取率最高，為70.03%；當(dāng)緩沖液濃度高于0.2 mol/L時(shí)，芝麻油提取率逐漸下降，其可能是由于隨著緩沖液濃度的增加，油脂與溶液中的金屬離子再度結(jié)合。因此，最佳緩沖液濃度為0.2 mol/L。

圖4 不同緩沖液濃度對(duì)芝麻油提取率的影響

2.5.2 緩沖液濃度對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

由表6可知，緩沖液濃度對(duì)水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數(shù)、色澤、酸價(jià)、過(guò)氧化值均無(wú)影響。緩沖液濃度對(duì)酸價(jià)無(wú)顯著影響（p＞0.05），可能是由于緩沖液濃度對(duì)油脂水解反應(yīng)無(wú)影響，游離脂肪酸含量不變，酸價(jià)不變。過(guò)氧化值無(wú)顯著影響（p＞0.05），可能是由于緩沖溶液濃度改變，過(guò)氧化物酶不易鈍化，不影響過(guò)氧化物酶的活性，過(guò)氧化值不變。

表6 緩沖液濃度對(duì)芝麻油品質(zhì)的影響

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交因素水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，四因素三水平正交試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從極差分析可知，影響芝麻油提取率的各因素主次為C＞A＞B＞D，即緩沖液pH的影響最大，熱處理時(shí)間是較重要因素，熱處理溫度是次要因素，緩沖液濃度對(duì)芝麻油提取率的影響最小。以芝麻油提取率作為衡量指標(biāo)來(lái)看，熱處理?xiàng)l件為A1B2C2D1。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出，最佳熱處理?xiàng)l件為A1B2C2D2，即熱處理時(shí)間40 min，熱處理溫度70 ℃，緩沖液pH 4.8，緩沖液濃度0.2 mol/L。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，A1B2C2D1組合更優(yōu)于A1B2C2D2組合，因此得到熱處理最佳條件：熱處理時(shí)間40 min、熱處理溫度70 ℃、緩沖液pH 4.8、緩沖液濃度0.1 mol/L。此條件下芝麻油提取率最高，為76.39%。

2.7 芝麻油品質(zhì)分析

由表9可知，水酶法芝麻油與冷榨法芝麻油的透明度無(wú)明顯差異，均澄清透明；水酶法芝麻油的氣味、滋味與冷榨法芝麻油相較而言，其固有的芝麻油滋氣味比較濃郁，主要是在預(yù)處理過(guò)程中由于溫度較冷榨法高，芝麻產(chǎn)生的香味物質(zhì)較多。

表9 芝麻油品質(zhì)特性比較

水酶法芝麻油色澤為黃20、紅2.0，較冷榨法芝麻油的色澤淺，主要原因是：一方面，水酶法提取芝麻油過(guò)程中加入了堿，加堿后的皂具有吸附作用，可脫除部分酸性色素；另一方面，在水酶法提取芝麻油過(guò)程中，條件較溫和，因此色澤較淺[27-28]。水酶法芝麻油與冷榨法芝麻油的折光指數(shù)無(wú)明顯差異，但均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（1.457 4～1.479 2）[23]。水酶法芝麻油的酸價(jià)低于冷榨法芝麻油的酸價(jià)，其原因是水酶法在提油過(guò)程中為了保證酶的最適pH，加入了堿，可能中和了游離脂肪酸，使水酶芝麻油酸價(jià)較低[29]。水酶法芝麻油的過(guò)氧化值低于冷榨法芝麻油的過(guò)氧化值，其原因可能是冷榨法芝麻油在加工過(guò)程中受到光照、氧氣、金屬離子等影響，使油脂過(guò)氧化值較高，而水酶法提取條件溫和，溫度較低，抗氧化物質(zhì)損失較少，油脂氧化程度較低；另一個(gè)原因是脂類氧化速率會(huì)受多種因素影響，在水酶法提取過(guò)程中，油滴存在于O/W乳化體系中，氧必須擴(kuò)散到水相并通過(guò)油水界面才能接近油脂，從而減緩了氧化速率，同時(shí)酶可降解蛋白，產(chǎn)生的水解蛋白具有一定的抗氧化活性，也使油脂的氧化速率減慢[30]。綜合比較，水酶法芝麻油的品質(zhì)較好。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳熱處理?xiàng)l件為熱處理時(shí)間40 min、熱處理溫度70 ℃、緩沖液pH 4.8、緩沖液濃度0.1 mol/L，在此條件下芝麻油提取率為76.39%。熱處理時(shí)間和熱處理溫度對(duì)色澤、酸價(jià)、過(guò)氧化值有影響，緩沖液pH對(duì)酸價(jià)、過(guò)氧化值有一定的影響，緩沖液濃度對(duì)水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數(shù)、色澤、酸價(jià)、過(guò)氧化值均無(wú)影響。此次試驗(yàn)為芝麻油的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的研究基礎(chǔ)。