水酶法提取花生油過(guò)程中乳狀液性質(zhì)研究進(jìn)展

趙宇輝 陳復(fù)生,2 劉 晨,3 高玉航,4

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001)

花生又名“落花生”“長(zhǎng)生果”，含油量高達(dá)50%左右，是中國(guó)重要的油料作物之一。中國(guó)花生用于榨油的比例要高于其他國(guó)家[1]?；ㄉ惋L(fēng)味清香、色澤明亮，同時(shí)易于消化，是深受消費(fèi)者喜愛(ài)的優(yōu)質(zhì)油脂。

花生油的傳統(tǒng)提取方法有壓榨法和浸出法。壓榨法是利用機(jī)械壓力將油脂從油料中分離出來(lái)，具有工藝簡(jiǎn)單，提取出的油風(fēng)味純正等特點(diǎn)，但機(jī)械強(qiáng)度大，提油率不高，且會(huì)使蛋白變性。浸出法是使用有機(jī)溶劑萃取提油，提油率可高達(dá)95%以上，但工藝中正己烷等有機(jī)溶劑易燃易爆，加工過(guò)程中會(huì)存在一定的危險(xiǎn)，且花生蛋白在濕粕高溫脫溶中變性嚴(yán)重[2]。水酶法是一種新型的提油方法，其條件安全溫和，以水作為溶劑，且用酶作為輔助提高了油脂的提取率，在提取油脂的過(guò)程中也能高效回收油料中其他價(jià)值組分。研究擬對(duì)水酶法提取花生油過(guò)程中乳狀液形成的相關(guān)機(jī)理和物理、化學(xué)、生物等環(huán)境因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響進(jìn)行綜述，并對(duì)水酶法工業(yè)化應(yīng)用中的破乳方法進(jìn)行展望，旨在為學(xué)者們?cè)谒阜ㄌ崛』ㄉ瓦^(guò)程中乳狀液破乳階段的研究提供總結(jié)與參考。

1 水酶法

1.1 水酶法原理

花生油脂以兩種存在形式，一種是以脂滴和脂肪顆粒的形式存在于花生細(xì)胞中，一種是與其他大分子結(jié)合，如與碳水化合物結(jié)合形成脂多糖，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成脂蛋白。水酶法能同時(shí)提取花生油和蛋白質(zhì)，該法以機(jī)械破碎和酶解為基礎(chǔ)，通過(guò)使用能降解油料細(xì)胞中的脂蛋白、脂多糖、細(xì)胞壁等大分子復(fù)合物的酶來(lái)處理油料，達(dá)到破壞其組織結(jié)構(gòu)、水解大分子復(fù)合體，從而使油脂和蛋白質(zhì)充分釋放，并利用各組分對(duì)油水的親和力不同以及油水密度差不同將油和非油成分分離開(kāi)，使油游離出來(lái)[3]。

1.2 水酶法工藝

20世紀(jì)50年代，Sugarman等[4-5]用水作溶劑提取和分離油籽中蛋白和油脂，引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。但由于水劑法提油率不高，得到的油脂也有蛋白殘留，限制了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代，Lanzani等[6]利用酶提取植物蛋白和油脂，為水酶法工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

Zhang等[7]將花生種子在190 ℃、料水比1∶5 (g/mL)、酶濃度2%條件下烘烤20 min后，游離油得率為78.6%，水解蛋白得率為80.1%。用凍融法對(duì)殘留乳狀液進(jìn)行破乳，總游離油得率提高至86%～90%。李鵬飛等[8]提出了傳統(tǒng)和新型水酶法工藝的技術(shù)路線圖(圖1)，傳統(tǒng)水酶法的花生先經(jīng)粉碎，堿提后加酶輔助提取再進(jìn)行離心。而此新型水酶法在加酶后堿提，經(jīng)離心得到含油(77.89±1.24)%乳狀液，再使用酶法破乳離心。

圖1 傳統(tǒng)水酶法和新型水酶法的工藝流程Figure 1 The technological process of traditional and new aqueous enzymatic methods

新型水酶法(投料500 kg)的油提取率可以達(dá)到89.4%以上。此法不但可以提高提油率，又降低了酶的用量，并保護(hù)了大部分花生蛋白不被破壞。

2 乳狀液的組成與穩(wěn)定機(jī)制

花生乳狀液是混合體系，粒徑為100 nm～10 μm[9]。王瑛瑤等[10]用沖淡法測(cè)定水酶法花生乳狀液的類型，發(fā)現(xiàn)與油相比，水更容易與乳狀液接觸，所以得出該乳狀液是O/W型乳狀液?；ㄉ阜ㄈ闋钜撼煞忠?jiàn)表2，其大部分成分是水和油脂還有少部分的蛋白，其中蛋白質(zhì)和淀粉、纖維等物質(zhì)形成靜電排斥和空間位阻，使得油滴之間聚集有了一定困難，保持了乳狀液穩(wěn)定性。

表2 花生乳狀液的主要成分Table 2 The main components of peanut emulsion g/100 g

蛋白質(zhì)是油水兩親性物質(zhì)，在油水界面會(huì)自發(fā)形成一層界面蛋白膜。這種吸附過(guò)程有兩種熵增驅(qū)動(dòng)力：蛋白質(zhì)分子去折疊過(guò)程和蛋白質(zhì)疏水區(qū)脫水過(guò)程[11]。Freer等[12]認(rèn)為蛋白質(zhì)吸附到界面上有3個(gè)階段：① 自然狀態(tài)構(gòu)象下的初始吸附；② 進(jìn)一步吸附和界面穩(wěn)定后，蛋白質(zhì)部分展開(kāi)，暴露出疏水基團(tuán)；③ 蛋白質(zhì)繼續(xù)展開(kāi)，形成多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀或玻璃狀狀態(tài)。蛋白質(zhì)在油水界面產(chǎn)生的吸附是水酶法破乳提取清油過(guò)程中的一個(gè)難題。蛋白質(zhì)的柔性和聚集性導(dǎo)致在油/水界面吸附時(shí)形成黏彈性多層膜。這種界面蛋白膜同時(shí)具有一定的靜電排斥和空間位阻，維持了花生乳狀液的穩(wěn)定性。胡存書(shū)等[13]研究了花生乳狀液界面吸附蛋白的提取工藝，并對(duì)其乳化性和溶解性進(jìn)行研究，與大豆、菜籽蛋白相比，得到的花生吸附蛋白乳化性最好，溶解性最差。說(shuō)明花生蛋白更容易與水和油形成穩(wěn)定乳狀液，對(duì)破乳工藝有更高的要求。

乳狀液的界面膜組成與性質(zhì)和液滴大小與分布是影響界面膜的主要因素。根據(jù)stockes定理，乳狀液液滴越小、沉淀速度越慢且粒徑分布范圍越窄，乳狀液越穩(wěn)定[14]。張杏輝等[15]對(duì)花生蛋白脂肪乳狀液中脂肪球油滴的大小分布進(jìn)行了測(cè)定?；ㄉ厩蛴偷稳绻唇?jīng)過(guò)勻漿處理，油滴直徑達(dá)到28 μm，經(jīng)過(guò)勻漿后，油滴直徑分布在1～10 μm，隨著勻漿時(shí)間的增加，脂肪球油滴直徑可分散至0.3～9.0 μm。所以花生乳狀液經(jīng)過(guò)勻漿后，粒徑變小，乳狀液穩(wěn)定性增加。朱凱艷等[16]利用小型中藥粉碎機(jī)在粉碎11次(8 s/次)后將花生體積平均粒徑減小到28 μm，繼續(xù)粉碎花生乳狀液發(fā)生嚴(yán)重乳化現(xiàn)象導(dǎo)致乳狀液穩(wěn)定性增加。這可能是當(dāng)粒徑降低到極限后繼續(xù)被粉碎，由于蛋白與油過(guò)度分散，接觸面積增加，加入到水相再混合蛋白質(zhì)分子，在油水界面的分子層越致密導(dǎo)致的結(jié)果。因此破乳階段需要增大乳狀液的粒徑，使油滴聚集且蛋白質(zhì)分子層減少?gòu)亩档腿闋钜旱姆€(wěn)定性。界面蛋白膜具有一定的界面張力，Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，界面蛋白張力為花生分離蛋白>花生乳狀液的界面蛋白>經(jīng)過(guò)凍融處理后剩余乳狀液蛋白，說(shuō)明經(jīng)過(guò)凍融處理能改變?nèi)闋钜悍€(wěn)定機(jī)制，為破乳奠定了理論基礎(chǔ)。劉向軍等[18]發(fā)現(xiàn)花生乳狀液界面蛋白在水相和花生油模擬體系中的乳化穩(wěn)定性顯著優(yōu)于花生分離蛋白和非界面蛋白，可能是由于界面蛋白中含有分子量較大的組分和分子量較小的花生油體蛋白，其二硫鍵含量、表面疏水性均高于花生分離蛋白和非界面蛋白。內(nèi)源熒光光譜分析表明：界面蛋白和非界面蛋白分子展開(kāi)程度高于花生分離蛋白。這種穩(wěn)定性使得花生乳狀液難以破乳，限制了水酶法的工業(yè)化。Niu等[19]用核磁共振波譜檢測(cè)了水酶法花生乳狀液中5種磷脂。其中，在油體穩(wěn)定性中起重要作用的磷脂酰膽堿最為豐富。因此除了蛋白，磷脂也會(huì)對(duì)乳狀液起到穩(wěn)定作用。

3 影響乳狀液穩(wěn)定性的因素

3.1 物理因素

3.1.1 溫度 乳狀液溫度越高，油滴布朗運(yùn)動(dòng)加劇，粒子間相互作用減弱，分子流動(dòng)阻力降低，黏度相應(yīng)變低，液滴間聚集增大，從而一定程度上降低了乳狀液穩(wěn)定性。在冷凍過(guò)程中，乳狀液中出現(xiàn)油相結(jié)晶，晶體刺入水相，相鄰油滴之間脂肪晶體結(jié)晶，會(huì)刺穿界面蛋白膜，降低乳狀液穩(wěn)定性從而使得油滴聚集[20]。Brygida等[21]研究發(fā)現(xiàn)，未加熱蛋白形成的乳狀液穩(wěn)定性較差僅有42.4%，而預(yù)熱溫度提高到90 ℃可使乳狀液穩(wěn)定性提高到50.4%；經(jīng)過(guò)預(yù)熱的油可以得到更穩(wěn)定的乳狀液；隨著溫度從60 ℃升至95 ℃，乳狀液的穩(wěn)定性由52.2%下降到48.2%。這可能是因?yàn)檩^高溫度下，更多的蛋白質(zhì)會(huì)散布在乳液滴界面上，因此乳液的粒徑增大。劉晨等[22]研究發(fā)現(xiàn)，90 ℃烘烤得到的水酶法花生含油乳狀層油脂的粒徑顯著大于60 ℃烘烤條件下的，且由許多小油滴匯聚成大的油滴，形狀呈不規(guī)則狀。90 ℃烘烤得到的水酶法花生含油乳狀層較60 ℃烘烤預(yù)處理的更易于破乳。Lin等[23]證明了凍融作用誘導(dǎo)破乳的漸進(jìn)過(guò)程，并認(rèn)為水轉(zhuǎn)冰的體積膨脹和油水界面張力被確定為破乳的主要驅(qū)動(dòng)力，且最佳的冷凍方法為低溫或干冰中冷凍。王瑛瑤等[10]用水酶法提取花生蛋白和油脂過(guò)程中產(chǎn)生的乳狀液在90 ℃高溫下加熱10 min，以3 000 r/min離心20 min，破乳率僅為32.7%。同時(shí)對(duì)乳狀液進(jìn)行融凍破乳處理，破乳率高達(dá) 91.6%。由此推測(cè)溫度對(duì)花生乳狀液影響較大，其中冷凍比高溫影響更大。因此在水酶法工藝上，采用烘烤升溫預(yù)處理和凍融破乳是一個(gè)較好的選擇。

3.1.2 微波和高壓 微波輻射形成高頻變化的電磁場(chǎng)，使分子旋轉(zhuǎn)到高速，破壞油水界面膜等電層結(jié)構(gòu)，擾亂其電荷分布。此外分子自由地上下運(yùn)動(dòng)，碰撞和聚結(jié)，使油和水分離[24]。Liu等[25]將微波破乳方法與加熱、凍融等常規(guī)破乳方法進(jìn)行比較，與加熱破乳相比，鹽助微波破乳獲得了更高的游離油得率。微波破乳法得油率與凍融法相似，且時(shí)間較短。在最佳破乳條件下，CaCl2輔助微波破乳時(shí)間僅為2 min，油得率可達(dá)92.3%。Deng等[26]研究發(fā)現(xiàn)，短波紅外輻射破壞了細(xì)胞微結(jié)構(gòu)和油體膜，有利于油的提取。與不加短波紅外的對(duì)照組相比，出油率顯著提高了8.74%，說(shuō)明通過(guò)微波等物理手段可以輔助水酶法提取花生油的工藝，增大水酶法的得油率。

二氧化碳對(duì)非極性物質(zhì)有強(qiáng)親和力，溶解在油相中使油/水乳狀液的油滴膨脹，導(dǎo)致密度降低。油相和水相之間的密度差異增強(qiáng)了破乳。二氧化碳溶于水中形成碳酸。作為電解質(zhì)，碳酸破壞了水包油乳狀液的電荷平衡，油水界面的表面活性劑層變得不穩(wěn)定[27]。李楊等[28]確定了水酶法蒸汽破乳的最優(yōu)工藝條件為蒸汽壓力18.2 MPa，溫度115 ℃，蒸汽處理時(shí)間21 s，此時(shí)破乳率為93.49%，總油提取率為89.54%，且高壓蒸汽破乳效果明顯優(yōu)于水浴加熱破乳。高壓蒸汽破乳雖然破乳率高，但所需溫度過(guò)高，成本大，不利于水酶法破乳的工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2 化學(xué)因素

3.2.1 離子強(qiáng)度 蛋白質(zhì)形成的界面膜通常相對(duì)較薄且?guī)щ姾桑虼朔乐沟鞍踪|(zhì)穩(wěn)定乳液中液滴絮凝的主要機(jī)制是靜電排斥而不是空間排斥。花生乳狀液對(duì)離子強(qiáng)度的影響特別敏感[29]。水酶法乳狀液液滴表面存在電位差和雙電層，當(dāng)油滴間互相靠近時(shí)，油滴表面上的雙電層相互重疊，靜電排斥力使油滴分開(kāi)，從而乳狀液保持穩(wěn)定。當(dāng)體系中pH接近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí)，電荷之間的排斥作用力迅速降低，油滴迅速聚集，乳狀液穩(wěn)定性降低[30]。Zhou等[31]將CaCl2和Alcalase 2.4 L聯(lián)合用于花生水酶法工藝，作為一種破乳方法。粒徑和ζ-電位測(cè)試表明，CaCl2使乳狀液的穩(wěn)定性急劇下降。Zhang等[32]在鹽助微波破乳條件下，破乳時(shí)間僅為5 min，得油率為80%～90%，且CaCl2的破乳效率優(yōu)于KCl和NaCl。無(wú)機(jī)鹽作為一種強(qiáng)電解質(zhì)，在乳狀液中可以快速解離成自由移動(dòng)的離子；其能吸收微波，在油體表面形成一個(gè)溫度高于環(huán)境溫度的“熱點(diǎn)”加速反應(yīng)。此外，無(wú)機(jī)鹽降低了油水界面雙電子層的厚度，增強(qiáng)了相分離能力。何秋實(shí)等[33]針對(duì)水酶法乳狀液難以破除的問(wèn)題，選取NaCl濃度、鹽反應(yīng)時(shí)間、鹽反應(yīng)溫度3個(gè)因素為自變量，以乳狀液得油率為響應(yīng)值，通過(guò)SAS 9.2進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了最佳破乳率工藝條件為鹽濃度5.6%，鹽反應(yīng)溫度93.5 ℃，鹽反應(yīng)時(shí)間16 min，破乳后得油率為87.92%，說(shuō)明鹽離子不但可以單獨(dú)破乳而且可以與其他破乳方法聯(lián)用。

3.2.2 有機(jī)溶劑 乙醇對(duì)水相有強(qiáng)親和作用，這改變了水相和水膜的原有結(jié)構(gòu)，改變了支撐分散相界面膜兩親表面活性組分。乙醇對(duì)親水端有吸附作用，這種拉力改變了界面膜的穩(wěn)定性，有利于油滴聚集成大液滴，逐漸浮入上層形成油相，導(dǎo)致花生乳狀液不穩(wěn)定，從而得到較高的破乳率。遲延娜等[34]在凍融條件下利用乙醇輔助水酶法對(duì)花生乳狀液進(jìn)行破乳，使破乳率由81.50%提高到90.00%。因此，醇類可以對(duì)破乳起輔助作用，對(duì)提升出油率有重要意義。

3.3 生物因素

Niu等[35]使用木瓜蛋白酶在55 ℃，酶水解比1∶3 (g/mL)，酶濃度1 400 U/g，水解時(shí)間3 h，與水解前的乳狀液相比，酶水解后水相氨基酸含量較高，花生乳狀液黏度較低，乳狀液粒徑明顯變大，說(shuō)明木瓜蛋白酶可以降解花生乳狀液內(nèi)的蛋白質(zhì)，并將其溶解在水中。油體的外側(cè)失去了由膜蛋白提供的靜電排斥和空間位阻的保護(hù)，從而導(dǎo)致乳狀液系統(tǒng)的黏度和分子空間位阻降低。Zhang等[36]發(fā)現(xiàn)花生乳狀液的酶解失穩(wěn)現(xiàn)象Mi-fong?2709破乳效果優(yōu)于Protex 6L，可能是蛋白酶水解界面蛋白，從而破壞強(qiáng)黏彈性界面膜，并使得油滴聚結(jié)。Li等[37]研究了物理(加熱、凍融)、鹽(CaCl2和NaCl)和酶處理(Protex 6L、Protex 7L、Protex 50FP、Alcalase 2.4L、木瓜蛋白酶、磷脂酶和淀粉酶)對(duì)花生乳狀液中游離提油率的影響，與鹽和物理方法相比，蛋白酶的破乳效果更好。Chen等[38]研究發(fā)現(xiàn)花生中存在一種雙鏈天冬氨酸蛋白酶，對(duì)花生蛋白有著較高親和力，水解的最佳pH為4.0，溫度為60 ℃，天冬氨酸蛋白酶不僅水解乳狀液內(nèi)源蛋白，而且水解乳狀液外源蛋白，具有一定的破乳效果。因此探究不同酶對(duì)破乳效果的影響，對(duì)水酶法的工業(yè)化生產(chǎn)有重大意義。

4 展望

隨著固定化酶技術(shù)的不斷成熟，酶制劑的種類不斷增多，水酶法具有更加廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)花生乳狀液性質(zhì)的研究，從影響乳狀液穩(wěn)定性機(jī)理出發(fā)，找到最合適的破乳方法，從而提高提油率。影響乳狀液穩(wěn)定性的物理、化學(xué)、生物等因素較多，但物理方法所需能源較多、化學(xué)方法需要引入有機(jī)溶劑，工藝上存在安全隱患；生物酶法所需酶制劑成本較高，亟需一種綠色環(huán)保高效且成本低的破乳方法。比如用花生自身的脂肪酸破乳對(duì)提高水酶法提取花生油工藝上的出油率以及降低成本有重大研究前景，對(duì)乳狀液體系的理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)有著重要意義，學(xué)者們需要進(jìn)一步研究乳狀液的穩(wěn)定機(jī)制，探討其在工業(yè)中的應(yīng)用前景。