李天賜,陳毅保,劉昆侖,陳復(fù)生,楊趁仙*,段曉杰,朱婷偉
(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南 鄭州 450001)
水酶法以水作為萃取和分離的介質(zhì),通過(guò)酶水解植物細(xì)胞壁和油體界面膜結(jié)構(gòu)從而破壞植物細(xì)胞,根據(jù)非油成分對(duì)油、水的親和力差異以及油、水的比重不同,實(shí)現(xiàn)同時(shí)分離油脂和蛋白質(zhì)。與傳統(tǒng)的油脂提取方法(壓榨法和溶劑萃取法)相比,其反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)品安全、能耗低、所得油脂質(zhì)量高且可以最大程度保留蛋白質(zhì),避免植物蛋白資源浪費(fèi)[1-5]。近年來(lái),水酶法作為一種高效、安全、環(huán)保的提取植物油脂的方法,已經(jīng)得到了大量的研究[6-10]。然而,水酶法提取植物油脂過(guò)程中,經(jīng)酶水解作用后,部分油體被破壞釋放出油脂,油滴進(jìn)入水相,油料蛋白質(zhì)吸附至油脂表面,在攪拌作用下形成穩(wěn)定的乳狀液,大部分油以乳狀液的形式存在,少部分留存在水相和渣相中[11-13]。乳狀液中含有少量的蛋白質(zhì)、磷脂、碳水化合物等成分,其中蛋白質(zhì)和磷脂以表面活性劑的形式存在,可以形成具有黏彈性的界面膜結(jié)構(gòu),防止油滴聚集,從而限制了油脂的提取[14-16]。因此,對(duì)水酶法提取植物油脂形成的乳狀液進(jìn)行破乳是提高油產(chǎn)量的關(guān)鍵[17-19]。目前,對(duì)乳狀液進(jìn)行破乳的方法主要包括物理法[20]、化學(xué)法[21]、酶法[22]以及復(fù)合法[23];關(guān)于不同植物(如以花生[24-25]、大豆[21,26]、菜籽[27-28]等為原料)油脂乳狀液破乳工藝流程的研究也相對(duì)成熟;然而,乳狀液破乳的機(jī)理亟需進(jìn)一步深入研究,這就需要對(duì)維持乳狀液穩(wěn)定的界面膜成分進(jìn)行分析。
蛋白質(zhì)作為一種天然的表面活性劑,在水酶法提取植物油的過(guò)程中,其非極性親油基團(tuán)會(huì)迅速吸附在油滴表面,形成一層或者幾層界面膜,通過(guò)降低界面張力使油滴之間相互分離,阻礙了油滴的聚集;同時(shí),蛋白質(zhì)的極性親水基團(tuán)會(huì)與連續(xù)的水相結(jié)合,使得油滴穩(wěn)定地分布在水相之中,形成穩(wěn)定的水包油(O/W)乳狀液[29-30]。本文將介紹乳狀液的組成及其穩(wěn)定性機(jī)理,并重點(diǎn)闡述界面蛋白濃度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響,從界面蛋白結(jié)構(gòu)的變化角度分析其破乳機(jī)理,為探明乳狀液的破乳機(jī)理提供理論依據(jù)。
水酶法提取植物油脂過(guò)程中形成的乳狀液的主要成分是油和水,此外還含有少量的表面活性劑——蛋白質(zhì)和磷脂等其他成分。其中,蛋白質(zhì)是組成乳狀液界面膜最主要的大分子物質(zhì),在水酶法提取植物油脂的過(guò)程中,具有兩親性的蛋白質(zhì)作為表面活性劑吸附至油-水界面(圖1A),在界面上展開(kāi)重排,暴露出內(nèi)部的疏水性氨基酸,再通過(guò)共價(jià)交聯(lián)和非共價(jià)相互作用形成具有擴(kuò)張性、抗壓縮性和高黏彈性的界面膜(圖1B),在靜電相互作用(圖1C)和空間位阻作用(圖1D)下可以有效地防止油滴聚并,維持乳狀液的穩(wěn)定性[31-33]。乳狀液油-水界面膜上的蛋白質(zhì)由油體內(nèi)源蛋白、貯藏蛋白和一些小分子質(zhì)量蛋白組成[14,34-35];其中,油體內(nèi)源蛋白對(duì)維持油體乳液穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用,主要包括油體蛋白(15~26 kDa)、油體鈣蛋白(27 kDa)和油體甾醇蛋白(39~41 kDa)[36-38]。激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)是觀察乳狀液中蛋白質(zhì)和油脂分布最常用的方法。Niu Ruihao等[16]利用CLSM觀察到在花生乳狀液中蛋白質(zhì)分散在油脂體的表面,而油脂體的內(nèi)部則被油脂填充,這表明蛋白質(zhì)形成了一層界面膜包裹著油脂,阻礙了油脂的釋放,維持了乳狀液的穩(wěn)定性,圖2為油體的立體結(jié)構(gòu)和3 種蛋白質(zhì)的鑲嵌模型。Li Pengfei等[39]采用CLSM觀察了花生乳狀液在破乳過(guò)程中的變化,原始乳狀液中油滴被緊密地包裹在蛋白質(zhì)內(nèi)部,隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng),油滴的粒徑逐漸增大,包裹油滴的蛋白膜被破壞。Miriani等[40]利用熒光法研究了大豆乳狀液中和油-水界面上β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白的結(jié)構(gòu)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)這兩種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)在油-水界面膜上都發(fā)生了變化。這些結(jié)果表明蛋白質(zhì)對(duì)維持乳狀液的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的作用。
圖1 乳狀液的穩(wěn)定機(jī)理[31]Fig.1 Stability mechanism of emulsion[31]
圖2 油體立體結(jié)構(gòu)以及油體蛋白鑲嵌模型[41-44]Fig.2 Stereoscopic structure of oil body and mosaic model of oil body protein[41-44]
乳狀液的穩(wěn)定性很大程度上取決于吸附在油-水界面膜上的表面活性劑的濃度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在乳狀液形成的過(guò)程中,具有兩親性的蛋白質(zhì)吸附在油-水界面上,形成一層或者多層界面膜,同時(shí),界面蛋白分子的相互重疊及其雙電層的重疊產(chǎn)生了空間相互作用和靜電相互作用,這兩種排斥力可以有效地防止油滴的絮凝和聚集,從而維持乳狀液的穩(wěn)定性[45-46]。
界面蛋白濃度是決定乳狀液穩(wěn)定的重要參數(shù)之一。界面蛋白濃度越高,油滴表面覆蓋程度越高,越有利于降低兩相界面張力,從而使蛋白質(zhì)乳化性更強(qiáng),乳狀液更穩(wěn)定[47]。Tcholakova等[48]認(rèn)為由單層蛋白膜穩(wěn)定的乳狀液所需的最低界面蛋白濃度為1~2 mg/m2。Chabrand等[21]測(cè)定得到水酶法提取大豆油過(guò)程中形成的乳狀液中界面蛋白濃度為14.64 mg/m2,明顯高于1~2 mg/m2,這一結(jié)果表明水酶法提取過(guò)程中可以形成多層膜、穩(wěn)定性強(qiáng)的乳狀液。同樣地,Zhang Shaobing等[49]利用水酶法提取花生油時(shí),所得乳狀液的界面蛋白濃度為7.92 mg/m2,也明顯高于穩(wěn)定乳狀液所需的最低蛋白濃度,說(shuō)明花生油的表面可能覆蓋多層蛋白質(zhì),可以有效防止油滴之間的聚集,從而形成穩(wěn)定的乳狀液。Liu Chen等[47]對(duì)花生原料分別進(jìn)行干法粉碎和濕法粉碎,研究這兩種預(yù)處理對(duì)水酶法提取花生油過(guò)程中乳狀液的影響,兩種方法得到的乳狀液界面蛋白濃度分別為(7.02±0.21)mg/m2和(10.71±0.19)mg/m2,兩種預(yù)處理方法得到的乳狀液油滴表面均形成了多層蛋白膜,且濕法粉碎得到的乳狀液穩(wěn)定性更強(qiáng)。
2.2.1 界面蛋白分子質(zhì)量分布對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響
乳狀液的穩(wěn)定性與其油-水界面膜上蛋白質(zhì)的類型和結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。Chabrand等[21]對(duì)大豆乳狀液采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)分析,發(fā)現(xiàn)乳狀液中含有兩種大豆蛋白:一種是含有α-、α’-和β-亞基的β-伴大豆球蛋白(分子質(zhì)量120~200 kDa);另一種是含有酸性和堿性亞基的大豆球蛋白(300~380 kDa)。另外,還發(fā)現(xiàn)了幾條由兩親性N-末端、C-末端和疏水中心組成的油球蛋白(分子質(zhì)量18~24 kDa)。在水酶法提取大豆油的過(guò)程中,高分子質(zhì)量蛋白質(zhì)和油球蛋白形成多層界面膜共同維持乳狀液的穩(wěn)定。胡淼等[50]通過(guò)比較大豆分離蛋白和乳狀液界面蛋白的亞基分布,發(fā)現(xiàn)在水酶法提取植物油脂過(guò)程中,由于蛋白酶的作用,與大豆分離蛋白相比,乳狀液界面蛋白亞基分布條帶變窄,48~63 kDa范圍內(nèi)的條帶全部消失,17~20 kDa條帶顏色變淺,乳狀液的多肽譜圖顯示留存的最主要條帶分子質(zhì)量為11~17 kDa。Dias等[51]通過(guò)SDS-PAGE分析了杏仁原始乳狀液及對(duì)其進(jìn)行化學(xué)破乳和酶法破乳后界面蛋白的低分子質(zhì)量多肽譜,發(fā)現(xiàn)原始乳狀液和化學(xué)破乳乳狀液都含有高分子質(zhì)量的杏仁蛋白(含α-亞基和β-亞基)和較小的油球蛋白,由分子質(zhì)量分別為38~40 kDa和20 kDa的兩條主帶組成,這兩條主帶約占泳道面積的52%,而經(jīng)過(guò)酶法破乳后,杏仁蛋白的堿性亞基完全降解,酸性亞基的含量也顯著減少,且大部分多肽分子質(zhì)量都小于10 kDa。酶處理可以通過(guò)水解界面蛋白降低蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量,有效地破壞界面蛋白的結(jié)構(gòu),破壞界面膜的完整性,從而促進(jìn)油滴的聚集[52-53]。Schroder等[54]比較了小分子肽(<5 kDa)和大分子肽(>5 kDa)對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)大分子肽比小分子肽更容易吸附至界面膜上,相對(duì)分子質(zhì)量較大的界面吸附肽具有較長(zhǎng)的側(cè)鏈結(jié)構(gòu),能夠在油滴表面形成保護(hù)層,表現(xiàn)出較好的抗絮凝和抗聚集作用,從而易于形成穩(wěn)定的乳狀液[20]。
2.2.2 界面蛋白的二硫鍵含量對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響
在水酶法提取植物油脂形成乳狀液的過(guò)程中,界面膜上的蛋白質(zhì)通過(guò)巰基-二硫化物的交換作用與連續(xù)相中蛋白質(zhì)發(fā)生聚合,因此二硫鍵含量的升高有助于形成穩(wěn)定性強(qiáng)的黏彈性膜。Zhang Shaobing等[49]分別比較了花生蛋白和花生乳狀液中界面蛋白、乳狀液中未吸附蛋白、破乳后乳狀液中肽和水相中肽的二硫鍵含量,發(fā)現(xiàn)乳狀液中界面蛋白的二硫鍵含量顯著高于其他來(lái)源的蛋白質(zhì),經(jīng)酶解破乳后乳脂層中肽的二硫鍵含量高于水相中二硫鍵含量。遲延娜[55]通過(guò)比較界面蛋白亞基在還原態(tài)和非還原態(tài)下的差異發(fā)現(xiàn),花生乳狀液中的大分子界面蛋白在酶解后降解為小分子的亞基,這些亞基在二硫鍵的作用下形成了肽段聚集體(分子質(zhì)量10~50 kDa),然后吸附在油滴表面,形成了具有黏彈性的界面膜,從而維持乳狀液的穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明二硫鍵在維持乳狀液穩(wěn)定上發(fā)揮重要的作用。二硫鍵是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵,存在于蛋白質(zhì)和多肽中,可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)與巰基相互轉(zhuǎn)化影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能性質(zhì),從而影響乳狀液的穩(wěn)定[56-57]。Wu Mangang等[58]研究發(fā)現(xiàn)油脂體界面蛋白與周圍蛋白質(zhì)之間形成的二硫鍵有助于維持乳狀液的穩(wěn)定,并且可以增強(qiáng)其流變性和機(jī)械性。劉向軍[59]研究花生乳狀液中二硫鍵以及巰基含量的變化,發(fā)現(xiàn)花生乳狀液界面吸附蛋白巰基含量低于花生分離蛋白的巰基含量,但二硫鍵含量顯著高于花生分離蛋白。通過(guò)對(duì)花生乳狀液界面吸附蛋白的分子質(zhì)量分布研究發(fā)現(xiàn),油體蛋白與分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)分子在二硫鍵的作用下結(jié)合,使更多的蛋白質(zhì)吸附至油滴表面,同時(shí),蛋白質(zhì)中氨基酸疏水殘基圍繞著二硫鍵形成了局部疏水區(qū)域,這都有利于提高乳狀液油-水界面穩(wěn)定性。
2.2.3 界面蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響
界面蛋白的結(jié)構(gòu)與功能有著密切的聯(lián)系。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括大量的折疊片狀結(jié)構(gòu)以及少量的α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲,其中折疊片狀結(jié)構(gòu)包括β-折疊和β-轉(zhuǎn)角。Li Pengfei等[60]發(fā)現(xiàn)與原始花生乳狀液界面蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)相比,經(jīng)蛋白酶酶解后乳狀液中界面蛋白的α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象,而無(wú)規(guī)卷曲含量明顯上升。同樣地,胡淼等[50]研究發(fā)現(xiàn),大豆乳狀液界面蛋白的α-螺旋和β-折疊的含量較高,而β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲相對(duì)含量較少。Dias等[52]比較了水劑法和水酶法兩種方法對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)水酶法處理組蛋白質(zhì)的無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量顯著高于水劑法處理組,而α-螺旋結(jié)構(gòu)含量低于水劑法處理組,β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量不存在顯著性差異。乳狀液界面吸附蛋白有序結(jié)構(gòu)以α-螺旋和β-折疊為主,而β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲為無(wú)序結(jié)構(gòu),由于酶的作用,乳狀液中蛋白質(zhì)無(wú)序結(jié)構(gòu)含量增加,形成的分子結(jié)構(gòu)則更為疏松,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,乳狀液穩(wěn)定性也隨之降低[61-63]。
2.3.1 界面蛋白的水解度與乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)系
界面蛋白的理化性質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用,界面蛋白的水解度可影響其表面疏水性從而影響乳狀液的穩(wěn)定性。Zhang Shaobing等[64]選用了多種蛋白酶對(duì)水相萃取技術(shù)提取花生油過(guò)程形成的乳狀液進(jìn)行破乳研究,測(cè)定了不同酶處理?xiàng)l件下乳狀液中游離油含量和水解度。結(jié)果表明,這些蛋白酶都不同程度地降低了乳狀液的穩(wěn)定性,并且游離油得率隨著界面蛋白水解度的增加而升高,說(shuō)明油脂提取率與蛋白質(zhì)的水解度呈正相關(guān)。界面蛋白經(jīng)蛋白酶酶解后,分子質(zhì)量減小并從界面膜上脫落,乳狀液界面膜結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞,從而引起油滴聚集導(dǎo)致破乳發(fā)生。Zhang Shaobing等[28]利用水酶法同時(shí)提取菜籽中油脂和蛋白質(zhì),研究了水酶法提取過(guò)程中乳狀液的穩(wěn)定性與水解度的關(guān)系。結(jié)果表明,在較低水解度(degree of hydrolysis,DH)(≤10%)條件下并未得到游離油,但與對(duì)照(未添加Alcalase 2.4L)相比,乳狀液的油回收率略有提升,且有限水解可以提高乳狀液的乳化能力;當(dāng)DH≥10%(尤其是10%~12%的范圍內(nèi)),游離油的含量顯著增高。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被充分水解后,乳狀液穩(wěn)定性下降,乳狀液中的油脂得以釋放。Li Pengfei等[60]分別利用3 種堿性蛋白酶(Alcalase 2.4L、Preotex 6L、Protex 7L)及木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)對(duì)花生乳狀液進(jìn)行酶法破乳,并且對(duì)破乳過(guò)程中乳狀液中蛋白質(zhì)的水解度和分子質(zhì)量分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng),各種酶處理的蛋白質(zhì)水解度均增加,在120 min時(shí),風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)的水解度和油回收率最高;然而,對(duì)分子質(zhì)量分布的研究發(fā)現(xiàn),低分子質(zhì)量(<1 000 kDa)占比最高的是木瓜蛋白酶,而風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)的占比最低,且在高分子質(zhì)量(>3 000 kDa)和中分子質(zhì)量(1 000~3 000 kDa)中,風(fēng)味蛋白酶的占比均最高,該結(jié)果表明風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)的水解效率低于木瓜蛋白酶(Papain),這一結(jié)果與水解度的結(jié)果相矛盾。作者認(rèn)為產(chǎn)生這一差異有兩個(gè)原因:一是風(fēng)味蛋白酶在pH 4.5條件下易形成聚集體從而降低了水解效率;二是由于風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)是一種內(nèi)肽酶-外肽酶復(fù)合體,相較于其他內(nèi)肽酶更易于將蛋白質(zhì)水解成游離的氨基酸,而水解度是根據(jù)游離氨基酸含量測(cè)定的,因此經(jīng)風(fēng)味蛋白酶處理的蛋白質(zhì)的水解度更高。值得注意的是,研究界面蛋白對(duì)乳狀液穩(wěn)定性影響時(shí),需要同時(shí)測(cè)定蛋白質(zhì)的水解度和分子質(zhì)量分布,以便更好地理解乳狀液的穩(wěn)定機(jī)制[65-67]。
2.3.2 界面蛋白的表面疏水性與乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)系
表面疏水性與蛋白質(zhì)的水解度有著緊密的關(guān)聯(lián),酶水解作用對(duì)蛋白質(zhì)的表面疏水性有著雙重影響。一方面,在酶水解作用條件下,埋藏在蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團(tuán)在水解作用下暴露,增加了其表面疏水性;另一方面,蛋白質(zhì)埋藏的疏水基團(tuán)暴露,蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間在疏水相互作下發(fā)生聚集,疏水基團(tuán)重新埋藏,這可能會(huì)導(dǎo)致表面疏水性的降低[68]。Zhang Shaobing等[49]研究了不同來(lái)源蛋白質(zhì)的表面疏水性,發(fā)現(xiàn)乳狀液中界面蛋白的表面疏水性最高,這是界面蛋白中的主要成分油球蛋白所致,因?yàn)橛颓虻鞍缀幸粋€(gè)由72 個(gè)氨基酸殘基組成的高度保守的中心疏水區(qū),而非油球蛋白在界面上發(fā)生變形,暴露其埋藏的疏水性氨基酸,從而增強(qiáng)了其表面疏水性。Li Pengfei等[39]分別使用木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)對(duì)花生乳狀液進(jìn)行處理,木瓜蛋白酶處理組乳狀液的表面疏水性顯著低于風(fēng)味蛋白酶處理組,然而,兩組界面蛋白的表面疏水性都隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,說(shuō)明在酶水解的作用下,蛋白質(zhì)間相互作用增強(qiáng),導(dǎo)致了分子重排,將大部分的疏水鍵限制在聚集體的內(nèi)部。該研究同時(shí)表明,風(fēng)味蛋白酶處理組界面蛋白的疏水性之所以更高,是由于在pH 4.5時(shí)發(fā)生了蛋白質(zhì)的聚集,阻礙了蛋白酶的水解效率,使得堿性花生蛋白(分子質(zhì)量18~24 kDa)具有更多的疏水基團(tuán),表現(xiàn)出更高的表面疏水性。
2.3.3 界面蛋白的乳化性質(zhì)與乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)系
蛋白質(zhì)的乳化性質(zhì)是指蛋白質(zhì)能夠作為乳化劑促進(jìn)油與水形成穩(wěn)定的乳狀液,包括乳化活性和乳化穩(wěn)定性。在促進(jìn)油、水混合的過(guò)程中,單位質(zhì)量蛋白質(zhì)能夠穩(wěn)定油-水界面的面積稱為蛋白質(zhì)的乳化活性,而乳化穩(wěn)定性是指蛋白質(zhì)維持油、水不分離的乳化特性[69]。胡存書(shū)等[29]比較了花生乳狀液中界面吸附蛋白與3 種分離蛋白(花生分離蛋白、菜籽分離蛋白和大豆分離蛋白)的乳化性質(zhì),其中,界面吸附蛋白的乳化活性顯著高于其他3 種分離蛋白,其乳化穩(wěn)定性與花生分離蛋白沒(méi)有顯著性差異,卻顯著高于菜籽分離蛋白和大豆分離蛋白,表現(xiàn)出較好的乳化性質(zhì)。劉向軍[59]分別提取花生乳狀液中的界面蛋白、水相中的非吸附蛋白和分離蛋白,以不同蛋白質(zhì)作為乳化劑,構(gòu)建了水與花生油模擬體系,考察不同種類蛋白質(zhì)的乳化性質(zhì)的差異,發(fā)現(xiàn)界面吸附蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性顯著高于水相中非吸附蛋白和花生分離蛋白,表明界面吸附蛋白具有更好的乳化活性,在油-水界面更易形成單層或者多層的表面膜,將油滴緊密地包裹在內(nèi)部,并且可以使油滴穩(wěn)定地分布在水相之中,形成穩(wěn)定的水包油型乳狀液。
物理破乳主要采用加熱、微波、冷凍-解凍、高壓CO2和高壓蒸汽等方法對(duì)乳狀液進(jìn)行破乳。王文睿等[70]對(duì)水酶法提取的大豆乳狀液進(jìn)行微波處理,在微波電磁場(chǎng)的作用下,乳狀液的油-水界面膜發(fā)生薄化,油滴在電場(chǎng)作用下逐漸聚集,從而發(fā)生破乳。李麗紅等[71]對(duì)核桃油乳狀液進(jìn)行加熱處理,隨著溫度的升高,乳狀液的破乳率也增加,這是由于溫度升高,乳狀液分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,同時(shí),界面上的蛋白質(zhì)發(fā)生變性,促進(jìn)了油滴的聚集和蛋白質(zhì)的沉淀,導(dǎo)致界面膜的黏度下降,乳狀液的破乳率也隨之增加。王瑛瑤等[20]分別利用微波、加熱和冷凍-解凍方法對(duì)花生乳狀液進(jìn)行破乳研究,發(fā)現(xiàn)冷凍-解凍的破乳效果最好,破乳率高達(dá)91.6%,這可能是由于在冷凍時(shí)乳狀液中的油滴發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象,相鄰兩油滴的脂肪結(jié)晶體會(huì)穿透水相,進(jìn)而刺破界面膜,導(dǎo)致油滴的聚集[72]。高壓CO2是一種新興的物理破乳方法,主要通過(guò)使界面蛋白發(fā)生沉淀而實(shí)現(xiàn)破乳。韓宗元等[73]通過(guò)透射電子顯微鏡觀察經(jīng)過(guò)高壓CO2處理后的乳狀液,發(fā)現(xiàn)界面蛋白膜發(fā)生破裂,蛋白質(zhì)之間發(fā)生聚集沉淀,被界面蛋白包裹的油脂得以釋放,并且逐漸聚集,從而發(fā)生破乳。高壓蒸汽破乳法主要是作用于界面蛋白,一方面通過(guò)蒸汽放熱使界面蛋白變性;另一方面通過(guò)施加壓力使界面蛋白的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,以此來(lái)破壞界面膜的穩(wěn)定性,達(dá)到破乳的目的[74]。
化學(xué)法破乳是利用無(wú)機(jī)鹽、酸堿或者乙醇對(duì)乳狀液進(jìn)行處理,通過(guò)影響乳狀液的黏度、Zeta-電位、平均粒徑及其分布等性質(zhì),破壞界面膜組成的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),從而影響乳狀液的穩(wěn)定性。無(wú)機(jī)鹽的種類和濃度可以顯著影響乳狀液的穩(wěn)定性。吳海波等[75]研究CaCl2、CaSO4、MgCl2和NaCl對(duì)大豆乳狀液的破乳效果,并分析了CaCl2對(duì)乳狀液黏度、Zeta-電位和粒徑的影響,發(fā)現(xiàn)CaCl2的破乳率最高,且乳狀液的黏度、Zeta-電位和粒徑都受到Ca2+濃度的影響。由于界面蛋白可以在油-水界面發(fā)生解離,因此乳狀液油滴表面存在電位差和雙電層[31],Ca2+與界面蛋白解離形成的負(fù)電荷結(jié)合發(fā)生離子反應(yīng),使乳狀液的負(fù)電荷量下降;乳狀液的黏度隨Ca2+濃度的升高而下降,促進(jìn)了油滴間的聚集,油滴的粒徑逐漸增大,乳狀液的穩(wěn)定性下降。蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)處易發(fā)生沉淀,包裹油滴的蛋白膜完整性被破壞,因此,通過(guò)調(diào)節(jié)pH值可以有效提高破乳率。Gao Yuhang等[76]研究發(fā)現(xiàn),在堿性條件下,花生乳狀液油-水界面的外源性蛋白質(zhì)被洗脫,界面蛋白含量下降,相鄰的油滴之間發(fā)生聚集,花生乳狀液的穩(wěn)定性下降。Liu Chen等[30]分別考察了pH值和NaCl濃度對(duì)乳狀液的Zeta-電位影響,隨著pH值的升高,乳狀液的正電荷數(shù)量逐漸減少,并且在等電點(diǎn)時(shí)正負(fù)電荷數(shù)量相同,之后隨著pH值增加,負(fù)電荷的數(shù)量逐漸提升;NaCl濃度對(duì)乳狀液的Zeta-電位有重要影響,Na+的加入抵消了界面蛋白的負(fù)電荷,降低了靜電排斥力,從而可以降低乳狀液的穩(wěn)定性,并且Na+離子還可以通過(guò)改變界面蛋白的結(jié)構(gòu)和氨基酸的含量來(lái)影響乳狀液的穩(wěn)定性。乙醇法破乳利用乙醇通過(guò)以下兩方面的作用破壞界面膜的穩(wěn)定性來(lái)提高破乳率:一方面通過(guò)乙醇親水端對(duì)界面蛋白親水端的吸附作用;另一方面利用乙醇使界面膜上的蛋白質(zhì)發(fā)生變性[77]。李楊等[78]分別比較了常溫乙醇、乙醇冷浴和冷凍解凍破乳,發(fā)現(xiàn)乙醇冷浴破乳率可以達(dá)到93.64%,通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察乙醇浴破乳后乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),界面蛋白發(fā)生變性沉淀,油滴粒徑顯著增加,油脂得到最大程度的釋放。綜上所述,化學(xué)法破乳是通過(guò)酸堿度或者有機(jī)溶劑破壞油-水界面的蛋白質(zhì),使蛋白質(zhì)從界面膜上脫離;或者通過(guò)添加帶正電荷的離子,中和油-水界面的負(fù)電荷,減弱油滴之間的靜電排斥作用,促進(jìn)油滴之間的聚集。
酶法破乳是水酶法提取植物油脂過(guò)程中最經(jīng)常使用的生物方法。兩親性的蛋白質(zhì)作為界面膜上的主要組成成分,其含量、組成和結(jié)構(gòu)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性起著決定性的作用,因此,蛋白酶的加入可以有效地改變界面膜的結(jié)構(gòu),提高乳狀液的破乳率。Niu Ruihao等[79]研究了木瓜蛋白酶對(duì)水酶法提取的花生乳狀液破乳效果的影響,在最優(yōu)條件(酶解溫度55 ℃、料液比1∶3、酶活力1 400 U/g、酶解時(shí)間3 h)下,游離油得率最高可達(dá)92.39%。在木瓜蛋白酶的作用下,油滴表面的外源蛋白和固有蛋白被水解為小分子肽,油滴的外表面不再受到界面蛋白提供的靜電斥力和空間位阻的保護(hù),油滴之間相互吸引、融合,從而使游離油的得率提高,如圖3所示。Wu等[2]分別使用風(fēng)味蛋白酶(Protex 50FP)和磷脂酶對(duì)乳狀液進(jìn)行破乳研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白酶的破乳效果更好,蛋白酶可以將界面蛋白進(jìn)一步水解為短肽,破壞了界面膜的完整性,界面膜的強(qiáng)度不足以防止油滴的絮凝而發(fā)生破乳。
圖3 油體乳狀液酶法破乳機(jī)理Fig.3 Instability mechanism of oil body emulsion
復(fù)合破乳法是將物理、化學(xué)和酶法破乳技術(shù)兩兩聯(lián)合或者多種結(jié)合在一起處理乳狀液。胡麗麗等[27]將離心法和無(wú)水乙醇法聯(lián)用對(duì)菜籽油乳狀液進(jìn)行破乳,經(jīng)正交試驗(yàn)得到最優(yōu)提取條件:無(wú)水乙醚添加量為70%,調(diào)節(jié)pH 4.0,9 000 r/min下離心30 min。最優(yōu)條件下游離油的提取率為98.05%。張根生等[80]對(duì)南瓜籽乳狀液首先進(jìn)行了酶法破乳,經(jīng)酶法破乳后,蛋白膜被水解,小油滴被釋放聚集成更大的油滴,破乳率達(dá)到了88.39%;然后對(duì)經(jīng)酶法破乳的乳狀液進(jìn)行酸化處理,將pH值調(diào)節(jié)至南瓜籽蛋白的等電點(diǎn)4.5,乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低,油脂得到了更充分的釋放,破乳率達(dá)到了95.47%。
破壞乳狀液的穩(wěn)定性是提高水酶法提取植物油脂含量的關(guān)鍵,因此需要對(duì)維持乳狀液穩(wěn)定性的機(jī)理進(jìn)行深入了解,基于乳狀液油-水界面膜上的成分及其結(jié)構(gòu)和特性等方面的研究,可以更好地理解乳狀液的穩(wěn)定機(jī)制。維持乳狀液的穩(wěn)定性不是單一因素起決定性作用,而是多因素共同作用的結(jié)果。界面蛋白作為一種蛋白質(zhì),其結(jié)構(gòu)決定了功能,在破乳研究過(guò)程中,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化必然引起蛋白質(zhì)性質(zhì)(水解度、表面疏水性和乳化能力)的改變,同時(shí)也是導(dǎo)致乳狀液的理化性質(zhì)和流變性質(zhì)發(fā)生變化的原因。然而,針對(duì)乳狀液界面蛋白與其他組分的交互作用對(duì)乳狀液穩(wěn)定性影響機(jī)制還需要深入研究,目前仍缺乏對(duì)油脂、界面蛋白和磷脂三者交互作用對(duì)乳狀液穩(wěn)定性影響的研究;其次,雖然已有大量關(guān)于乳狀液破乳方法(如物理法、化學(xué)法和生物酶法)的研究,但是未來(lái)仍需要尋求破乳率更高、成本更低、更適合工業(yè)化生產(chǎn)的破乳方法;此外,對(duì)水酶法提取植物油脂乳狀液破乳分子機(jī)理研究都是未來(lái)研究重點(diǎn),這都有助于提高乳狀液的破乳率,實(shí)現(xiàn)水酶法提取植物油脂和蛋白質(zhì)的推廣應(yīng)用。