擠壓膨化后微體化預處理水酶法提取大豆油脂工藝研究

齊寶坤，江連洲，*，李 楊，2，王心剛，徐龍福

(1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030;2.國家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

擠壓膨化后微體化預處理水酶法提取大豆油脂工藝研究

齊寶坤1，江連洲1，*，李 楊1，2，王心剛1，徐龍福1

(1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030;2.國家大豆工程中心，黑龍江哈爾濱 150030)

在單因素實驗的基礎上，選取擠壓溫度、螺桿轉速、物料含水量、模孔孔徑和膨化后物料粉碎粒度5個因素為自變量，以總油提取率為響應值，進行響應面實驗設計，確定了最佳提油率下的擠壓－微體化參數。結果表明，擠壓最佳條件為溫度96℃、螺桿轉速96r/min、物料含水率14.6%、模孔孔徑15mm、膨化后物料粉碎粒度120目，此時提油率為94.34%±0.74%。并且采用紅外光譜分析了大豆擠壓膨化前后提取的大豆分離蛋白二級結構變化，進而討論蛋白結構變化對水酶法提取油脂過程中油脂釋放的影響，結果表明，擠壓膨化后蛋白質二級結構中β－折疊含量降低，無規卷曲含量升高，蛋白質由有序向無序結構的轉化，可以使得酶解過程中油脂釋放量增加。

擠壓膨化，微體化，水酶法，大豆油脂

在植物油脂制取中，主要采用以六號溶劑為主的浸出法和機械壓榨法。壓榨法工藝簡單，配套設備少，對油料品種適應性強，風味純正，但壓榨后的餅殘油量高，出油效率較低，動力消耗大，零件易損耗。浸出法雖油脂提取率高(95%～98%)，但濕粕在高溫脫溶過程中蛋白變性嚴重，而且有機溶劑的使用增加了工藝的繁瑣性、降低了生產的安全性、造成環境污染，并且隨著石油資源的枯竭，有機溶劑也必將耗盡［1－3］。水酶法提油(EAEP)技術作為一種新興的“綠色、環保”提油技術，它在提取油脂的同時能高效的回收油料中其他價值組分，被油脂科學界稱為“一種油料資源的全利用技術”，水酶法提油技術與傳統工藝相比，其在能耗、環境和安全衛生等方面具有顯著優勢［4－8］。細胞壁是從細胞中提取油脂最主要的屏障，因此，水酶法提油，細胞壁的破碎是十分必要的［9］。物理預處理可以破壞細胞壁，目前主要的物理預處理方式有擠壓膨化［1，5，8］、超高壓［8］、超聲波［10］、壓片［5，11］、脈沖電場［12］等，而擠壓膨化預處理可有效增加生物解離大豆蛋白提油過程中油脂的釋放［4］。另有研究發現，膨化物料的粉碎粒度對水酶法提取大豆油脂也有較大影響，膨化料粉碎后平均粒徑越小，對應的總油提取率越大［1］。基于擠壓膨化與膨化物料粉碎粒徑對于水酶法提取大豆油油脂釋放均有正向影響，本實驗利用響應面對擠壓－微體化參數進行優化［1，11］，并借助紅外光譜技術討論膨化前后大豆分離蛋白二級結構變化，并探討其余與油脂釋放的關系［13－14］。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大豆 東農－47(水分10.8%、蛋白質41.6%、脂肪20.8%、灰分4.3%、粗纖維8.84%;可溶性碳水化合物13.75%);Protex－6L堿性蛋白酶 諾維信公司提供，最適溫度50～70℃，最適pH8～10;氫氧化鈉、鹽酸等 均為市售分析純。

索氏抽提器 天津玻璃儀器廠;近紅外分析儀

美國FOSS;剖分式雙螺桿擠壓機 東北農業大學工程學院自行研制;分析天平FA2004 上海市舜宇恒平科學儀器有限公司;酸度計pHS－3C 上海雷磁儀器廠;電熱恒溫水浴箱DZKW－S－4 北京市永光明醫療器械廠;粉碎機、電動攪拌機JT－160W 金壇市醫療器械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 原料大豆與殘渣的成分測定 水分的測定: GB304－87進行測定;粗脂肪的測定:GB5512－85中索氏抽提法進行測定;粗蛋白的測定:GB6432－94標準方法進行測定;灰分測定:GB5009.4－85;原料成分測定:利用近紅外分析儀進行測定。

1.2.3 計算公式［15］

總油提取率(%)=(大豆總含油質量－酶解提取后殘渣含油質量)/大豆總含油質量×100

1.3 擠壓-微體化響應面實驗設計［18］

通過預實驗確定各因素的水平值范圍，采用響應面中心組和實驗設計，研究各酶解參數對考察指標的影響規律。選取擠壓溫度、螺桿轉速、物料含水、模孔孔徑和膨化后物料粉碎粒度5個因素為自變量，以總油提取率(%)為響應值，其因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Encode table of factors and levels

1.4 紅外光譜測定

樣品粉碎后過80目的篩，先在40℃烘箱中烘干12h，然后在紅外燈下研磨。稱取待測樣品約2mg，加入優級純溴化鉀約200mg，然后在瑪瑙研缽中研磨約15min，在壓片機上進行壓片，14kg壓力約保持1min，然后將制得的均勻透明薄片放入紅外光譜儀中進行測定。測定條件:光譜掃描范圍400～4000cm－1，分辨率4cm－1，信號掃描累加64次。每種處理圖譜掃描重復兩次。

1.5 統計分析

每個實驗重復三次，結果表示為平均數±SD;數據統計分析，利用 SAS9.2進行響應面分析，應用origin8.5進行畫圖。

2 結果與討論

2.1 響應面實驗安排及實驗結果

本實驗應用響應面優化法進行過程優化。以各擠壓－微體化參數x1、x2、x3、x4、x5為自變量，以總油提取率為響應值，響應面實驗方案及結果見表2。實驗號1～26為析因實驗，27～36為10個中心實驗，用以估計實驗誤差。

表2 實驗安排及結果Table 2 Experimental design and results

通過統計分析軟件SAS9.2進行數據分析，建立二次響應面回歸模型如下:

表3 回歸與方差分析結果Table 3 The table of variance analysis

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，該模型回歸顯著(p＜0.0001)，失擬項不顯著(p＞0.05)，并且該模型 R2=94.05%，R= 88.33%，說明該模型與實驗擬合良好，自變量與響應值之間線性關系顯著，可以用于該反應的理論推測。由F檢驗可以得到因子貢獻率為:x1＞x5＞x3＞x2＞x4，即擠壓溫度＞物料粉碎粒度＞物料含水率＞螺桿轉速＞模孔孔徑。

應用響應面尋優分析方法對回歸模型進行分析，最優擠壓溫度96℃、螺桿轉速96r/min、物料含水率14.6%、模孔孔徑15mm、膨化后物料粉碎粒度為120目，此時提油率為94.34%±0.74%。

由圖1分析結果可看出:套筒溫度(x1)與螺桿轉速(x2)、套筒溫度(x1)與物料含水(x3)、螺桿轉速(x2)與物料含水(x3)、螺桿轉速(x2)與物料粉碎粒度(x5)、物料含水(x3)與模孔孔徑(x4)的交互作用對大豆總油提取率均有顯著影響，并且有明顯的極值出現。由此可知，在日后的工業化生產中對此五個參數的調控均有限制。

2.3 紅外光譜分析

蛋白質和多肽在紅外區域表現為9個特征振動模式或集團頻率，因此可以利用傅里葉變換紅外光譜對擠壓膨化前后蛋白結構變化進行研究，并推測膨化機理。在蛋白質二級結構研究中常用酞胺Ⅰ帶(1600～1700cm－1)譜峰進行指認，其中，1610～1640cm－1為 β－折疊，1640～1650cm－1為無規卷曲，1650～1658cm－1為α－螺旋，1660～1700cm－1為β－轉角［19－20］，根據此規律研究擠壓膨化前后蛋白二級結構的變化，并分析蛋白質二級結構變化對大豆油脂釋放的影響規律。

圖2是擠壓膨化前后大豆分離蛋白紅外光譜圖，未經處理與擠壓膨化處理的SPI樣品的酰胺Ⅰ峰(去卷積)的總紅外吸收強度擬合曲線見圖3。

表4列出的是大豆分離蛋白的二級結構定量信息，由表4可以看出大豆經過擠壓膨化后蛋白質二級結構中α－螺旋含量降低，β－折疊含量由原來的48.6%降低到36.1%，而無規卷曲含量則由17.9%上升至27.9%，說明大豆經過擠壓膨化后氫鍵斷裂，蛋白結構由原來的有序結構變為無序結構，這種改變使得提油率比未經膨化的有所增加，因此，擠壓膨化后α－螺旋和β－折疊向β－轉角和無規卷曲含量的轉變有助于酶解過程中油脂的釋放。

表4 大豆分離蛋白酰胺Ⅰ帶擬合曲線各子峰參量(%)Table 4 The soy protein isolate amide I band fitting curve to the sub－peak parameters

3 結論

利用響應面對擠壓膨化－微體化工藝參數進行了優化，建立了相應的數學模型，為以后的中試以及工業化生產提供理論基礎。并且得到了最優工藝參數為:擠壓溫度96℃、螺桿轉速96r/min、物料含水率14.6%、模孔孔徑15mm、膨化后物料粉碎粒度為120目，此時提油率為94.34%±0.74%。

圖1 交互項顯著的響應面分析Fig.1 Response surface analysis of significant effective interaction items

圖2 擠壓膨化前后大豆分離蛋白紅外光譜圖Fig.2 Extrusion before and after the soy protein isolate FTIR spectra

圖3 大豆分離蛋白酰胺Ⅰ帶的擬合曲線Fig.3 The soy protein isolate amide I band fitting curve

利用紅外光譜對膨化前后蛋白二級結構進行分析，通過研究可知，大豆經過擠壓膨化后，α－螺旋與β－折疊含量降低，β－轉角與無規卷曲含量升高，說明大豆經過擠壓膨化后氫鍵斷裂，蛋白結構由原來的有序向無序轉變，而這種轉變更利于酶解過程中油脂的釋放。

［1］李楊.水酶法制取大豆油和蛋白關鍵技術及機理研究［D］.哈爾濱:東北農業大學，2010.

［2］錢俊青.水酶法提取大豆油工藝研究［D］.杭州:浙江大學，2001.

［3］朱大沛，石鐵錚，編著.油脂制取工藝學［M］.鄭州:科學技術出版社，1991.

［4］K A Campbell，L A Johnson.Advances in aqueous extraction processing of soybeans［J］.JAOCS，2011，88:449－465.

［5］B P Lamsala，P A Murphyb，L A Johnson.Flaking and extrusion as mechanical treatments for enzyme－assisted aqueous extraction of oil from Soybeans［J］.JAOCS，2006，83(11): 973－979.

［6］B P Lamsal，L A Johnson.Separating oil from aqueous extraction fractions of soybean［J］.Journal of the American Oil Chemist’s Society，2007，84(8):785－792.

［7］Ramon Morales Chabrand，Hyun－Jung Kim，Cheng Zhang，et al.Destabilization ofthe emulsion formed during aqueous extraction of soybean oil［J］.Journal of the American Oil Chemist’s Society，2008，85(4):383－390.

［8］Stephanie Jung，Abdullah A，Mahfuz.Low temperature dry extrusion and high－pressure processing prior to enzyme－assisted aqueous extraction of full fat soybean flakes［J］.Food Chemistry，2008，44(10):1－8.

［9］Campbell KA，Glatz CE.Mechanisms of aqueous extraction of soybean oil［J］.J Ag Food Chem，2009，57(22):10904－10912.

［10］Aparna Sharma，M N Gupta.Ultrasonic pre－irradiation effect upon aqueous enzymatic oil extraction from almond and apricot seeds［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2006，13:529－534.

［11］J M L N de Moura，N M de Almeida，S Jung，et al.Flaking as a pretreatment for enzyme－assisted aqueous extraction processing of soybeans［J］.J Am Oil Chem Soc，2010，87:1507－1515.

［12］劉燕燕，曾新安，陳曉東.FTIR分析脈沖電場和熱處理后的大豆分離蛋白結構變化［J］.光譜學與光譜分析，2010，30 (9):2340－2344.

［13］Siu－Mei Choi，Ching－Yung Ma.Structural characterization of globulin from common buckwheat(Fagopyrum esculentum Moench)using circular dichroism and Raman spectroscopy［J］.Food Chemistry，2007，102:150－160.

［14］V Schmidt，C Giacomelli，V Soldi.Thermal stability of films formed by soy protein isolate esodium dodecyl sulfate［J］.Polymer Degradation and Stability，2005，87:25－31.

［15］李楊.模糊評判優化水酶法提取膨化大豆油脂和蛋白［J］.農業工程學報，2010，26(2):375－380.

［16］Byler D M，Susi H.Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra［J］.Biopolymers，1986，25: 469－487.

［17］Susi H，Byler D M.Fourier transform infrared spectroscopy in protein conformation studies.In:Cherry，J.P.，Barford，R.A.(Eds.)，Methods for Protein Analysis［J］.American Oil Chemists Society Champaign IL，1988:235－250.

［18］Moreau RA，Johnston DB，Powell MJ，et al.A comparison of commercial enzymes for the aqueous enzymatic extraction of corn oil from corn germ［J］.J Am Oil Chem Soc，2004，81: 1071－1075.

［19］Che Man YB，Suhardiyono AB，et al.Aqueous enzymatic extraction of coconut oil［J］.J Am Oil Chem Soc，2006，73: 683－686.

［20］黃燕，吳平.SAS統計分析及應用［M］.北京:機械工業出版社，2006:202－252.

Research of extruded－ultra－micro pretreatment of aqueous enzymatic extraction of soybean oil technology

QI Bao－kun1，JIANG Lian－zhou1，*，LI Yang1，2，WANG Xin－gang1，XU Long－fu1
(1.Food College，North East Agriculture University，Harbin 150030，China;
2.Soy Bean Engineering Technique Research Center，Harbin150030，China)

Based on single－factor experiments，five factors of extrusion temperature，rotatory speed，moisture，die diameter and particle size were chosen to evaluate in the present study.The response factor was oil extraction rate.By employing RSM design programmed，the optimizedparameters were generatedas follows:extrusion temperature 96℃，rotatory speed 96r/min，moisture 14.6%，die diameter 15mm，particle size 120mesh，and oil extraction rate 94.34%±0.74%.Further analysis on the profile of secondary structure of soybean was carried out by using infrared spectroscopy method.The results illustrated that the oil extraction rate increased along with decreasing β－sheet content，increasd random coil content，and transferred unordered protein to ordered protein.Key words:extrusion;ultra－micro;aqueous enzymatic method;soybean oil

TS225.1+3

B

1002－0306(2012)21－0196－05

2012－05－15 *通訊聯系人

齊寶坤(1986－)，男，碩士研究生，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程。

黑龍江省攻關項目(GA09B401－6);農業部現代大豆產業技術體系建設項目(nycytx－004)。