油茶籽油乳狀液的堿法破乳工藝研究

李世科,李春陽,曾曉雄

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095；2.江蘇省農業科學院農產品加工所,江蘇南京 210014；3.江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室,江蘇南京 210014)

油茶籽油乳狀液的堿法破乳工藝研究

李世科1,2,3,李春陽2,3,*,曾曉雄1

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095；2.江蘇省農業科學院農產品加工所,江蘇南京 210014；3.江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室,江蘇南京 210014)

對水酶法提取油茶籽油產生的乳狀液,進行堿法破乳研究。以破乳率為指標,在單因素的基礎上,采用響應面對主要影響因素進行分析和優化,確定最佳破乳工藝參數為pH=9.0,溫度60℃,時間45min,破乳率最大為90.15%。采用熒光標記技術對堿法破乳前后油滴變化進行觀察,發現堿法破乳后油滴發生聚并,游離油更容易釋放。

油茶籽油,堿法破乳,響應曲面

油茶(camelliaoleifera)是我國特有木本油料樹種,也是世界四大木本油料樹種之一。油茶籽油富含不飽和脂肪酸和人體所必須的氨基酸以及鋅、硒等微量元素,具有軟化血管、降低血脂、滋補提神、驅蟲健脾的功效,是深受廣大消費者喜愛的高檔食用油,具有廣闊的市場發展潛力[1-2]。

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,但提油過程中產生的大量乳化油,嚴重制約游離油釋放。為提高清油得率,需要對乳化油進行低成本且有效的破乳[3]。目前破乳研究大多集中在冷凍-解凍、無機鹽破乳等物理化學方法。堿法破乳研究鮮見報道。章紹兵[4]研究發現,堿性環境下油滴界面膜上蛋白質分子帶電量增加,分子間斥力加劇,蛋白質易從油滴表面脫吸,導致膜層變薄,從而有利于蛋白酶作用及油滴聚并。本實驗以水酶法提取油茶籽油形成的乳狀液為研究對象,采用堿法對其進行破乳研究。通過對堿法破乳工藝參數進行優化,確定了堿法破乳的最適條件與最大破乳率,并探討了其相關機理,為堿法破乳工藝提供了理論依據,具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶籽 購于安徽省六安市(干仁含油率為53.84%,含水率為6.62%,粉碎成80目備用)；果膠酶NCB-PE40 湖南尤特爾生化公司提供,最適pH3.0～5.5,最適溫度45～55℃,實測酶活力30000U/g；堿性蛋白酶Acalase2.4L 諾維信公司提供,最適pH6.5～8.5,最適溫度55～70℃,實測酶活力275800U/g；Nile Blue A 上海沃凱生物技術公司提供；鹽酸、氫氧化鈉等 均為分析純。

FW177型中草藥粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；HJ-4A型恒溫多頭磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司；PHS-2C型數顯pH計 上海智光儀器儀表公司；熒光倒置顯微鏡IX81 奧林巴斯公司。

1.2 實驗方法

1.2.2 操作要點 乳狀液的制備:參照文獻[5]中工藝提油茶籽油,產生的乳狀液用小勺取出,4℃冷藏備用；調料水比∶用蒸餾水以1∶1比例稀釋乳狀液；堿法破乳:調整體系pH和溫度,攪拌浸提一定時間；蛋白酶水解:加堿性蛋白酶Acalase2.4L進行水解(水解條件:pH9.0,酶解溫度60℃,加酶量(v/w)1.5%,酶解時間1.5h)；滅酶:85℃水浴10min；離心:在10000r/min條件下離心15min,吸取上層清油,稱量,計算破乳率。

1.2.3 油茶籽仁和乳狀液主要成分 油茶籽仁和乳狀液含水率的測定:真空干燥法,參照GB/T 5009. 3-2003；乳狀液粗蛋白含量的測定:凱氏定氮法,參照GB/T 5009. 5-2003；油茶籽仁含油率的測定:索氏抽提法,參照GB/T 5009. 6-2003；乳狀液含油率的測定:羅紫-哥特里(Rose-Gottlieb)法[6]

1.2.4 乳狀液破乳率 按下式計算破乳率。

破乳率(%)=破乳后清油質量/乳狀液中含油質量×100

1.3 實驗設計

1.3.1 堿法破乳工藝參數優化

1.3.1.1 單因素實驗設計 按照1.2.1和1.2.2中方法,對堿法破乳工藝參數(時間、溫度和pH)進行單因素實驗。

a.時間對破乳率的影響 控制體系pH=8.5,溫度60℃,比較不同攪拌時間30、40、50、60、70min對油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

b.溫度對破乳率的影響 控制體系pH=8.5,攪拌時間50min,比較不同溫度40、50、60、65、70℃對油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

c.pH對破乳率的影響 控制體系溫度60℃,攪拌時間50min,比較不同pH7.0、8.0、8.5、9.0、9.5對油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

1.3.1.2 響應曲面實驗設計 以時間(X1)、溫度(X2)、pH(X3)為實驗因子設計響應曲面實驗,實驗因素水平編碼見表1。

表1 響應曲面法因素水平編碼Table 1 Level and code of variables for response surface analysis

1.3.2 熒光標記技術觀察乳狀液油滴堿法破乳前后變化 參照文獻[7],對堿法破乳前后乳狀液進行熒光染色實驗。

1.4 數據處理

利用Design-Expert 8.05b進行響應面分析,應用Graphpad Prism5作圖及分析。

2 結果與討論

2.1 乳狀液主要成分

見表2。

表2 乳狀液主要成分(%)Table 2 Main components of the emulsion(%)

2.2 堿法破乳工藝參數對破乳率影響

2.2.1 堿法破乳工藝的單因素實驗研究

2.2.1.1 時間對破乳率的影響 由圖1可以看出,破乳率隨堿法破乳時間延長而增加,但50min以后隨時間延長變化不明顯。綜合考慮生產效率和微生物污染等因素,堿法破乳時間不宜過長,因此下面的響應面實驗研究中選擇時間水平值范圍為30～60min。

圖1 堿法破乳時間對破乳率的影響Fig.1 Effect of alkaline time on demulsification rate

2.2.1.2 溫度對破乳率的影響 由圖2可以看出,在40～50℃范圍內,隨著溫度升高破乳率迅速增加,但超過50℃后破乳率增加緩慢直至趨于穩定。這可能因為較高溫度下,乳狀液界面膜上的蛋白質易脫吸,使界面膜層變薄,易于蛋白酶作用；另一方面,溫度較高時,體系粘度降低,有利于油滴聚集[4]。綜合考慮能耗和環境等因素,堿法破乳溫度不宜過高,因此下面的響應面實驗研究中選擇溫度水平值范圍為40～60℃。

圖2 堿法破乳溫度對破乳率的影響Fig.2 Effect of alkaline temperature on demulsification rate

2.2.1.3 pH對破乳率的影響 由圖3可以看出,pH對破乳率影響顯著,pH升高,破乳率迅速增加,但在pH超過8.0之后,破乳率增加趨于平緩。這可能因為體系pH高,油滴表面蛋白質分子帶較多負電荷,分子間斥力作用較強,易從油滴表面脫吸,從而有利于蛋白酶作用及油滴的聚集。但pH過高易使油脂皂化促進游離脂肪酸的形成,從而影響油的質量[4]。綜合考慮各方面因素,下面的響應面實驗研究中選擇pH水平值范圍為7.0～9.0。

圖3 堿法破乳pH對破乳率的影響Fig.3 Effect of alkaline pH on demulsification rate

2.2.2 響應曲面設計實驗結果與分析 (如表3、表4、表5、圖4)。本實驗應用響應面優化法進行過程優化。以X1、X2、X3為自變量,破乳率為響應值Y,響應面實驗方案及結果見表3。

表3 實驗設計及結果Table 3 Results of response surface experiments

通過統計分析軟件Design-Expert 8.05b進行數據分析,得到堿法破乳最佳工藝為:pH=9.00,溫度59.68℃,時間46.74min,此時油茶籽仁乳狀液破乳率達到預測中的最大值90.26%；并且建立二次響應面回歸模型如下:Y=-200.37175+0.28188X1+12.03370X2-20.34600X3+0.0009X1X2+0.024000X1X3-0.17200X2X3-0.00539250X12-0.087880X22+1.81300X32

回歸模型方差分析見表4,回歸方程系數顯著性分析見表5,交互項的響應面分析見圖4。

表4 二次多項式模型方差分析Table 4 ANOVA for the fitted quadratic polynomial mode

表5 回歸方程系數顯著性檢驗Table 5 Significance validation of coefficient estimate of regression equation

注:**表示極顯著水平(p<0.01)；*表示顯著水平(p<0.05)。

圖4 pH和溫度交互作用的的響應曲面圖Fig.4 Response surface plot of pH and temperature on demulsification rate

由表4可知,該模型回歸方程顯著(p=0.0020),而失擬項不顯著,相關系數R2達到0.90以上,說明該回歸模型與實際實驗擬合較好,可以用于油茶籽仁乳狀液堿法破乳工藝實驗的預測。

由表5可知,模型中一次項X2、X3的顯著水平小于0.01,影響極顯著,說明溫度和pH對油茶籽仁乳狀液堿法破乳率具有極其顯著的影響；X22影響顯著。

由圖4分析結果可看出:由于時間在三個因素中影響最小,因此將時間固定(45min),作響應面圖,以便突出溫度與pH對指標的影響。在本實驗水平范圍之內,隨著pH、溫度增加,破乳率均相應增大；pH、溫度曲面坡度比較陡,說明pH、溫度均對破乳率的影響比較大。

2.2.3 驗證實驗 為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性,采用上述優化堿法破乳工藝條件進行驗證實驗,考慮到實際操作的便利,將工藝參數修正為pH=9.0,溫度60℃,時間45min。在此條件下進行3次平行實驗,實際測得的乳狀液平均破乳率為90.15%,與理論預測值90.26%相比,其相對誤差約為0.12%。因此基于響應面法所得的優化堿法破乳工藝參數準確可靠,具有實際應用價值。

2.3 熒光標記技術觀察堿法破乳前后乳狀液油滴變化

由圖5(a)可知,原始乳狀液的油滴小而多；由圖5(b)可知,堿法破乳時乳狀液小油滴穿透油水界面正在發生聚并,呈現不規則狀態。這可能是因為pH(9.0)高,使體系膜層蛋白質分子帶較多凈負電荷,分子間斥力作用增強,易從油滴表面脫吸；溫度(60℃)較高時,體系粘度下降,有利于油滴聚集,另一方面蛋白質在水相中的溶解度增大,加劇蛋白膜破裂[4,8]。

圖5 乳狀液的Nile Blue A熒光染色圖像Fig.5 Nile Blue A fluorescence images of emulsion

3 結論

3.1 應用響應面法對油茶籽仁乳狀液堿法破乳工藝參數進行優化,得到最優響應結果為:pH=9.0,溫度60℃,時間45min,此條件下乳狀液破乳率為90.15%。

3.2 通過熒光顯微成像法觀察得出,堿法破乳前油滴小而密集,并未聚并成大油滴；堿法破乳后油滴聚并變大,且呈不規則形狀。

[1]羅佳,周建平,譚惠元. 紅花油茶的主要成分分析[J]. 現代食品科技,2010,26(1):109-113.

[2]王超,方柔,仲山民,等.水酶法提取山茶油的工藝研究[J]. 食品工業科技,2010,31(5):267-269.

[3]何秋實.響應面優化無機鹽破乳工藝研究[J]. 食品工業科技,2012,33(24):304-306.

[4]章邵兵. 水酶法從油菜籽中提取油和生物活性肽的研究[D]. 無錫:江南大學,2008.

[5]劉倩茹,趙光遠,王瑛瑤. 水酶法提取油茶籽油的工藝研究[J]. 中國糧油學報,2011,26(8):36-40.

[6]大連輕工業學院,華南理工大學,鄭州輕工業學院等合編.食品分析[M]. 北京:中國輕工業出版社,1998.

[7]趙翔. 花生水劑法提油過程形成乳狀液的酶法破乳研究[D]. 鄭州:河南工業大學糧油食品學院,2012.

[8]聶建波,黃萬撫. 乳狀液破乳機理研究進展[J]. 江西有色金屬,2004,18(2):38-40.

Camelliaoleiferaseed oil recovery fromemulsion through alkaline demulsificatication

LI Shi-ke1,2,3,LI Chun-yang2,,3,*,ZENG Xiao-xiong1

(1.Nanjing Agriculture University,Food College,Nanjing 210095,China;2.Institute of Agro-Food Science and Technology,Jiangsu Academy of Agriculture Science,Nanjing 210014,China;3.Jiangsu Cereals and Oil Quality Control and Processing Technology Important Laboratory,Nanjing 210014,China)

The demulsification of the emulsion formed during aqueous enzymatic extraction of camellia oleifera seed oil by alkaline was studied. Demulsification rate was taken as index. Based on single-factor experiments,the main factors were optimized with response surface methodology(RSM). By employing RSM design programmed,the optimal parameters were generated as follows:pH=9.0,temperature 60℃,time 45min and demulsification rate was 90.15%. Fluorescence microscopy technology was applied to observe the change of oil droplets before and after alkaline demulsificatication,respectively. The comparision found that alkaline demulsificatication oil droplets aggregated significantly,grease easier to release.

camellia oleifera seed oil;alkaline demulsificatication;RSM

2014-04-21

李世科(1989-)，女，碩士，研究方向：食品科學工程。

*通訊作者:李春陽(1966-)，男，博士，研究員，研究方向：營養與活性物質，農產品精深加工。

江蘇省糧油品質控制及深加工重點實驗室開放性課題(LYPK2012002)。

TS221

B

1002-0306(2015)03-0219-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.037