酶制劑在植物油脂與蛋白質提取過程中應用的研究進展

趙自通，陳復生，張麗芬，郝莉花，李宇健

（河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450001）

酶制劑在植物油脂與蛋白質提取過程中應用的研究進展

趙自通，陳復生*，張麗芬，郝莉花，李宇健

（河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450001）

酶制劑在植物油脂和蛋白質的提取中發揮著越來越重要的作用，由于酶作用于底物時的特異性，選擇合適的酶制劑尤為重要。根據目前酶制劑在植物油脂和蛋白提取方面的研究，總結多種酶制劑在不同原料中的作用效果，為合理選擇酶制劑提供依據。

酶制劑；油脂；蛋白質；應用

Abstract：Enzyme preparation plays a key role in the extraction of vegetable oils and protein.For the specificity of the enzyme，it is really important to select suitable enzyme preparation.Based on the current study of enzyme preparation in vegetable oil and protein extraction，the effect of various enzymes in different raw materials were summarized，and the basis for reasonable selection of enzyme preparation was provided.

Key words：enzyme preparation；vegetable oil；protein；application

優質的植物油脂和蛋白質已經成為人們生活中重要的食物來源，植物蛋白中含有多種人體必需的氨基酸，而植物油脂中也含有人體所必需的一些不飽和脂肪酸如亞油酸、亞麻酸、油酸等。它們不僅能給人們提供充足的營養，而且植物油相比于動物脂其膽固醇和飽和脂肪酸的含量更低，對人們的健康有益，因此越來越受歡迎[1]。傳統的油脂提取方法有壓榨法、浸出法；但壓榨法取油的原料利用率低，浪費大，成本高；而浸出法取油雖然油脂得率高，但有害物質殘留高、功能性成分損失嚴重。因此傳統的油脂提取方法已經不能滿足現代工業發展和國際競爭需求。而近些年水酶法作為一種新興的油脂和蛋白質提取技術，由于酶的高效專一性、反應條件溫和、提取效率高、安全、環保且可同時獲得營養價值較高的蛋白質等特點，在植物油脂和蛋白質的提取中有著很好的應用前景，受到廣泛關注。根據酶制劑對植物油料油籽發生水解作用的部位不同，可將酶制劑分為油料細胞壁降解酶類、蛋白質水解酶類、以及兩者的復合酶類等[2]。本文就不同酶制劑在植物油脂和蛋白質提取過程中的作用原理及應用現狀進行了詳細綜述，以期為酶制劑在食品工業中的應用提供理論指導。

1 細胞壁降解酶類

1.1 細胞壁降解酶類的作用原理

植物油料細胞表面都存在細胞壁，它是維持植物細胞形態和增強植物細胞機械強度的重要結構，但在植物油脂和蛋白提取過程中，油料細胞壁阻擋了油料細胞內油脂和蛋白質的釋放，給油脂和蛋白的提取分離造成了困難[3]。研究發現用細胞壁降解酶類可以有效的降解細胞壁，將油料細胞內的油脂和蛋白質釋放出來[4]。根據目前的研究，在植物油脂和蛋白質提取過程中常用細胞壁降解酶有纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等。

從微觀上看細胞壁是一個復雜的網狀結構，各種植物的細胞壁雖有諸多差異，但其基本結構相似。在植物細胞壁中，半纖維素包裹纖維素形成微纖絲，果膠將微纖絲粘連構成細胞壁的網狀構架，木質素及其他物質填充在細胞壁間隙中[5]。根據細胞壁的微觀結構可知，纖維素酶和果膠酶在細胞壁降解中起到了關鍵作用。纖維素酶作用于油料細胞壁中纖維素，斷開β-1，4-糖苷鍵將纖維素分解為葡萄糖[6]；而果膠酶則能將果膠物質分解，纖維素和果膠等物質的分解使油料細胞壁的網狀結構破壞，進而在導致細胞壁破碎，細胞內油脂和蛋白質被釋放出來。酶破碎細胞壁的過程如圖1所示[2]，在機械粉碎的基礎上再對油料細胞酶解，可以使油料細胞破碎更加徹底。

圖1 酶對油料細胞的降解Fig.1 Cell degradation of oil seeds by enzymes

1.2 細胞壁降解酶類在植物油脂和蛋白質提取中的應用研究

1.2.1 細胞壁降解酶類對植物油脂和蛋白提取率的影響研究

有研究發現利用細胞壁破壞酶可顯著提高一些植物油料的油脂和蛋白得率。Bisht等[7]在野生杏仁粉中加入果膠酶，纖維素酶或者纖維素酶和果膠酶混合物來提高野生杏仁油的油脂得率；結果表明單一酶制劑與復合酶制劑在合適的濃度下，都可以提高油脂得率，纖維素酶和果膠酶復配可以使油脂得率提高14.22%。Szyd?owska-Czerniak 等[8]發現用果膠酶和纖維素酶提取菜籽油的得率都高于傳統壓榨法取油，而且相比之下果膠酶（16.5%）的作用效果比纖維素更好（15.5%）。這與菜籽中果膠的含量較高有很大關系。同樣的，zhang等[9]也發現使用果膠酶提取菜籽油的效果比用其它酶類好。Li等[10]做了超聲波協同水酶法提取文冠果油的研究，利用纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶在最適的試驗條件下油脂得率為55.8%。單一酶制劑的效率如下：果膠酶＞纖維素酶＞半纖維素酶。而Jiao等用相同的酶（纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶）進行微波協助水酶法提取南瓜籽油的研究，在最適條件下油脂回收率為64.17%[11]。耿晶娟等[12]用纖維素酶（Celluclast 1.5L）進行酶法輔助冷榨和熱榨火麻籽油，得到的油脂提取率分別為67.1%和68.3%。

1.2.2 細胞壁降解酶類對植物油脂和蛋白質品質的影響研究

利用細胞壁降解酶提取植物油脂和蛋白質，在一定程度上可以提高所得到油脂的品質。Sharma等[13]在研究酶法輔助提取橄欖油時發現用果膠酶和纖維素酶不僅能夠提高油脂得率，而且使用酶制劑后可以顯著提高橄欖油的澄清度和總酚含量。同樣Chih等[14]也發現復合纖維素酶（Viscozymes）提取橄欖油可以增加了橄欖油的總酚含量和抗自由基活性。在水酶法提取菜籽油的研究中，Szyd?owska-Czerniak等[8]發現用纖維素酶和果膠酶提取的菜籽油生育酚含量最高，抗氧化能力較好。利用水酶法提取絲瓜籽油發現，加入纖維素酶在50℃條件下酶解6.5 h后，絲瓜籽提油率可達到29.6%。用水酶法提取的絲瓜籽油的各項理化性質均符合國家標準，且比傳統工藝提取的絲瓜籽油品質更好[15]。王喜波等[16]研究了不同方法提取牡丹籽油的品質差異，發現超聲輔助堿性蛋白酶提取的牡丹籽油不飽和脂肪酸含量較高，所得到的油脂外觀品質和市售牡丹籽油品質相近。細胞壁降解酶對植物油和蛋白的提取具有重大意義，不僅能夠增加油脂和蛋白得率、提高油脂品質，而且可廣泛應用在各種植物油料中。

2 蛋白質水解酶類

2.1 蛋白質水解酶的作用原理

植物油料的細胞壁、細胞膜、細胞質中都存在有蛋白質，研究發現在植物油脂和蛋白質提取過程中使用蛋白水解酶可以有效提高油脂和蛋白的得率。其作用原理可以分為以下幾個方面：第一，蛋白酶能夠作用于植物細胞壁中的結構蛋白，使嵌在細胞壁網狀結構中的蛋白水解，降低了細胞壁的阻礙能力，因此油料細胞內的油脂和蛋白更容易被釋放出來[17]。用堿性蛋白酶處理前（A）和處理后（B）油茶籽細胞結構變化如圖2所示，可以看出蛋白酶處理后細胞團（圖2B）已成“鏤空”形態，更有利于油脂和蛋白的釋放[18]。第二，蛋白酶作用于油料細胞膜和細胞質中的蛋白質促使細胞膜的破碎和細胞質內部結構疏松，導致細胞內容物流出，油脂和蛋白質被釋放出來[2]。第三，蛋白酶能作用于植物油料細胞中的油脂體和蛋白體。植物油料中油脂和蛋白大部分都儲藏在油脂體和蛋白體中，油脂體是植物油脂儲存的重要器官。油料種子中幾乎都有油脂體，它是植物油脂的主要儲存場所[19-20]。油脂體是一個直徑約有1 μm的微粒，主要是由甘三酯、磷脂和蛋白組成[21]；結構如圖3所示，油脂體的表面被一層磷脂包裹，蛋白質鑲嵌在油脂體的表面，甘三酯包裹在油脂體內部。油脂體表面的蛋白對油脂體的穩定起到了重要作用，蛋白酶可以將油脂體表面的蛋白質分解，破壞油脂體結構從而包裹在油脂體內的油脂釋放出來[22]。

圖2 Alcalase堿性蛋白酶處理前后油茶籽細胞結構掃描電鏡圖Fig.2 SEM observation on cell structure of oil-tea Camellia oleifera seed hydrolyzed by alcalase

圖3 油脂體結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of oil body structure

2.2 蛋白質水解酶類在植物油脂和蛋白質提取中的應用研究

2.2.1 蛋白質水解酶應用于植物油脂和蛋白的提取

蛋白酶制劑在糧油食品行業中的應用非常廣泛，同時越來越多蛋白酶制劑被用于蛋白質和油脂的提取中，其中堿性蛋白酶（Alcalase 2.4L）在研究中的應用較多，Alcalase 2.4L是一種來源于枯草桿菌的食品級堿性內切蛋白酶，由于其對底物作用范圍廣，水解蛋白質程度較為徹底，已被廣泛應用于植物或動物蛋白的水解中[23]。章紹兵等[24]的研究表明選取Alcalase 2.4L對烘烤后的花生進行水酶法提取在最適條件下油脂和蛋白質得率分別為75.8%和76.7%。而Wang等[25]用Alcalase 2.4L在pH值為8.50，溫度為60℃，酶濃度為1.5%條件下處理8 h后，花生蛋白水解產物產率為82.5%，油脂得率為92.2%。得到的油脂與溶劑浸出法相比游離脂肪酸的含量更低，且降低了食用油的精煉成本。同時花生分離蛋白水解物表現出良好的自由基清除能力和抑制血管緊張素I轉換酶活性的作用。

另外還有許多其他蛋白酶制劑應用于植物油和蛋白的提取中，王瑛瑤等[25]研究了不同的蛋白酶制劑對花生水酶法同時提取油脂和蛋白質的影響。用中性蛋白酶（As1.398）得到的游離油和蛋白質水解物分別為85.9%和75.2%；中性蛋白酶（Protease-N）的油脂和蛋白得率為86.9%和78.1%；木瓜蛋白酶（Papain）的油脂和蛋白得率分別為84.5%和72.4%。Dotsenko等[26]利用水酶法提取白三葉草和黑麥草中的蛋白質，在pH值為8時，加入蛋白酶（Savinase 16.0L）蛋白質得率達到80%。而且連續的蛋白酶處理可以使蛋白質得率達到95%。綜上可知蛋白酶能夠顯著提高植物油和蛋白的得率，滿足當下高效、綠色的利用植物油料進行工業化生產的要求，有非常好的應用前景。

2.2.2 蛋白水解酶類應用于乳化液的破乳

在利用酶制劑提取油脂和蛋白質時往往形成數量可觀的乳狀液，不僅降低了油脂和蛋白得率，而且限制了其在油脂提取工業中的廣泛應用。如何有效地破乳，提高蛋白質和油脂的得率，成為水酶法技術研究的重點之一。研究發現蛋白酶可以對乳狀液進行破乳。其破乳的實質是乳化液中的蛋白（包含界面蛋白和非界面蛋白）被水解之后其分子量減小，不能維持原有界面膜的強度所致[23]。酶法破乳是一種新型的生物破乳方法，有學者研究了該方法對花生油的破乳效果。其中Li等[27]比較了幾種酶制劑釋放油脂的效率；試驗表明木瓜蛋白酶（Papain）和風味蛋白酶（Protex 50FP）在酶濃度為1.5%時都能很好的對花生乳化液進行破乳，但是在酶濃度為0.01%時Protex 50FP的依然能夠將92.8%左右的游離油脂釋放出來，而Papain的破乳率只能達到55.2%。而Jiang等[28]用中性蛋白酶（As1398）來水解水酶法提取花生油和蛋白后的殘余物和乳液，可以使總游離油和蛋白質水解產物分別提高到91.98%和88.21%。章紹兵等[23]用堿性蛋白酶2709對花生乳狀液進行破乳，結果表明乳狀液的破乳率均可達到或超過95%。在大豆油的提取中，Chabrand等[29]用堿性蛋白酶（Protex 6L）對乳狀液進行破乳，破乳率為72%；用Protex 6L兩步酶解的方法，總破乳率達到95%。而Jung等[30]用Protex 6L蛋白酶提取大豆油，再采用Protex 6L對乳狀液進行破乳，破乳率達到100%。

除了蛋白質以外磷脂也是影響乳狀液穩定性的關鍵因素；因此磷脂酶也可以用于乳化液的破乳[31]。Chabrand 等[29]用磷脂酶 A1（G-zyme）對水酶法提取大豆油過程中產生的乳狀液進行破乳，破乳率幾乎達到100%。在此之前Lamsal等也對大豆油提取過程中形成的乳狀液進行了磷脂酶破乳的研究，結果表明磷脂酶通過切斷磷酸甘油酯位上的sn-1、sn-2、sn-3酯鍵，極大地破壞了乳狀液的穩定性[32]。Wu等[33]選擇磷脂酶A（phospholipase A2）和蛋白酶（Protex 51FP）探究酶濃度對大豆油破乳作用的影響。研究發現在加酶量為2%時，兩種酶都能夠達到破乳效果。在酶濃度小于2%時蛋白酶比磷脂酶釋放出更多的游離油。在酶濃度為0.2%時蛋白酶和磷脂酶的游離油得率分別為88%和48%。Li等[27]用磷脂酶 A1（LecitaseRUltra）對水酶法產生的花生乳狀液進行破乳，結果表明花生油得率隨著酶濃度的增加而升高，在酶濃度為1.5%時破乳率為56.7%。

3 復合酶類

3.1 復合酶類對植物蛋白和油脂得率的影響

由于植物油料細胞的成分和組織結構比較復雜，在提取植物油和蛋白時利用單一的酶制劑有時具有一定的局限性并不能取得理想的效果。而利用復合酶制劑時酶制劑之間可能存在協同效應，能夠在一定程度上提高酶的作用效果，從而提高油脂和蛋白質得率。所以在研究中有些學者將細胞壁酶和蛋白水解酶混合使用來輔助提取植物油和蛋白。Passos等[34-35]研究了使用復合酶（纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶和蛋白酶）預處理輔助提取葡萄籽油，預處理后用超臨界二氧化碳萃取和溶劑浸出油脂得率分別為16.5%和13.7%。Yusoff等[36]利用中性蛋白酶（Neutrase 0.8L）和纖維素酶（Celluclast 1.5L）來提取辣木籽中的辣木油，在pH4.5，料液比為 8∶1（質量比），震蕩速率為 300 r/min，理論上油脂得率可以達到72.49%。Gai等[37-38]利用混合酶（纖維素酶、果膠酶、蛋白酶）提取連翹籽和板藍根籽中的油脂，油脂得率分別為21.62%和57.29%。Hou等[39]用水酶法提取芝麻油結果表明當使用混合酶（木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、纖維素酶）芝麻油得率可以達到87.58%。

但是并不是所有的復合酶都能顯著提高植物油脂和蛋白質的提取效率。羅明亮等研究了細胞壁破壞酶、蛋白酶、淀粉酶單因素及其復配酶對提取蓖麻籽油提取率的影響，發現中性蛋白酶的提油效果最好，其總的油脂提取率達到了91.17%，遠大于其它各種復配酶最高得率（86.93%）。只用中性蛋白酶的提取率高的原因可能是：第一，蓖麻剝殼后的細胞組織容易破碎，細胞壁中纖維素、半纖維素含量較低，有利于提高油脂提取率；第二，蛋白酶通過分解蛋白質達到破乳效果，從而提高清油得率[40]。而有些植物油料，使用復配酶或者單一酶制劑并無明顯差別，例如R ovaris等[41]選用堿性蛋白酶、戊聚糖復合酶與堿性蛋白酶、纖維素復合酶分別對大豆進行水酶法提油，發現油脂得率無明顯差異。同樣的在酶法輔助提取大蒜油時加入戊聚糖復合酶與使用單一的蛋白酶、果膠酶、纖維素酶相比油脂的得率沒有顯著差異[42]。

3.2 含淀粉酶的復合酶類對植物油脂和蛋白得率的影響

研究發現淀粉水解酶也可以輔助植物油脂和蛋白質提取。但淀粉酶在植物油和蛋白的提取中單獨應用不多，大多是和其他酶制劑混合使用來提高油脂和蛋白的得率。林莉等[43]研究表明，使用α-淀粉酶進行水酶法提取薏米糠油得率為30.47%。但是用單一酶進行水酶法提油，游離油得率是有限的，為了提高游離油得率，單一酶之間的相互作用是必不可少的。根據試驗結果使用復合酶后游離油得率有顯著提高，其中α-淀粉酶與中性蛋白酶復合使用（1∶1），其游離油得率最高可接近60%。Fang等[44]研究了水酶法提取山茶籽油，結果顯示使用淀粉酶進行提取油脂得率為31.92%。油茶籽中的淀粉含量為16.85%，在油茶籽中使用淀粉酶后懸浮液變稠，故相比于其他種類的酶而言，使用淀粉酶提取后的油茶籽更難通過離心分離出油茶籽油。羅明亮等[40]研究了纖維素酶、果膠酶、淀粉酶、中性蛋白酶和半纖維素酶單因素及其復配酶對提取蓖麻籽總油和清油提取率的影響。結果表明淀粉酶效果最差，提取率分別是64.06%和21.31%。

雖然復合酶在作用于油料時可能具有協同作用，但在油脂提取中使用單一酶或復合酶沒有統一的定論，酶的選擇應該取決于油脂和蛋白在細胞內的結構形態及其理化性質。為了選擇合適的酶制劑，我們應該從植物細胞的微觀結構入手，研究酶制劑輔助下油脂和蛋白質釋放的分子機制，進而找到針對特定油料的最適酶制劑。

4 結語

隨著商業化酶制劑的種類越來越多，酶制劑在實際中的應用越來越廣泛。利用酶制劑可以同時獲得植物油脂和優質植物蛋白質，具有良好的工業應用前景；但由于酶作用于油料時具有特異性和各種植物油料在組成成分和結構上的差異，降解不同的植物油料需要酶的種類是不同的。因此，找到最合適的酶制劑或者酶制劑組合對植物油和蛋白的提取尤為重要。但目前的研究對于酶制劑的篩選存在著一定的盲目性，很少有人根據油料細胞的微觀結構和酶對植物油料的作用機理來選擇最適酶種類。所以對各種油料細胞結構的細化研究是今后需要重點探索的一個方面。相信隨著科技的發展酶制劑在植物蛋白和油脂的提取中將會發揮越來越重要的作用。

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Advances in Application of Enzyme Preparations in the Extraction of Vegetable Oils and Protein

ZHAO Zi-tong，CHEN Fu-sheng*，ZHANG Li-fen，HAO Li-hua，LI Yu-jian
（College of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，Henan，China）

2017-01-18

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.045

國家自然科學基金項目（21376064、21676073）；國家“863”計劃（2013AA102208）；中國博士后科學基金（2015M582184）

趙自通（1994—），男（漢），在讀碩士，主要從事食品資源開發與利用。

*通信作者：陳復生，男，教授，博士生導師。