關(guān)炳峰,呂凱波,李向力,高海東,徐 鐘,李 彬,劉 曉,洪慧杰,李 棟
(1.河南省商業(yè)科學(xué)研究所有限責(zé)任公司,河南鄭州 450002; 2.武漢工商學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院,湖北武漢 430065; 3.食品安全大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450002)
紅花(CarthamustinctoriusL.)又名草紅花、菊紅花等,是一年生雙子葉菊科草本植物,集油、藥、染料、飼料兼用,其花冠、籽實(shí)、莖葉、秸稈都可以利用[4],其籽含油一般在23%~46%,高于大豆。紅花和紅花籽用處較為廣泛,紅花籽油中必需脂肪酸含量達(dá)80%以上,其中亞油酸的含量高達(dá)73%~85%,在已知植物油中亞油酸含量最高[2],有“亞油酸之王”之稱。紅花籽油在很多國(guó)家可以被食用,經(jīng)常食用紅花籽油有延緩衰老的功效,還具有促進(jìn)微循環(huán)、間接恢復(fù)神經(jīng)功能等作用[3]。紅花籽蛋白含有豐富的氨基酸,且很多為必需氨基酸,即可以作為蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑,也可以作為食品添加劑,有很大的利用開(kāi)發(fā)空間。
紅花籽油的提取方法有壓榨法、溶劑法等。傳統(tǒng)的壓榨法利用外力擠壓獲得油,這種方法提取的油雖然純凈,油的品質(zhì)也相對(duì)較高,但出油率較低,成本也比較高,而且壓榨后得到的紅花籽粕一般都是用作了飼料,殘油率也很大,整個(gè)紅花籽的利用率不高;有機(jī)溶液浸出法提取油脂,雖然紅花籽粕中殘油少,出油率比起壓榨法高,加工成本較低,但含有有機(jī)溶劑,工藝比較繁瑣,食用安全性差,并且會(huì)給造成環(huán)境污染[5-6];比起這兩種傳統(tǒng)的提油方法,水酶法具有很多優(yōu)勢(shì),李倩等人的研究得到水酶法提取紅花籽油提油率為63.16%[4]。水酶法采用的是在機(jī)械破碎后,用酶對(duì)細(xì)胞壁、脂多糖、脂蛋白進(jìn)行降解,使油料細(xì)胞中的油釋放出來(lái),水酶法相比壓榨法和有機(jī)溶劑浸出法來(lái)說(shuō),出油率較高,工藝條件相對(duì)簡(jiǎn)單,環(huán)境污染小,提出的油品質(zhì)較高,在提油的同時(shí)還可以得到水解蛋白等[6-7]。現(xiàn)如今水酶法已經(jīng)運(yùn)用到多種含油原料的提取工藝中,有花生、油菜籽、大豆、巴坦木、核桃、牡丹籽、杏仁、核桃等[5-10]。
本實(shí)驗(yàn)對(duì)水酶法從紅花籽中提油和提取水解蛋白同時(shí)進(jìn)行了研究,基于王英瑤等[6]對(duì)堿提工藝優(yōu)化的研究,選出最佳的堿提溫度和時(shí)間,對(duì)紅花籽和酶解后的乳狀液成分進(jìn)行分析,在篩選出最佳酶組合后,選出最佳酶用量、酶解時(shí)間、料液比,確定水酶法從紅花籽中提取油脂和水解蛋白的最佳工藝條件。對(duì)酶解后得到的O/W型乳狀液進(jìn)行破乳提油,以期提高紅花籽油脂得率,為開(kāi)發(fā)紅花籽油和水解蛋白提供理論依據(jù)。
紅花籽 新疆產(chǎn)地;茚三酮 AR,天津市凱通試劑有限公司;纖維素酶(50 U/mg) 食品級(jí),江蘇銳陽(yáng)生物科技有限公司;果膠酶(100 U/mg) 食品級(jí),江蘇銳陽(yáng)生物科技有限公司;水解蛋白酶Alcalase 2.4L(2.4 AU/g) 食品級(jí),丹麥諾維信。
YP202N電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;AUY120分析天平 SHIMADZU CORPOPA TION JAPAN;BCD-217C電冰箱 美的集團(tuán)電冰箱合肥有限公司;50目分樣篩 上虞市龍翔精密儀器廠;DG120型粉碎機(jī) 浙江省瑞安市飛達(dá)藥材器械廠;HH-2恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司;722E可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司;HH恒溫水浴鍋 江蘇金壇中大儀器廠;GZX-9070MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;GL-21M高速冷凍離心機(jī) 湘麓離心機(jī)儀器有限公司。
1.2.1 紅花籽基本成分的測(cè)定 紅花籽經(jīng)去殼、粉碎,然后進(jìn)行基本成分的測(cè)定。水分含量測(cè)定:直接干燥法;灰分含量測(cè)定:重量法;蛋白質(zhì)含量的測(cè)定:凱氏定氮法;脂肪含量的測(cè)定:索氏提取法[11]。
1.2.2 游離油和水解蛋白的提取 將紅花籽烘干后粉碎過(guò)篩,稱取紅花籽10 g,以1︰5(w/v)的比例與水混合后,調(diào)至pH為8.8,在溫度為55 ℃下將水解蛋白酶加入堿提取液,攪拌酶解一定時(shí)間后,直接升溫滅酶(85 ℃,10 min),趁熱離心(3000 r/min,20 min)后得到四層:游離油、乳狀液、水解液和渣[13]。
1.2.3 紅花籽水解蛋白液水解度的測(cè)定 采用茚三酮比色法[12]。
1.2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 取100 mg甘氨酸配成1000 mg/L甘氨酸溶液,再取2 mL加蒸餾水定容到100 mL,使得其溶液濃度為20 μg/mL,然后取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1 mL加1 mL顯色劑茚三酮,加1 mL pH=8的緩沖液,搖勻后沸水水浴15 min,進(jìn)行顯色反應(yīng),冷卻后加入5 mL 40%乙醇溶液,然后于波長(zhǎng)為570 nm處測(cè)定其吸光度值,以蒸餾水為空白,根據(jù)測(cè)定值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.3.2 樣品的測(cè)定 取水解蛋白液稀釋到一定范圍后取4 mL,同標(biāo)準(zhǔn)曲線制作的方法,在570 nm處測(cè)出吸光度,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得到蛋白質(zhì)含量。
水解度DH(%)=(蛋白質(zhì)的毫克數(shù)/1000×樣品蛋白質(zhì)量)×水解液的總體積×(100/顯色時(shí)稀釋液的體積)×100
式(1)
1.2.4 堿提條件的選擇 將與水混合后的紅花籽,用NaOH調(diào)至pH8.5,在溫度為30、40、50、60、70 ℃條件下,堿提60 min,以游離油得率和水解蛋白得率為標(biāo)準(zhǔn)選出最佳的堿提溫度。將與水混合后的紅花籽,用NaOH調(diào)至pH8.5,在溫度為60 ℃下,堿提30、60、90、120、150 min,以游離油得率和水解蛋白得率為標(biāo)準(zhǔn)選出最佳的堿提時(shí)間。

式(2)
式(3)
1.2.5 篩選最適合的酶及組合 在pH為8.8、溫度為55 ℃、酶解時(shí)間是3 h條件下得到提取液進(jìn)行酶水解。按表1四組酶分別水解后離心,測(cè)定游離油得率,選出最佳酶組合。

表1 酶的篩選Table 1 Screening for enzymes
1.2.6 酶解單因素實(shí)驗(yàn) 酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響:在酶解溫度55 ℃,酶總添加量3%,pH為8.5,料液比(w/w)為1∶5的條件下,設(shè)定其酶解時(shí)間為1、2、3、4、5 h,以游離油得率和水解蛋白得率為指標(biāo),研究酶解時(shí)間對(duì)其酶解效果的影響;酶添加量對(duì)酶解效果的影響:在酶解時(shí)間為3 h,酶解溫度為55 ℃,pH為8.5,料液比(w/w)為1∶5的條件下,設(shè)定果膠酶、纖維素酶、水解蛋白酶組合,比例為1∶1∶1,每種酶添加量為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%,以游離油得率和水解蛋白得率為指標(biāo),研究酶添加量對(duì)酶解效果的影響;料液比對(duì)酶解效果的影響:在酶解溫度為55 ℃,酶總添加量4.5%(1∶1∶1),pH為8.5,酶解時(shí)間為3 h的條件下。設(shè)定其料液比為1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8(w/w),以游離油得率和水解蛋白得率為指標(biāo),研究料液比對(duì)酶解效果的影響。
1.2.7 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在酶解溫度55 ℃,酶解pH為8.5下,以酶解時(shí)間、酶添加量、料液比為單因素設(shè)計(jì)三因素三水平的正交表L9(34),其中酶添加量采用水解蛋白酶、纖維素酶和果膠酶三種酶不同比例的添加。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal test
1.2.8 最適破乳方法的選擇 按1.2.2的工藝提取后離心分四層,第二層乳化層中含有大部分的油脂,在對(duì)乳化層的成分進(jìn)行研究后,采用以下三種方式破乳以提高油得率;冷凍破乳:取乳化層,放入冰箱冷凍(-18 ℃)24 h,取出后室溫解凍3 h,8000 r/min離心15 min;靜置破乳:取乳化層,放在室溫靜置30 h,后8000 r/min離心15 min;加熱破乳:取乳化層,放在沸水中加熱10 min,后8000 r/min離心15 min;取最佳破乳方法下的乳化層,在不同離心速率(6000、8000、10000 r/min)離心15 min后,根據(jù)其破乳率挑選出最好的離心速率。
乳狀液的破乳率(%)=破乳離心后得到的油質(zhì)量/乳狀液所含油質(zhì)量×100
式(4)
每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)平行三次,并用Excel數(shù)據(jù)處理軟件求出平均值。酶解時(shí)間、酶總添加量、料液比對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響采用SPSS 13.0分析軟件進(jìn)行處理。
由表3可知,紅花籽中含有較多的蛋白質(zhì)和油脂,去殼后的紅花籽蛋白質(zhì)和油脂含量更高,紅花籽中的蛋白質(zhì)、油脂和水在搖晃、攪拌中形成乳化層,而這層乳化層中含有一定的油脂,所以破乳很有必要。酶解升溫滅酶后離心,在高溫的狀態(tài)下可以減少乳化層。

表3 紅花籽成分表Table 3 Main components of safflower seeds
根據(jù)1.2.3采用茚三酮比色法測(cè)定水解蛋白液的水解度,根據(jù)蛋白質(zhì)的吸光度繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線。
由圖1可以得到其線性回歸方程為y=0.0069x+0.0024(R2=0.9998)。

圖1 水解蛋白液蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Hydrolysate standard curve
2.3.1 堿提溫度對(duì)得率的影響 結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 堿提溫度對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響 Fig.2 The oil and hydrolyzed protein at alkali mention temperature
由圖2可以看出,堿提溫度為60 ℃時(shí),游離油得率和蛋白質(zhì)得率最高,游離油得率和水解蛋白得率在30~60 ℃之間隨溫度的升高得率在不斷增加,在溫度60 ℃后,由于溫度的改變蛋白質(zhì)變性,游離油和水解蛋白得率隨溫度的變化而減小,因此堿提溫度不能太高,應(yīng)該在60 ℃左右。此時(shí)游離油得率為57.38%,水解蛋白得率為40.19%。
2.3.2 堿提時(shí)間對(duì)得率的影響 將與水混合后的紅花籽,按照1.2.4方法研究堿提時(shí)間對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 堿提時(shí)間對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響Fig.3 The oil and hydrolyzed protein at different time
由圖3可以看出,在堿提時(shí)間30~60 min時(shí),游離油得率和水解蛋白得率隨時(shí)間的增加而增加,但到60 min后游離油得率基本保持不變,為了提高實(shí)驗(yàn)的效率,選定堿提60 min為最佳堿提條件。此時(shí)游離油得率為57.28%,水解蛋白得率為40.29%。
將在1.2.2條件下得到的堿提取液,加入不同的酶,添加量按表1,測(cè)定其游離油得率和水解蛋白得率,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 酶的篩選Fig.4 Screening for enzymes
由圖4可以看出,在加酶總量相同,酶解時(shí)間、酶解溫度、pH相同的情況下,三種不同的酶及其不同的酶組合方式,果膠酶、纖維素酶、水解蛋白酶共同作用下的游離油得率最高。單獨(dú)使用水解蛋白酶Alcalase 2.4L時(shí)水解蛋白得率最高,但游離油得率很低,果膠酶有降解果膠大分子的作用,纖維素酶能降解細(xì)胞壁,使油脂游離出來(lái),所以加了纖維素酶和果膠酶之后能更好的降解細(xì)胞壁,使油得率提高,故實(shí)驗(yàn)選用酶總添加量3.0%(果膠酶1%+纖維素酶1%+水解蛋白酶Alcalase 2.4L1%)。此時(shí)的游離油得率為57.05%,水解蛋白得率為38.73%。
2.5.1 酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響 研究不同酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響Fig.5 The oil and hydrolyzed protein at hydrolysis time
由圖5顯示,在酶解時(shí)間1~3 h之間游離油得率不斷的升高,水解蛋白得率也隨時(shí)間增長(zhǎng)得率越高,在3 h后油得率基本不變,水解蛋白得率在小幅度的升高,水解時(shí)間越長(zhǎng),變化不大,在一定時(shí)間后酶解越完全,但酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低油品質(zhì),所以選擇最佳的酶解時(shí)間為3 h。此時(shí)的游離油得率為57.52%,水解蛋白得率為39.81%。
2.5.2 酶總添加量對(duì)酶解效果的影響 研究不同復(fù)合酶總的添加量對(duì)酶解效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 酶總添加量對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響Fig.6 The oil and hydrolyzed protein at the enzyme addition
由圖6顯示,隨著每種酶加量的不斷增加游離油得率和水解蛋白得率在不斷的提高,游離油得率在酶總添加量到4.5%時(shí)基本增加幅度變小,水解蛋白得率在酶總添加量達(dá)到6%以后也基本保持不變,酶加量越大,就與底物作用的越完全,但到一定的量后,水解蛋白得率和游離油得率增加量變小,因?yàn)榈孜锪恳欢?已經(jīng)達(dá)到充分酶解,考慮到酶的成本和結(jié)合得率的增長(zhǎng)情況,故選用酶總添加量為4.5%。此時(shí)的游離油得率為57.11%,水解蛋白得率為37.09%。
2.5.3 料液比對(duì)酶解效果的影響 研究不同料液比對(duì)酶解效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 料液比對(duì)游離油得率和水解蛋白得率的影響Fig.7 The oil and hydrolyzed protein at the different solid liquid ratio
由圖7顯示,游離油得率在料液比1∶5時(shí)達(dá)到最大值,在這之后游離油得率逐漸減少,水解蛋白得率也在1∶5后逐漸保持不變。在料液比1∶3~1∶4之間,水量較少,底物和酶不能完全接觸,酶反應(yīng)被限制,但當(dāng)水量逐漸增加時(shí),底物濃度會(huì)降低,反應(yīng)也會(huì)跟著變慢,故選用料液比1∶5為最佳的料液比。此時(shí)的游離油得率為57.43%,水解蛋白得率為39.40%。
在酶解溫度55 ℃,酶解pH為8.5下,選酶解時(shí)間、酶總添加量、料液比為單因素設(shè)計(jì)三因素三水的正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 正交分析結(jié)果表Table 4 Design and result of orthogonal experiment
從表中數(shù)據(jù)可以看出,以游離油得率為標(biāo)準(zhǔn)分析,影響因素主次依次是酶解時(shí)間、料液比、酶添加量,最優(yōu)方案為A2B2C2,即酶解時(shí)間為3 h,酶總量為4.5%,料液比為1∶5。游離油得率為57.89%,以水解蛋白得率為標(biāo)準(zhǔn)分析,影響因素主次依次是酶添加量、料液比、酶解時(shí)間,最優(yōu)方案為A3B3C3,即酶解時(shí)間為4 h,酶總添加量為6%,料液比為1∶6。水解蛋白得率為41.08%,方差分析結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 游離油得率正交方差分析Table 5 Orthogonal test analysis of the oil

表6 水解蛋白得率正交方差分析Table 6 Orthogonal test analysis of the hydrolyzed protein
由表5可以看出,酶解時(shí)間對(duì)游離油得率有極顯著影響,方差分析和極差分析結(jié)論相同。
由6表可以看出,酶添加量對(duì)水解蛋白得率有顯著影響,方差分析和極差分析結(jié)論相同。
根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮酶的成本,選定在酶解溫度55 ℃,酶解pH為8.5、酶解時(shí)間3 h,酶總添加量為4.5%,料液比為1∶5條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),三組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果游離油得率分別為58.06%、58.31%、58.27%,水解蛋白得率分別為41.36%、41.26%、41.33%,平均值為游離油得率為58.21%,相對(duì)誤差為0.55%,水解蛋白得率為41.32%,相對(duì)誤差是0.58%,與正交實(shí)驗(yàn)中所得實(shí)驗(yàn)值較為接近,證明此優(yōu)化方法可行。
2.8.1 乳狀液成分分析 結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 乳狀液成分表Table 7 The components of the emulsion
由表7可知:乳狀液所含油脂占24.82%,含油量較高,蛋白質(zhì)含量較少。可能是紅花籽中含有的天然蛋白質(zhì)有穩(wěn)定乳狀液的作用,這對(duì)破乳來(lái)說(shuō)增加了破乳的難度,不易破乳。
2.8.2 破乳方法的確定 結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 破乳率分析Table 8 The analysis of the demulsification rate
由表8可以看出,冷凍破乳效果更好,然后是加熱破乳,加熱破乳和冷凍破乳都是改變?nèi)闋钜旱臏囟?改變了乳狀液的穩(wěn)定性,靜置破乳時(shí)油滴上浮,但耗時(shí)太久,時(shí)間久后會(huì)改變油的品質(zhì),故選用冷凍破乳,此時(shí)破乳率約為35.28%。
2.8.3 破乳離心轉(zhuǎn)速的確定 取經(jīng)過(guò)冷凍破乳后的乳化層經(jīng)不同轉(zhuǎn)速離心,得到如表9結(jié)果。

表9 離心轉(zhuǎn)速對(duì)破乳率的影響分析Table 9 The analysis of effects of rotational speed on the demulsification rate
離心后的乳化層,放入冰箱冷凍24 h,取出后室溫解凍3 h,10000 r/min離心15 min,最后的破乳率約為35.28%。由表中數(shù)據(jù)可以看出隨著離心轉(zhuǎn)速的升高,破乳率逐漸提高,但在8000~10000 r/min之間變化不是特別大。但從破乳率考慮選擇8000 r/min離心15 min。與之前游離油合并,此時(shí)的油得率為63.94%。
本實(shí)驗(yàn)采用水酶法同時(shí)酶解制備紅花籽油和水解蛋白粉,在選出最佳的堿提溫度和時(shí)間后,通過(guò)對(duì)酶制劑的篩選,最終確定用果膠酶1%+纖維素酶1%+水解蛋白酶Alcalase 2.4L1%為實(shí)驗(yàn)酶。采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)酶用量、酶解時(shí)間、料液比進(jìn)行優(yōu)化,最終兼顧酶的成本,選定在堿提溫度為60 ℃,堿提時(shí)間60 min后加入果膠酶、纖維素酶、水解蛋白酶Alcalase 2.4L比例為1∶1∶1,酶總添加量為4.5%,料液比為1∶5,酶解3 h后進(jìn)行高溫滅酶(85 ℃滅酶10 min),離心得游離油、水解液、乳化層、渣,通過(guò)測(cè)定和計(jì)算得到此時(shí)的游離油得率為58.21%,水解蛋白得率為41.32%。將酶解后的乳狀液進(jìn)行破乳,對(duì)靜置破乳、冷凍破乳、加熱破乳三種方法進(jìn)行比較后選出最佳的破乳方法為冷凍破乳,將乳化層冷凍后離心,選出最佳的離心速率為8000 r/min,此時(shí)的破乳率為35.28%。將破乳后的油與游離油合并得到油得率為63.94%。
與傳統(tǒng)法相比,水酶法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作溫度低,無(wú)需脫除溶劑,可以同時(shí)提取水解蛋白等優(yōu)點(diǎn),隨著生物技術(shù)的發(fā)展,酶制劑價(jià)格的下降,對(duì)減少環(huán)境污染要求的提高,水酶法從紅花籽中提取油脂與水解蛋白的工藝將具有廣泛的應(yīng)用前景。
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