山桐子油水酶法提取工藝優(yōu)化及品質(zhì)分析

王玉琴 雙 全

(1. 烏蘭察布醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

山桐子別名水冬瓜、水冬桐、椅樹、椅桐、斗霜紅，為大風(fēng)子科、山桐子屬落葉喬木，分布于中國、日本、朝鮮與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，在中國主要產(chǎn)于四川盆周山地、重慶、云南、貴州、陜西南部、甘肅南部、湖北、湖南、江西、浙江、福建和臺(tái)灣地區(qū)[1-2]。

山桐子整果平均含油率為36.71%，不飽和脂肪酸含量高達(dá)80%，其中亞油酸含量高達(dá)68%～71%，與紅花籽油相當(dāng)，比芝麻油、山茶油、花生油和橄欖油的含量都高，且維生素E含量高，是一種優(yōu)質(zhì)的木本食用油脂[3-4]。雖然在山桐子主產(chǎn)區(qū)食用山桐子油已有上百年歷史，但是山桐子油工業(yè)化生產(chǎn)卻鮮有報(bào)道，吳發(fā)旺等[5]曾采用冷榨法制取山桐子油，餅渣殘油高；曠春桃等[6]曾采用超臨界流體萃取山桐子油，提取率雖高，但成本高，不易投產(chǎn)。水酶法提取的植物油品質(zhì)高，對環(huán)境污染少，符合安全、營養(yǎng)、綠色的要求。目前已被應(yīng)用于菜籽[7]、玉米胚[8]、油茶籽[9]等油料作物的提取，并取得了良好的效果[10]。但目前中國尚未有水酶法提取山桐子油的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本試驗(yàn)擬對水酶法提取山桐子油工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，并對提取得到的油脂進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)檢測，以期為山桐子高效生產(chǎn)加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

山桐子：購于四川廣元市；

維生素E標(biāo)準(zhǔn)品：HPLC≥98%，上海源葉生物科技有限公司；

水解蛋白酶Alcalase2.4L：2.4 AU/g，丹麥諾維信公司；

果膠酶(10 000 U/g)、纖維素酶(10 000 U/g)、中性蛋白酶(50 000 U/g)：阿拉丁試劑(上海)有限公司；

各種脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品：美國Sigma公司；

其他試劑均為分析純；

水為蒸餾水；

精密數(shù)顯恒溫水浴鍋：J-HH-4A型，冠森生物科技(上海)有限公司；

實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)：RW20型，艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司；

小型粉碎機(jī)：FW-100型，天津市泰斯特儀器有限公司；

pH計(jì)：DELTA 320型，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；

分析天平：Practum224-1CN型，島津(上海)實(shí)驗(yàn)器材有限公司；

離心機(jī)：L-550型，湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司；

高效液相色譜儀：E2695型，美國沃特世科技有限公司；

氣相色譜儀：7890B型，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 山桐子及山桐子油相關(guān)指標(biāo)檢測方法

(1) 山桐子水分測定：按GB 5009.3—2016的第一法執(zhí)行。

(2) 粗脂肪測定：按GB 5009.6—2016執(zhí)行。

(3) 蛋白質(zhì)測定：按GB 5009.5—2016執(zhí)行。

(4) 淀粉測定：按GB 5009.9—2016執(zhí)行。

(5) 山桐子油水分測定：按GB 5009.236—2016執(zhí)行。

(6) 酸價(jià)測定：按GB 5009.229—2016執(zhí)行。

(7) 過氧化值測定：按GB 5009.227—2016執(zhí)行。

(8) 色澤測定：按GB/T 22460—2008執(zhí)行。

(9) 維生素E測定：按GB 5009.82—2016執(zhí)行。

1.2.2 脂肪酸組成分析

(1) 樣品制備：按GB 5009.168—2016執(zhí)行。

(2) 氣相色譜條件：氣相色譜柱為DB-wax毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，F(xiàn)ID檢測器，采用程序升溫, 初始溫度180 ℃，保持0.5 min，以5 ℃/min升至200 ℃，然后以15 ℃/min 升至240 ℃，保持時(shí)間5 min；再以2 ℃/min升至242 ℃，保持2 min。

1.2.3 山桐子油水酶法提取工藝 將山桐子在適當(dāng)溫度下進(jìn)行蒸炒，然后準(zhǔn)確稱取粉碎過40目篩的山桐子粉200.0 g，加1 000.0 g的熱水(約90 ℃)在90 ℃水浴下糊化40 min。淀粉糊化后，調(diào)節(jié)pH值和溫度，參考文獻(xiàn)[11]加入復(fù)合酶(水解蛋白酶Alcalase2.4L∶果膠酶∶纖維素酶質(zhì)量比1∶1∶1)酶解后滅酶活，調(diào)節(jié)pH=7.00加入0.4%中性蛋白酶酶解破乳1 h。提取后在5 000 r/min離心20 min，吸取上層清油。提取率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

X——提取率，%；

m——提取得到的油脂重量，g；

M——原料含油重量，g。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

(1) 蒸炒溫度：以蒸炒時(shí)間15 min，料液比1∶4 (g/mL)，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間4 h，復(fù)合酶用量1.5%和pH 6.0作為基本條件。考察不同蒸炒溫度(90，110，130，150，170，190 ℃)對山桐子油提取率的影響。

(2) 蒸炒時(shí)間：以蒸炒溫度130 ℃，料液比1∶4 (g/mL)，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間4 h，復(fù)合酶用量1.5%和pH 6.0作為基本條件。考察不同蒸炒時(shí)間(5，10，15，20，25 min)對山桐子油提取率的影響。

(3) 料液比：以蒸炒溫度130 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間4 h，復(fù)合酶用量1.5%和pH 6.0作為基本條件。考察不同料液比[1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8 (g/mL)]對山桐子油提取率的影響。

(4) 酶解溫度：以蒸炒溫度130 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，料液比1∶4 (g/mL)，酶解時(shí)間4 h，復(fù)合酶用量1.5%和pH 6.0 作為基本條件。考察不同酶解溫度(30，40，50，60，70 ℃)對山桐子油提取率的影響。

(5) 酶用量：以蒸炒溫度130 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，料液比1∶4 (g/mL)，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間4 h和pH 6.0作為基本條件。考察不同酶用量(0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%)對山桐子油提取率的影響。

(6) pH：以蒸炒溫度130 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，料液比1∶4 (g/mL)，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間4 h和復(fù)合酶用量1.5% 作為基本條件。考察不同pH(4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0)對山桐子油提取率的影響。

(7) 酶解時(shí)間：以蒸炒溫度130 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，料液比1∶4 (g/mL)，酶解溫度40 ℃，pH 6.0和復(fù)合酶用量1.5% 作為基本條件。考察不同酶解時(shí)間(1，2，3，4，5，6 h)對山桐子油提取率的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn) 以蒸炒溫度、蒸炒時(shí)間、酶解溫度、料液比、酶解時(shí)間、pH值、復(fù)合酶用量為影響因素，采用七因素三水平正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用正交設(shè)計(jì)助手II軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 山桐子主要成分分析

山桐子主要成分測定結(jié)果見表1。

由表1可知，山桐子脂肪含量(37.27±1.55)%，蛋白質(zhì)含量(9.78±0.74)%，水分含量(9.88±0.68)%，淀粉含量(10.13±0.88)%。山桐子脂肪含量和淀粉含量稍低于油茶籽仁；蛋白質(zhì)含量與油茶籽仁相當(dāng)[13]。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 蒸炒溫度的確定 蒸炒溫度對山桐子油提取率的影響如圖1所示。

由圖1可知，隨著蒸炒溫度的升高，提取率先呈上升趨勢，但是當(dāng)溫度超過150 ℃時(shí)提取率急劇下降。原因可能是蒸炒破壞了山桐子細(xì)胞壁，促進(jìn)油脂從細(xì)胞中溶解出來；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，山桐子中的蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)高度變性，反而阻止了油脂的溶出[13-14]。結(jié)合山桐子油提取率和品質(zhì)因素，選定山桐子蒸炒溫度為130～150 ℃。

表1 山桐子主要成分

圖1 蒸炒溫度對水酶法提取率的影響

Figure 1 Effect of roast temperature on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

2.2.2 蒸炒時(shí)間的確定 蒸炒時(shí)間對山桐子油提取率的影響如圖2所示。

圖2 蒸炒時(shí)間對水酶法提取率的影響

Figure 2 Effect of roast time on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

由圖2可知，隨著蒸炒時(shí)間的延長，提取率先呈上升趨勢，但是當(dāng)蒸炒時(shí)間超過15 min 時(shí)提取率急劇下降。原因可能是蒸炒破壞了山桐子細(xì)胞壁，促進(jìn)油脂從細(xì)胞中溶解出來，但蒸炒過度，會(huì)使山桐子中的蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)高度變性，反而阻止了油脂的溶出[14-15]。結(jié)合山桐子油提取效率和品質(zhì)因素，選定山桐子蒸炒時(shí)間為15 min。

2.2.3 料液比的確定 料液比對山桐子油提取率的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)料液比處于1∶3～1∶5 (g/mL)時(shí)，提取率隨著溶劑增加而增大；但料液比達(dá)到1∶5 (g/mL)后，提取率反而有所下降。溶劑過少時(shí)，油脂不能被更多地?cái)D壓出來，且所得的漿渣黏度大，離心時(shí)內(nèi)部的分散油滴不易游離至表面，出油效率低。溶劑過多，多余的水分易與部分油脂、漿渣混在一起，從而產(chǎn)生乳化作用而不易分離，與此同時(shí)，生成的漿渣稀薄，表面張力小，黏度低，漿渣與油脂不容易分離[16]。因此選擇料液比為1∶5 (g/mL)為宜。

2.2.4 酶解溫度的確定 酶解溫度對山桐子油提取率的影響如圖4所示。

圖3 料液比對水酶法提取率的影響

Figure 3 Effect of solid-liquid ratio on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

圖4 酶解溫度對水酶法提取率的影響

Figure 4 Effect of enzymatic liquefaction temperature on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

由圖4可知，當(dāng)溫度低于40 ℃時(shí)，提取率隨溫度升高而增加；溫度超過50 ℃ 以后，由于酶活力降低或失活，導(dǎo)致山桐子油難以釋放，提取率降低。為防止體系不乳化而有利于后期油脂分離，因此，酶解溫度選擇40～50 ℃。

2.2.5 酶用量的確定 酶用量對山桐子油提取率的影響如圖5所示。

由圖5可見，隨復(fù)合酶用量的增加山桐子提取率逐漸提高，到1.5%后提取率提高趨緩，隨著酶用量的增加，提取率提高不明顯。考慮到工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本，選擇復(fù)合酶用量1.5%為宜。

2.2.6 pH的確定 pH對山桐子提取率的影響如圖6所示。

由圖6可見，在pH 5.5～6.5時(shí)有較高的提取率，超過pH 7.0或較低的pH值提油率降低，是由于水解蛋白酶Alcalase2.4L、果膠酶和纖維素酶在此pH范圍內(nèi)有較高的酶活力，在較高或較低的pH下酶活力降低或失活。因此，選擇pH 6.0左右為宜。

圖5 酶用量對水酶法提取率的影響

Figure 5 Effect of enzyme dosag on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

圖6 pH對水酶法提取率的影響

Figure 6 Effect of pH on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

2.2.7 酶解時(shí)間的確定 酶解時(shí)間對山桐子油提取率的影響如圖7所示。

由圖7 可知，隨著時(shí)間的延長，提取率逐漸增加，但超過4 h 時(shí)增加趨緩；酶解時(shí)間超過5 h后， 提取率幾乎不再增加。綜合考慮各方面因素，酶解提取時(shí)間以4 h為宜。

圖7 酶解時(shí)間對水酶法提取率的影響

Figure 7 Effect of enzymatic liquefaction time on the oil extraction efficiency by queous enzymatic method

2.3 正交試驗(yàn)

以蒸炒溫度、蒸炒時(shí)間、酶解溫度、料液比、酶解時(shí)間、pH值、復(fù)合酶用量為影響因素，采用L18(37)正交表進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)因素水平表見表2，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

從表3得出，以提取率為響應(yīng)指標(biāo)，各因素影響程度依次為酶解時(shí)間>料液比>復(fù)合酶用量>蒸炒時(shí)間>酶解溫度>pH>蒸炒溫度，微波處理最佳工藝條件為蒸炒溫度150 ℃、蒸炒時(shí)間15 min、酶解溫度50 ℃、料液比1∶5 (g/mL)、酶解時(shí)間5 h、pH 6.0、復(fù)合酶用量2.0%。經(jīng)6次平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該條件下水酶法提取山桐子油的提取率可達(dá)(93.88±1.22)%。

2.4 山桐子油理化指標(biāo)及主要營養(yǎng)成分

對最佳工藝條件提取得到的山桐子油進(jìn)行理化指標(biāo)檢測，結(jié)果見表4，主要脂肪酸組成見表5。

由表4可知，水酶法提取的山桐子油除了透明度以外氣味、滋味，色澤，酸值，過氧化值，水分及揮發(fā)物，苯并[a]芘等理化指標(biāo)均符合GB 2716—2018《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 植物油》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，只要經(jīng)過簡單的精密過濾即可食用。

表4 水酶法提取山桐子油理化指標(biāo)

表5 主要脂肪酸組成

由表4、5可知，山桐子油不飽和脂肪酸含量高達(dá)82%，不僅富含亞油酸，其維生素E的含量也高達(dá)227.8 mg/kg，是一種優(yōu)質(zhì)的木本食用油脂。

3 結(jié)論

水酶法提取山桐子油的最佳工藝條件為：蒸炒溫度150 ℃，蒸炒時(shí)間15 min，酶解溫度50 ℃，料液比1∶5 (g/mL)，酶解時(shí)間5 h，pH 6.0，復(fù)合酶(水解蛋白酶Alcalase2.4L∶果膠酶∶纖維素酶質(zhì)量比1∶1∶1)用量2.0%。該條件下水酶法提取山桐子油的提油率可達(dá)(93.88±1.22)%。

水酶法提取的山桐子毛油氣味清香，酸值、過氧化值等理化指標(biāo)均較好，無須精煉，只要經(jīng)過簡單的精密過濾即可食用。水酶法提取的山桐子脂肪酸組成中亞麻酸含量可達(dá)(68.94±0.87)%，且維生素E含量較高。

本研究證實(shí)水酶法從山桐子中提取山桐子油實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)是可行的，為山桐子油的提取提供方向；但未就山桐子不同來源以及生物酶種類和比例的篩選進(jìn)行研究，后期需要進(jìn)一步深入研究。