超聲波輔助水酶法提取巴塘核桃油工藝優(yōu)化及其氧化穩(wěn)定性

陳煉紅,張 巖,王琳琳,李文藝

(西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都 610041)

核桃又名羌桃或胡桃,營養(yǎng)豐富,風(fēng)味怡人,是一種深受消費者喜愛的堅果。核桃仁中含有60%以上的油脂成分,其中不飽和脂肪酸含量高達90%,是十分重要的優(yōu)質(zhì)油料來源[1-3]。制出的核桃油中含有大量的油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)及亞麻酸(C18∶3)等,具有預(yù)防高血壓、降低膽固醇、保健益智等功效[4-9],在國內(nèi)外市場上倍受消費者青睞,具有廣闊的市場前景。

巴塘核桃(金核1號)主要產(chǎn)于巴塘縣海拔2800 m以下的金沙江干旱河谷地帶,是全國最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品之一,是無污染無公害的綠色天然保健食品。其以果大、殼薄、仁多、質(zhì)好而著稱,深受消費者喜愛[10]。核桃仁中油脂含量高于65%,其中不飽和脂肪酸占92%以上,是制作核桃油的優(yōu)良原料。傳統(tǒng)提油多采用壓榨法和有機溶劑浸出法[11],但壓榨法油脂提取率低,精制工藝繁瑣,油品色澤不理想;有機溶劑浸提法提取時間較長,溶劑揮發(fā)損失較多,成本較高,且油脂提取率較低[12-13]。而超聲波輔助水酶法使用蛋白酶分解核桃仁中的蛋白質(zhì),有助于油脂的析出,有效提高核桃油的提取率,縮短提取時間,并具有操作簡便等優(yōu)勢[14]。目前,超聲波輔助水酶法用于提取核桃油已有研究,而巴塘核桃油提取還未見報道。另一方面,油脂在儲藏過程中會發(fā)生氧化,使產(chǎn)品產(chǎn)生哈喇子味道[15],油脂品質(zhì)下降,不同的儲藏條件均會對加速這一過程,如溫度、光照、容器材料等因素。雖然核桃油中含有大量的不飽和脂肪酸以及VE等活性物質(zhì)可以作為天然抗氧化物質(zhì)起到一定的保護作用,但這些作用是有限的,必要時可以添加天然或合成的抗氧化劑以延長核桃油的貨架期[16-19]。

鑒于此,本文在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以pH、酶解溫度、酶解時間和加酶量為影響因素,進行L9(34)正交實驗,以油脂提取率為指標探究最佳提取工藝;以過氧化值和酸價為指標研究核桃油在不同溫度、光照、容器材料以及添加抗氧化劑的貯藏條件下氧化穩(wěn)定性變化,旨在研究超聲波輔助水酶法(果膠酶、纖維素酶、中性蛋白酶)提取巴塘核桃油的最佳工藝,并通過測定其理化性質(zhì)以及氧化穩(wěn)定性,為巴塘核桃油的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

巴塘核桃(金核1號) 2016年10月采自四川省甘孜州巴塘縣(蛋白質(zhì)含量為19.69%,水分含量為4.06%,脂肪含量為65.29%);果膠酶(酶活30000 U/g) 成都市科龍化工試劑廠;纖維素酶(酶活≥40000 U/g) 如吉生物科技;中性蛋白酶(酶活≥60000 U/g) 北京博奧拓達科技有限公司;硫酸銅、無水硫酸鉀、濃硫酸、鹽酸、石油醚、乙醇、乙醚、氫氧化鉀、五水硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、碘化鉀、冰乙酸、環(huán)己烷、氯仿、酚酞、氫氧化鉀、硫代硫酸鈉、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、特丁基對苯二酚(TBHQ)、維生素C 均為分析純,成都市科龍化工試劑廠。

MP512-02型精密純水pH計 上海三信儀表廠;SKD-800型凱式定氮儀 上海沛歐分析儀器有限公司;FW100型高速萬能粉碎機 珠海經(jīng)濟特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司;DL-20G-Ⅱ型臺式高速離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;SB25-12DT型超聲波清洗儀 濟南康發(fā)科技有限公司;BSXT-06型索氏提取儀 上海比朗儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 核桃油的提取 工藝流程:篩選核桃→破碎去殼→核桃仁粉碎成漿料→烘干→稱取樣品→加水→調(diào)pH→加酶→超聲波細胞清洗儀處理→酶解→滅酶→離心→清油

操作要點:選無霉變無色變的核桃破碎去殼,將核桃仁粉碎后置于60～70 ℃條件下烘干至水分低于5%,取一定量樣品置于燒杯中,按1∶5 g/mL加入蒸餾水并按要求調(diào)節(jié)pH,按質(zhì)量比1∶1∶1的比例稱取適量復(fù)合酶(纖維素酶/果膠酶/中性蛋白酶)加入燒杯中,在超聲波功率400 W、40 ℃條件下酶解30 min。酶解后將酶解液置于100 ℃條件下水浴5 min,將溶液分裝至50 mL離心管中4000 r/min條件下離心20 min,取上清液即核桃油[20-21]。

1.2.2 超聲波輔助酶水法提取巴塘核桃油工藝優(yōu)化

1.2.2.1 單因素實驗 根據(jù)操作要點,固定酶解溫度40 ℃,酶解時間30 min,酶添加量1.4%,探究酶解pH(5、6、7、8、9)對油脂提取率的影響;固定酶解pH為7,酶解時間30 min,酶添加量1.4%,探究酶解溫度(20、30、40、50、60 ℃)對油脂提取率的影響;固定酶解pH為7,酶解溫度40 ℃,酶添加量1.4%,探究酶解時間(1、2、3、4、5 h)對油脂提取率的影響;固定酶解pH為7,酶解溫度40 ℃,酶解時間30 min,探究酶添加量(1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%)對油脂提取率的影響。

1.2.2.2 正交試驗 以酶解pH、酶解溫度、酶解時間、加酶量為試驗因素,采用L9(34)正交試驗,以油脂提取率為指標,篩選最佳工藝條件,因素水平如表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level table

1.2.3 油脂提取率測定 稱一定質(zhì)量的核桃仁記為M1,提取出來的油的質(zhì)量記為M2,巴塘核桃的油脂含量為65.29%。油脂提取率根據(jù)核桃油的質(zhì)量與核桃仁的質(zhì)量和核桃脂肪含量乘積之比可以計算得出[22-23]。

油脂提取率(%)=M2×100/(65.29% M1)

1.2.4 不同貯藏條件對巴塘核桃油氧化穩(wěn)定性的影響 分別取超聲波輔助水酶法提取出來的巴塘核桃油30 g,分別置于不同的條件下,每隔10 d測定過氧化值和酸值[24-29]。酸價參照GB 5009.37-2003進行測定[30];過氧化值參照GB 5009.227-2016進行測定[31]。

1.2.4.1 溫度對氧化穩(wěn)定性的影響 分別取超聲波輔助水酶法提取出來的巴塘核桃油30 g裝入無色玻璃瓶中,密封,分別在5 ℃、室溫(20 ℃)、30 ℃條件下保存,每隔10 d測定一次過氧化值和酸值。

1.2.4.2 光照對氧化穩(wěn)定性的影響 分別取超聲波輔助水酶法提取出來的巴塘核桃油30 g裝入無色玻璃瓶中,密封,分別在室溫?zé)o光、自然光條的件下保存,每隔10 d測定一次過氧化值和酸值。

1.2.4.3 容器材料對氧化穩(wěn)定性的影響 分別取超聲波輔助水酶法提取出來的巴塘核桃油30 g裝入鐵罐、無色玻璃瓶和塑料瓶,密封,在室溫(20 ℃)下保存,每隔10 d測定一次過氧化值和酸值。

1.2.4.4 抗氧化劑對氧化穩(wěn)定性的影響 分別取超聲波輔助水酶法提取出來的巴塘核桃油30 g裝入無色玻璃瓶中,分別加入0.02% BHT、TBHQ、BHT+維生素C(按質(zhì)量比1∶1混合),密封,在室溫(20 ℃)下保存,每隔10 d測定一次過氧化值和酸值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行整理,使用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 酶解pH對核桃油油脂提取率的影響 酶解pH對核桃油脂提取率的影響結(jié)果見圖1。由圖1可知:隨著pH的逐漸增加,油脂提取率呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)pH為7時,油脂提取率明顯高于其他試驗組。這是由于超聲波輔助水酶法提取巴塘核桃油的過程中,復(fù)合酶可以溶解細胞壁,使得油脂從細胞中釋放出來,pH過高或者過低都會影響酶的作用,降低油脂提取率[32]。

圖1 pH對油脂提取率的影響

2.1.2 酶解溫度對核桃油油脂提取率的影響 酶解溫度對油脂提取率影響的結(jié)果見圖2。由圖2可知:隨著溫度的上升,油脂提取率呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)溫度為40 ℃時,油脂提取率最高。這是由于在溫度上升的過程中,逐漸接近酶的最適溫度,當(dāng)溫度為40 ℃時,酶活力達到最高,當(dāng)溫度繼續(xù)增加,部分酶活性降低使得油脂提取率下降。

圖2 酶解溫度對油脂提取率的影響

2.1.3 酶解時間對核桃油油脂提取率的影響 酶解時間對油脂提取率影響的結(jié)果見圖3。由圖3可知:隨著酶解反應(yīng)時間延長,核桃油脂提取率不斷提高,酶解3 h時油脂提取率達到最高,3 h之前油脂提取率明顯上升,而3 h之后油脂提取率趨于平穩(wěn)且變化不明顯。這可能是由于酶添加量一定的條件下,隨著酶解時間的延長,油脂提取率逐漸增加,3 h后,由于底物減少,油脂提取率趨于恒定。

圖3 酶解時間對油脂提取率的影響

2.1.4 酶添加量對核桃油油脂提取率的影響 酶添加量對油脂提取率的影響結(jié)果見圖4。由圖4可知:隨著酶添加量的增加,油脂提取率明顯升高,當(dāng)酶用量達1.4%后,油脂提取率增加幅度很小。這可能是由于底物的濃度降低或者酶解產(chǎn)生成物對酶具有一定抑制作用,導(dǎo)致油脂提取率趨于穩(wěn)定,綜合考慮提油效果和酶成本,酶添加量為1.4%。

圖4 加酶量對油脂提取率的影響

2.2 正交試驗結(jié)果

表2為正交試驗的結(jié)果。由表2可知:不同因素對巴塘核桃油脂提取率影響的主次順序依次為:酶解時間>加酶量>酶解pH>酶解溫度,分析得出最佳的生產(chǎn)工藝方案為:A2B3C3D2,不同于試驗結(jié)果中油脂提取率最高的第三組A1B3C3D3,需要驗證試驗A2B3C3D2和A1B3C3D3。

表2 巴塘核桃加工工藝正交的試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of Batang walnut processing technology

驗證試驗結(jié)果:A2B3C3D2油脂提取率顯著高于A1B3C3D3(p<0.05),為78.91%±0.03%,故正交試驗得出的最佳工藝參數(shù)為:酶解pH7、酶解溫度45 ℃、酶解時間3.5 h、加酶量1.4%。

2.3 不同貯藏條件對巴塘核桃油氧化穩(wěn)定性的影響結(jié)果

2.3.1 溫度對氧化穩(wěn)定性的影響 溫度對氧化穩(wěn)定性的影響結(jié)果見圖5和圖6。由圖5、圖6可知:不同溫度條件下,核桃油的酸價和過氧化值均呈上升趨勢。不同溫度下其過氧化值和酸值升高的變化趨勢為30 ℃>室溫(20 ℃)>5 ℃。隨著溫度升高,脂肪酸的分解更快,同時也生成了一些小分子物質(zhì),一是促進脂肪酸的酸敗變質(zhì),二是化學(xué)反應(yīng)使得體系的溫度升高,在低溫狀態(tài)下,抑制了分解和反應(yīng)的進行,從而使得油脂更難變質(zhì)。因此,低溫有利于提高核桃油的氧化穩(wěn)定性,可提高其延長保質(zhì)期。

圖5 溫度對酸價的影響

圖6 溫度對過氧化值的影響

2.3.2 光照對氧化穩(wěn)定性的影響 光照對氧化穩(wěn)定性的影響結(jié)果見圖7、圖8。由圖7、圖8可知:光照試驗結(jié)果表明,避光條件下,巴塘核桃油的酸價和過氧化值變化均小于自然光條件下的酸價和過氧化值。在油脂的貯藏過程中,光照使得油脂分解并使得溫度升高,油脂變質(zhì)。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和延長保質(zhì)期,核桃油在貯藏過程中應(yīng)該避光保存。

圖7 光照對過酸價的影響

圖8 光照對過氧化值的影響

2.3.3 容器材料對氧化穩(wěn)定性的影響 容器材料對氧化穩(wěn)定性的影響見圖9、圖10。由圖9、圖10可知:不同材料的貯藏容器中,隨著貯藏時間延長,酸價和過氧化值都逐漸升高,貯藏效果由好到差的順序為:鐵罐>無色玻璃瓶>塑料瓶。鐵罐相對于塑料瓶來說,鐵罐的成分相對穩(wěn)定,不易與油發(fā)生反應(yīng);鐵罐相對于玻璃瓶來說避光效果更好且密封效果更佳。因此,鐵罐是植物油貯藏的良好容器,有利于核桃油的保藏,延長保質(zhì)期。

圖9 容器材料對酸價的影響

圖10 容器材料對過氧化值的影響

2.3.4 抗氧化劑對氧化穩(wěn)定性的影響 抗氧化劑對氧化穩(wěn)定性的影響見圖11、圖12。由圖11、圖12可知:核桃油過氧化值和酸價都隨貯藏時間的延長而升高,有抗氧化劑的試驗組都低于無抗氧化劑的試驗組。不同抗氧化劑的效果因化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異,所以導(dǎo)致抗氧化性能不同。該試驗中,BHT+VC對過氧化值和酸價的變化具有明顯的抑制作用,而沒有添加抗氧化劑的實驗組上升趨勢最為明顯。本試驗的抗氧化劑的抗氧化能力為BHT+VC>TBHQ>BHT>無抗氧化劑。

圖11 抗氧化劑對酸價的影響

圖12 抗氧化劑對過氧化值的影響

3 結(jié)論

通過單因素以及L9(34)正交實驗對巴塘核桃油的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化得出最佳的工藝參數(shù)為:pH為7,酶解溫度為45 ℃,酶解時間為3.5 h,加酶量為1.4%,在此工藝下油脂提取率最佳,可達78.91%±0.03%。儲藏溫度、光照、包裝材質(zhì)及添加抗氧化劑等因素均會對核桃油儲藏過程中的氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,本研究表明核桃油在冷藏、避光、鐵罐灌裝并添加0.02%BHT+VC(質(zhì)量比1∶1混合)的儲藏條件下具有較好的氧化穩(wěn)定性,利于保質(zhì)期的延長。