水酶法制取大豆油乳狀液射流空化破乳工藝優化

李 良 田 甜 吳長玲 李 楊,2 江連洲 王中江

(1.東北農業大學食品學院, 哈爾濱 150030; 2.哈爾濱市食品產業研究院, 哈爾濱 150028)

0 引言

大豆是全世界主要油料作物之一，大豆油營養價值豐富，含有人體必需脂肪酸——亞油酸，具有重要的生理功能[1]。目前大豆油的提取方式主要是機械壓榨法和有機溶劑提取法，但因壓榨法產率較低，有機溶劑萃取易引起環境污染和有機溶劑殘留[2-3]，目前許多學者正致力于尋找更有效環保的提油方法。水酶法是一種利用酶制劑降解油料作物的細胞壁，并利用非油成分(蛋白質和碳水化合物)對油和水親和力的差異將油和非油成分分離的技術，具有反應條件穩定且無溶劑殘留等優點[4]。然而由于水酶法萃取體系中同時存在大量的油脂和蛋白質，造成乳化現象影響油脂釋放，油料提取時間長，使得水酶法工藝仍處于理論研究階段[5]。

為提高提油效率，現已出現多種加速酶水解的方法，文獻[6]利用磷脂酶A1對水酶法提取大豆油過程中形成的乳狀液進行酶解破乳，破乳效果顯著。文獻[7]發現超聲波產生的波動改變了物質結構，有效提高了反應效率并縮短了破乳時間。但由于超聲等方法產生的熱效應較低，易引起加熱不均勻，且其產生的能量不能完全轉移到反應中，這導致能量消耗和無效加速[8]，而利用射流空化技術可強化酶促過程。射流空化技術是一種利用水流在短時間內高速擠壓膨脹產生巨大氣泡，從而產生較大的熱量和壓力的新型加工方式，射流空化系統產生物理機械作用力和湍流形成微噴射，能更有效地破壞細胞壁，形成更穩定溫和的酶促反應[9]。

本文在傳統制油的基礎上，先使用堿性蛋白酶將大豆中油脂和蛋白質分離，再對大豆油脂體破乳工藝進行優化得到大豆油脂，探索制備破乳率和總提油率高的最佳射流空化處理工藝，為水酶法制油工業化提供新的思路和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大豆，品種為東農46；堿性蛋白酶Alcalase 2.4L，丹麥Novo公司；試驗所需基礎試劑均為分析純，北京化學試劑公司。

1.2 試驗器材

Zetasizer Nano-ZS90型光散射粒徑分析儀，英國Malvern公司；AL204型分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；PHS-3C型雷磁pH計，上海精科有限公司；S22-2型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋，上海一恒儀器有限公司；TGL-16G型高速臺式離心機，上海盧湘儀離心機儀器有限公司；JY92-2D型射流空化機，北京華瑞創世科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1大豆油脂制備工藝流程

工藝流程為：大豆→清理→粉碎→水分調節→擠壓膨化→粉碎→加水混合→堿性蛋白酶Alcalase 2.4L酶解(加酶量5 000 U/g、酶解溫度55℃、酶解pH值9.0、酶解時間2 h)→滅酶→離心→乳狀液→調節pH值→破乳→離心→大豆油脂。

1.3.2水酶法大豆油射流空化破乳工藝

將適量大豆清洗并加熱干燥后粉碎，過100目篩，將過篩后物料以液料比5 mL/g與蒸餾水混合得到混合溶液，向溶液中加入2%的Alcalase 2.4L進行酶解，通過高速離心機離心(5 000 r/min)20 min，得到游離油、乳狀液、水解液和殘渣，提取乳狀液和水解液調節pH值為7.0，80℃下預熱20 min并放入射流空化機中進行破乳，利用射流空化壓力、溫度和時間控制參數，破乳后在3 000 r/min下離心15 min得到大豆油脂。

1.3.3單因素試驗

在其他條件不變的情況下，選取射流空化壓力為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，射流空化溫度為 80、90、100、110、120℃，射流空化處理時間為 5、10、15、20、25 s，進行單因素試驗，通過破乳率和總提油率比較分析確定大豆油的射流空化制備單因素最優條件。

1.3.4響應面優化試驗

以破乳率和總提油率為考察指標，考察射流空化壓力、空化溫度和空化時間對這兩個指標的影響規律。利用Design-Expert軟件進行響應面分析設計優化試驗結果，設置三因素二水平進行試驗，進一步優化確定大豆油破乳的最佳條件。

1.3.5破乳率

參考文獻[10]的檢測方法及破乳率計算公式為

R1=F/T×100%

(1)

式中R1——破乳率

F——破乳后游離油質量

T——乳狀液含油脂總質量

1.3.6總提油率

參考文獻[11]的檢測方法及總提油率計算公式為

A=(O-R)/O×100%

(2)

式中O——油料含油脂質量

R——酶解后殘渣含油質量

1.3.7乳狀液粒徑、粒徑分布和PDI值

將未處理乳狀液和射流空化乳狀液樣品用蒸餾水稀釋1 000倍，室溫(20℃)下采用激光粒徑分析儀測定粒徑分布曲線、平均粒徑和PDI值，其中油滴折光指數為1.47，驅散相折光指數為1.333[12]。

1.3.8乳狀液的微觀結構

用激光共聚焦顯微鏡觀察射流空化前后蛋白乳化液的顯微結構和分布。具體方法參照文獻[13]加以改動，將尼羅紅溶于異丙醇溶液中形成質量濃度為1 mg/mL的染液，吸取1 mL的蛋白乳化液用40 μL的尼羅紅染色液染色，充分混合均勻。取染色的乳化液(15 μL)滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，利用指甲油封片，避光條件下放置12 h，在蓋玻片上加一小滴香柏油，采用激光共聚焦顯微鏡掃描圖像。

1.3.9統計分析

每組試驗重復3次，數據表示為平均值±標準偏差。采用SPSS 20.0對試驗數據進行相關性分析、方差分析和顯著性分析；采用Origin 9.0軟件制圖；采用 Design-Expert 軟件進行響應面數據分析及方差分析。

2 結果與討論

2.1 射流空化破乳工藝單因素試驗

2.1.1射流空化壓力

圖1(圖中同曲線上不同字母表示差異顯著，下同)為射流空化壓力對乳狀液的影響。由圖1可以看出，隨著射流空化壓力增加，破乳率、總提油率逐漸上升(圖1a)，平均粒徑顯著增加(圖1b)，乳狀液油滴粒徑分布曲線相應右移(圖1c)，當射流空化壓力達到0.8 MPa時，破乳率、總提油率和平均粒徑最大，繼續提高射流空化壓力，破乳率和總提油率反而下降，平均粒徑變化不顯著(P>0.05)。這是因為，射流空化產生的高速剪切力和氣蝕效應改變了乳狀液中蛋白質的空間結構，使蛋白質變性，破壞了乳液體系的穩定性，從而達到破乳的目的。文獻[14-15]研究發現超高壓均質處理后會改變稀奶油乳狀液的體系結構，稀奶油膨脹系數增加，粒徑增大。且射流空化作用于堿性蛋白酶，使酶切位點更多地暴露出來，促進了酶促反應的進行，提高了破乳率和總提油率[16]。隨著壓力的持續增加，瞬時空化作用使酶分子結構遭到破壞，導致酶變性失活，破乳率和總提油率降低。因此選擇最佳射流空化壓力為0.8 MPa。

圖1 射流空化壓力對乳狀液粒徑分布、破乳率和總提油率的影響Fig.1 Effect of jet cavitation pressure on emulsion particle size distribution, demulsification rate and total oil extraction rate

2.1.2射流空化溫度

圖2為射流空化溫度對乳狀液的影響，隨著溫度的增加，破乳率和總提油率先增加后減小(圖2a)，平均粒徑顯著增加(圖2b)，射流空化溫度為80℃時，油滴粒徑呈單峰分布，均處于較小直徑范圍，隨著溫度增加，油滴粒徑分布向右平移，呈現雙峰分布(圖2c)，當射流空化溫度升高到100℃以后，破乳率和總提油率降低。這是因為乳化液在高溫條件下不穩定，隨著溫度升高，油相表面膜粘度減小，布朗運動增加，液滴之間高速運動形成破乳現象[17-18]。溫度過高會使堿性蛋白酶失活，破乳率和總提油率降低，而對粒徑影響不顯著(P>0.05)。文獻[19]利用水浴和油浴加熱方法對水酶法制得的大豆乳狀液進行了破乳研究，得出熱處理能顯著增加破乳率和總提油率。文獻[20]對葵花籽油乳狀液的加熱破乳工藝也進行了優化。這說明加熱溫度使油滴穩定下降，油滴發生聚合，有效提高了乳狀液破乳率和總提油率。

圖2 射流空化溫度對乳狀液粒徑分布、破乳率和總提油率的影響Fig.2 Effect of jet cavitation temperature on emulsion particle size distribution, demulsification rate and total oil extraction rate

圖3 射流空化時間對乳狀液粒徑分布、破乳率和總提油率的影響Fig.3 Effect of jet cavitation time on emulsion particle size distribution, demulsification rate and total oil extraction rate

2.1.3射流空化時間

考察射流空化壓力為0.8 MPa、溫度為100℃時，射流空化時間對破乳率、總提油率和粒徑分布的影響，試驗結果見圖3。隨著射流空化時間延長，破乳率和總提油率逐漸上升(圖3a)，當射流空化時間達到20 s時，破乳率和總提油率較大，繼續延長射流空化時間，破乳率變化不顯著，總提油率稍有下降，這是因為破乳時間達到一定值時，蛋白質變性程度穩定，破乳率和總提油率不再增加，射流空化處理過長時間會使乳液長時間持續高溫高壓狀態，導致乳液水分蒸發，破乳產生的油滴與乳狀液中油滴重新結合，不利于油脂釋放，破乳率變化不顯著，總提油率下降[21-22]。油滴平均粒徑隨著射流空化時間延長顯著增長(圖3b)，粒徑分布曲線逐漸向右偏移(圖3c)，處理時間過長，粒徑由高瘦單峰分布轉變為多峰分布，表明乳狀液體系不穩定。

2.2 射流空化破乳工藝響應面試驗

利用統計軟件Design-Expert進行響應曲面法過程優化，以射流空化壓力、射流空化溫度、射流空化時間為自變量，以破乳率R1(%)和總提油率R2(%)為響應值，根據中心組合設計原理，具體試驗方案與結果見表1、2，表中A、B、C表示射流空化壓力、射流空化溫度、射流空化時間的編碼值。

表1 因素編碼Tab.1 Encode of factors

通過統計分析軟件 Design-Expert 進行數據分析， 建立破乳率二次響應面回歸模型為

R1=90.16+0.38A+0.51B+0.91C-0.61AB-0.43AC-0.18BC-2.70A2-2.22B2-1.86C2 (3)

由表2和表3可知，擬合方程的因變量與自變量間的線性關系顯著，擬合方程模型回歸項顯著(P<0.000 1)，而失擬項不顯著(P>0.05)，模型擬合度為92.43%，表明該模型可有效模擬試驗數據，故可利用該模型對響應值最優值的理論推測。通過F檢驗比較得知各因子貢獻率由大到小依次為：射流空化壓力、射流空化溫度、射流空化時間。基于響應面優化分析確定的最優工藝參數為：射流空化壓力0.8 MPa、射流空化溫度100.92℃、射流空化時間21.38 s，響應值破乳率最優值為90.29%。

表3 破乳率模型回歸與方差分析結果Tab.3 Analysis results of regression and variance of demulsification rate model

通過統計分析軟件Design-Expert進行數據分析，建立總提油率R2二次響應面回歸模型為

R2=86.83+0.14A+0.70B+1.24C-1.19AB-
1.24AC-0.63BC-4.84A2-3.23B2-1.81C2

(4)

由表4可知，擬合方程的因變量與自變量間的線性關系顯著，擬合方程模型回歸項顯著(P<0.000 1)，而失擬項不顯著(P>0.05)，模型擬合度為98.24%，表明該模型可有效模擬試驗數據，故可利用該模型對響應值最優值的理論推測。通過F檢驗可比較得知各因子貢獻率從大到小為：射流空化時間、射流空化溫度、射流空化壓力?；陧憫鎯灮治龃_定的最優工藝參數為：射流空化壓力0.8 MPa、射流空化溫度100.92℃、射流空化時間21.38 s，響應值總提油率最優值為87.06%。

表4 總提油率模型回歸與方差分析結果Tab.4 Results of regression and variance analysis

采用聯合求解法確定破乳率和總提油率均優條件為：射流空化壓力0.8 MPa、射流空化溫度100.92℃、射流空化時間21.38 s，此條件下破乳率90.29%，總提油率87.06%。

2.3 激光共聚焦顯微鏡分析

圖4為乳狀液射流空化前后油脂聚集狀態。由圖4a可以看出，未破乳乳狀液少量油體從蛋白中分離出來，表現出粒徑較小呈分散狀態的脂肪球，大量油體與蛋白結合不能以游離油的形式分離出來，總提油率較低。如圖4b所示，射流空化處理使破乳程度增加，水解液中脂肪球破壞，表面膜大程度暴露，脂肪球相互聚集以較大粒徑游離脂肪球形式存在，可以通過離心分離出來，此時破乳率和總提油率顯著提高，這與文獻[23]研究結論一致。

圖4 射流空化前后乳狀液的微觀結構Fig.4 Microstructures of emulsion before and after jet cavitation

2.4 物理破乳效果比較分析

分別采用傳統水酶法破乳和射流空化法對乳狀液進行破乳處理，比較兩種加熱破乳法的破乳效果，結果見表5。

表5 破乳效果分析結果Tab.5 Demulsification effect analysis results

由表5可以看出，射流空化水酶法的破乳率(90.29%)和總油提取率(87.06%) 明顯高于傳統水酶法破乳率(80.32%)和總油提取率(76.59%)，文獻[6]采用水酶法提取大豆油，產生的乳狀液破乳率為83%，破乳效果不好，有可能是因為Chabrand水酶法提油使用的水解酶對乳狀液中蛋白質效果不顯著，另外，本試驗采用的是射流空化聯合堿性蛋白酶酶解處理工藝，射流空化后的乳狀液更有利于與堿性蛋白酶結合，且產生的空化作用力更能使蛋白質結構改變，穩定性降低，形成較弱的界面膜，利于小分子油滴聚集，破乳率和總提油率升高。

3 結束語

針對堿性蛋白酶酶解膨化大豆制備大豆油過程產生乳狀液進行破乳研究，在射流空化輔助作用下，探討射流空化壓力、射流空化溫度和射流空化時間對乳狀液破乳率和總提油率的影響。研究結果顯示，隨著射流空化作用增大，乳狀液破乳率和總提油率顯著增加，微觀結構顯示大豆破乳前后乳狀液顯示明顯差異，油滴由分散的小直徑油滴匯聚成大直徑油滴，其機理是射流空化產生的高強度剪切作用力和氣蝕效應改變乳狀液中蛋白質的空間結構，使蛋白質變性，破壞乳液體系的穩定性，從而達到增強破乳的目的。在單因素試驗基礎上，利用響應面分析對射流空化條件進行最佳優化，確定最佳破乳工藝是：射流空化壓力0.8 MPa、射流空化溫度100.92℃、射流空化時間21.38 s，此條件下破乳率為90.29%，總提油率為87.06%。