水酶法提取花生油研究進展

劉晨，陳復生*，牛瑞浩，高玉航

河南工業大學糧油食品學院（鄭州 450001）

花生又稱落花生、地果和香果，屬豆科蝶形亞目一年生草本植物，是中國重要油料作物，主要生長在熱帶、亞熱帶及地中海沿岸[1]。在中國，花生種植范圍分布較廣，除青海和寧夏兩地外，均有大規模種植，主要產區主要是河南、山東、河北、廣東和安徽五省。根據美國農業部2018年12月統計，中國花生產量1 700萬 t，世界花生產量4 195萬 t[2]。花生富含油脂，其油脂含量在50%左右，僅次于芝麻，顯著高于油菜籽、大豆和棉籽等常見油料作物。

傳統的花生油提取方法主要是機械壓榨法和有機溶劑浸出法[3]。壓榨法是利用機械外力的擠壓作用將花生油從花生仁中提取出來，該方法花生油提取率低，耗能大，設備投資大，花生粕殘油率高（約10%），壓榨后花生餅粕蛋白質變性程度高，主要用作飼料。同時高溫會引起多不飽和脂肪酸發生氧化酸敗，使油脂產生不良風味[4]。溶劑浸出法是基于油料中的不同成分在溶劑中的溶解度不同而將各種成分分離。雖然提油率高（＞95%），但設備投資大，毛油色澤較深且成分復雜，溶劑殘留，需要精煉處理。溶劑浸出法常用有機溶劑為正己烷，具有易燃、易爆和極性毒性等缺點，對工廠從業人員的安全產生威脅的同時也造成一定程度環境污染[5-6]。水酶法是一種新型提取花生油的技術[7]，與傳統的提油工藝相比，水酶法以水作為萃取溶劑，避免有機溶劑的使用，能耗低，綠色環保，作用條件溫和，水酶法提取的油中游離脂肪酸含量和磷脂含量低，提取的油清香透明，所需精煉程度低，水酶法能同時回收蛋白質，具有極低的抗營養因子[8-10]。Jiang等[11]以花生為原料，同時制備油脂和蛋白水解物的水酶法。最優工藝條件下游離油和蛋白水解產物的收率分別為79.32%和71.38%。為了提高收率，對乳狀液破乳，總游離油和蛋白質水解產物產量分別提高到91.98%和88.21%。水酶法符合清潔生產和綜合利用的發展理念，是一種極具應用前景的提油技術。因此，就水酶法提取花生油原理及主要影響因素作簡單綜述，以期為該技術研究及應用提供參考。

1 花生主要化學成分及油脂分布

1.1 花生主要組分

花生果殼占整個花生質量的28%～32%，花生仁占68%～72%。在花生仁中，種皮占3.0%～3.6%，子葉占62.1%～64.5%，胚芽占2.9%～3.9%。花生主要成分見表1[12]。

表1 花生的主要成分 %

花生富含油脂和蛋白質，花生仁油脂含量約50%，花生的油脂含量和脂肪酸組成與其品種、成熟度、生長自然環境及土壤條件等因素有關。花生油中脂肪酸主要為不飽和脂肪酸，其中油酸和亞油酸總含量約占80%，而油酸含量可達68%，僅次于橄欖油的84%，花生油的主要脂肪酸組成見表2[12]。油酸具有降低血液中膽固醇的功效，而亞油酸可以調節人體生理機能、促進人體生長發育并預防動脈粥樣硬化等疾病[13]。花生蛋白一般為貯藏蛋白質，以蛋白體的結構形式存在于花生細胞結構中。花生中蛋白質含量在24%～36%之間，含有18種氨基酸，其中包含人體所需8種必需氨基酸。花生蛋白中約10%水溶性蛋白，稱為清蛋白，其余90%是鹽溶性蛋白，稱為球蛋白。花生蛋白不含膽固醇且易被人體消化吸收，是一種高營養的植物蛋白資源。花生中碳水化合物主要包括淀粉、低分子糖類、纖維素和半纖維素等，是花生油脂和蛋白提取過程中副產物。花生還含有豐富維生素，其中以維生素E最多。含有較為豐富的礦物質，其中以鉀、磷含量最高。花生含有很多生物活性成分，如白藜蘆醇、植物異黃酮、谷甾醇和β-谷固醇[14]。

表2 花生油中主要脂肪酸組成

1.2 油脂分布

花生油脂和蛋白質以油體和蛋白體形式存在于花生子葉含油細胞中，油體表面包裹著一層由磷脂分子和油體蛋白分子構成的半單位膜。其中，油體蛋白分子是堿性小分子蛋白，相對分子質量范圍在15～26 kDa之間，是由親水性NH2—末端和近COOH—末端及中心疏水性區域組成的兩親性蛋白[15]。蛋白體、油體和淀粉顆粒均為花生子葉細胞內主要的亞細胞器，成熟花生子葉細胞中，小體積油體填滿細胞質網絡，并緊密包裹分散于其中的蛋白體和淀粉顆粒。Tzen等[16]構建油體結構模型（如圖1），提出油體單層膜基本結構單元包括13個磷脂分子和1個油體蛋白分子。油體蛋白分子結構的2/5為疏水部分，嵌入磷脂分子的疏水性酰基中并與甘油三酯接觸；結構的另外3/5呈兩親性，突出于油體表面。磷脂分子和油體蛋白分子不僅會與甘油三酯反應，兩者間還會相互作用，即油體蛋白分子可包裹磷脂分子，使其無法與磷脂酶接觸而使油體保持穩定，油體蛋白會賦予油體一定空間位阻，使油體在加壓條件下仍保持穩定的分散狀態而不會發生聚集。

圖1 花生油體結構示意圖

2 水酶法提花生油原理

花生子葉細胞細胞壁由纖維素、半纖維素、木質素、果膠等組成，且油脂在細胞中存在狀態是與其他大分子結合形成脂多糖、脂蛋白等復合體，只有將細胞壁和油料復合體破壞才能使油脂釋放徹底[17]。水酶法提取花生油基本原理是在機械破碎基礎上，加酶進行酶解，使油脂易于從花生中釋放，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及油水比重的不同將油與非油成分分離。水酶法酶解工藝所用的酶是對油料組織及對脂多糖、脂蛋白等復合體有降解作用的酶（纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶、果膠酶、淀粉酶、葡聚糖酶等），通過酶對細胞結構進一步破壞，以及酶對脂蛋白、脂多糖的分解作用，增加油料組織中油的流動性，從而使油游離[18]。

3 水酶法提取花生油主要影響因素

水酶法提取花生油的關鍵是在乳狀液生成量最低情況下實現高出油率，減輕后續破乳工作[19]。水酶法產油率的主要影響因素包括油料破碎程度、酶種類及用量、料液比、酶解工藝及破乳。

3.1 油料破碎程度

油料的破碎程度對水酶法提取花生油的提取率影響顯著。油料破碎程度越大，出油率越高，因為機械粉碎作用在一定程度上破碎油料子葉細胞，破壞油料的細胞壁結構，使細胞內水溶性成分易于溶出釋放油脂，增加油料與酶的接觸面積，擴大酶在料液中擴散速率[20]，促進酶解反應進行。如果油料破碎程度過大，起始的料液中含有較多蛋白質和脂肪，會增加乳狀液形成，增加后續工藝中破乳困難，減少游離油得率，同時會導致殘渣中含油率升高[21]。作為水酶法提取花生油工藝十分關鍵的前道工序，尋找最佳破碎顆粒度很重要。

朱凱艷等[22]研究花生粉碎程度對花生油提取率的影響，花生體積平均粒徑減小到28 μm，水酶法工藝的總得油率和水解蛋白得率最高，分別為88.8%和77.5%。花生料漿的平均粒徑降至28 μm后繼續粉碎，水酶法過程中會發生嚴重乳化現象，且乳狀液穩定性增加，導致總得油率和水解蛋白得率降低。Rosenthal等[23]在研究水酶法提取大豆油時發現，油提取率與物料的細度呈反比，物料粒徑從400 μm降到100 μm時，油提取率提高31%。然而高含油量的花生在粉碎后會變得非常黏稠，轉移困難，并且容易導致粉碎機電機過載或堵塞篩網，長時間研磨會導致設備發熱等。研究熱點是利用某些物理方法處理結合酶制劑更有效地破壞油料細胞壁，使提油工藝在溫和的條件下進行，提高提油率，減少營養成分損失。Hu等[24]采用超聲-微波輔助水酶法提取櫻桃籽油。酶水解和超聲微波處理聯合作用破壞細胞結構，導致許多生物活性成分進入油中[25]，促進底物在溫和溫度下提取。制得的櫻桃籽油具有優良的理化性質和較高的生物活性成分含量。

3.2 酶種類及用量

酶具有專一性，不同種類的酶能降解油料中不同成分，復合酶制劑效果優于單一酶制劑。酶制劑成本高，是制約水酶法發展的瓶頸問題。因此，合理選用酶制劑有利于提高油脂得率，降低生產成本[26]。在一定酶濃度范圍內，隨著酶濃度增加，酶與底物的相互作用越大，油脂提取率升高[27]。但過高的酶濃度可能會因為油料與酶達到飽和狀態而限制油脂釋放，過量酶及酶解時間長會產生非目標成分導致油脂苦味和異味[28]。

李鵬飛[21]在傳統水酶法基礎上提出新型水酶法工藝，在反應提取階段加入微量的酶（0.05%，w/w），加酶的主要目的是輔助破壞油料細胞結構，而不是防止和避免大量乳狀液生成，工藝中產生的乳狀液再利用酶進行破乳，由于乳狀液中的蛋白質含量約占原料蛋白質含量的5.95%，因此酶的添加量僅針對5.95%的蛋白質進行添加，而不是傳統水酶法那樣針對所有蛋白質，酶的用量減少到傳統水酶法的1/10，降低生產成本，也保護95%蛋白質不被酶過度水解成小分子肽。Jiang等[11]對水酶法制備花生油的工藝進行研究，試驗結果表明Alcalase 2.4 L效果最好，出油率為73.45%，工藝優化后使用單一堿性蛋白酶可使油脂得率最高達79.32%。復合纖維素酶處理植物組織可以降解植物細胞壁的纖維素骨架、崩潰植物細胞壁，使植物細胞內有效成分充分游離，提高細胞內物質提取率。

3.3 料液比

油料中添加的水不僅作為萃取介質，還能進入油料中，改變其內部成分的水分活性，加速油料與酶制劑間流動，促進酶解作用[29]。在一定范圍內，料液比增高，有利于加快提取速率和提高產品的最終產率。料液比過高，會降低酶制劑與油料濃度，對反應不利，還會增加廢水的排放量及后續工藝中破乳的困難度，使廢水處理和破乳的經濟成本成倍增加。

3.4 酶解pH、溫度和時間

酶的最大活性的最適pH隨酶種類變化而變，水酶法反應階段料液pH調節至與其最大酶活性相對應的值[9]。但是，一些酶的最佳pH在蛋白等電點pH范圍內，由于蛋白質在此范圍內高度不溶，會抑制油脂釋放，造成蛋白資源浪費。酶解時料液pH不僅要有利于酶的活性，也要遠離蛋白質等電點[30]。酶解溫度對油脂提取率有顯著影響，應該選擇在酶對底物的最適作用溫度范圍內，保持酶的最大活性。溫度過高，不僅酶的活性逐漸喪失，而且油的顏色變暗，蛋白也會因溫度過高而變性；溫度太低，酶的反應速率過慢，同樣影響到出油率與蛋白質回收率。酶解時間越長，物料細胞降解程度越高，游離油得率隨酶解時間增加而增加，但達到一定時間后得率不會顯著提高。酶解時間增長會導致能耗和生產周期增長，富含油脂和蛋白質的漿料在水相中容易遭受微生物污染而變質，同時易揮發的風味物質損失加劇，所以選擇最佳酶解時間能提高油的得率和質量，降低成本。

3.5 破乳

水酶法植物油提取過程中，水相（提取基質）中含有豐富磷脂、蛋白和細胞碎片，這些組分可以充當良好乳化劑，其吸附在液滴表面而使液滴間產生空間或靜電阻力，防止液滴聚集或絮凝，伴隨攪拌作用，無法避免會產生大量乳狀液[31-32]。乳狀液穩定機理如圖2所示，水酶法提取油脂和蛋白質過程中，油滴進入水相，油料蛋白質作為界面活性物質吸附在油滴表面，形成穩定乳狀液。過程中，蛋白質傾向于以龐大分子結構慢速分散到界面（圖2A）[33]。到達界面后，蛋白質的分子結構在界面上舒展打開，內部疏水氨基酸暴露（圖2B），由此產生的分子間的共價交聯和（或）非共價相互作用導致油滴周圍形成穩定界面蛋白膜，該膜具有一定的厚度、強度、黏彈性，同時具有帶電性和空間穩定性，阻止油滴重新聚集，維持乳狀液穩定性[34-35]。

圖2 乳狀液穩定機理示意圖

常用的破乳方法包括物理法、化學法和生物法[36]。物理法一般采用離心、加熱處理或施加靜電場處理乳狀液，可避免使用有機溶劑和有毒有害化學試劑，同時成本也較低。近年來采用加熱處理法對水酶法乳狀液破乳的研究很多[37-38]，加熱處理可使乳狀液中蛋白質變性，導致乳化體系的穩定性降低，達到破乳目的；化學法通過添加破乳劑對乳狀液進行破乳，破乳劑一般為有機溶劑，不適用于食品加工；生物法通過生物酶制劑對乳狀液中乳化蛋白進行酶解從而分離油脂，但較高成本不利于其推廣應用。

王瑛瑤等[39]為破除花生水酶法提油時形成的乳狀液，提高出油率，研究乳狀液性質，比較界面吸附肽和水相中肽的相對分子質量分布、非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳和反相色譜圖，發現使乳狀液穩定的界面吸附肽性質主要與其構象、組成、電荷等性質有關。采用冷凍解凍、高速剪切、加熱離心和微波破乳4種物理機械方法破乳，冷凍解凍結合離心的方法破乳效果最佳，乳狀液中油回收率超過91.6%。彭瑤瑤等[40]比較幾種破乳方法（微波破乳、加熱破乳、冷凍解凍破乳、靜置上浮破乳），得出冷凍解凍破乳法的破乳率最高，因為在冷凍過程中，乳狀液中出現油相結晶，這些脂肪晶體可以刺入水相，假如脂肪晶體恰好出現在相鄰油滴之間，則將刺穿界面膜引起油滴聚集，從而達到破乳目的，二次破乳率達81.2%。何秋實[41]針對大豆水酶法提油過程中產生乳狀液，用NaCl溶液進行破乳，最佳條件為：5.6% NaCl、溫度93.5 ℃、反應時間16 min，油脂回收率達87.92%。De Moura等[42]用Protex 6 L和Protex 7 L對水酶法提取大豆油脂和蛋白質過程中形成乳狀液進行破乳研究，添加2.5% Protex 6 L進行破乳，乳狀液幾乎全部被破壞。Li等[43]研究物理（加熱、凍融）、鹽（CaCl2、NaCl）和酶處理（Protex 6 L、Protex 7 L、Protex 50FP、Alcalase 2.4 L、木瓜蛋白酶、磷脂酶、淀粉酶）對花生乳狀液游離油收率的影響，研究發現，蛋白酶的破乳效果優于鹽類和物理方法。

4 結語

水酶法是一種新型的綠色安全的提取植物油的方法，具有處理條件溫和、設備簡單、所得的毛油質量高、色澤淺、易于精煉、廢水中BOD與COD值大為下降、污染少等優點。制約水酶法發展的瓶頸有酶資源不足、使用成本高、易失活，乳狀液破乳率低，提取油脂同時獲得高質量花生蛋白困難，造成資源浪費等問題。可利用多學科交叉融合提高油脂得率及油脂品質，降低生產成本，如利用生物工程技術尋求產量大、效率高、價格低的酶種，降低生產成本；結合物理學科，利用超聲波、微波及高壓等技術輔助水酶法提油，研發高效離心分離機，確保高品質油脂出油效率的提高。此外，需深入研究乳狀液形成及穩定機制，提高破乳效率。科學技術的發展將逐步解決限制水酶法工業應用難題，使水酶法具有更廣闊發展前景。