熱處理輔助水酶法提取芝麻油的工藝

歸艷，劉佳林，廖培龍，楊欽偉，張雅娜

綏化學院食品與制藥工程學院（綏化 152061）

芝麻作為我國重要的油料作物，其含油量在46%～63%左右，高于花生、菜籽等油料。芝麻油是WHO公布的三大最佳食用油之一，被列入中國、美國、日本等國藥典，因此被稱為“油中之王”[1-2]。芝麻油中富含不飽和脂肪酸且脂肪酸組成合理，具有降低膽固醇、軟化血管、預防動脈粥樣硬化的作用[3]。

目前，提取芝麻油的方法主要有水代法、機械榨法、水酶法等。其中水酶法是一種新興的提油技術，該方法所得的油脂品質好、色澤淺、易于精煉，油與餅渣（粕）易分離等。近年來雖已有對水酶法提取芝麻油預處理的研究，但研究較少，占俊峰[4]對微波輔助水酶法提取芝麻油工藝進行了研究。張濤等[5]對冷凍微波解凍輔助水酶法提取芝麻油工藝進行了優化。肖旭華等[6]研究超聲處理條件和酶解條件對芝麻油提取率的影響。劉蒙佳等[7]研究了微波預處理參數對黑芝麻油脂得率的影響。張雅娜等[8]對冷凍-微波解凍預處理、超聲波預處理輔助水酶法提取芝麻油工藝進行了研究。賈照寶等[9]指出，加熱作為預處理方法，能有效地提高水酶法的清油提取率。因此，此次試驗首次嘗試選用熱處理輔助水酶法提取芝麻油，同時還對比研究熱處理過程對油脂品質的影響，為芝麻油的工業化生產提供一定的研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫皮白芝麻，安徽省渦陽縣；冷榨芝麻油，安徽燕莊油脂有限責任公司；Alcalase 2.4 L（酶活2.4 AU/g），丹麥Novo公司。

ESJ205-4電子分析天平，普利賽斯國際貿易有限公司；ZH-25B-B11多功能食品加工機，河南新飛電器集團有限公司；JY92-IIN型超聲波細胞粉碎機，北京泰亞賽福科技發展有限責任公司；BCD-160TMPQ冰箱，青島海爾股份有限公司；HZS-H水浴振蕩器，哈爾濱市東聯電子開發有限公司；PHS-3C型pH計，杭州齊威儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋，金壇市雙捷實驗儀器廠；GL-16G-II高速冷凍離心機，上海安亭科學儀器廠；2WAJ阿貝折射儀，廣州力賽計量檢測有限公司；WSL-2羅維朋比色計，浙江托普儀器有限公司；KDN-103F自動定氮儀、HYP-10404十孔消化爐，上海纖檢儀器有限公司；SCT-02索氏抽提器，天津玻璃儀器廠；SX-4-10箱式電阻爐，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗工藝流程

1.2.2 脫皮白芝麻主要成分測定

水分參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[10]；灰分參考GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》[11]；蛋白質參考GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》[12]；脂肪參考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[13]。

1.2.3 水酶法提取芝麻油

預處理：稱取50.00 g芝麻，采用多功能食品粉碎機進行粉碎，按試驗比例浸泡于檸檬酸緩沖液中，然后進行熱處理[14]。

水酶法步驟：酶解所用的酶制劑為水解蛋白酶Alcalase 2.4 L，加酶量為2%（粉碎后芝麻粉質量的2%），酶解過程用2 mol/L的NaOH調pH，酶解條件為：pH 9.0、溫度55 ℃、酶解時間3 h。離心轉速和時間為10 000 r/min、10 min，溫度為4 ℃。離心后分為4層（游離油1、乳狀液、水解液和殘渣），取出乳狀液再次進行冷凍，二次離心，得游離油2，最后將2次所得油脂稱量計數[8]。芝麻油提取率按式（1）計算。

1.2.4 單因素試驗

分別以熱處理時間（30，40，50，60和70 min）、熱處理溫度（60，70，80，90和100 ℃）、緩沖液pH（3.6，4.0，4.4，4.8和5.2）、緩沖液濃度（0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mol/L）為單因素，考察各因素對芝麻油提取率的影響。

1.2.5 正交試驗

在單因素試驗基礎上，根據結果確定正交試驗條件范圍，以熱處理時間、熱處理溫度、緩沖液pH、緩沖液濃度為因素，以芝麻油提取率為指標，進行四因素三水平正交試驗，確定最佳預處理條件。試驗因素與水平表見表1。

表1 正交因素水平表

1.2.6 芝麻油理化指標測定

芝麻油理化指標參照GB/T 5525—2008《植物油脂透明度、氣味、滋味鑒定法》[15]、GB/T 22460—2008《動植物油脂羅維朋色澤的測定》[16]、GB/T 5527—2010《動植物油脂折光指數的測定》[17]、GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》[18]、GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》[19]進行測定。

1.2.7 數據統計與分析

所有的試驗至少進行3次，利用Origin 8.5進行作圖，并利用SPSS Statistics 18.0軟件對試驗數據進行統計，采用Tukey’s檢驗進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 芝麻的主要成分含量

由表2可知，脫皮白芝麻中粗脂肪質量分數約為51.45%，粗蛋白質量分數約為24.36%，水分質量分數約為3.19%，灰分質量分數約為2.80%。

表2 芝麻的主要成分

2.2 熱處理時間對芝麻油提取率及品質的影響

2.2.1 熱處理時間對芝麻油提取率的影響

由圖1可知，當熱處理時間小于50 min時，隨著熱處理時間的延長，芝麻水分逐漸減少，油脂逐漸從細胞中滲出，芝麻油的提取率逐漸增加；當熱處理時間為50 min時，芝麻油提取率最高，為71.03%；當熱處理時間大于50 min時，熱處理時間過長會使油、水、蛋白質形成的乳狀液的穩定性增加，不利于油脂的分離[20]，而使芝麻油提取率下降。因此，最佳熱處理時間為50 min。

2.2.2 熱處理時間對水酶法芝麻油品質的影響

由表3可知，熱處理時間對水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數均無影響。隨著熱處理時間的延長，水酶法芝麻油的色澤逐漸加深。熱處理時間對酸價的影響較大，酸價隨熱處理時間的延長而顯著增加（p＜0.05）。熱處理對油脂酸價的影響有兩方面：一方面，油脂中脂肪酸尤其是不飽和脂肪酸在加熱作用下發生氧化裂解，進一步氧化產生有機酸[21]；另一方面，芝麻的熱處理是在水相中進行的，可使油脂發生水解，且熱處理時間越長，水解程度越高，酸價則越高[22]。水酶法芝麻油在加熱過程中酸價雖增加，但均符合一級精煉芝麻油標準[23]。過氧化值隨熱處理時間的延長而顯著降低（p＜0.05），其原因可能有兩種：其一，氫過氧化物不穩定，分解產生氧化次級產物；其二，產生氫過氧化物的基質減少，氫過氧化物的生成量減少[21]，這與前人的研究結果相似[24-25]。

圖1 熱處理時間對芝麻油提取率的影響

表3 熱處理時間對芝麻油品質的影響

2.3 熱處理溫度對芝麻油提取率及品質的影響

2.3.1 熱處理溫度對芝麻油提取率的影響

由圖2可知，當熱處理溫度低于70 ℃時，隨著熱處理溫度的升高，芝麻油提取率逐漸增加，其原因是在熱處理初期，溫度使脂肪和蛋白質的結合力下降，油脂呈游離態，使得芝麻油提取率不斷增加；當熱處理溫度達到70 ℃時，芝麻油提取率最高，為70.23%；當熱處理溫度高于70 ℃時，芝麻油提取率逐漸下降并趨于穩定，這是由于溫度升高到一定程度，蛋白質的變性相應嚴重，展開的蛋白質暴露出疏水性氨基酸，使其更好地定位在油水界面，從而提高乳狀液的穩定性，不利于油脂的分離[20]。因此，最佳的熱處理溫度為70 ℃。

2.3.2 熱處理溫度對芝麻油品質的影響

由表4可知，熱處理溫度對水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數均無影響，但對水酶法芝麻油的色澤、酸價、過氧化值有一定影響。隨著熱處理溫度的升高，水酶法芝麻油的色澤逐漸加深，這可能是隨著熱處理溫度的升高，美拉德反應加劇，油溶性褐色物質增多，導致油脂色澤加深[26]。酸價隨著熱處理溫度的升高而顯著增大（p＜0.05），其原因是由于溫度越高，油脂的水解越容易發生，水解程度越高，酸價越大。隨著熱處理溫度的升高，過氧化值顯著降低（p＜0.05），但變化幅度較小。其原因：一方面，美拉德反應產生抗氧化物質，導致油脂過氧化值逐漸降低；另一方面，熱處理可有效地鈍化過氧化物酶及過氧化物異構酶的活性[22,26]。

圖2 不同熱處理溫度對芝麻油提取率的影響

表4 熱處理溫度對芝麻油品質的影響

2.4 緩沖液pH對芝麻油提取率及品質的影響

2.4.1 緩沖液pH對芝麻油提取率的影響

由圖3可知，當緩沖液pH低于4.8時，隨著緩沖液pH的增大，芝麻油提取率逐漸增加。一方面，緩沖液pH越低，細胞壁破壞的程度越大，可溶性固形物溶出越多；另一方面，溶出的固形物主要是可溶性多糖和蛋白質，蛋白質是兩性物質，其溶解度受pH影響較大[14]，越接近芝麻蛋白質等電點，蛋白質溶解性越差，可溶性固形物含量也就越低。隨著pH的升高，蛋白質的溶解性逐漸降低，破壞了油脂和蛋白質的乳化狀態，更多的油脂游離出來；當緩沖液pH為4.8時，芝麻油提取率最高，為71.09%；當緩沖液pH高于4.8時，由于蛋白質溶解性升高，芝麻油提取率反而下降，因此，最佳緩沖液pH為4.8。

2.4.2 緩沖液pH對芝麻油品質的影響

由表5可知，緩沖液pH對水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數、色澤均無影響，而對酸價、過氧化值有一定的影響。酸價隨緩沖液pH的增大而顯著降低（p＜0.05），其原因可能是在較低pH下，H+作為催化劑加速油脂的水解反應，使游離脂肪酸的含量增加，酸價隨pH的降低而升高[22]。過氧化值隨緩沖液pH的增大而顯著增加（p＜0.05），其原因可能是在酸性條件下，過氧化物酶更易鈍化，過氧化物酶活性降低，酶促反應速率降低，過氧化值小，此結果與王素梅等[22]的研究結果相似。

圖3 不同緩沖液pH對芝麻油提取率的影響

表5 緩沖液pH對芝麻油品質的影響

2.5 緩沖液濃度對芝麻油提取率及品質的影響

2.5.1 緩沖液濃度對芝麻油提取率的影響

由圖4可知，當緩沖液濃度低于0.2 mol/L時，隨著緩沖液濃度的增加，芝麻油提取率逐漸增加，其原因可能是芝麻中蛋白質等物質與緩沖液中的離子以某種形式結合，而使油脂得以釋放；當緩沖液濃度為0.2 mol/L時，芝麻油提取率最高，為70.03%；當緩沖液濃度高于0.2 mol/L時，芝麻油提取率逐漸下降，其可能是由于隨著緩沖液濃度的增加，油脂與溶液中的金屬離子再度結合。因此，最佳緩沖液濃度為0.2 mol/L。

圖4 不同緩沖液濃度對芝麻油提取率的影響

2.5.2 緩沖液濃度對芝麻油品質的影響

由表6可知，緩沖液濃度對水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數、色澤、酸價、過氧化值均無影響。緩沖液濃度對酸價無顯著影響（p＞0.05），可能是由于緩沖液濃度對油脂水解反應無影響，游離脂肪酸含量不變，酸價不變。過氧化值無顯著影響（p＞0.05），可能是由于緩沖溶液濃度改變，過氧化物酶不易鈍化，不影響過氧化物酶的活性，過氧化值不變。

表6 緩沖液濃度對芝麻油品質的影響

2.6 正交試驗結果

根據正交因素水平的試驗設計，四因素三水平正交試驗結果如表7所示。從極差分析可知，影響芝麻油提取率的各因素主次為C＞A＞B＞D，即緩沖液pH的影響最大，熱處理時間是較重要因素，熱處理溫度是次要因素，緩沖液濃度對芝麻油提取率的影響最小。以芝麻油提取率作為衡量指標來看，熱處理條件為A1B2C2D1。根據正交試驗結果數據分析得出，最佳熱處理條件為A1B2C2D2，即熱處理時間40 min，熱處理溫度70 ℃，緩沖液pH 4.8，緩沖液濃度0.2 mol/L。

表7 正交試驗結果及數據分析

表8 驗證試驗結果

由表8可知，A1B2C2D1組合更優于A1B2C2D2組合，因此得到熱處理最佳條件：熱處理時間40 min、熱處理溫度70 ℃、緩沖液pH 4.8、緩沖液濃度0.1 mol/L。此條件下芝麻油提取率最高，為76.39%。

2.7 芝麻油品質分析

由表9可知，水酶法芝麻油與冷榨法芝麻油的透明度無明顯差異，均澄清透明；水酶法芝麻油的氣味、滋味與冷榨法芝麻油相較而言，其固有的芝麻油滋氣味比較濃郁，主要是在預處理過程中由于溫度較冷榨法高，芝麻產生的香味物質較多。

表9 芝麻油品質特性比較

水酶法芝麻油色澤為黃20、紅2.0，較冷榨法芝麻油的色澤淺，主要原因是：一方面，水酶法提取芝麻油過程中加入了堿，加堿后的皂具有吸附作用，可脫除部分酸性色素；另一方面，在水酶法提取芝麻油過程中，條件較溫和，因此色澤較淺[27-28]。水酶法芝麻油與冷榨法芝麻油的折光指數無明顯差異，但均在國家標準范圍內（1.457 4～1.479 2）[23]。水酶法芝麻油的酸價低于冷榨法芝麻油的酸價，其原因是水酶法在提油過程中為了保證酶的最適pH，加入了堿，可能中和了游離脂肪酸，使水酶芝麻油酸價較低[29]。水酶法芝麻油的過氧化值低于冷榨法芝麻油的過氧化值，其原因可能是冷榨法芝麻油在加工過程中受到光照、氧氣、金屬離子等影響，使油脂過氧化值較高，而水酶法提取條件溫和，溫度較低，抗氧化物質損失較少，油脂氧化程度較低；另一個原因是脂類氧化速率會受多種因素影響，在水酶法提取過程中，油滴存在于O/W乳化體系中，氧必須擴散到水相并通過油水界面才能接近油脂，從而減緩了氧化速率，同時酶可降解蛋白，產生的水解蛋白具有一定的抗氧化活性，也使油脂的氧化速率減慢[30]。綜合比較，水酶法芝麻油的品質較好。

3 結論

試驗結果表明，最佳熱處理條件為熱處理時間40 min、熱處理溫度70 ℃、緩沖液pH 4.8、緩沖液濃度0.1 mol/L，在此條件下芝麻油提取率為76.39%。熱處理時間和熱處理溫度對色澤、酸價、過氧化值有影響，緩沖液pH對酸價、過氧化值有一定的影響，緩沖液濃度對水酶法芝麻油的透明度、氣味、滋味、折光指數、色澤、酸價、過氧化值均無影響。此次試驗為芝麻油的工業化生產提供一定的研究基礎。