非熱加工技術輔助水酶法提取植物油脂的研究進展

王丹麗 袁雅雯 王 淇 劉家源 宋恭帥 袁婷蘭 李 玲 龔金炎

（浙江科技學院生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023）

植物油是重要的油脂來源之一，不僅是人們日常生活的必需品，也是重要的工業生產原料，在食品、化工、醫藥等領域均發揮著不可替代的作用。植物油來源廣泛，可從各種植物的種子、胚芽和果實中得到，如芝麻仁、大豆、花生仁等［1］。植物油的提取是油脂工業中最基礎、最核心的環節，最常見的提油方法有壓榨法和有機溶劑萃取法（也稱為浸出法）［2］。壓榨法主要借助機械作用，無化學試劑添加，但出油率低；有機溶劑萃取法提油率相對較高，但有溶劑殘留的風險［3］。水酶法利用酶制劑在水相介質中進行油脂提取，既安全又高效［4］，但也存在酶制劑價格高、酶解過程易出現乳化現象等問題。針對上述情況，眾多學者探索性地將許多非熱加工技術應用于水酶法提油的不同環節，以進一步降低成本，提高水酶法的提油效率。

非熱加工技術是一類新興的食品加工技術，與熱加工和化學加工相比，能夠最大限度地降低生產加工對產品營養和感官特性的破壞［5］。非熱加工技術，如超聲波（ultrasound，US）、脈沖電場（pulsed electric field，PEF）、高靜壓（high hydrostatic pressure，HHP）技術等，能夠以溫和的條件、較少的能量、較短的時間來達到較高的物質提取率，并且能促進一些生化反應［6］。本文主要綜述了一些非熱加工技術在水酶法油脂提取中的應用，包括原料預處理、破乳以及輔助酶反應過程，并對其中的作用機理進行討論分析，以期為提高水酶法提油的效率、推廣非熱加工技術的應用提供重要參考。

1 水酶法提油概述

植物油料的油脂存在于其細胞內，通常與蛋白質、多糖等結合存在。水酶法提油結合了水提法和酶解法，以水作為溶劑，利用相應的酶制劑水解細胞壁網絡，破壞油體膜以及油脂與其他大分子形成的復合物，進而促進細胞內容物的溶出和游離油脂的釋放，達到將油脂從植物細胞中提取出來的目的［7］。植物細胞壁從外至內可分為胞間層、初生壁和次生壁（細胞成熟后形成），其主要成分包括纖維素、果膠、半纖維素、蛋白質等（圖1）。因此，根據細胞壁的組成成分，水酶法提油中常用的酶有纖維素酶、果膠酶、蛋白酶等。而在不同的油料細胞中，纖維素、蛋白質等成分的含量不同，故不同種類的酶所得到的提油效果也各有差異。如表1 所示，提油時根據原料的不同，通常選擇復合酶以達到最佳的提油率。李傳欣等［18］以人參子為原料，從纖維素酶、果膠酶、復合纖維素酶、堿性蛋白酶和α-淀粉酶中篩選提取人參子油的最適水解酶，結果表明堿性蛋白酶的提油率最高。一般來說，與單獨使用一種酶相比，多種酶復配使用的提取效果更好［19］。

圖1 植物細胞壁結構示意圖［8］Fig.1 Schematic diagram of plant cell wall structure［8］

表1 水酶法在不同原料油脂提取中的應用Table 1 Application of AEE in oil extraction from different materials

水酶法的工藝流程主要包括：樣品原料預處理、調節合適的pH 值和溫度、添加酶進行酶解、滅酶、離心，最后得到上層清油（圖2）。

圖2 水酶法工藝流程［20］Fig.2 Aqueous enzymatic extraction process［20］

在整個水酶法提油過程中，水是主要的溶劑且作用條件溫和，所以水酶法具有綠色安全、能耗低、對天然活性物質保存較完整、提取到的油品質更高的優點［21-22］?；谒嗪陀拖嗷ゲ幌嗳艿奶攸c，水酶法可以同時提取蛋白質和油脂。此外，水介質有助于去除磷脂，減少對萃取油的脫膠過程，從而降低總體生產成本［23］。研究表明，與溶劑法相比，水酶法提取得到的產品油含有更多的油酸、亞油酸、甾醇和生育酚［24］。Rashid 等［25］研究發現，使用水酶法提取得到的棕櫚油的得率及其抗氧化活性比未使用水酶法更高。同時，Jiang 等［26］分別采用冷壓法、熱壓法和水酶法提取花生油，并對每種方法提取出來的花生油的功能和營養成分進行了研究，結果表明，水酶法提取得到的花生油可以有效改善高脂飲食對肝臟和機體造成的損害。

然而，水酶法提油也有耗時較長、酶價格較貴等缺點，因此，為了提高水酶法的效率、降低生產成本，需要對加工過程的關鍵步驟進行優化，同時可加入其他輔助技術。

料液比、酶解時間、酶添加量、酶解溫度、pH 值這5 個因素是所有水酶法提取植物油脂研究中都會涉及到的基本因素。料液比影響酶反應體系的黏度、底物濃度，從而影響酶反應效率；酶解時間與提油率息息相關，但過度延長酶解時間并不能無限提高提油率，反而有可能引起酶變性失活，導致出油效率降低［27］；酶添加量較小時酶解不完全，提油率不高，酶添加量過多時，原料中的多糖以及部分水解生成的小分子糖與酶蛋白發生交互作用，從而改善蛋白質的乳化能力，加劇水酶法過程中的乳化現象，不利于油脂分離［28］；酶解溫度和pH值是酶解反應的重要限制性因素，極大地影響了酶的催化活性，過高或過低的溫度以及pH值均不能充分發揮酶的效果。

2 非熱加工技術在油料預處理中的應用

提油率是商品油生產的最重要的衡量指標，與產品的利潤緊密相關。預處理是影響提油率的關鍵步驟之一，能夠進一步破壞樣品油料細胞的細胞壁，使油脂在后續提取中大量釋放出來［29］。不恰當或者不充分的預處理會限制最終的提油率。對于不同的油脂原料，其組成成分有所差異，因此適用的預處理工藝也不同。目前比較常見的預處理方式除了傳統的熱處理，還有機械破碎、超聲輔助、擠壓膨化等非熱加工技術［30-32］。此外，一些預處理技術在提高提油率的同時，也能提高油的穩定性，延長貨架期，提高生物活性［33］。因此，選擇適宜的預處理方法不但能夠有效提高提油率，還能提升產品油的品質。

熱處理技術通過高溫破壞物料內部的細胞組織結構，使其更加疏松，提高滲透性，有利于酶的進入，促進油脂釋放。與此同時，高溫會破壞脂質體膜，使脂質體中的油脂聚結，更易形成油滴釋放。然而，長時間加熱處理或過于劇烈的熱處理條件會使油脂的色澤加深、酸價升高、過氧化值升高，影響油脂品質［14，34］。因此，越來越多的研究利用非熱加工技術對油料進行預處理，旨在提高提油率的同時保證油的品質。

2.1 機械預處理

機械處理是一種典型的預處理技術，主要通過物理破壞影響物料顆粒結構。機械處理一方面破壞了油料細胞的內部結構，使更多的油脂游離釋放出來；另一方面減小了油料粒徑，提高了比表面積，增加了油料與溶劑、酶制劑的接觸，從而提高了提油率［35］。不同樣品的細胞大小和細胞壁厚度不同，機械處理的效果也不盡相同，而出油率又與細胞破碎程度呈正比，因此細胞壁厚度與細胞大小的比值與提油率密切相關［36］。

采用擠壓膨化技術預處理油料，結合熱處理和機械處理，不僅可以使原料組織結構變得疏松，增加物料與酶的接觸面積，提高酶促反應效率，促進油脂釋放；而且能使原料中蛋白質失活，降低乳狀液的穩定性；還能除去油料中的異味成分、營養抑制劑因子和產氣因子，產生擠壓膨化獨特的芳香成分［37-38］。研究表明，擠壓膨化預處理可以提高大豆粉纖維降解率和水酶法提取大豆油的提油率，經擠壓膨化處理后的大豆粉提油率可提高至少20個百分點［39］。

2.2 超聲預處理

超聲技術被廣泛應用于食品及其他原料的預處理，包括對油料的前處理。Zdanowska 等［40］研究發現，經過超聲處理的樣品在較低反應溫度下提取得到的油量與未經超聲處理樣品在高反應溫度下得到的油量相當，且隨著超聲時間的延長，油量也增加；進一步觀察油料細胞的微觀結構發現，超聲處理后樣品的細胞壁結構變得松散，導致其內部膨脹，增加了種子內部結構的水滲透，使得提油率增加。張偉光等［41］采用超聲預處理結合堿性蛋白酶水解提取冬瓜籽油，發現不同超聲波處理條件對提油率的影響表現為超聲功率>超聲時間>超聲溫度；在最佳超聲處理條件下（20 min、150 W、50 ℃），冬瓜籽油提取率為82.55%，較未超聲處理的提取率高10個百分點。

超聲預處理的主要作用原理是基于超聲波的空化效應。超聲空化產生的一系列機械力（如微射流、沖擊波、湍流、剪切力等），破壞了植物細胞結構，增強了油脂釋放［6］。根據不同的樣品，具體可概括為碎片化、點蝕現象、聲穿孔效應等現象，如圖3 所示。超聲空化所產生的剪切力等機械效應引起原料碎片化，并使原料粒徑減小，導致物料表面積增加、體系傳質增強，從而提高了酶解效率和提油率。超聲空化泡能夠在原料表面發生不對稱破裂，使介質表面產生多個侵蝕小孔（點蝕效應）。點蝕效應能增加物料的比表面積，增強溶劑可及性和酶蛋白的吸附，提高提油率。對于一些植物細胞，逐漸加劇的點蝕效應導致的細胞壁穿孔，稱為聲穿孔效應。聲穿孔會在細胞膜上可逆或不可逆地形成微孔，增加細胞膜的通透性，既能促進細胞內容物的釋放，也能促進酶的進入，從而提高油脂釋放率［42］。

圖3 超聲技術原理Fig.3 Principles of ultrasound technology

2.3 超高壓預處理

超高壓（ultra-high pressure，UHP）或高靜壓（high hydrostatic pressure，HHP）加工技術是指在密閉容器內，以流體（一般為水）為傳壓介質，在常溫或加熱條件下加壓到100～1 000 MPa 對物料進行處理，以達到殺菌、滅酶、提取和加工食品等目的的一種新興食品非熱加工技術［43］。

超高壓處理會對細胞器、細胞壁、細胞膜造成一定破壞，導致細胞滲透性增加，使提取溶劑更多地滲透到細胞中，而被提取成分更多地滲透到細胞外，從而有利于天然活性成分和油脂的提取釋放［44］。Yusoff等［45］利用超高壓技術預處理辣木籽，并結合水酶法提取辣木籽油，結果發現超高壓預處理增加了清油得率且減少了乳化層。這是由于超高壓處理能夠改變物料中蛋白質的結構，降低其乳化功能特性，從而限制了乳化層的形成。這一結果使得水酶法提油過程中不需要再進行額外的破乳處理。同時，超高壓處理能破壞植物細胞大分子的結構，并增加大分子物質對酶的敏感性，還能有效地使細胞壁膨松、淀粉糊化，有利于溶劑的滲透和酶的擴散，從而提高后續酶解反應的效率，提高提油率［46］。

2.4 輻照預處理

姚菲［47］研究了非熱處理對水酶法提取茶籽油效率及油品質的影響，結果發現超聲和輻照預處理能顯著提高水酶法的提油率，且提油效果優于壓榨法和浸提法。從茶籽油品質來看，預處理對油脂理化性質影響不大。輻照處理能夠破壞細胞結構，促進胞內物質的釋放，減小油脂聚集、溶出的阻力。另有研究發現，輻照預處理底物能夠提高后續纖維素酶反應的速率，縮短達到最大反應效率的時間［48］。

3 非熱加工技術在破乳中的應用

在水酶法提油的過程中，水油兩相間會生成含有油與蛋白質、多糖、磷脂等大分子的穩定乳化層，嚴重降低油脂的提取率。這是由于天然的蛋白質、多糖和磷脂是良好的乳化劑，能夠作為界面活性物質吸附在油滴表面，促使水相溶劑和油層形成穩定的乳化層［49］。在水酶法乳狀液體系中，蛋白質是兩親界面物質的主要組成成分，油水界面層的分子組成、結構、動態特性、流變學特性等都會對乳化層的穩定性產生重要影響［50］。水酶法過程中形成的乳狀液會降低提油率，極大地限制了水酶法在油脂提取工業中的應用。因此，為了進一步提高水酶法提油的提油率，建立有效的破乳方法十分必要（圖4）。

圖4 破乳過程示意圖Fig.4 Diagram of demulsification process

目前，常用的破乳方法大致分為生物酶法、化學法和物理法三類。其中酶法主要是通過添加蛋白酶等水解乳化層中的兩親物質來達到破乳的目的；化學法包括添加無機鹽、表面活性劑以及調節pH值等，主要通過破壞乳狀液的界面張力來降低乳狀液的穩定性；物理法包括加熱、高速離心、超聲、反復凍融等，主要通過物理手段加速乳狀液中油滴的聚集，從而破壞乳液穩定性。非熱加工技術是除熱加工外的主要物理破乳方法。

3.1 高速剪切

高速剪切是常用的物理破乳方法之一，操作簡單便捷、對儀器要求較低。路雪蕊等［51］對水酶法提取小麥胚芽油工藝中破乳方法進行了研究，發現高速剪切處理能夠產生較好的破乳效果，且隨著剪切速率的增加，乳狀液穩定性下降，破乳率上升；隨著剪切時間的延長，破乳率先上升后穩定不變，在最佳工藝條件下，破乳率可達91.82%。乳狀液是一種復雜的流體，其流變模型與乳狀液液滴間的相互作用及液滴的性質有關。乳狀液從非絮凝狀態到絮凝狀態的轉變常伴隨著流體性質的改變。隨著剪切速率提高，乳狀液的流體性質發生改變，從而使其穩定性發生改變，達到破乳效果［52］。

3.2 超聲

超聲波在傳播過程中對液體介質產生周期性的壓力波動，形成空化微泡?？栈⑴莸倪\動和破裂會形成局部高溫高壓以及一系列機械擾動、沖擊波和剪切力。由于超聲波振動產生的位移效應，粒子（水滴或油滴）在體系中相互碰撞，最終達到破乳的目的。同時，在一定條件下，超聲空化產生的機械力也會對乳液穩定性產生破壞，推動破乳的完成［53］。超聲波能夠縮短破乳時間，同時還能減少破乳劑的使用，在石油化工領域已有應用［54］。Xu 等［55］利用超聲輔助結合化學法對原油乳狀液進行破乳，結果表明，隨著超聲波的時間延長和功率增加，破乳效果增強，但當高于臨界值時會使得分離的油水重新乳化，此外超聲輔助在低溫條件時的破乳效果更好，破乳率可達到45%，但單獨使用超聲的破乳率只有7.5%。在超聲破乳過程中，超聲的功率、頻率等參數，處理溫度和時間，以及乳液的組成等都會影響超聲破乳的效果［56］。

3.3 脈沖電場

脈沖電場作用于乳狀液會引起液滴的極化和伸長效應，使得液滴聚集，從而達到乳狀液中水油兩相分離的效果［56］。該方法具有破乳效率較高、設備結構簡單、工作過程能耗較低等優點。脈沖電場的破乳效果主要與電場強度、電場頻率以及占空比等因素相關［57］。Ren等［58］研究了雙向脈沖電場（bidirectional pulsed electric field，BPEF）對O/W 乳液中油滴連接和聚集現象的影響，結果表明，BPEF能夠增強并加速油滴聚集，但隨著電場頻率增加，油滴的聚集效果減弱，在電場占空比為70%時其破乳和分離效果最佳。

3.4 凍融法

劉媛媛等［59］利用水代法提取葵花籽油時，比較了不同的破乳處理方法，包括乙醇輔助、熱處理、高速剪切和冷凍解凍方法的破乳效果，其中冷凍解凍法破乳效果最優，破乳率為94.01%。凍融處理引起乳狀液穩定性降低的原因主要來自兩個方面：水相和油相的結晶以及液滴微環境的變化。兩相結晶時間不同，形成的脂肪晶體可能會穿透油體外的界面蛋白膜，加速油體在凍融過程中的聚結，提高破乳效果［60］。

綜上所述，多種非熱加工技術都能達到有效破乳的目的。在不同的水酶法提油體系中，不同的非熱加工技術產生的破乳效果不盡相同。因此，在實際應用中需要綜合考慮具體的原料和酶解體系，選擇合適的破乳方法。

4 非熱加工技術輔助水酶法提油

由于酶的價格較為昂貴，為提高其作用效率，降低成本，常在酶反應過程中加入一些輔助技術來加快酶反應進程，提高油脂提取率。

4.1 超聲波技術

超聲波技術不僅能作為預處理技術用于水酶法提油，還能作為輔助手段用于酶反應過程中，具有耗時短、效率高的特點。超聲可以強化植物中油脂的提取、加速傳熱和傳質過程，從而加速油脂釋放，其原理主要是空化作用，即超聲波通過液體會產生氣泡。

Goula 等［61］利用水酶法和超聲同時作用來提取石榴籽油，發現超聲處理能夠使水酶法的提油率提高近18.4%，提取時間縮短91.7%，達到與傳統方法類似或更高的提取率僅需10 min。Moradi等［62］利用超聲技術輔助纖維素酶和果膠酶提取葵花籽油，也得到了類似結論，超聲在提高提油率的同時也縮短了提取時間。

超聲輔助技術的原理主要有以下四個方面：一是基于上文原料預處理手段中提到的作用機制，空化效應在物料表面形成孔隙或裂痕，促進細胞內容物的釋放及其與酶的結合；二是超聲能夠促進體系傳質，降低反應活化能，從而加快酶與底物的碰撞，促進酶和目標底物的結合；三是超聲能對酶蛋白產生改性作用，改變蛋白結構，提高酶的催化活性；四是超聲空化產生的剪切力能降低體系黏度，更有利于反應體系的混合［63-64］。通過以上四個方面，超聲能夠提高酶催化反應的效率，最終提高油脂的得率。

4.2 脈沖電場

脈沖電場是新興的非熱加工技術之一，使用時將物料置于兩個電極之間，在極短時間內給予高壓電脈沖。薛長美［65］對比研究了高壓脈沖輔助與超高壓輔助酶提取玫瑰精油的效果，結果表明，前者能使玫瑰精油的得率更高，用時更短。周亞軍等［66］通過研究高壓脈沖電場（PEF）協同酶法輔助提取法、水蒸氣蒸餾法以及酶輔助水蒸氣蒸餾提取法發現，PEF 協同酶法輔助提取玫瑰精油的得率最高且耗時最少。

在脈沖電場中，物料細胞生物膜被穿透形成親水孔，蛋白質通道被打開，膜失去了其結構特性，通透性改變，這種現象被稱為電穿孔。基于電穿孔現象，胞內物質加速溶出，增加了與酶之間的結合幾率，促進了油釋放［67］。同時脈沖電場還被證實能影響酶蛋白的二級、三級結構，對酶起到改性作用，增強酶活力［68］。這也可能是脈沖電場能夠促進水酶法提油的原因之一。

5 結論

水酶法提油是一種綠色安全且能夠保持油脂營養成分的提取技術，在商品油的提取制備上有很廣闊的應用前景，但也存在提取率不夠高、提取過程中會產生乳化現象以及酶用量大等問題，限制了其在工業中的應用。非熱加工技術能在對產品品質影響較小的情況下，通過對油料進行預處理，促進破乳，輔助加快酶反應進程來獲得更高的提油率。隨著非熱加工技術在食品領域的推廣，將水酶法與非熱加工技術結合將會是發展高效、綠色提油技術的新方向，具有極大前景和應用價值。