江連洲，李 楊，王 妍，王 歡

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

大豆是我國的七大糧食作物之一，主要分布在我國松遼平原中北部和三江平原、黃淮平原和長江中、下游地區(qū)。世界主產(chǎn)國和出口國是美國、巴西和阿根廷，巴拉圭、加拿大、印度尼西亞、日本、朝鮮、俄羅斯和羅馬尼亞等國家有少量生產(chǎn)，主要進(jìn)口國是日本和歐洲經(jīng)濟(jì)共同體國家。大豆含有多種微量元素、維生素、優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)及大量的不飽和脂肪酸，其脂肪酸組成以油酸和亞油酸等不飽和脂肪酸為主，亞油酸含量高達(dá)50%～65%，是優(yōu)質(zhì)保健食用油以及高級(jí)天然化妝品所用原材料。傳統(tǒng)的大豆油提取方法主要有壓榨法和浸出法，傳統(tǒng)的植物油制取方法雖然能得到95%以上的油脂，但提油過程中蛋白變性嚴(yán)重，很難進(jìn)一步利用，而且存在有毒有害溶劑殘留問題。水酶法提油技術(shù)是一種新型的油脂提取工藝，符合清潔生產(chǎn)和綜合利用的發(fā)展理念。

近年來，隨著國內(nèi)外研究水酶法提菜籽油、花生油、核桃油的深入，水酶法提取大豆油的研究報(bào)道也逐漸增多。1978年，Alder[1]提出了大豆蛋白酶法改性制備等電點(diǎn)可溶大豆水解蛋白的工藝，為酶法分離大豆油和蛋白質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。1979年，Olsen等[2]將微生物蛋白酶Alcalase運(yùn)用到大豆油和蛋白質(zhì)的水法分離中，用酶降解蛋白質(zhì)分子以釋放其所有吸附的油，使油的得率接近60%，蛋白質(zhì)的得率接近40%。Dominguez等[3-4]進(jìn)行了有關(guān)利用水酶法從大豆和向日葵籽中提取油脂和酶處理后正己烷浸提大豆油脂等的研究。1997年，Pereira等[5]首次降低乳液穩(wěn)定性，從而提高提油率，可使水酶法提油率提高到88%左右。我國對(duì)水酶法提油技術(shù)的研究相對(duì)國外較晚。1992年，林嵐[6]對(duì)酶法從全脂豆粉中同時(shí)制取大豆油和大豆水解蛋白的工藝進(jìn)行初步研究，采用了堿性蛋白酶和中性蛋白酶進(jìn)行水解，工藝復(fù)雜，油脂提取率僅達(dá)到65%～66%。近年來我國關(guān)于水酶法制取大豆油的研究取得了一定進(jìn)展，對(duì)酶解前原料的預(yù)處理方法及后續(xù)破乳方法進(jìn)行了突破，進(jìn)而提高了大豆油提油率。本文就水酶法提取大豆油研究現(xiàn)狀及前景作簡單綜述，以期為該技術(shù)的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供一定的參考。

1 大豆的主要化學(xué)成分及油脂的存在

1.1 大豆的組成及主要化學(xué)成分

大豆(glycine max)，中國古稱菽，是一種其種子含有豐富的蛋白質(zhì)的豆科植物。大豆呈橢圓形、球形，顏色有黃色、淡綠色、黑色等。大豆中脂肪含量高達(dá)20%，其中亞油酸高達(dá)50%，不飽和脂肪酸85%，還含有豐富的磷脂；大豆所含碳水化合物約3%左右，有接近一半的是膳食纖維；其蛋白質(zhì)高達(dá)40%，氨基酸組成與乳品的氨基酸組成相似，并含有全部的人體必需氨基酸；大豆含有豐富的鈣、鐵、磷等成分，以每100g大豆為例，其含有鈣0.367%、鐵0.011%、磷0.571%，并且大豆所含的B族維生素比谷物等農(nóng)作物豐富，還含有一定數(shù)量的VE和胡蘿卜素。大豆籽粒及其3部分構(gòu)成的營養(yǎng)成分如表1所示。

表 1 大豆子粒及其構(gòu)成的營養(yǎng)成分 Table 1 Nutrition components of each part of soybean kernel %

1.2 油脂在大豆細(xì)胞中的存在

圖 1 油脂體結(jié)構(gòu)示意圖[7]Fig.1 Schematic diagram of oil body structure[7]

針對(duì)大豆子葉超顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，油脂肪體以0.1～1μm的球體緊密排列于蛋白體和細(xì)胞壁的周圍，細(xì)胞壁附近的油脂體密度大于細(xì)胞內(nèi)部，少量油脂體存在于蛋白體中。Tzen等[7]于1992年利用玉米油脂體結(jié)構(gòu)模型分析了油脂體的分布規(guī)律及其狀態(tài)(圖1)。如圖1b中A所示，油脂體是由半單位膜包裹液態(tài)甘油三酯而形成的球體。半單位膜由單層磷脂分子及其鑲嵌的蛋白組成，還有脂酶存在。如圖1b中C所示，基本單位為13個(gè)磷脂分子和1個(gè)油脂體蛋白分子組成；磷脂占油脂體表面成分的80%，其余20%為油脂體結(jié)合蛋白，但油脂體表面的大部分被油脂體結(jié)合蛋白包裹[8]。每個(gè)磷脂分子的親水頭部基團(tuán)位于油脂體外側(cè)，與細(xì)胞液接觸，而2個(gè)疏水酰基位于油脂體的內(nèi)側(cè)，與疏水的甘油三酯分子相互作用。如圖1b中B所示，鑲嵌于半單位膜上的油脂體蛋白分子主要為油素蛋白，其疏水區(qū)域?yàn)殚L約11nm的柄狀結(jié)構(gòu)。

2 現(xiàn)行大豆油提取工藝及存在問題

2.1 現(xiàn)行大豆油提取工藝

目前，在油脂工業(yè)中主要采用3種油脂提取工藝：溶劑浸出法、壓榨法和擠壓膨化-浸出法，其工藝流程及特點(diǎn)如表2所示。

表 2 3種不同油脂浸出工藝流程及特點(diǎn)[9] Table 2 Three different oil and fat extraction processes and its characteristics[9]

2.2 現(xiàn)行工藝存在問題

對(duì)于傳統(tǒng)的3種制油工藝來說，壓榨法是靠物理方式擠壓出油，工藝操作簡單，但出油率低，提油過程中蛋白變性嚴(yán)重，只能用作肥料，造成大量優(yōu)質(zhì)植物蛋白的浪費(fèi)。溶劑浸出和擠壓膨化-浸出法出油率高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在溶劑殘留問題，作為主要浸出溶劑的六號(hào)溶劑和正已烷具有一定毒性，且易燃易爆，生產(chǎn)安全性差[10]。

3 水酶法工藝提大豆油原理、工藝及優(yōu)點(diǎn)

3.1 水酶法提油基本原理

水酶法提油是在機(jī)械破碎的基礎(chǔ)上，采用對(duì)植物油料細(xì)胞、脂蛋白、脂多糖等復(fù)合體有降解作用的酶作用于油料，使油脂易于從油料固體中釋放出來，并利用蛋白質(zhì)和碳水化合物對(duì)油和水的親和力差異及油水比質(zhì)量不同而將油和非油成分分離[11]。水酶法工藝中，酶除了能降解油料細(xì)胞和分解脂蛋白、脂多糖等復(fù)合體外，還能破壞油滴表面的脂蛋白膜，降低乳狀液的穩(wěn)定性，從而提高游離油得率[12]。

3.2 水酶法提取大豆油基本工藝過程

基本工藝過程包括清選脫皮、粉碎研磨、調(diào)質(zhì)提取、分離及后處理等。大豆脫皮后，將大豆研磨成一定粒度的料漿，調(diào)整固液比，添加一定種類、濃度的酶制劑，在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行酶解。酶解結(jié)束后，在離心機(jī)上分離提取漿料，得到液相的油、水解液、乳狀液以及固相的濕渣。液相經(jīng)破乳、分離得到油脂，如圖2所示。

圖 2 水酶法提大豆油基本工藝流程[13]Fig.2 Enzyme-assisted aqueous extraction process of soybean oil[13]

3.3 水酶法提取大豆油優(yōu)點(diǎn)

水酶法提取植物油條件溫和、設(shè)備簡單、操作安全、無溶劑殘留；可同步從油料作物中分離油和蛋白質(zhì)，油料中營養(yǎng)成分可有效保留；能除去油料中的異味成分、營養(yǎng)抑制劑因子和產(chǎn)氣因子，提取的油品色澤淺，磷脂含量、酸值及過氧化值較低，一般可不需精煉即可食用；由酶法分離得到蛋白可進(jìn)行深加工，能廣泛應(yīng)用于多種食品體系；其分離得到的乳化油經(jīng)破乳后無需處理即可獲得高質(zhì)量的油[14]。

4 水酶法提取大豆油主要影響因素

4.1 粉碎度

在水酶法提取油工藝中，油料的粉碎程度對(duì)油脂的得率有重要影響。在酶解前，油料的細(xì)胞壁被充分破壞，使細(xì)胞內(nèi)水溶性成分易于溶出釋放油脂，也擴(kuò)大酶的相對(duì)作用面積和擴(kuò)散速率[15]。破碎方法分為干碾壓法和濕研磨法，Pereira等[5]的軋坯后濕法擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于水酶法提取大豆油當(dāng)中，可使水酶法提油率提高到88%左右。濕法破碎易導(dǎo)致乳狀液產(chǎn)生，影響游離油得率，因此目前多采用干法破碎。一般情況下，原料破碎程度大，有利于油料油脂的萃取[16]，但粉碎度過大顆粒太小，又會(huì)容易導(dǎo)致油水乳化，增加破乳難度，降低出油率[17]。針對(duì)干法擠壓膨化、濕法擠壓膨化、超聲波處理和濕熱處理的對(duì)比研究，本課題組[18-19]確定了最適合水酶法提取大豆油脂和蛋白的預(yù)處理方法為干法擠壓膨化預(yù)處理方法。在干法擠壓膨化基礎(chǔ)上利用真空擠壓膨化后水酶法，提油率達(dá)到91%。

4.2 酶的種類與用量

水酶法可供選擇的酶有纖維素酶(CE)、半纖維素酶(HC)和果膠酶(PE)以及蛋白酶(PR)、α-淀粉酶(α-AM)、α-聚半乳糖醛酶(α-PG)、β-葡聚糖酶(β-GL)等[20]。Lamsal等[21-22]利用纖維素酶、蛋白酶以及2種酶的混合物酶解后提取軋坯后濕法擠壓的全脂豆粉中的大豆油，表明軋坯后擠壓的全脂豆粉直接用水劑法提取油脂其提油率為68%，加入蛋白酶后利用水酶法提取大豆油脂可以使提油率提高到88%，而加入纖維酶對(duì)提油率沒有顯著影響。在以往的研究基礎(chǔ)上確定了蛋白酶后，本課題組[16]通過對(duì)中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶、堿性蛋白酶以及復(fù)合蛋白酶的水酶法提取大豆油脂和蛋白的能力的測定，發(fā)現(xiàn)利用堿性蛋白酶進(jìn)行水酶法提取，總油提取率和總蛋白提取率均優(yōu)于其他蛋白酶的結(jié)果。

酶用量與酶的種類、活力有關(guān)。一般增加酶用量，會(huì)提高油得率。但當(dāng)酶用量達(dá)到某一濃度后，繼續(xù)增加酶量不但對(duì)油提取率影響不顯著[23]，而且消耗較大。因此，選擇適宜酶種及較經(jīng)濟(jì)的用量是水酶法能否真正應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。水酶法提取大豆油工藝中一般情況下酶的用量多為1%～5%左右。

4.3 酶的溫度、時(shí)間和pH值

酶解溫度過低或過高都不利于油脂提取，溫度應(yīng)選擇在適合酶的最適溫度，以使酶保持在最大活性范圍。一般來說，酶解時(shí)間越長，料細(xì)胞降解程度越大，油的得率越高，但反應(yīng)時(shí)間過長有可能使乳狀液趨于穩(wěn)定，造成破乳困難[24]。酶解pH值既影響酶活性，又影響油提取及植物蛋白等產(chǎn)品的分離[25]。有研究表明，實(shí)際pH值往往與理論最佳pH值存在一定偏差。應(yīng)根據(jù)油的得率、副產(chǎn)品的收率、生產(chǎn)周期及能耗等因素綜合考慮最佳酶解溫度、時(shí)間和pH值。目前水酶法中最優(yōu)的酶確定為堿性蛋白酶，因此在水酶法提取大豆油中pH值控制在8～10，溫度一般在40～60℃之間，酶解時(shí)間為3～6h。

4.4 固液比的選擇

固液比是影響提取率的一個(gè)重要因素。在理論上，加水量越大提取率越高[26]。固液比的降低使底物濃度減小，對(duì)酶解有利；固液比過大，難以使物料浸沒，油料損失較大，不利于離心分離。在實(shí)際應(yīng)用中受設(shè)備和能耗等條件的限制，水酶法提取大豆油的固液比(m/V)以1：(3～10)為宜。

4.5 破乳

破乳的方法有化學(xué)破乳和物理破乳，目前水酶法破乳中較多采用離心、超聲、冷凍等物理方法。Lamsal等[27]分別利用磷脂酶A1、磷脂酶A2和磷脂酶C及冷凍解凍的破乳工藝進(jìn)行了對(duì)比研究，并且對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了探討，通過對(duì)比確定冷凍解凍破乳率達(dá)到70%～80%。在2008年，Ramón等[28]對(duì)大豆水酶法提取過程中形成的乳狀液進(jìn)行了研究，分別對(duì)比不同破乳工藝，發(fā)現(xiàn)破乳效果為：利用Protex7L蛋白酶酶解后冷凍解凍破乳＞Protex7L蛋白酶酶解后加熱破乳＞Protex7L蛋白酶酶解破乳＞冷凍解凍破乳＞加熱破乳。在2009年，Ramón等[29]又發(fā)現(xiàn)向10g乳狀液中加入100mg的Protex 6L蛋白酶在pH9、酶解溫度50℃條件下，酶解3h后3000×g離心15min可使破乳率達(dá)65%，破乳后除去游離油收集未破乳的乳狀液在相同條件下進(jìn)行二次破乳，破乳后破乳率可達(dá)近95%。在以往研究者對(duì)水酶法提取過程中乳狀液破乳方法的研究基礎(chǔ)上，本課題組探索出超聲波輔助乙醇破乳方法，使得破乳率可在瞬時(shí)達(dá)到近100%[16]。

5 水酶法油品質(zhì)比較

5.1 油脂品質(zhì)評(píng)價(jià)

水酶法制取工藝和傳統(tǒng)工藝相比，得到的油沒有溶劑殘留且工藝條件溫和，能保持良好的品質(zhì)[30]。對(duì)擠壓膨化后水酶法提取工藝(最優(yōu)參數(shù)條件下制取油脂)、水酶法提取工藝(最優(yōu)參數(shù)條件下制取油脂)以及傳統(tǒng)溶劑萃取工藝得到的大豆油脂品質(zhì)進(jìn)行比較和分析，如表3所示。

表 3 不同工藝大豆油質(zhì)量比較[16]Table 3 Quality comparison of soybean oil treated by different processing methods[16]

將表3的結(jié)果與GB 1535—2003《大豆油》中大豆油品質(zhì)等級(jí)指標(biāo)對(duì)比研究可知，擠壓膨化后水酶法制取的大豆油無需精煉即可達(dá)到二級(jí)大豆油的標(biāo)準(zhǔn)；非膨化處理水酶法和膨化處理水酶法制取的大豆油品質(zhì)差別很小，均可達(dá)到二級(jí)油標(biāo)準(zhǔn)，說明在水酶法提取工藝中加入擠壓膨化預(yù)處理對(duì)得到的大豆油品質(zhì)無影響；利用超聲波輔助乙醇破乳工藝對(duì)乳狀液破乳后得到的大豆油品質(zhì)可達(dá)到二級(jí)油標(biāo)準(zhǔn)，說明此破乳條件對(duì)大豆油品質(zhì)無影響；利用水酶法提取的大豆油脂和破乳后得到的大豆油脂其品質(zhì)均優(yōu)于未經(jīng)精煉處理溶劑浸提法得到的大豆原油。

5.2 不同提取工藝對(duì)大豆油脂脂肪酸分布及VE含量影響

大豆油中含有低含量的飽和脂肪酸、相對(duì)高含量的油酸與亞麻酸以及大量的亞油酸。亞油酸是人體必需的脂肪酸，具有重要的生理功能。大豆油富含不飽和脂肪酸可以有效地降低血脂和膽固醇。亞麻酸和亞油酸是人體必需脂肪酸，在人體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為花生四烯酸，對(duì)于合成磷脂、形成細(xì)胞結(jié)構(gòu)、維持一切組織的正常功能以及合成前列腺，都十分必要[17]。

VE最突出的化學(xué)性質(zhì)是抗氧化作用，它能增強(qiáng)細(xì)胞的抗氧化作用，有利于維持各種細(xì)胞膜的完整性，參加整體的某些細(xì)胞組織的多方面代謝過程，保持膜結(jié)合酶的活力和受體等作用。VE具有許多重要的生理功能，如抗衰老、抗凝血、增強(qiáng)免疫力、改善末稍血液循環(huán)、防止動(dòng)脈硬化、維持細(xì)胞完整性，從而保持肌肉、神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)的正常功能等。

擠壓膨化后水酶法提取、非膨化水酶法提取、膨化溶劑浸出和非膨化浸出等工藝制取的大豆油脂中脂肪酸組成接近(水酶法的油酸含量略高)，證明不同的制取工藝對(duì)所得大豆油中脂肪酸組成影響不顯著。由于VE具有溶于乙醇的特點(diǎn)，導(dǎo)致利用超聲波輔助乙醇破乳使得VE損失，而擠壓膨化工藝和水酶法工藝措施對(duì)所得大豆油中VE含量無影響(表4)。

表 4 不同工藝的大豆油脂肪酸組成與VE含量[16]Table 4 Contents of fatty acids and VE in soybean oil treated by different processing methods[16]

6 水酶法不同工藝對(duì)蛋白質(zhì)的影響

6.1 蛋白質(zhì)功能特性影響

水酶法提油的同時(shí)可以提取蛋白質(zhì)，在水酶法過程中蛋白質(zhì)被水解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，對(duì)其溶解性、起泡性、乳化性等功能特性產(chǎn)生一定影響。無論是解壓膨化預(yù)處理還是超聲波預(yù)處理，大豆蛋白的溶解性都隨著水解時(shí)間的延長而提高，可能是蛋白質(zhì)經(jīng)過酶解后構(gòu)象發(fā)生變化，有利于增加其親水性，且超聲波處理后蛋白的溶解性高于擠壓膨化處理，可能是超聲波處理產(chǎn)生的空化作用，使可溶性蛋白分散到溶劑中，提高了蛋白質(zhì)的溶解性；蛋白的乳化性隨水解時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，由于蛋白發(fā)生酶解，包裹在分子內(nèi)的疏水基團(tuán)暴露出來，親油性和乳化性增加，但隨著深度水解后，小肽不容易吸附在油水界面上，乳化性下降[31]；蛋白的起泡性隨著水解時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，由于在酶解初期，蛋白質(zhì)分子中氫鍵數(shù)目增多，起泡性增加，隨著酶解的進(jìn)行，氣液薄膜強(qiáng)度降低，起泡性降低[32]。

6.2 不同提取工藝對(duì)水解蛋白和多肽中氨基酸組成的影響

在水酶法提取工藝中添加擠壓膨化工藝，可以使水解蛋白和水解液和肽中游離氨基酸百分比增加，說明大豆擠壓膨化后蛋白質(zhì)被酶攻擊的位點(diǎn)暴露，導(dǎo)致水解更充分，使得游離氨基酸增加[33](表5)。尤其是必需氨基酸和半必需氨基酸百分含量的增加，使水解蛋白和多肽營養(yǎng)價(jià)值有較大改善，可以應(yīng)用于相關(guān)的食品加工領(lǐng)域。

表 5 不同提取工藝的水解液和肽中游離氨基酸含量組成[16]Table 5 Compositions of free amino acids in hydrolysate and peptides treated by different processing methods[16]

7 結(jié) 語

水酶法提油綠色安全，回收的(水解)蛋白粉具有很高的利用價(jià)值。盡管目前水酶法提取大豆油還存在一些問題，如酶資源不足、使用成本高、易失活等問題，但隨著生物工程、固定化酶技術(shù)不斷發(fā)展，相信這些問題將會(huì)得到解決。今后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容包括：水酶法過程中一部分油脂存在于乳狀液中，對(duì)于復(fù)雜乳狀液體系破乳研究需深入研究；高油脂提取率和蛋白提取率的最佳酶解工藝參數(shù)還須優(yōu)化等。水酶法制油技術(shù)設(shè)備投資少、能源消耗低、廢棄物易于處理，是一種具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，是未來油脂工業(yè)的發(fā)展方向之一。

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