凌 閩， 李琳何， 范方舒， 吳衛(wèi)國(guó),2， 邱展英， 張 喻,2

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410128) (湖南省菜籽油營(yíng)養(yǎng)健康與深度開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心2，長(zhǎng)沙 410128)

油菜籽是世界三大油料之一，我國(guó)是油菜籽的生產(chǎn)大國(guó)，油菜籽產(chǎn)量約占全球總量的19%[1，2]。菜籽油中含有豐富的不飽和脂肪酸，此外還富含維生素E、植物甾醇、多酚等多種天然活性成分[3，4]。長(zhǎng)期食用，具有提高免疫力、延緩衰老、降低心血管疾病等方面的功效，深受消費(fèi)者喜愛(ài)[5-7]。

水酶法是一種新興的綠色提油工藝，通過(guò)對(duì)油料進(jìn)行一定的機(jī)械破碎，利用生物酶的酶解作用將植物組織中的油脂釋放出來(lái)，因非油成分對(duì)水和油的親和力以及油水比重的不同，經(jīng)離心可有效地將油脂提取出來(lái)[8，9]。與傳統(tǒng)提油工藝相比，水酶法具有原料利用率高、條件溫和、耗能低、安全環(huán)保等特點(diǎn)[10-12]。水酶法提油過(guò)程中，預(yù)處理是一道至關(guān)重要的工序，其目的是盡量破壞油料細(xì)胞壁和脂質(zhì)復(fù)合體，使油脂充分釋放，以提高得油率，改善油脂和餅粕的品質(zhì)[13-15]。目前，預(yù)處理方法主要有機(jī)械粉碎、超聲波處理、擠壓處理、熱處理等[16]。其中擠壓處理可以破壞油料的細(xì)胞壁，使其中的纖維和蛋白質(zhì)的結(jié)合松散，增加蛋白質(zhì)對(duì)酶的敏感性，有利于油脂釋放[17，18]。其次，在擠壓過(guò)程中溫度設(shè)置不高，避免了傳統(tǒng)制油方式的高溫處理，減少能量損耗，可以最大限度地保留油料中的活性成分和油脂風(fēng)味，有利于餅粕的進(jìn)一步加工利用[19]。朱文鑫等[20]研究發(fā)現(xiàn)低溫?cái)D壓時(shí)，菜籽中的各成分未發(fā)生明顯變化，不會(huì)產(chǎn)生二次色素，磷脂含量極低，不需經(jīng)過(guò)脫膠處理，簡(jiǎn)化了精煉的工藝流程。申德超等[21]研究表明擠壓參數(shù)對(duì)提油率和蛋白質(zhì)的品質(zhì)影響很大。因此，選擇合適的擠壓預(yù)處理參數(shù)具有重要意義。

目前，將擠壓預(yù)處理結(jié)合水酶法提取菜籽油的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以油菜籽為原料，對(duì)水酶法提取菜籽油的擠壓預(yù)處理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為擠壓預(yù)處理的工藝改進(jìn)及工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油菜籽：香油Ⅰ號(hào)；氫氧化鈉、鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鉀；堿性蛋白酶(酶活≥ 200 U/mg)；所有試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

FMHE36-24R雙螺桿擠壓膨化機(jī)，GFL-230電熱鼓風(fēng)干燥箱，TDZ5臺(tái)式低速離心機(jī)，SHZ-B恒溫水浴振蕩器，PHS-3E精密pH計(jì)，SX-4-10馬弗爐。

1.3 方法

1.3.1 基本成分測(cè)定

油脂含量測(cè)定按GB 5009.6—2016索氏抽提法進(jìn)行；蛋白質(zhì)含量測(cè)定按GB 5009.5—2016凱氏定氮法進(jìn)行；水分含量測(cè)定按GB 5009.3—2016中直接干燥法進(jìn)行；總灰分的測(cè)定按GB 5009.4—2016中灼燒法進(jìn)行；纖維素的測(cè)定按GB/T 5009.10—2003進(jìn)行；總糖的測(cè)定按GB/T 5009.8—2003中直接滴定法進(jìn)行。

1.3.2 菜籽油提取

1.3.2.1 工藝流程

油菜籽→清理粉碎→雙螺桿擠壓→水酶法酶解→滅酶→離心→吸取上清油→干燥→菜籽油

1.3.2.2 操作要點(diǎn)

將干燥的油菜籽清理粉碎，過(guò)40目篩，選擇12 mm的?？字睆剑谝欢ǖ臄D壓條件下進(jìn)行擠壓。稱(chēng)取20.0 g擠壓后的油料于250 mL錐形瓶中，按1∶5的料液比加入溫度為70～80 ℃、pH為10的熱緩沖液。攪拌原料，待其均勻分散后，放入60 ℃的水浴鍋中浸提1 h。將樣品取出置于室溫下，當(dāng)其溫度降至40 ℃左右時(shí)，稱(chēng)取3%的堿性蛋白酶加于樣品中。樣品與酶混勻后，將樣品置于50 ℃恒溫水浴振蕩器中，酶解4 h后取出，于水浴鍋中以90 ℃滅酶20 min。將其離心吸取上層清油，在90 ℃的烘箱中烘1 h，計(jì)算清油提取率。

1.3.3 清油提取率的計(jì)算

清油提取率的計(jì)算公式為：

式中：Y為清油提取率/%；m0為擠壓油菜籽酶解后所得清油的質(zhì)量/g；m1為擠壓油菜籽的質(zhì)量/g；m2為擠壓油菜籽的含油率/%。

1.3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在套筒溫度80 ℃、喂料量10 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min、物料加水量10%的基礎(chǔ)上，分別以套筒溫度60、70、80、90、100 ℃，喂料量8、12、16、20、24kg/h，螺桿轉(zhuǎn)速120、150、180、210、240 r/min，物料含水量8%、10%、12%、14%、16%為單因素，考察各因素對(duì)提油率的影響。

1.3.4.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇套筒溫度、喂料量、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水量4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行L16(45)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)擠壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。正交實(shí)驗(yàn)因素與水平表見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用EXCEL2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS21.0進(jìn)行方差分析，ORIGIN2018進(jìn)行制圖，每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜籽主要成分

油菜籽的主要成分見(jiàn)表2。油菜籽中脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為39.523%；蛋白質(zhì)次之，為23.670%，屬于高油高蛋白作物。纖維素含量相對(duì)較高，主要存在于種皮中[22]。此外，油菜籽中還含有豐富的磷脂、甾醇和其他生物活性物質(zhì)[3]。在加工過(guò)程中，脫皮可以有效降低纖維素、磷脂的含量，以降低毛油色澤。但油菜籽顆粒較小，大多數(shù)機(jī)械脫皮效果不理想。因此，目前油菜籽提油仍采用不脫皮的方式。

表2 油菜籽的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 套筒溫度對(duì)提油率的影響

實(shí)驗(yàn)所用擠壓膨化機(jī)共有6個(gè)處理階段，設(shè)定第一、二階段為常溫進(jìn)量，第三至第五階段為加熱階段，第六階段出料溫度小于50 ℃。固定其他擠壓參數(shù)不變，通過(guò)主機(jī)控制面板調(diào)節(jié)擠壓膨化機(jī)加熱階段的的溫度，探究套筒溫度對(duì)提油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。套筒溫度對(duì)提油率有顯著性影響(P<0.05)。隨著套筒溫度的提高，油菜籽提油率增加，于80 ℃時(shí)達(dá)最高，為75.04%；當(dāng)套筒溫度繼續(xù)提高，提油率開(kāi)始下降。這是由于當(dāng)溫度較低時(shí)，機(jī)腔內(nèi)熱量較少，壓力較低，細(xì)胞壁破壞能力差[21]。隨著溫度的升高，機(jī)腔內(nèi)壓力上升增強(qiáng)了剪切效果，細(xì)胞壁的破壞效果較好，并且部分蛋白質(zhì)發(fā)生變性，蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)的水解程度提高，因此提油率較高[23，24]。但過(guò)度的高溫?cái)D壓，會(huì)破壞蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致油菜籽蛋白完全變性，增加蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用，酶解效率下降[25]。因而套筒的擠壓溫度選擇80 ℃較為合適。

2.2.2 喂料量對(duì)提油率的影響

喂料量對(duì)提油率的影響如圖1所示。隨著喂料量的增加，提油率呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)喂料量在12 kg/h時(shí)提油率最高。喂料量較少時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速不變，物料在腔體內(nèi)停留時(shí)間變短，物料受到的擠壓、剪切、摩擦?xí)r間較短，細(xì)胞壁破壞不完全，酶解提油率較低[26]。喂料量繼續(xù)增加，機(jī)腔內(nèi)物料之間的阻力加大，物料的摩擦和擠壓剪切作用增強(qiáng)，油菜籽細(xì)胞的破碎度提高，促進(jìn)了油脂的釋放，因此菜籽的出油率提高。但喂料速度過(guò)大，容易導(dǎo)致機(jī)腔內(nèi)物料過(guò)量，出現(xiàn)堆積機(jī)腔的現(xiàn)象，從而影響腔內(nèi)螺桿的作用效果，使油料破碎不完全，導(dǎo)致提油效果下降[27]。并且繼續(xù)增加喂料量，會(huì)出現(xiàn)堵機(jī)現(xiàn)象。因此，喂料量選擇12 kg/h較為合適。

2.2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)提油率的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)提油率的影響如圖1所示。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)提油率有顯著性影響(P<0.05)，螺桿的轉(zhuǎn)速會(huì)影響物料在機(jī)腔內(nèi)滯留的時(shí)間和對(duì)物料剪切的效果；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的不斷提高，菜籽油提油率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到180 r/min時(shí)提油率最高，達(dá)75.04%。這是由于當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，機(jī)腔內(nèi)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)物料的剪切作用較小，對(duì)物料細(xì)胞壁的破壞效果較差，酶解提油率較低；并且當(dāng)喂料量不變時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)造成堵機(jī)現(xiàn)象。隨著轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)腔內(nèi)螺桿對(duì)物料的剪切作用逐漸增強(qiáng)，并且壓力不斷升高，細(xì)胞壁破壞程度高；但當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，物料在機(jī)腔內(nèi)的橫向運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，停留時(shí)間短，物料與螺桿的摩擦不充分，細(xì)胞壁的破壞效果差，并且還易造成堵機(jī)現(xiàn)象[28]。因此，螺桿的轉(zhuǎn)速選擇180 r/min為最佳。

注：小寫(xiě)字母代表數(shù)據(jù)的顯著性差異(P<0.05)，下同。圖1 套筒溫度、喂料量、螺桿轉(zhuǎn)速和物料加水量對(duì)提油率的影響

2.2.4 物料加水量對(duì)提油率的影響

在擠壓過(guò)程中，物料加水量既可以影響物料在擠壓過(guò)程中的流暢性，又影響擠壓后原料的特性。物料加水量對(duì)提油率的影響如圖1所示。油菜籽的提油率隨著物料加水量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)物料含水量為10%時(shí)，提油率最高，為75.04%。這是由于當(dāng)物料加水量較低時(shí)，擠壓的爆破段水蒸氣瞬間蒸發(fā)的動(dòng)力不足，會(huì)影響擠壓后油菜籽細(xì)胞壁破壞的效果，致使提油率低，水分過(guò)低，還會(huì)造成擠壓膨化機(jī)的堵機(jī)現(xiàn)象[29，30]；而當(dāng)物料加水量過(guò)高時(shí)，物料的濕潤(rùn)度加大，在機(jī)腔內(nèi)的流動(dòng)性增強(qiáng)，受到的壓力、剪切力和摩擦力減小，導(dǎo)致油料細(xì)胞壁破壞不完全，酶解效果較差[31，25]?？碘昜32]在擠壓膨化預(yù)處理過(guò)程中對(duì)油料中蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)物料加水量會(huì)使油料蛋白的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響酶解過(guò)程中油料的釋放。因此，物料加水量過(guò)少或過(guò)多都會(huì)影響水酶法提油的提油率，選擇物料加水量為10%較為合適。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表3。4個(gè)因素對(duì)提油率影響的大小順序?yàn)椋篈(套筒溫度)>B(喂料量)>D(物料含水量)>C(螺桿轉(zhuǎn)速)；最佳擠壓參數(shù)組合為A3B2C4D1，即套筒溫度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速210 r/min、物料含水量10%。由表4可得，4個(gè)因素的P值均小于0.05，說(shuō)明4個(gè)因素均對(duì)油菜籽提油率有顯著影響，其中套筒溫度對(duì)提油率的影響最為顯著，其次為喂料量和物料加水量，顯著性影響較小的是螺桿轉(zhuǎn)速。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

表4 正交實(shí)驗(yàn)方差分析

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由于最佳擠壓參數(shù)組合A3B2C4D1不在表3正交實(shí)驗(yàn)9個(gè)組合中，故對(duì)該組合進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。組合A3B2C4D1的提油率分別為81.477%、81.461%、79.564%，平均值為80.834%，高于正交實(shí)驗(yàn)表中最高提油率79.115%，從而驗(yàn)證了該擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化組合是可行的。

表5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3 討論

水酶法是在機(jī)械破碎的基礎(chǔ)上利用酶破壞油料種子的細(xì)胞壁，使油脂從細(xì)胞中釋放出來(lái)，以提高出油率的提油方法。不同的預(yù)處理方法對(duì)水酶法提油的影響不同，對(duì)于水酶法提油的預(yù)處理工藝現(xiàn)已有許多研究。張妍等[33]采用超聲波輔助水酶法提取菜籽油，得油率為67.55%，提油效率大大提高。賈照寶等[34]采用粉碎后加熱預(yù)處理油菜籽結(jié)合水酶法提油，油脂提取率高，可達(dá)86.3%，但由于粉碎過(guò)程中細(xì)胞破碎，油脂外溢造成物料結(jié)團(tuán)，顆粒大小不均，粉碎效果差，且熱處理導(dǎo)致油脂的品質(zhì)降低。

目前，對(duì)于擠壓預(yù)處理輔助水酶法提油的研究中，還主要以大豆、米糠為原料進(jìn)行提油工藝的優(yōu)化及應(yīng)用。李楊等[35]對(duì)大豆進(jìn)行擠壓處理結(jié)合酶法提取大豆油，提油率達(dá)91.67%，比傳統(tǒng)預(yù)處理后酶解的提油率提高了19%。趙新乾等[36]采用擠壓膨化結(jié)合水酶法提取米糠油，提油率可達(dá)89.62%，比采用蒸汽預(yù)處理結(jié)合復(fù)合酶的提油率高了4%左右。而預(yù)處理技術(shù)的使用還應(yīng)根據(jù)不同的油料進(jìn)行選擇，在以油菜籽為原料的水酶法應(yīng)用上，擠壓預(yù)處理的研究還鮮有報(bào)道，需進(jìn)一步探索，以期找到簡(jiǎn)便、高效、能耗低且適合工業(yè)化水酶法提取菜籽油的預(yù)處理應(yīng)用。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以油菜籽為原料，研究擠壓預(yù)處理工藝對(duì)水酶法提取菜籽油的影響。由單因素實(shí)驗(yàn)可知，隨套筒溫度、喂料量、螺桿轉(zhuǎn)速和物料加水量的增加，油菜籽提油率均呈先增加后減小的趨勢(shì)，分別在套筒溫度80 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、物料含水量10%時(shí)達(dá)到最高。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)合方差分析，得出4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)提油率影響大小的順序?yàn)椋禾淄矞囟?喂料量>物料含水量>螺桿轉(zhuǎn)速，且均有顯著性影響。最佳擠壓工藝參數(shù)為：套筒溫度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉(zhuǎn)速210 r/min、物料含水量10%，在此條件下處理過(guò)的油菜籽，用水酶法提油時(shí)，清油的提取率可達(dá)80.834%。