热处理辅助水酶法提取紫苏籽油的工艺优化

程 雪，张秀玲，孙瑞瑞，刘茜茜，刘 旭，李赛男（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

热处理辅助水酶法提取紫苏籽油的工艺优化

程 雪，张秀玲*，孙瑞瑞，刘茜茜，刘 旭，李赛男
（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

以紫苏籽为原料，采用热处理辅助水酶法为提油工艺。以单因素实验为基础，选择酶解温度，酶解时间，酶添加量以及酶解pH为自变量，紫苏油的清油得率为响应值，采用响应面分析法进行实验，研究各自变量及其交互作用对清油得率的影响。结果表明影响清油得率的强弱顺序如下：酶添加量＞酶解温度＞酶解时间＞酶解pH。确定最佳酶解条件为酶解温度46℃、酶解时间3.0 h、酶添加量3.49%（纤维素酶∶中性蛋白酶=1∶2）、酶解pH6.0，验证实验得清油得率为59.02%，与预测值相比，相对误差约为1.49%，说明实验优化得到的技术参数是可靠的。

紫苏籽油，热处理，水酶法，响应面

紫苏（Perilla frutescen（L.）Brit.），又称苏子、赤苏等，为我国卫生部首批许可的既是食品又是药品的60种植物之一［1］。紫苏籽的含油量很高，能达到40%～60%，油中含有多种脂肪酸：其中含有亚麻酸56.65%，油酸16.3%，亚油酸13.1%，而棕榈酸仅占6.61%［2］。紫苏籽油由于富含α-亚麻酸，因此具有降低总胆固醇浓度，预防心血管疾病，抑制心肌梗塞及脑梗塞的发生，预防及抑制肿瘤形成等功效［3-4］。

我国现有的从紫苏籽中提取紫苏油的方法大多局限于冷榨，溶剂浸提法，超临界CO2萃取法等［5］。水酶法是一种新兴的植物油脂萃取技术，具有反应条件温和，得到的植物油纯度高等优点［6-7］。水酶法提油预处理方式有：机械粉碎、超声波、挤压膨化、热处理等［8］。徐冰冰等研究超声波辅助提取紫苏油的工艺，发现超声波辅助未见效果［9］。贾照宝等指出，热处理工艺这一预处理方法能有效地提高水酶法的清油提取率［10］。因此，本实验首次尝试选用热处理辅助水酶法提取紫苏籽油。利用响应面分析法优化复合酶的酶解条件，以期为紫苏籽油的工业化生产提供参考依据，并为紫苏籽的综合开发提供新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫苏籽 黑龙江省桦南县林业局提供；碱性蛋白酶（100 kU/g）、中性蛋白酶（80 kU/g）、高温淀粉酶（20 kU/g）、果胶酶（100 kU/g）、纤维素酶（50 kU/g） 均购于宁夏和氏璧生物技术有限公司；其余试剂 均为分析纯。

HH-4数显搅拌水浴锅 常州赛普实验仪器厂；万能粉碎机 绍兴市科弘仪器有限公司；YP20002电子天平 上海越平科学仪器有限公司；PHS-3C型pH计

上海市彭顺有限公司；低速离心机 上海安亭仪器厂；HH-4数显恒温水浴锅 金坛市双捷实验仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 紫苏籽粗成分分析 紫苏籽的粗成分分析均采用国标法。其中，粗蛋白采用GB/T 15589.2-2008测定；粗脂肪采用GB/T 14772-2008测定；粗纤维采用GB/T 5009.10-2003测定。

1.2.2 水酶法提油工艺路线 紫苏籽→粉碎过筛（20目）→加一定的水搅拌→热处理→调节pH及温度→加酶酶解→灭酶（80℃，10 min）→离心（5000×g，15 min）→得到清油Ⅰ→冷冻-解冻破乳→离心→得到清油Ⅱ→合并清油，计算清油得率［11］。

1.2.3 酶制剂的筛选 称取紫苏籽粉末10.00 g，按照1.2.2工艺流程，根据紫苏籽的成分特点，选择相应的酶制剂（碱性蛋白酶、中性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、高温淀粉酶）各加入3%（加酶质量/紫苏籽质量，v/w），反应条件为各酶的最适条件，而后计算清油得率，选择合适的酶进行复配。

1.2.4 热处理辅助提油实验 本实验参照文献［10］采用热处理参数为温度60℃，加热时间20 min。

1.2.5 单因素实验

1.2.5.1 料液比对清油得率的影响 称取紫苏籽粉末10.00 g，复合酶添加量3%，酶解温度为45℃，酶解时间为3 h，酶解体系的pH为6.0，考察料液比分别为1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7 g/mL时对总清油得率的影响。

1.2.5.2 酶解温度对清油得率的影响 称取紫苏籽粉末10.00 g，复合酶添加量3%，酶解体系的pH为6.0，酶解时间为3 h，料液比1∶5，考察酶解温度分别为25、35、45、55、65℃时对总清油得率的影响。

1.2.5.3 酶解时间对清油得率的影响 称取紫苏籽粉末10.00 g，复合酶添加量3%，酶解体系的pH为6.0，温度45℃，料液比1∶5，考察酶解时间分别为2、3、4、5、6 h时对总清油得率的影响。

1.2.5.4 酶添加量对清油得率的影响 称取紫苏籽粉末10.00 g，酶解体系的pH为6.0，酶解温度为45℃，酶解时间为3 h，料液比1∶5，考察复合酶添加量（v/w）分别为1%、2%、3%、4%、5%时对总清油得率的影响。

1.2.5.5 酶解pH对清油得率的影响 称取紫苏籽粉末10.00 g，复合酶添加量3%，酶解温度为45℃，酶解时间为3 h，料液比1∶5，考察酶解pH分别为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5时对总清油得率的影响。

1.2.6 响应面实验 在单因素的实验基础之上，以清油得率为响应值，选取酶解温度、酶解时间、酶添加量、酶解pH为影响因素，采用Box-Behnken的实验设计，进行四因素三水平的响应面分析。其因素水平表如表1所示。

表1 Box-Benhnken设计实验因素水平及编码Table1 Level and code of variables for Box-Benhnken design

1.2.7 数据处理 本实验采用Origin 8.5作图，运用Design Expert 7.0软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 紫苏籽粗成分分析

采用国标分析法，测得紫苏籽的粗成分为粗脂肪含量44.32%±0.83%，粗蛋白含量在21.48%±0.76%左右，粗纤维含量在8.42%±0.39%左右。

2.2 酶制剂的筛选

根据紫苏籽的成分分析结果可知，其蛋白和纤维素的含量都相对较高，而水酶法提油的基本原理是通过酶的作用分解植物油料中富含粗纤维的细胞壁、脂蛋白、脂多糖，从而使油释放出来［12］。因此，拟从碱性蛋白酶、中性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶以及高温淀粉酶中筛选出酶解效果最好的酶制剂。按照上述工艺流程，各种酶的酶解条件均按其最适条件反应，其中碱性蛋白酶为温度40℃，pH9.8；中性蛋白酶为温度45℃，pH7.0；纤维素酶为温度50℃，pH4.8；果胶酶为温度55℃，pH3.5；高温淀粉酶为温度70℃，pH6.0。结果如图1所示。

图1 单一酶制剂对游离油得率的影响Fig.1 The effects of signal enzyme on the yield of free oil

根据图1可知，在无酶的条件下，游离油得率仅为11.91%。单独使用其他酶，得率有所提高，但是总体水平不高。这是因为酶在酶解时具有专一性，单独使用效果有限，故考虑将酶复配使用，以提高提油率［11］。根据各种酶的最适反应条件（反应体系的pH以及温度）、相应酶的清油提取率，选择两种反应条件接近、清油得率较高的酶进行复配，本文选择纤维素酶与中性蛋白酶复配。然后，在固定反应条件的情况下，对复合酶的复配比例进行选择，根据紫苏籽成分特点，选取纤维素酶与中性蛋白酶的比例为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1进行实验，结果如图2所示，复合酶制剂明显的提高了清油得率，这是因为细胞壁的组成成分主要是纤维素和多糖类物质［6］。而且，当纤维素酶∶中性蛋白酶=1∶2时，清油得率最高，为47.58%，这与紫苏籽的成分含量有关。故以下均采用纤维素酶∶中性蛋白酶=1∶2的复合酶进行优化实验。

图2 复合酶制剂复配比例的实验Fig.2 The test on the ratio of the complex enzymes

2.3 热处理辅助提油实验结果

本文选择无预处理的水酶法提油工艺为对照组，提油工艺按1.2.2进行，结果为：对照组清油得率为32.92%，实验组清油得率为49.44%。可以明显的看出，热处理这一预处理方式效果显著。这是因为温度升高，体系内分子的布朗运动也相应剧烈，因此脂肪球膜的破裂速度加快，同时，在温度较高时，乳状液的粘度也会降低，由此促进了油脂的分离，小脂肪球能够融合，进而形成较大的油滴游离出来［13］。此外，热处理还起到灭酶的作用，使物料中天然存在的酶（如过氧化酶、脂肪酶等）失活［14］。

2.4 水酶法提取紫苏油单因素实验结果

2.4.1 料液比对清油得率的影响 从图3中可以看出，在料液比（g/mL）由1∶3～1∶5时，清油得率不断增加，表明在水酶法提取油脂的过程中，适量增加水的比例有助于清油得率的提高，但随着料液比继续增加，清油得率反而降低，这说明，水分含量过高会导致酶的浓度降低，酶与底物接触减少，不利于反应的进行。因此，料液比最佳为1∶5，其清油得率为58.35%。

图3 料液比对紫苏籽清油得率的影响Fig.3 The effects of sample-to-solvent ratio on the yield of free oil

2.4.2 酶解温度对清油得率的影响 根据图4可知，温度在25～45℃时，清油得率呈上升的趋势，后随着温度的增加，清油得率逐渐下降。这是因为对于一个酶促反应来说，温度影响酶的活性，只有在最适的温度条件下，酶活才能达到最大，过高或过低都会导致酶失活，进而影响清油得率。因此，本实验采用的复合酶最适温度为45℃，清油得率为58.21%。

图4 酶解温度对紫苏籽清油得率的影响Fig.4 The effects of enzymolysis temperature on the yield of free oil

2.4.3 酶解时间对清油得率的影响 根据图5所示，酶解时间延长，清油得率不断增加，在酶解时间为3 h时达到最大，为58.42%，但是，酶解时间继续增加，清油得率反而略有下降，这是因为底物减少及抑制作用增强等原因，油的释放就不再进一步增加，同时时间过长，乳状液的乳化程度会加大，不利于油脂的提取［15］。

图5 酶解时间对紫苏籽清油得率的影响Fig.5 The effects of enzymolysis time on the yield of free oil

2.4.4 酶添加量对清油得率的影响 根据图6所示，复合酶添加量（v/w）在1%～3%时清油得率不断上升，继续增加酶的用量，清油得率不再增加。这是因为复合酶的酶解能力与底物量已经达到平衡，复合酶继续增加也不会提高其酶解底物的能力，所以综合以上情况及考虑实际成本，选择复合酶用量为3%，此时，清油得率为56.37%。

2.4.5 酶解pH对清油得率的影响 根据图7所示，随着pH的增加，清油得率不断上升，在pH为6.0时清油得率达到最大，为57.25%；pH继续增加而清油得率下降。这是因为pH的大小会影响酶的活性，可知复合酶的活性在pH6.0时活性最高。水酶法提取油脂的过程是将蛋白质、纤维素溶解的过程，pH会影响蛋白质的溶解度，蛋白质适当溶解有利于油脂释放，但蛋白质溶解度过大会增加乳化程度，使得提油率下降［16］。同时，pH的大小也会对酶的活力产生影响，过高或过低都会导致酶失活，进而影响提油率。

图6 酶添加量对紫苏籽清油得率的影响Fig.6 The effects of enzyme loading on the yield of free oil

图7 酶解pH对紫苏籽清油得率的影响Fig.7 The effects of pH on the yield of free oil

2.5 响应面法分析数学模型的建立

2.5.1 响应面实验结果 在单因素的实验基础上，采用Box-Behnken中心组合实验设计原理，以清油得率为响应值，选取酶解温度（X1）、酶解时间（X2）、酶添加量（X3）、酶解pH（X4）为影响因素，进行四因素三水平的响应面分析。使用Design Expert 7.0软件，对表2的数据进行处理、分析，得到表3回归方程方差分析表，利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合，得到预测模型如下：

对该模型进行显著性检验，如表3所示，可以看出该模型回归显著（p＜0.0001），失拟项不显著，且R2=0.9268，R=0.8536，说明该模型与实际拟合度较好，自变参数与响应值之间关系显著，因此可以用于水酶法提取紫苏油的工艺预测。根据F检验可以得到各个因素影响的大小顺序为：X3＞X1＞X2＞X4，即酶添加量＞酶解温度＞酶解时间＞酶解pH。

根据回归方程，做出响应面分析图，考察所拟合的响应曲面的形状，分析各因素之间的相互作用。

2.5.2 各因素的交互作用 根据表3的方差分析表，可以看出X3、X的偏回归系数差异极度显著，说明酶添加量对清油得率有极显著的影响。X1的偏回归系数差异高度显著，X2、X4、X1X2、X2X3、X2X4的偏回归系数差异显著，说明因素之间存在交互作用，因此因素对响应值不是简单的线性关系。得到的二次回归方程的响应曲面交互作用显著的响应面3D分析图。

表2 Box-Behnken实验设计及结果Table2 Box-Benhnken design and results

图8 酶解温度和酶解时间对清油得率交互影响的曲面图Fig.8 The 3-D surface plot of enzymolysis temperature and time interaction on yield of free oil

根据图8可知，当复合酶添加量为3.0%，酶解pH 为6.0时，随着酶解温度的增加，酶解时间的延长，清油得率增加。图8中的等高线图表现为椭圆形，故酶解温度与酶解时间的交互作用极为显著。

表3 方差分析Table3 Variance analysis of experimental result

图9 酶解时间和酶添加量对清油得率交互影响的曲面图Fig.9 The 3-D surface plot of enzymolysis temperature and enzyme loading interaction on yield of free oil

根据图9可知，当酶解温度为45℃，酶解pH为6.0时，随着酶解时间的延长，复合酶添加量的增加，清油得率增加。图9中的等高线图表现为椭圆形，故酶解时间和酶添加量的交互作用极为显著。

根据图10可知，当酶解温度为45℃，复合酶添加量为3.0%时，随着酶解时间的延长，酶解pH的增加，清油得率增加。图10中的等高线图表现为椭圆形，故酶解时间和酶解pH的交互作用极为显著。

2.5.3 最佳提取条件的确定 利用Design Expert 7.0软件，对拟合的回归方程进行计算，得出水酶法提取紫苏油的最佳提取条件为：酶解温度（X1）45.93℃、酶解时间（X2）2.95 h、酶添加量（X3）3.49%、酶解pH （X4）6.03，此时清油得率为59.91%。考虑实际操作，选择酶解温度（X1）46℃、酶解时间（X2）3.0 h、酶添加量（X3）3.49%、酶解pH（X4）6.0，验证实验得清油得率为59.02%，与预测值相比，其相对误差为1.49%，说明实验优化得到的技术参数是可靠的。

图10 酶解时间和酶解pH对清油得率交互影响的曲面图Fig.1 0 The 3-D surface plot of enzymolysis time and pH interaction on yield of free oil

3 结论

采用热处理的方法辅助水酶法提取紫苏籽油，清油得率由32.92%提高到49.44%，效果明显。说明用热处理辅助提取紫苏籽油是可行的。通过单因素实验以及响应面分析法对水酶法提油工艺进行优化。拟合了酶解温度、酶解时间、酶添加量以及酶解pH这4个因素对紫苏清油得率的回归模型，得出影响清油得率的强弱顺序如下：酶添加量＞酶解温度＞酶解时间＞酶解pH。确定最佳酶解条件为酶解温度46℃、酶解时间3.0 h、酶添加量3.49%、酶解pH6.0，验证实验得清油得率为59.02%，与预测值相比，其相对误差为1.49%，说明实验优化得到的技术参数是可靠的，能较为准确的预测水酶法提取紫苏油。水酶法提取紫苏籽油对比于其他方法，其优势在于反应的条件温和，油脂得率较高、品质好，且提油后的饼粕中蛋白质变性小，有利于副产物的综合利用。该工艺所需的生产设备简易，有利于工厂在机械压榨的基础上推广使用。

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Optimizing techniques of Perilla seed oil by aqueous enzymatic extraction assisted with heat treatment

CHENG Xue，ZHANG Xiu-ling*，SUN Rui-rui，LIU Qian-qian，LIU Xu，LI Sai-nan
（School of Food College，Northeast Agriculture University，Harbin 150030，China）

Perilla seed was used as raw material，aqueous enzymatic extraction assisted with heat treatment as the technique.On the basis of one factor test，enzymolysis temperature，time，enzyme loading and pH were chosen as independent variable，the yield of free oil as response value.Then the response surface methodology was applied to test，the effects of every independent variable as well as their interaction on the yield of free oil were researched.The results showed the orders which influenced the free oil yield were as follows:enzyme loading＞enzymolysis temperature＞enzymolysis time＞pH.And the optimized enzymolysis conditions were enzymolysis temperature 46℃，enzymolysis time 3.0 h，enzyme loading 3.49%（cellulase∶neutral protease=1∶2），pH6.0.The proof test gained the free oil yield was 59.02%，and compared with predicted value，the relative error was 1.49%.It suggested that the technical parameters optimized by test were reliable.

Perilla seed oil；heat treatment；aqueous enzymatic extraction；response surface methodology

TS224.4

A

1002-0306（2016）02-0223-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.037

2015－06－10

程雪（1990-），女，硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏工程，E-mail：15046685797@163.com。

*通讯作者：张秀玲（1968-），女，教授，研究方向：农产品贮藏加工，E-mail：zhangxiuling1118@sina.com。

黑龙江省森工总局项目（sgzjy2013018）。