水酶法提取生物油脂的研究进展

荣 辉,吴兵兵,2,杨贤庆,*,李来好,胡 晓

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,农业部水产品加工重点实验室,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

水酶法提取生物油脂的研究进展

荣 辉1,吴兵兵1,2,杨贤庆1,*,李来好1,胡 晓1

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,农业部水产品加工重点实验室,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

本文阐述了水酶法提取生物油脂的研究概况,包括主要的工艺过程和特点以及相关的影响因素,并对当前水酶法提油的研究现状和热点进行了总结,重点关注了水酶法提取微藻油的最新研究进展。提出了水酶法提油发展过程中有待解决的关键问题,并且展望了水酶法提取生物油脂的应用前景。

水酶法,生物油脂,影响因素,提取

目前我国食用植物油的提取加工方法主要有物理法和化学法两种,即压榨法和有机溶剂浸出法。这两种加工方法的提油率比较高,但在加工前多需要进行湿热预处理,导致蛋白质变性而降低了利用价值,不利于相关物质的综合利用,同时也破坏了油品的化学成分,导致油的颜色更深、更黑,进而导致油的品质不佳。水酶法是一种新兴的油脂提取方法,主要利用机械破碎油料,以水作为分解相,采用相关的酶(如蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、维生素酶等)在水相中水解油料细胞壁从而使油脂从油料中释放出来。利用非油成分对油和水的亲和力差异及油水比重不同将非油成分和油分离。本文就水酶法提油的工艺原理、影响因素以及应用前景作了逐一论述,并对水酶法提取微藻油这一具有广阔应用前景的研究方向进行了重点论述。

1 水酶法提油技术的发展历程

水酶法提油从提出至今已经有四十多年的历史[1]。20世纪70年代以来,随着生物工程技术的快速发展,工业化酶的生产大大降低了酶制剂的价格,应用酶法提油也引起了国内外相关专家以及学者的广泛关注。1978年,Alder-Nisen[1]提出了大豆蛋白酶法改性制备等电可溶水解蛋白工艺,为酶法分离大豆油和蛋白质奠定了理论基础[2]。随后的三十多年里,酶法分离植物油料中的油和蛋白质等组分的研究已经成为了国际上关注的重点,有关研究已经涉及到各类油料,如茶籽[3]、大豆[4-5]、菜籽[6]、花生[7]、玉米胚芽[8]、葵花籽[9]、蔷薇籽[10]等。Li[11]等研究负压空化介导产生的气穴加快水酶法(CAEE)从西葫芦籽中提取油脂,研究表明:纤维素酶、果胶酶、蛋白酶的酶混合物可以用来提取西葫芦籽油,采用Plakett-Burman设计以及中心复合法优化,得出真空度-0.07 MPa、酶添加量1.05%、提取时间69 min的条件下西葫芦籽油的提取率最大为58.06%。相比较索氏提取法(SE),CAEE所得油的氧化稳定性更好,而且47.67%的亚油酸含量也比SE的44.51%高。

2 水酶法提油的工艺原理以及特点

油料中的油脂主要存在于油料细胞中,并且通常与其他大分子(如蛋白质,碳水化合物)相结合,形成“脂多糖”、“脂蛋白”等复合体[12]。植物油料细胞外有一层细胞壁,细胞壁主要是由纤维素,半纤维素,果胶和木质素等组成。要想提取油脂,要先把细胞壁破坏,然后把油脂复合体破坏,这样才可以提取出其中的油脂。水酶法提油技术是在油料破碎的基础上,利用能降解油料细胞细胞壁,或者对脂蛋白、脂多糖等复合体有降解作用的酶作用于油料,使油脂从油料中释放出来,增加油脂的流动性从而提高出油率。酶除了可以降解油料细胞细胞壁,分解脂多糖以及脂蛋白复合体外,还可以破坏油料在磨浆过程中所产生的包裹在油滴表面的脂蛋白膜,降低乳状液稳定性从而可以进一步提高出油率[13]。

水酶法提油作用条件温和,并且与酶相关的降解产物不与油脂发生反应,可以有效地保护油脂以及蛋白质和次级降解产物等,所得的油脂纯度高,品质好[14]。水酶法操作的温度低,能耗低,几乎不使用有机溶剂,提取工艺产生的废水中的BOD与COD值相对较低,废水比较容易处理,可以大幅降低对环境的污染[15]。并且相对于物理法和化学法提油,不需要进行脱胶处理,可以简化油脂精炼工艺。因此水酶法具有绿色安全、投资少、能耗低、废弃物易于利用和处理等优点,在油脂工业中应用前景十分广阔[16-18]。

3 水酶法提油的影响因素

影响水酶法提油工艺的因素有很多,不同种类的油料油脂提取率也不同,但是油脂的提取率和蛋白质的的回收率主要取决于油脂分离的传质过程以及酶水解作用的效果。因此本文主要讨论这两个过程中的相关影响因素。

3.1 油料的种类

不同种类的油料,性质也不相同,如油脂含量、蛋白质种类以及含量等都有所差异。比较Masni[19]等人提取油茶籽油工艺、Juliana[20]等人提取大豆油工艺、Robert[21]等人提取玉米胚芽油工艺可以发现其工艺参数也都有所不同。Masni对水酶法提取油茶籽油进行研究,得出最佳的工艺条件为:pH4.5、液料比8∶1、温度为40 ℃、冲程是300 stroke/min,最大提取率可以达到70%;Juliana研究了水酶法提取大豆油的工艺条件,得出的最佳工艺条件为:液固比10∶1、pH9.0、温度50 ℃、处理时间1 h,大豆油的提取率高达98%;Robert对水酶法提取玉米胚芽油进行了研究,将玉米胚芽和各种酶的缓冲液在50 ℃搅拌4 h,然后65 ℃处理16 h,收集油脂,最终玉米胚芽油提取率可以高达80%。

3.2 油料的预处理

在水酶法提油工艺中,油料的预处理是油料加工过程中的重要环节。不同的油料,预处理方式也不相同。为了提高水酶法提油的产量,预处理方式的选择就十分关键。常见的预处理方法有机械破碎、超声波、微波、挤压膨化等。

3.2.1 油料的破碎程度 油料的破碎程度对于水酶法提油效果具有十分显著的影响。在水酶法提油工艺中,油料的破碎程度直接影响酶的水解效果。在一定的范围内,油料破碎后颗粒越小酶水解效果越好。但如果颗粒过小,则会造成后续工艺破乳难度加大,因此需要找到油料的最佳破碎程度。采用机械进行粉碎,可以降低油料的粒度,充分破坏油料的细胞壁,使细胞内的成分充分释放,提高物料与酶的接触面积,从而提高酶的水解效果。谢斌[22]等研究油茶籽粉碎程度对水酶法提油效果的影响,结果表明利用刀片式粉碎机将油茶籽的平均粒径减小到37.92 μm时,采用水酶法提取茶籽油的总提取率达到96.85%,清油得率达到了91.83%,继续对油料进行粉碎,机械能量的继续输入对油茶籽原料的粒径的影响不大,茶籽粉末粒径基本保持不变,但提油过程中乳化现象越来越严重,乳化液的稳定性逐渐提高,导致总得油率降低,且增加了后续破乳工作的难度,因此不宜继续采用刀片式继续粉碎。

3.2.2 微波处理 微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波,即波长介于红外线和特高频(UHF)之间(波长在1 mm～1 m之间)的电磁波。水和油料作物会吸收微波而使自身发热,有助于油料细胞的裂解和油脂释放。微波辅助水酶法来提取油脂,可以提高油脂的提取率。Zhang[23]等对微波膨化处理辅助水酶法提取油茶籽油这一新型提取方法进行研究,结果表明微波辅助水酶法提取油茶籽油可以将油的提取率从53%提高到95%。这表明微波膨化预处理可以显著提高油的提取率。

3.2.3 超声波处理 超声波指的是频率高于20000 Hz的声波,它的方向性好,穿透能力强,在超声波传播的过程中,介质中的粒子产生摆动并且沿着传播方向传递能量。超声波辅助可以来提高油脂提取率。Carla[24]等对超声波辅助果胶酶水酶法提取葡萄籽油的影响与传统的溶剂提取进行了研究对比。结果表明,与常规的溶剂萃取法相比,超声辅助水酶法提取可以提高油的提取率。工艺条件为:超声功率150 W、处理时间30 min、液固比8∶1,可以将油的提取率提高2.5%。

3.2.4 挤压膨化处理 挤压膨化是油料在高温、高压、高剪切的作用下,细胞壁受到破坏,油料中的蛋白质结构分子发生伸展、重组,分子表面的电荷进行重新排布,分子间的氢键、二硫键等部分断裂,导致蛋白质变性,膨化后油料与酶的接触面积增加,可以增加酶对蛋白质的作用,从而更有利于油脂的释放,并降低乳化率[25]。王心刚[26]等的研究表明,真空挤压膨化相对于传统的湿热预处理然后水酶法提油的总油提取率提高了约21%,以挤压温度、螺杆转速、真空度、物料含水率和模孔孔径为影响因素,进行单因素实验,采用响应面法进行分析优化,确定了最佳的工艺条件为:套筒温度87 ℃、真空度-0.067 MPa、模孔孔径22 mm、螺杆转速91 r/min、物料的含水率为16%,油脂提取率可以高达93.87%。这些相关研究表明,随着预处理方式研究的不断深入,将会对水酶法提油的提油率有着更加积极的影响。

3.2.5 其他处理 除了预处理以外,别的处理方式也会对油的产量有影响。Akash[27]等对通电加热和酶的综合效应辅助大豆水法提油的工艺进行研究,实验的步骤为脱壳、湿磨、酶处理、欧姆加热、水萃取和离心。考察的因素有欧姆加热参数即电场强度(EFS)、终点温度、加热时间。最终结果表明通电加热可以提高大豆油的提取率,最适条件为:电场强度OH600 V、终点温度90 ℃、加热时间为10 min,所得大豆油的提取率为73%。

3.3 酶的种类和用量

不同种类的酶可以降解油料中不同的组分,采用恰当的酶类和配比可以提高出油率。目前酶法提油工艺中常用的酶主要是纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、α-淀粉酶、β-葡聚糖酶、半乳糖醛酸酶等。其中纤维素酶、果胶酶、半乳糖醛酸酶对油料细胞的破坏力较强,效果比较好。对于同种油料不同酶作用效果不相同,一般来说,复合酶的作用效果比单一酶的酶解效果要好。Fang[28]等对水酶法提取油茶籽油破乳以及理化性质进行了研究,结果表明:蛋白酶和纤维素酶的组合比单独的酶取得了较高的油茶籽油产量,用水酶法提油,然后用20%的乙醇破乳,可以实现高达91.38%的油茶籽油提取率。并且水酶法提取的油的游离脂肪酸和维生素E、角鲨烯的含量更高,单不饱和脂肪酸的比例更高,过氧化物值较低。

3.4 酶解条件

在酶解过程中,影响酶解效果的因素很多,主要是温度、pH、时间这三个因素。酶处理的温度因油料的种类和酶种类的差异而不同。酶处理的温度应该以既有利于酶解,又不会影响最终的产物品质为前提。温度过高,酶容易失活,导致油料油脂提取率较低,也容易使油料中蛋白质变性;温度过低,则会使酶的活性较低,导致酶解速度缓慢,影响出油率以及最终的品质。唐卿雁[29]等对酶法辅助提取米糠油的工艺条件进行了探讨,实验表明利用纤维素酶和果胶酶来进行催化提取米糠油,最佳的工艺条件为:酶水解温度55 ℃、时间6 h、果胶酶用量1.5%、纤维素酶用量2.0%,米糠油的提取率为63.87%。

酶处理时的pH也因所使用酶的种类不同而有所差异。pH既影响着酶的活性,也影响着油和蛋白质的分离。对于单一酶,有着一定的最适pH范围,而对于复合酶,则需要通过实验确定最适pH。朱振宝[30]等研究了大扁杏仁油水酶法提取的工艺优化,实验表明,Alcalase 2.4L为最合适的蛋白酶,优化的酶解工艺条件为:料液比1∶4、酶解温度55 ℃、酶解pH9.0、酶解时间4 h、酶的添加量为3%。在该工艺条件下,大扁杏仁油的清油提取率可以达到72.1%。

酶处理的时间同样因油料的种类和酶种类的不同而不同。在确定最佳酶解时间时,应综合考虑油的提取率、蛋白质回收率以及成本等一系列因素。王维茜[31]等对水酶法提取芝麻油的工艺进行了研究,实验表明,碱性蛋白酶是最适合做提取芝麻油的酶剂,最佳的反应条件是:酶水解温度55 ℃、料液比1∶5、酶水解时间120 min、pH8.5。在该条件下芝麻油的提取率可以达到69.33%。

3.5 乳化和破乳

在水酶法提油过程中,可溶性蛋白质被释放,油脂和蛋白质产生共价结合反应,使得油脂乳化严重,难以被释放[32]。虽然酶处理可以对乳化的胶体体系产生一定的破坏和抑制作用,但依然会形成乳状液。这些乳状液中,含有一定量的油脂,因此要进行破乳来收集其中的油脂[13]。

现今乳化机制和破乳技术的研究已经较为成熟,具体的应用仍需要进一步研究。应玉桑[33]通过研究大豆水酶法提油所得的乳油的稳定性和流动性,得出pH是影响乳油品质的重要因素。pH<2.5时,乳油趋向稳定,pH在2.5～5.0时,乳油发生了严重的聚合现象,乳油分层脱稳。破乳方法多为无机盐、冷冻-解冻等类型的常规方法,这些处理方法多用到化学试剂,不符合未来工业要求,而且破乳率还不够好,因而目前人们的研究更多的集中在利用酶解法来进行破乳。Zhang[34]等通过对水剂法提取花生油过程中产生的含有丰富油脂的乳状液进行破乳研究，得出:碱性蛋白酶2709是有效的破乳剂,磷脂酶A2、调整pH等对乳液稳定性的影响不大。最佳条件为温度55 ℃、加酶量1600 U/g、乳水体积比1∶1、时间1 h,乳状液的破乳率可以达到94%以上。相比较传统的热处理等方法破乳,酶法破乳可以获得更高产量和更高品质的油。

4 水酶法提取生物油脂-微藻油

除了部分异养种外,微藻大多是光合自养型微生物,能有效利用太阳能,将H2O、CO2和无机盐转化为有机资源,在能量转化和碳循环中十分重要。微藻多富含蛋白质、脂肪、糖以及氨基酸和多不饱和脂肪酸等多种营养物质,是生产食品、药品高价值生物活性物质和生物柴油的重要来源[35-36]。一些微藻富含类似矿物油的烃类物质,在当前化石燃料日渐枯竭的前提下,以微藻为原料生产生物柴油的研究已引起了人们的广泛关注[37-38]。微藻的繁殖方式通常为二分裂式,细胞生长周期短,便于进行大规模的培养,如部分藻种还可以进行高密度发酵培养[39];在当前土地资源贫瘠、淡水资源短缺的情况下,部分海生富油微藻可利用海水资源进行大规模培养,有着不占用耕地、节约资源的优点。大多微藻油脂的基本成分与植物油成分相似,但多富含多不饱和脂肪酸,而多不饱和脂肪酸具有保障人体细胞的正常生理功能、降低血液中的胆固醇和甘油三酯、改善血液循环、增强记忆力和思维能力等众多功能[40]。而且这些微藻除了富含油脂以外,还含有丰富的蛋白质和碳水化合物,在提取油脂后的藻渣,依然具有很高的附加值[41]。因此,高产油品种微藻的筛选及培养、微藻油的提取都已经成为了人们的研究热点[42-44]。

目前,国内外提取微藻油的方法主要为压榨法、溶剂浸出法及CO2超临界萃取法等。压榨法收率低、劳动强度大、成本高、动力消耗大。而有机溶剂萃取设备多、投资大、毛油成分复杂,需要严格精炼处理,有机溶剂的使用增加了工艺的烦琐性、降低了生产的安全性、造成环境污染。CO2超临界萃取成本较高,不利于大规模生产。传统微藻油的提取,大多是先将培养后的微藻经过离心后获得微藻泥,再进行冷冻干燥处理得到干藻粉,然后利用藻粉来进行提油。这样会使生产工艺变得复杂,生产成本增高,不利于工业化生产,所以目前人们研究的热点倾向于直接利用微藻泥来提取油脂,而水酶法正当其时。对微藻进行水酶法处理目前主要包括三种工艺形式:水酶工艺、溶剂辅助水酶工艺及低水分酶法提取油脂工艺。Li[45]等在脂肪酶Candida sp.99-125固定化基础上,提取微藻油脂,油脂的提取率达到了98%。Wang[46]等对溶剂辅助水酶工艺进行了研究,使用纤维素酶、半纤维素酶和磷脂酶提取裂壶藻和拟微球藻中的藻油,向反应体系中加入了乙醇辅助,油脂提取率分别为87%和73%。过群[47]等对生物酶法破壁生产二十二碳六烯酸油脂的方法进行了研究,并申请了发明专利。以寇氏隐甲藻为出发藻株,在液体培养基中进行连续培养,然后加入发酵液重量0.12%～0.5%的碱性蛋白酶(2709)、0%～0.025%的胰蛋白酶,升温50～70 ℃,保温搅拌3～9 h,加入30%～150%的乙醇(乙醇浓度为95%),加入有机溶剂进行萃取得到二十二碳六烯酸毛油,然后将毛油经水化、碱炼、脱色、脱臭后得到精炼油。该方法破壁率高达95%,提取率达到90%以上,精炼得率为毛油的70%以上。这说明水酶法提取微藻油具有很大的发展前景。

5 水酶法提油的问题以及展望

水酶法提油虽然有很多的优点,但其中依然有一些问题亟待解决。现如今水酶法提油后相关酶的处理都是通过钝化酶使酶失活,这就造成了酶资源的浪费。虽然当今酶的工业化生产使得酶成本降低,但相对工业生产而言,依然会导致生产成本较高。随着酶工程以及酶固定化技术的快速发展,工业用酶将可以重复使用,从而降低生产成本,简化生产工艺。

其次水酶法提油生产工艺中用水量大,污水产生和处理量大,而且待处理水中蛋白质、多糖等适合微生物生长的营养物质含量都比较高,如果处理不当,可能会对环境造成污染,容易快速滋生各种微生物而腐败[48]。所以水酶法加工工艺中产生的废水要及时进行处理。随着废水处理相关研究的顺利进行,可以建立相关水的循环使用系统,不仅可以降低废水的处理费用,从而降低生产成本,还可以节约水资源,符合未来工业生产绿色、环保的要求。

尽管水酶法提油的工业化生产还存在诸多问题,相关的研究也更多的还是停留在实验室层面。但水酶法提油存在着巨大的优势,可以同时得到高品质的油脂和蛋白质,增加原料附加值等。相信随着相关研究的不断深入和完善,绿色、安全、环保的水酶法提油技术必将在油脂加工产业中发挥更为重要的作用,具有更加广阔的应用前景。

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[48]杨建远,邓泽元. 水酶法提取植物油脂技术研究进展[J]. 食品安全质量检测学报,2016,7(1):225-230.

Research advance in the aqueous enzymatic extraction of biological oil

RONG Hui1,WU Bing-bing1,2,YANG Xian-qing1,*,LI Lai-hao1,HU Xiao1

(1.Key Lab of Aquatie Product Processing,Ministry of Agriculture,National Research and Development Center for AquaticProduct Processing,South China Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China;2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The research overview,technology process,process characterization and influence factors of the aqueous enzymatic extraction of biological oil were reviewed. The research status and focus of aqueous enzymatic extraction were summarized furthermore. Aqueous enzymatic extraction of microalgae oil were reviewed emphasisly. The key problems need to be solved in the development process of aqueous enzymatic extraction of biological oil,and the application prospect of aqueous enzymatic extraction of biological oil was predicted.

aqueous enzymatic extraction;biological oil;influence factors;extraction

2016-07-20

荣辉(1981-),男,博士,助理研究员,主要从事微藻的发酵培养及活性物质提取方面的研究,E-mail:ronghui8915@163.com。

*通讯作者:杨贤庆(1963-),男,本科,研究员,主要从事水产品加工及质量安全方面的研究,E-mail:yxqgd@163.com。

国家重点研发计划项目(2016YFF0202304);广东省科技计划项目(2014A010107019);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2014TS24);农业部水产品加工重点实验室开放基金项目(NYJG201407);广东省海洋渔业科技与产业发展专项(A201401C02)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)02-0374-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.064