超声辅助水相酶法提取油茶籽油及蛋白的工艺优化

吴建宝 马齐兵 胡传荣，2 何东平，2

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430023) (国家粮食局粮油资源综合开发工程技术研究中心2，武汉 430023)

超声辅助水相酶法提取油茶籽油及蛋白的工艺优化

吴建宝1马齐兵1胡传荣1，2何东平1，2

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430023) (国家粮食局粮油资源综合开发工程技术研究中心2，武汉 430023)

为了提高水相酶法油脂提取率，研究采用超声辅助提取油茶籽油及水解蛋白。应用Plackett-Burman设计联用响应面分析法对超声辅助水相酶法提取油茶籽油和水解蛋白的工艺进行优化。首先用Plackett-Burman设计试验筛选出具有显著效应的3个因素——超声时间、pH和反应时间；然后采用响应面分析法确定主要影响因素的最优工艺条件为超声时间30 min、pH 9和反应时间3.5 h，在此条件下，油茶籽油得率为89.704%，油茶籽蛋白得率为90.638%，与预测值误差不超过0.5%。这表明Plackett-Burman设计联用响应面分析法建立的模型具有可行性。

Plackett-Burman 设计 超声波 水相酶法 响应面

油茶籽油的脂肪酸组成与橄榄油十分相似，对防止血管硬化和高血压等现代文明病的发生有益，受到广大消费者的青睐[1-2]。油茶籽油中含有多种有益的生理活性成分类如角鲨烯、维生素E和类胡萝卜素以及其特有的茶多酚和山茶甙等，且其含有的多糖成分有助于抗癌[3]，油茶籽蛋白中含有对人体生长发育起到重要作用的赖氨酸和色氨酸，其含有的多糖成分具有抗癌活性，还可以作为蛋白强化剂、低脂乳饮品等，具有很高的经济价值[4-6]。

水相酶法作为“安全、高效、绿色”的制油技术其提取的油纯度高，磷脂含量、酸值及过氧化值低，色泽浅、污染少、易精炼，能够很好地保存油料里的油酸和亚油酸等营养物质[7-8]。超声波以其高频振动有效破碎细胞，能缩短提取时间，同时对油脂与蛋白质结合体进行空化作用，保护有效成分不被破坏[9]。Shah等[10]通过超声波进行预处理，然后进行水酶法提取，不仅油脂提取率大幅增加，而且缩短了提取时间。

本研究在水酶法[11]的基础上通过超声辅助来提高油脂及蛋白得率，首先采用PB设计试验筛选出对油脂提取率和蛋白提取率有显著作用的因素，然后进行响应面试验设计和数据分析[12-13]，确定最佳提取工艺条件，旨在为油茶籽油和蛋白的开发和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

油茶籽仁：实验室自制；碱性蛋白酶(Alkaline Protease)：BIOSHARP公司；维生素E标准品：美国Supelco 公司；角鲨烯标准品(纯度99%)：上海江莱生物科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

JY98-IIID型超声波细胞破碎仪：宁波新芝生物科技有限公司；K9840自动凯氏定氮仪：济南海能仪器有限公司；GC-14C 气相色谱仪(FID 检测器)、LC-20AT 高效液相色谱仪(紫外检测器，C18色谱柱)：日本岛津公司；TD5A—WS离心机：湖南省凯达科学仪器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱：上海精宏试验设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

图1 超声辅助水相酶法提取油茶籽油和水解蛋白的工艺流程图

1.3.2 油和蛋白质提取率计算公式

1.3.3 综合隶属度计算公式

在试验中，有2个目标值(油提取率和蛋白提取率)，并且要求油提取率和蛋白提取率的目标值都是越大越好，设置一个综合的目标值(综合隶属度Y)，其计算方法为：

Y=b1Y1+b2Y2

根据2个目标值的重要性，取b1=b2=0.5，Y1和Y2为油提取率和蛋白提取率隶属度。隶属度的计算公式为：

1.4 试验设计与方法

1.4.1 单因素试验

分别考察超声时间、超声温度、超声功率、料液比、酶添加量、pH、反应温度和反应时间等因素对油提取率和蛋白提取率的影响。

1.4.2Plackett-Burman设计

应用DesignExpert8.0软件，根据单因素试验结果，确定Plackett-Burman试验的因素和水平。以综合隶属度为响应值，包括超声时间、超声温度、超声功率、料液比、酶添加量、pH、反应温度和反应时间8个因素以及每个因素分别确定高(1)、低(-1)两水平，同时添加3个虚拟因子作为误差分析，共计12组试验。

表1 Plackett-Burman 试验因素编码及水平

1.4.3 响应面试验设计

在Plackett-Burman试验的基础上，根据Box-

Behnken的中心组合原理，以超声时间、pH值和反应时间为自变量，以综合隶属度Y为响应值，采用Box-Behnken试验设计，进行响应面分析试验。

表2 Box-Behnken试验因素及水平编码表

2 结果与分析

2.1 油茶籽仁中主要成分

对剥壳后的油茶籽仁的主要成分进行测定，其主要成分见表3。

表3 油茶籽仁中主要成分表

2.2 单因素试验结果

前期的单因素试验结果表明，当超声时间、超声温度、超声功率、料液比、酶添加量、pH、反应温度和反应时间分别为30min、45 ℃、300W、1∶5、1.5%、9、60 ℃和3.5h时，其可以得到最优的油提取率和蛋白提取率，分别为85.85%和89.12%、86.45%和87.24%、86.18%和89.73%、85.96%和89.24%、87.53%和88.74%、88.12%和89.04%、86.09%和88.15%、87.36%和89.45%。根据试验结果，确定PB试验设计的因素和水平。

2.3Plackett-Burman试验结果与分析

Plackett-Burman试验结果见表4，采用DesignExpert8.0对表3的数据进行分析，得到综合隶属度Y关于各因素的一阶回归方程模型：

Y=0.025 8-5.58E-3A+5.333E-3B+2.4E-4C+0.064 3D+1E-2E-0.074 2F-5.33E-4G+0.184 33H

表4 Plackett-Burman试验设计及响应值

由表5可知，回归模型在95%概率水平下显著，即该模型拟合良好；模型的校正决定系数R2=0.967 2，表明96.72% 的试验数据的变异性可用此模型来解释[14]。在分析的8个因素中，超声时间(P=0.034<0.05)、pH(P=0.016<0.05)和反应时间(P=0.008 8<0.01)对综合隶属度有显著影响，因此在响应面试验分析中，将超声时间、pH和反应时间3个因素作为考察的最优水平条件。其余的5个因素由于对综合隶属度的影响不显著，故采用单因素试验的最佳条件：超声温度45 ℃、超声功率300W、料液比1∶5、酶添加量1.5%和反应温度60 ℃。

表5 各因素方差及显著性分析

注：**为差异极显著(P<0.01)，*为差异显著(P<0.05)，余同。

2.4Box-Behnken试验设计试验及数学模型的建立

采用DesignExpert8.0软件，对表6中的试验数据进行分析，建立回归模型，得到综合隶属度对编码自变量超声时间、pH值和反应时间的二次多项回归方程：

Y=-24.848 50+0.208 36A+2.430 25F+6.511 75H-7.275E-3AF-0.018 1AH+0.098 5FH-1.26E-3A2-0.1382 5F2-0.99H2

式中：Y为综合隶属度；A为超声时间/min；F为pH；H为反应时间/h。对该回归方程模型进行显著性检验，综合隶属度的方差分析结果见表7。

表7 综合隶属度的回归方程方差分析结果

表6 Box-Behnken试验方案设计与结果

2.5 最佳工艺的条件预测及验证试验

采用DesignExpert8.0软件对回归模型进行预测，分析得到的最优条件为：超声时间31.22min、pH9.19、反应时间3.46h。在此条件下，综合隶属度为0.825。在表6中试验14得到的响应值大于理论值0.825，这是由于响应模型是针对大部分数据的统计值，试验14只是个意外单个值，从统计学的角度出发并不具有代表性，不会对试验结果产生影响[16]。

为了便于实际操作，选用的条件为：超声时间30min、pH9和反应时间3.5h，在此条件下共做4组平行试验，测得油及蛋白质提取率的平均值分别为89.704%、90.638%，计算其综合隶属度为0.823，试验结果与理论预测值吻合，相对误差在误差范围(<0.5%)内，说明通过该模型优化出来的工艺条件可以使用。

2.6 水相酶法油茶籽油及水解蛋白性能指标参数

将优化后的最佳工艺下制取的油茶籽油和蛋白进行理化指标测定及成分分析，结果见表8、表9。

表8 水相酶法油茶籽油的理化指标及主要营养成分

由表8可以看出，水相酶法得到的油茶籽油的基本理化指标已达到国家一级压榨油茶籽油的质量要求[17]，其不需要脱酸、脱色等精炼工艺，且脂肪酸组成均符合油茶籽油的国家标准；与橄榄油的不饱和脂肪酸含量相差不大，角鲨烯的含量低于橄榄油，但VE含量却高于橄榄油[18]。制取的油茶籽蛋白中含有一定量的多糖，具有抗氧化、降血脂、提高免疫力等生物功能[19]。

3 结论

本试验采用Plackett-Burman设计从8种因素中选取对试验结果影响大的3种因素，通过响应面分析法建立综合隶属度关于超声时间、pH和反应时间的模型，其回归方程显著，可以用来进行预测提取率。超声波辅助水相酶法提取油茶籽油和水解蛋白的最佳工艺参数为：超声温度45 ℃，超声时间30min，超声功率300W，料液比1∶5、加酶量1.5%，酶解pH9，反应温度60 ℃，反应时间3.5h，在此条件下进行验证试验，测得油茶籽油得率为89.704%，油茶籽蛋白得率为90.638%。使用Plackett-Burman设计联用响应面分析法可以缩短试验时间、减少试验次数及试验资源浪费同时又能实现条件优化，其优化后的预测结果与试验结果吻合性较好。将离心分离后得到的油和水解蛋白进行质量指标检测，油茶籽油的质量达到压榨油茶籽油一级标准，不需要完全精炼，可以减少精炼成本；油茶籽蛋白中含有一定量的多糖，具有抗氧化性等多种生物活性，可以作为一种天然的抗氧化剂应用于食品工业中。

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Optimization of Ultrasound-Assisted Aqueous Enzymatic
Extraction of Oil and Protein from Camellia

Wu Jianbao1Ma Qibing1Hu Chuanrong1，2He Dongping1，2
(College of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University1，Wuhan 430023)
(Grain and Oil Resources Comprehensive Exploitation and Engineering Technology
Research Center of State Administration of Grain2，Wuhan 430023)

Ultrasound-assisted extraction of oil and hydrolyzed protein from camellia was studied in order to improve oil extraction by aqueous enzymatic.Ultrasound-assisted aqueous enzymatic extraction of oil and protein from camellia was optimized by Plackett Burman design combined with response surface methodology.Firstly，ultrasonic time，pH，response time were identified by Plackett-Burman design as the significant factors，then the extraction conditions were optimized by response surface analysis as follows：.ultrasonic time 30min，pH9 and response time 3.5 h.Under the above conditions，the yields of oil was 89.704%，the yields of protein was 90.638%，and the value error with the predict value was less than 0.5%.It indicated that the model build by Plackett Burman design combined with response surface methodology was reliability.

Plackett-Burman design，ultrasonic wave，aqueous enzymatic，response surface methodology

国家粮食局粮食公益性行业科研专项(201313012-03)

2015-11-14

吴建宝，男，1989年出生，硕士，油脂及植物蛋白研究

何东平，男，1957年出生，教授，博士生导师，粮食、油脂与植物蛋白工程

TS224

A

1003-0174(2017)06-0091-06