水酶法提取椰子油的工艺条件优化
2019-05-13董家合何东平胡传荣
董家合，刘 辉，张 莹，何东平,2，胡传荣,2
(1.武汉轻工大学 食品科学与工程学院， 武汉 430023； 2.国家粮食局粮油资源综合开发工程技术研究中心，武汉 430023)
椰子(CocosnuciferaL.)属于棕榈科(Palmaceae)椰子属(Cocos)，是热带地区主要的木本油料作物和食品能源[1]。椰子油是世界四大木本食用油脂之一。椰子油中中短链脂肪酸含量达80%以上，是低碳脂肪酸的丰富来源[2]。椰子油不仅可作为食用油、食品配料和功能食品，还在药物、化妆品、洗涤用品和工业生物燃料等方面有着广泛的应用[3]。
目前，植物油的制备方法有很多，水酶法提油工艺具有出油率高、油脂质量好、条件温和、油易分离、能耗低、副产物可综合利用等优点[4]，近年来已被广泛应用于多种油料中油脂的提取，包括花生[5]、葵花籽[6]、大豆[7]、油菜籽[8]、番茄籽[9]和油茶籽[10]等。水酶法制备的椰子油营养丰富，未经高温处理，无需精炼，避免了精炼过程中添加的化学试剂造成的食品安全问题，同时也避免了浸提法产生的溶剂残留，因此称水酶法制备的椰子油为天然椰子油(VOC)。
椰子的含水量较高，更适合利用水酶法提取椰子油，目前对于水酶法提取椰子油工艺优化的研究较少，本文对水酶法提取椰子油的工艺进行了研究，进一步提高椰子油的提取率，并改善所得椰子油的品质，以期为椰子油的生产提供参考。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 原料与试剂
椰子；纤维素酶(150 000 U/g)、果胶酶(20 000 U/g)、木瓜蛋白酶(100 000 U/g)、半纤维素酶(20 000 U/g)、中性蛋白酶(50 000 U/g)、碱性蛋白酶(40 000 U/g)、乙醚，均为分析纯。
1.1.2 仪器与设备
LGJ-10冷冻干燥机，RE52CS旋转蒸发仪，DF-101S集热式磁力搅拌器，PZ-D-5型液体比重天平，TD5A离心机，DZF-6021真空干燥箱。
1.2 实验方法
1.2.1 水酶法制备椰子油工艺
1.2.1.1 工艺路线(见图1)
图1 水酶法制备椰子油工艺路线
1.2.1.2 实验操作
成熟的椰子经过去除椰衣、椰汁、椰壳、种皮后得到椰肉。准确称取500 g新鲜椰肉并切片，按一定的料液比加入水，在搅拌机中粉碎制成椰浆，在椰浆中加入一定量的酶，在一定温度下缓慢搅拌一定时间，反应完成后在90～95℃下水浴10 min灭酶活，5 000 r/min条件下离心20 min，得到游离油、乳状液、水解液和椰子粕，乳状液再次离心，两次得到的游离油合并，干燥，得椰子油。做3组平行实验。
1.2.2 椰子油理化指标的测定
水分及挥发物含量，GB/T 5528—2008；酸价，GB/T 5530—2005；过氧化值，GB/T 5538—2005；皂化值，GB/T 5534—2008。
1.2.3 统计学分析
采用Excel 2010统计分析软件进行基础数据整理、分析与作图。
2 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 不同水解酶对椰子油提取率的影响
在料液比1∶1.5，不同酶各自最适酶解温度(木瓜蛋白酶60℃、中性蛋白酶40℃、碱性蛋白酶55℃、纤维素酶55℃、半纤维素酶55℃、果胶酶50℃)，酶解时间20 h，加酶量0.20%的条件下，研究不同水解酶对椰子油提取率的影响，结果见图2。
图2 不同水解酶对椰子油提取率的影响
植物细胞的细胞壁主要由果胶和纤维素、木质素等多糖类物质组成，其中嵌入一些功能性蛋白质，被包裹在其中，油脂通常与其他大分子物质结合构成脂多糖、脂蛋白等复合体。因此，采用酶解工艺可以有效且快速地瓦解细胞壁的结构，促使细胞内物质释出[11]。由图2可知，加入水解酶后椰子油的提取率明显提高，其中纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶效果相对较好，但单种酶的作用比较单一，而复合酶可以相互间产生协同作用，使酶解的效果达到最优。接下来实验均使用椰子油提取率较高的纤维素酶和木瓜蛋白酶按照一定的比例混合进行。
2.1.2 复合酶比对椰子油提取率的影响
在料液比1∶1.5，酶解温度50℃，酶解时间20 h，加酶量0.20%，复合酶比(纤维素酶与木瓜蛋白酶质量比)分别为1∶1、1.5∶1、1∶1.5、1∶2的条件下，考察不同复合酶比对椰子油提取率的影响，结果见图3。
图3 复合酶比对椰子油提取率的影响
由图3可知，将纤维素酶与木瓜蛋白酶按照质量比1.5∶1混合，得到的椰子油提取率最优，为79.6%。因此，接下来的单因素实验均按照纤维素酶与木瓜蛋白酶质量比1.5∶1进行。
2.1.3 料液比对椰子油提取率的影响
料液比会影响椰浆的浓度，进而影响酶与底物的接触面积，因此料液比是影响酶促反应的主要因素之一。在酶解温度50℃，酶解时间20 h， 加酶量0.20%，复合酶比1.5∶1, 料液比分别为1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2的条件下，研究不同料液比对椰子油提取率的影响，结果见图4。
图4 料液比对椰子油提取率的影响
由图4可知，料液比为1∶1.5时效果最好，椰子油提取率为75.4%。随着加水量增加，椰子油提取率先升高后降低，分析原因为刚开始加水量少，酶和底物不能充分接触，导致酶解效率较低，随着加水量的增加，酶的作用位点和底物能够充分接触，酶解效率随之升高，直到酶解效率达到最大，加水量过多，酶被稀释，酶解效率随之降低。因此，最适料液比为1∶1.5。
2.1.4 酶解温度对椰子油提取率的影响
在料液比1∶1.5，酶解时间20 h，加酶量0.20%，复合酶比1.5∶1，酶解温度分别为35、40、45、50、55℃的条件下，研究不同酶解温度对椰子油提取率的影响，结果见图5。
图5 酶解温度对椰子油提取率的影响
由图5可知，在酶解温度为35℃时椰子油提取率最低，随着酶解温度的升高椰子油提取率也随之升高，在酶解温度为50℃时椰子油提取率达到最高，为78.3%，继续升高酶解温度，椰子油提取率降低。分析原因为酶有最适反应温度，温度过低或者过高都会抑制酶的活性，使酶解效率降低。因此，最适酶解温度为50℃。
2.1.5 酶解时间对椰子油提取率的影响
酶和底物的接触时间直接影响反应进行得是否彻底，因此酶解时间也是影响椰子油提取率的重要因素之一。在料液比1∶1.5，加酶量0.20%，复合酶比1.5∶1，酶解温度50℃，酶解时间分别为12、16、20、24 h的条件下，研究不同酶解时间对椰子油提取率的影响，结果见图6。
图6 酶解时间对椰子油提取率的影响
由图6可知，随着酶解时间的延长，椰子油提取率随之升高，当酶解时间为20 h时，椰子油提取率为79.7%，当酶解时间为24 h时，椰子油提取率为80.3%，说明随着酶解时间的延长，椰子油提取率还在缓慢增加，但是随着酶解时间的延长，椰浆中的蛋白质会产生难闻的酸臭味，并且酶解时间的延长会使实验效率降低，增加实验成本。因此，最适酶解时间为20 h。
2.1.6 加酶量对椰子油提取率的影响
加酶量会影响酶和底物的接触面积，进而影响酶促反应效率，因此加酶量也是影响椰子油提取率的重要因素之一。在料液比1∶1.5，复合酶比1.5∶1，酶解温度50℃，酶解时间20 h，加酶量分别为0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的条件下，研究不同加酶量对椰子油提取率的影响，结果见图7。
图7 加酶量对椰子油提取率的影响
由图7可知，随着加酶量的增加，椰子油提取率升高，加酶量为0.20%时达到最高，为82.3%。继续增加加酶量，椰子油提取率反而降低，原因是复合酶浓度过大，酶和底物的接触位点不能充分暴露出来，导致酶促反应效率下降，且酶的成本较高，应尽量降低加酶量，因此最适加酶量为0.20%。
2.2 正交实验
在单因素实验的基础上，根据正交实验设计方案，选取料液比、复合酶比、酶解温度、加酶量和酶解时间为自变量，以椰子油提取率为指标，设计L16(45)正交实验。正交实验因素水平见表1，正交实验设计及结果见表2。
表1 正交实验因素水平
表2 正交实验设计及结果
由表2中的极差值R可知，5个因素对椰子油提取率影响的程度依次为C(酶解温度)>E(酶解时间)>B(复合酶比)>A(料液比)>D(加酶量)。最优方案为C3E1B1A3D3或C3E1B1A1D3，即料液比1∶1或1∶2、酶解温度55℃、加酶量0.25%、酶解时间16 h、复合酶比1∶1。
将通过正交实验确定的两个最优方案C3E1B1A3D3和 C3E1B1A1D3进一步做验证实验，经过3次平行实验，方案C3E1B1A3D3得到的椰子油提取率高于方案C3E1B1A1D3，考虑椰子油提取率以及经济成本，方案C3E1B1A3D3被确定为最优方案。经过3次平行实验，利用最优方案得到的椰子油提取率分别为82.9%、83.1%、83.5%，平均提取率为83.2%。所以水酶法提取椰子油的最佳工艺条件为料液比1∶1、酶解温度55℃、加酶量0.25%、酶解时间16 h，复合酶比1∶1。
2.3 椰子油的理化指标
对最佳条件下提取的椰子油的理化指标进行测定，结果见表3。
表3 椰子油的理化指标
由表3可知，通过水酶法提取的椰子油酸价(KOH)和过氧化值分别为0.56 mg/g和0.36 mmol/kg，均优于行标NY/T 230—2006。
3 结 论
在单因素实验的基础上，通过正交实验优化，得到水酶法提取椰子油的最佳工艺条件为料液比1∶1、复合酶比(纤维素酶与木瓜蛋白酶质量比)1∶1、酶解温度55℃、加酶量0.25%、酶解时间16 h，在此条件下椰子油提取率可达83.2%。水酶法制备的椰子油酸价(KOH)和过氧化值分别为0.56 mg/g和0.36 mmol/kg，均优于行标NY/T 230—2006。
