超声波辅助水酶法提取巴塘核桃油工艺优化及其氧化稳定性

陈炼红,张 岩,王琳琳,李文艺

(西南民族大学生命科学与技术学院,四川成都 610041)

核桃又名羌桃或胡桃,营养丰富,风味怡人,是一种深受消费者喜爱的坚果。核桃仁中含有60%以上的油脂成分,其中不饱和脂肪酸含量高达90%,是十分重要的优质油料来源[1-3]。制出的核桃油中含有大量的油酸(C18∶1)、亚油酸(C18∶2)及亚麻酸(C18∶3)等,具有预防高血压、降低胆固醇、保健益智等功效[4-9],在国内外市场上倍受消费者青睐,具有广阔的市场前景。

巴塘核桃(金核1号)主要产于巴塘县海拔2800 m以下的金沙江干旱河谷地带,是全国最优质的产品之一,是无污染无公害的绿色天然保健食品。其以果大、壳薄、仁多、质好而著称,深受消费者喜爱[10]。核桃仁中油脂含量高于65%,其中不饱和脂肪酸占92%以上,是制作核桃油的优良原料。传统提油多采用压榨法和有机溶剂浸出法[11],但压榨法油脂提取率低,精制工艺繁琐,油品色泽不理想;有机溶剂浸提法提取时间较长,溶剂挥发损失较多,成本较高,且油脂提取率较低[12-13]。而超声波辅助水酶法使用蛋白酶分解核桃仁中的蛋白质,有助于油脂的析出,有效提高核桃油的提取率,缩短提取时间,并具有操作简便等优势[14]。目前,超声波辅助水酶法用于提取核桃油已有研究,而巴塘核桃油提取还未见报道。另一方面,油脂在储藏过程中会发生氧化,使产品产生哈喇子味道[15],油脂品质下降,不同的储藏条件均会对加速这一过程,如温度、光照、容器材料等因素。虽然核桃油中含有大量的不饱和脂肪酸以及VE等活性物质可以作为天然抗氧化物质起到一定的保护作用,但这些作用是有限的,必要时可以添加天然或合成的抗氧化剂以延长核桃油的货架期[16-19]。

鉴于此,本文在单因素试验的基础上,以pH、酶解温度、酶解时间和加酶量为影响因素,进行L9(34)正交实验,以油脂提取率为指标探究最佳提取工艺;以过氧化值和酸价为指标研究核桃油在不同温度、光照、容器材料以及添加抗氧化剂的贮藏条件下氧化稳定性变化,旨在研究超声波辅助水酶法(果胶酶、纤维素酶、中性蛋白酶)提取巴塘核桃油的最佳工艺,并通过测定其理化性质以及氧化稳定性,为巴塘核桃油的工业化生产提供理论依据及技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

巴塘核桃(金核1号) 2016年10月采自四川省甘孜州巴塘县(蛋白质含量为19.69%,水分含量为4.06%,脂肪含量为65.29%);果胶酶(酶活30000 U/g) 成都市科龙化工试剂厂;纤维素酶(酶活≥40000 U/g) 如吉生物科技;中性蛋白酶(酶活≥60000 U/g) 北京博奥拓达科技有限公司;硫酸铜、无水硫酸钾、浓硫酸、盐酸、石油醚、乙醇、乙醚、氢氧化钾、五水硫代硫酸钠、可溶性淀粉、碘化钾、冰乙酸、环己烷、氯仿、酚酞、氢氧化钾、硫代硫酸钠、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、特丁基对苯二酚(TBHQ)、维生素C 均为分析纯,成都市科龙化工试剂厂。

MP512-02型精密纯水pH计 上海三信仪表厂;SKD-800型凯式定氮仪 上海沛欧分析仪器有限公司;FW100型高速万能粉碎机 珠海经济特区飞利浦家庭电器有限公司;DL-20G-Ⅱ型台式高速离心机 上海安亭科学仪器厂;SB25-12DT型超声波清洗仪 济南康发科技有限公司;BSXT-06型索氏提取仪 上海比朗仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 核桃油的提取 工艺流程:筛选核桃→破碎去壳→核桃仁粉碎成浆料→烘干→称取样品→加水→调pH→加酶→超声波细胞清洗仪处理→酶解→灭酶→离心→清油

操作要点:选无霉变无色变的核桃破碎去壳,将核桃仁粉碎后置于60～70 ℃条件下烘干至水分低于5%,取一定量样品置于烧杯中,按1∶5 g/mL加入蒸馏水并按要求调节pH,按质量比1∶1∶1的比例称取适量复合酶(纤维素酶/果胶酶/中性蛋白酶)加入烧杯中,在超声波功率400 W、40 ℃条件下酶解30 min。酶解后将酶解液置于100 ℃条件下水浴5 min,将溶液分装至50 mL离心管中4000 r/min条件下离心20 min,取上清液即核桃油[20-21]。

1.2.2 超声波辅助酶水法提取巴塘核桃油工艺优化

1.2.2.1 单因素实验 根据操作要点,固定酶解温度40 ℃,酶解时间30 min,酶添加量1.4%,探究酶解pH(5、6、7、8、9)对油脂提取率的影响;固定酶解pH为7,酶解时间30 min,酶添加量1.4%,探究酶解温度(20、30、40、50、60 ℃)对油脂提取率的影响;固定酶解pH为7,酶解温度40 ℃,酶添加量1.4%,探究酶解时间(1、2、3、4、5 h)对油脂提取率的影响;固定酶解pH为7,酶解温度40 ℃,酶解时间30 min,探究酶添加量(1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%)对油脂提取率的影响。

1.2.2.2 正交试验 以酶解pH、酶解温度、酶解时间、加酶量为试验因素,采用L9(34)正交试验,以油脂提取率为指标,筛选最佳工艺条件,因素水平如表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level table

1.2.3 油脂提取率测定 称一定质量的核桃仁记为M1,提取出来的油的质量记为M2,巴塘核桃的油脂含量为65.29%。油脂提取率根据核桃油的质量与核桃仁的质量和核桃脂肪含量乘积之比可以计算得出[22-23]。

油脂提取率(%)=M2×100/(65.29% M1)

1.2.4 不同贮藏条件对巴塘核桃油氧化稳定性的影响 分别取超声波辅助水酶法提取出来的巴塘核桃油30 g,分别置于不同的条件下,每隔10 d测定过氧化值和酸值[24-29]。酸价参照GB 5009.37-2003进行测定[30];过氧化值参照GB 5009.227-2016进行测定[31]。

1.2.4.1 温度对氧化稳定性的影响 分别取超声波辅助水酶法提取出来的巴塘核桃油30 g装入无色玻璃瓶中,密封,分别在5 ℃、室温(20 ℃)、30 ℃条件下保存,每隔10 d测定一次过氧化值和酸值。

1.2.4.2 光照对氧化稳定性的影响 分别取超声波辅助水酶法提取出来的巴塘核桃油30 g装入无色玻璃瓶中,密封,分别在室温无光、自然光条的件下保存,每隔10 d测定一次过氧化值和酸值。

1.2.4.3 容器材料对氧化稳定性的影响 分别取超声波辅助水酶法提取出来的巴塘核桃油30 g装入铁罐、无色玻璃瓶和塑料瓶,密封,在室温(20 ℃)下保存,每隔10 d测定一次过氧化值和酸值。

1.2.4.4 抗氧化剂对氧化稳定性的影响 分别取超声波辅助水酶法提取出来的巴塘核桃油30 g装入无色玻璃瓶中,分别加入0.02% BHT、TBHQ、BHT+维生素C(按质量比1∶1混合),密封,在室温(20 ℃)下保存,每隔10 d测定一次过氧化值和酸值。

1.3 数据处理

用Excel软件对数据进行整理,使用SPSS 19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 酶解pH对核桃油油脂提取率的影响 酶解pH对核桃油脂提取率的影响结果见图1。由图1可知:随着pH的逐渐增加,油脂提取率呈先上升后下降的趋势,当pH为7时,油脂提取率明显高于其他试验组。这是由于超声波辅助水酶法提取巴塘核桃油的过程中,复合酶可以溶解细胞壁,使得油脂从细胞中释放出来,pH过高或者过低都会影响酶的作用,降低油脂提取率[32]。

图1 pH对油脂提取率的影响

2.1.2 酶解温度对核桃油油脂提取率的影响 酶解温度对油脂提取率影响的结果见图2。由图2可知:随着温度的上升,油脂提取率呈先上升后下降的趋势,当温度为40 ℃时,油脂提取率最高。这是由于在温度上升的过程中,逐渐接近酶的最适温度,当温度为40 ℃时,酶活力达到最高,当温度继续增加,部分酶活性降低使得油脂提取率下降。

图2 酶解温度对油脂提取率的影响

2.1.3 酶解时间对核桃油油脂提取率的影响 酶解时间对油脂提取率影响的结果见图3。由图3可知:随着酶解反应时间延长,核桃油脂提取率不断提高,酶解3 h时油脂提取率达到最高,3 h之前油脂提取率明显上升,而3 h之后油脂提取率趋于平稳且变化不明显。这可能是由于酶添加量一定的条件下,随着酶解时间的延长,油脂提取率逐渐增加,3 h后,由于底物减少,油脂提取率趋于恒定。

图3 酶解时间对油脂提取率的影响

2.1.4 酶添加量对核桃油油脂提取率的影响 酶添加量对油脂提取率的影响结果见图4。由图4可知:随着酶添加量的增加,油脂提取率明显升高,当酶用量达1.4%后,油脂提取率增加幅度很小。这可能是由于底物的浓度降低或者酶解产生成物对酶具有一定抑制作用,导致油脂提取率趋于稳定,综合考虑提油效果和酶成本,酶添加量为1.4%。

图4 加酶量对油脂提取率的影响

2.2 正交试验结果

表2为正交试验的结果。由表2可知:不同因素对巴塘核桃油脂提取率影响的主次顺序依次为:酶解时间>加酶量>酶解pH>酶解温度,分析得出最佳的生产工艺方案为:A2B3C3D2,不同于试验结果中油脂提取率最高的第三组A1B3C3D3,需要验证试验A2B3C3D2和A1B3C3D3。

表2 巴塘核桃加工工艺正交的试验结果Table 2 Orthogonal test results of Batang walnut processing technology

验证试验结果:A2B3C3D2油脂提取率显著高于A1B3C3D3(p<0.05),为78.91%±0.03%,故正交试验得出的最佳工艺参数为:酶解pH7、酶解温度45 ℃、酶解时间3.5 h、加酶量1.4%。

2.3 不同贮藏条件对巴塘核桃油氧化稳定性的影响结果

2.3.1 温度对氧化稳定性的影响 温度对氧化稳定性的影响结果见图5和图6。由图5、图6可知:不同温度条件下,核桃油的酸价和过氧化值均呈上升趋势。不同温度下其过氧化值和酸值升高的变化趋势为30 ℃>室温(20 ℃)>5 ℃。随着温度升高,脂肪酸的分解更快,同时也生成了一些小分子物质,一是促进脂肪酸的酸败变质,二是化学反应使得体系的温度升高,在低温状态下,抑制了分解和反应的进行,从而使得油脂更难变质。因此,低温有利于提高核桃油的氧化稳定性,可提高其延长保质期。

图5 温度对酸价的影响

图6 温度对过氧化值的影响

2.3.2 光照对氧化稳定性的影响 光照对氧化稳定性的影响结果见图7、图8。由图7、图8可知:光照试验结果表明,避光条件下,巴塘核桃油的酸价和过氧化值变化均小于自然光条件下的酸价和过氧化值。在油脂的贮藏过程中,光照使得油脂分解并使得温度升高,油脂变质。为了保证产品质量和延长保质期,核桃油在贮藏过程中应该避光保存。

图7 光照对过酸价的影响

图8 光照对过氧化值的影响

2.3.3 容器材料对氧化稳定性的影响 容器材料对氧化稳定性的影响见图9、图10。由图9、图10可知:不同材料的贮藏容器中,随着贮藏时间延长,酸价和过氧化值都逐渐升高,贮藏效果由好到差的顺序为:铁罐>无色玻璃瓶>塑料瓶。铁罐相对于塑料瓶来说,铁罐的成分相对稳定,不易与油发生反应;铁罐相对于玻璃瓶来说避光效果更好且密封效果更佳。因此,铁罐是植物油贮藏的良好容器,有利于核桃油的保藏,延长保质期。

图9 容器材料对酸价的影响

图10 容器材料对过氧化值的影响

2.3.4 抗氧化剂对氧化稳定性的影响 抗氧化剂对氧化稳定性的影响见图11、图12。由图11、图12可知:核桃油过氧化值和酸价都随贮藏时间的延长而升高,有抗氧化剂的试验组都低于无抗氧化剂的试验组。不同抗氧化剂的效果因化学结构的差异,所以导致抗氧化性能不同。该试验中,BHT+VC对过氧化值和酸价的变化具有明显的抑制作用,而没有添加抗氧化剂的实验组上升趋势最为明显。本试验的抗氧化剂的抗氧化能力为BHT+VC>TBHQ>BHT>无抗氧化剂。

图11 抗氧化剂对酸价的影响

图12 抗氧化剂对过氧化值的影响

3 结论

通过单因素以及L9(34)正交实验对巴塘核桃油的生产工艺进行优化得出最佳的工艺参数为:pH为7,酶解温度为45 ℃,酶解时间为3.5 h,加酶量为1.4%,在此工艺下油脂提取率最佳,可达78.91%±0.03%。储藏温度、光照、包装材质及添加抗氧化剂等因素均会对核桃油储藏过程中的氧化稳定性产生影响,本研究表明核桃油在冷藏、避光、铁罐灌装并添加0.02%BHT+VC(质量比1∶1混合)的储藏条件下具有较好的氧化稳定性,利于保质期的延长。