超声、冷冻-微波辅助水酶法提取芝麻油的研究

张雅娜，郭丽，苏悦，李晓东

（绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江绥化152061）

芝麻含油量高，有油料作物“皇后”之美誉，属小品种油料作物中的大品种[1]。芝麻油是世界卫生组织公布的三大最佳食用油之一，不仅具有较高的营养价值，同时还具有药用价值，被列入中国、美国、日本等国药典，因此被称为“油中之王”[1-2]。芝麻油中富含不饱和脂肪酸，且脂肪酸组成合理，其中油酸含量为36.9%～50.5%，亚油酸含量为36.9%～49.1%，对降低胆固醇、软化血管，防止因血管硬化引起的疾病非常有益；更重要的是含有独特的营养成分——芝麻木酚素，芝麻木酚素类物质具有抗衰老、促进肝脏解毒、抑制诱发癌症、增强免疫力、预防心血管疾病、防止中风等功效[3]。

目前芝麻油的传统制取方法主要有水代法、机械压榨法等。水酶法是近年来新兴的一种环保提油技术，油脂科学界将水酶法提油技术称为“一种油料资源的全利用技术”。与芝麻油传统制取技术相比，水酶法制备芝麻油特点是可以同时得到芝麻油和蛋白质，缩短工艺路线；操作条件温和、低耗能、低投资、产油率高；不使用有机溶剂，低碳安全环保[4]。在制油工艺中，预处理工艺对于油脂的提取起着至关重要的作用，预处理效果好坏，直接影响油脂提取率的高低。油脂存在于油料的完整细胞内，且油脂的存在形式为两种，一种是游离油，一种是油脂与其他物质的复合形式。预处理的主要作用，一方面是破坏细胞的完整结构；另一方面是破坏油脂与其他物质的复合形式，从而有利于油脂的充分释放，以提高油脂得率。

水酶法常用的预处理方式有机械粉碎法、超声波法、挤压膨化法、热处理法等，用于水酶法提取芝麻油的预处理方法中，机械粉碎法是利用最多的预处理方法[5]，而冷冻-微波解冻和超声波预处理技术则研究的较少。冷冻分为速冻和缓冻，冷冻-微波解冻预处理主要采用的是缓冻，其原理是缓冻过程中能够形成大而少的冰晶，这些锐利的冰晶可以刺破细胞组织，破坏细胞的完整结构，使细胞内容物（包括油脂）释放，因此缓冻能够强化油脂的提取，提高细胞的破碎度，从而提高油脂的提取率。微波技术是一项新型食品解冻技术，具有加热速度快、解冻时间短、节能高效、安全无害、容易瞬时控制、选择性和穿透性好等特点，符合现代社会和生产企业的需求[6]。超声波辅助水酶法提取技术是一种新兴的提取分离技术，能够强化植物中油脂的提取、加速传热和传质过程[5]。在超声波作用下，产生的空泡在爆裂时可以产生巨大的剪切力，因此可以有效的破坏油料的细胞壁，并使细胞壁内的物质得到释放[7]。

本试验对超声波、冷冻-微波解冻两种预处理辅助水酶法提取芝麻油进行研究，在单因素的基础上选出最佳的超声波、冷冻-微波解冻预处理条件，再利用正交试验法进行优化，并对两种预处理得到的芝麻油与成品芝麻油进行品质指标的对比分析，为全面理解水酶法芝麻油的性质，水酶法油脂精炼以及工业应用提供一定的研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脱皮白芝麻：安徽省涡阳县；压榨芝麻油：安徽省凤阳县御膳油脂有限公司；Alcalase 2.4L（酶活2.4 AU/g）：丹麦 novo 公司。

ESJ205-4 电子分析天平：普利赛斯国际贸易有限公司；ZH-25B-B11 多功能食品加工机：河南新飞电器集团有限公司；JY92-IIN 型超声波细胞粉碎机：北京泰亚赛福科技发展有限责任公司；DW-86L386 立式超低温保存箱：青岛海尔特种电器有限公司；GL-16G-II 高速冷冻离心机：上海安亭科学仪器厂；HZS-H 水浴振荡器：哈尔滨市东联电子开发有限公司；PHS-3C 型pH 计：杭州齐威仪器有限公司；JOYN-H1C1 微波化学实验炉：上海乔跃电子有限公司；KDN-103F 自动定氮仪、HYP-10404 十孔消化炉：上海纤检仪器有限公司；SCT-02 索氏抽提器：天津玻璃仪器厂；SX-4-10 箱式电阻炉：天津市泰斯特仪器有限公司；WSL-2 罗维朋比色计：浙江托普仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验工艺流程

1.2.2 芝麻主要成分的测定

水分：GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》[8]；粗脂肪：GB 5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》[9]；粗蛋白：GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》[10]；灰分：GB 5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》[11]。

1.2.3 水酶法芝麻油提取

超声波预处理：将50 g 芝麻采用多功能食品加工机I 档进行粉碎得芝麻粉，按照试验设计进行水分调节，水分调节后将烧杯转移至超声波细胞粉碎机中进行超声处理。

冷冻-微波解冻预处理：将50 g 芝麻采用多功能食品加工机I 档进行粉碎得芝麻粉，按照芝麻粉∶水=1 ∶6（g/mL）进行水分调节，水分调节后进行冷冻处理，将冷冻后的芝麻物料，采用微波化学实验炉进行微波解冻处理。

水酶法步骤：本试验酶解所用的酶制剂为水解蛋白酶Alcalase 2.4L[3，12]，加酶量为2%（脱皮白芝麻粉质量的2%），酶解温度55 ℃，酶解时间3 h，酶解pH 值为9.0，酶解过程用2 mol/L 的NaOH 溶液调整酶解过程的pH 值。酶解结束后进行离心操作（转速10 000 r/min、时间 20 min、温度 4 ℃），离心后分为 4 层（游离油、乳状液、水解液、残渣），取出乳状液再次进行冷冻、微波解冻处理，进行二次离心，得到游离油2，最后将两次得到的游离油称量计数。芝麻油提取率计算公式如下：

1.2.4 超声波预处理试验

1.2.4.1 超声波预处理单因素试验

分别以料液比 [1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7（g/mL）]，超声时间（10、20、30、40、50 min），超声功率（30 %、40 %、50 %、60 %、70 %），超声温度（10、20、30、40、50 ℃）为单因素，考察各因素对芝麻油提取率的影响。

1.2.4.2 超声波预处理正交试验

在单因素试验基础上，根据结果确定正交试验条件范围，以料液比、超声时间、超声功率和超声温度为因素，以芝麻油提取率为指标，进行四因素三水平正交试验，确定最佳预处理条件。超声波预处理正交试验因素与水平表见表1。

表1 超声波预处理正交因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal test for ultrasound pretreatment

1.2.5 冷冻-微波解冻预处理试验

1.2.5.1 冷冻-微波解冻预处理单因素试验

分别以粉碎时间（12、16、20、24、28 s），冷冻时间（8、12、16、20、24 h），冷冻温度（-10、-20、-30、-40、-50 ℃），微波解冻时间（6、8、10、12、14 min）为单因素，考察各因素对芝麻油提取率的影响。

1.2.5.2 冷冻-微波解冻预处理正交试验

冷冻-微波解冻预处理正交试验因素与水平表见表2。

表2 冷冻-微波解冻预处理正交试验因素与水平表Table 2 Factors and levels of the orthogonal test for freezemicrowave thawing pretreatment

1.2.6 芝麻油品质指标测定

GB/T 5525-2008《植物油脂透明度、气味、滋味鉴定法》[13]；GB/T 22460-2008 《动植物油脂罗维朋色泽的测定》[14]；GB 5009.229-2016《食品安全国家标准食品中酸价的测定》[15]；GB 5009.227-2016 《食品安全国家标准食品中过氧化值的测定》[16]。

1.2.7 分析方法

所有的试验至少进行3 次，利用Origin 8.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 芝麻的主要成分含量

芝麻的主要成分见表3。

表3 芝麻的主要成分Table 3 Main components of the sesame

由表3 所示，本试验的脱皮白芝麻主要成分为：水分约为4.07 %，粗脂肪约为65.73 %，粗蛋白约为22.40%，灰分约为2.85%。

2.2 超声波预处理试验结果

2.2.1 超声波预处理单因素试验结果

2.2.1.1 料液比对芝麻油提取率的影响

料液比对芝麻油提取率的影响见图1。

图1 料液比对芝麻油提取率的影响Fig.1 Effects of ratio of material on sesame oil yield

由图1 可知，当料液比未达到 1 ∶6（g/mL）时，随着溶剂体积增加，芝麻油的提取率逐渐增加；当料液比为1 ∶6（g/mL）时，芝麻油提取率最高，为 71.23%，当料液比在1 ∶6（g/mL）以后，芝麻油提取率出现下降趋势。当溶剂体积较小时，体系黏度较大，不利于酶分子的迁移和油分子的游离，而当溶剂体积较大时，酶与底物发生碰撞的几率降低，不利于油脂的提取[17]，因此，最佳料液比为 1 ∶6（g/mL）。

2.2.1.2 超声时间对芝麻油提取率的影响

超声时间对芝麻油提取率的影响见图2。

图2 超声时间对芝麻油提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on sesame oil yield

由图2 可知，当超声时间小于40 min 时，随着超声时间的延长，芝麻油提取率逐渐增加，这是由于在超声作用的初始阶段细胞膜的破碎相对较大，内容物不断释放，使得芝麻油提取率不断增加；当超声时间为40 min 时，芝麻油提取率最高，为72.43%；超声时间在40 min 以后，芝麻油提取率略有下降，其原因是一方面由于超声波从芝麻外部向内部扩散，扩散区域减小，距离增大，扩散率相应减小[18]；另一方面超声时间长会使体系温度急剧升高，导致油分解或挥发，使得芝麻油提取率下降[19]。因此，最佳超声时间为40 min。

2.2.1.3 超声功率对芝麻油提取率的影响

超声功率对芝麻油提取率的影响见图3。

图3 超声功率对芝麻油提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on sesame oil yield

由图3 可知，当超声功率小于60%时，随着超声功率的增加，芝麻油提取率逐渐增加，这是因为大量的超声波通过溶液产生大量气泡，气泡瞬间破裂形成局部瞬时压力，产生强大的冲击作用破坏细胞壁，从而提高出油率[20]；当超声功率为60%时，芝麻油提取率最高，为73.34%；超声功率在60%以后，芝麻油提取率反而下降，这可能是由于产生了自由基导致油降解[21]。因此，最佳超声功率为60%。

2.2.1.4 超声温度对芝麻油提取率的影响

超声温度对芝麻油提取率的影响见图4。

图4 超声温度对芝麻油提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on sesame oil yield

由图4 可知，当超声温度小于40 ℃时，随着超声温度的增加，芝麻油提取率逐渐增加，这可能是由于小分子扩散运动和油料空化不足所致，从而降低了提油率；当超声温度为40 ℃时，芝麻油提取率最高，为71.98%；超声温度在40 ℃以后，芝麻油提取率逐渐下降，这可能是由于温度过高导致物料轻微糊化及变性，不利于油脂的释放，继而使得提油率降低[22]。因此，最佳超声温度为40 ℃。

2.2.2 超声波预处理正交试验结果

超声波预处理正交试验结果及数据分析见表4。

由表4 可知，由正交试验结果分析最优水平为4号组合，即A2B1C2D3；按照极差R 值的大小确定各因素的主次顺序为RA＞RB＞RD＞RC，即影响芝麻油提取率因素的主次关系依次是料液比、超声时间、超声温度、超声功率；再根据k 值分析得出的最佳水平组合为A3B1C2D3未出现在9 组试验中，因此增加验证试验，结果见表5。

表4 超声预处理正交试验结果及数据分析Table 4 The orthogonal experiment results and data analysis of ultrasound pretreatment

表5 验证试验结果Table 5 Experiment results of verification

由表5 可知，A2B1C2D3组合更优于A3B1C2D3组合，因此得到超声预处理最佳条件：料液比1 ∶6（g/mL）、超声时间为30 min、超声功率为60%、超声温度为50 ℃，此条件下芝麻油提取率最高，为81.32%。

2.3 冷冻-微波解冻预处理试验结果

2.3.1 冷冻-微波解冻预处理单因素试验结果

2.3.1.1 粉碎时间对芝麻油提取率的影响

粉碎时间对芝麻油提取率的影响见图5。

图5 粉碎时间对芝麻油提取率的影响Fig.5 Effect of crushing time on sesame oil yield

在水酶法工艺中，油料的粉碎程度对提高油料有效成分的得率起着重要作用，采用机械粉碎，最大程度破坏油料细胞，作为水酶法预处理工艺十分关键。由图5 可知，当粉碎时间在12 s～24 s 时，芝麻油提取率随着粉碎时间的延长而增加，其原因是芝麻比表面积逐渐变大，酶可作用的面积相应增大，因此芝麻油提取率也相应的提高[23]。当粉碎时间为24 s 时，芝麻油提取率最高，其原因可能是芝麻粉碎24 s 时其粒度大小较适宜，芝麻细胞破壁较完全，油脂充分释放，芝麻油提取率最高。粉碎时间在24 s 以后，芝麻油提取率反而降低，其原因是一方面粉碎时间较长时，部分油脂被粉碎出来，芝麻粘结成块，导致油脂部分损失，使得芝麻油提取率降低；另一方面随粉碎时间延长，破乳难度提高了，导致芝麻油提取率降低[24]。因此，选择粉碎时间为24 s。

2.3.1.2 冷冻时间对芝麻油提取率的影响

冷冻时间对芝麻油提取率的影响见图6。

图6 冷冻时间对芝麻油提取率的影响Fig.6 Effect of freezing time on sesame oil yield

由图6 可知，当冷冻时间小于16 h 时，随着冷冻时间的增加，芝麻油提取率逐渐增加；当冷冻时间为16 h 时，芝麻油提取率最高；冷冻时间在16 h 以后，芝麻油提取率趋于平稳。这是由于冷冻16 h 前是冰晶形成且不断长大的过程，对细胞结构具有一定程度的破坏，有利于提高芝麻油提取率[25]；而冷冻超过16 h，冷冻时间过长，冰晶增加缓慢，破坏细胞组织的概率不再增加，使得芝麻油提取率变化不明显，趋于平稳。因此，从经济成本角度考虑，选择冷冻时间为16 h。

2.3.1.3 冷冻温度对芝麻油提取率的影响

冷冻温度对芝麻油提取率的影响见图7。

图7 冷冻温度对芝麻油提取率的影响Fig.7 Effect of freezing temperature on sesame oil yield

由图7 可知，当冷冻温度在-10 ℃～-30 ℃时，随着冷冻温度降低，芝麻油提取率逐渐增加。当冷冻温度达到-30 ℃时，芝麻油提取率最高，有研究表明对于一定的冷冻温度，有一相应的最终冰晶尺寸[26]，因此可能原因是在冷冻温度为-30 ℃时形成的冰晶尺寸最大，破坏细胞程度大，油脂释放充分，芝麻油提取率最高。继续降温，芝麻油提取率反而降低，其原因是冷冻介质温度越低，冰晶生长速度越快，导致形成的晶核数量多而不可能形成较大的冰晶[26]，细胞破坏不充分，使得提油率降低。因此，选择最适冷冻温度为-30 ℃。

2.3.1.4 微波解冻时间对芝麻油提取率的影响

微波解时间对芝麻油提取率的影响见图8。

图8 微波解时间对芝麻油提取率的影响Fig.8 Effect of microwave thaw time on sesame oil yield

由图8 可知，当微波解冻时间小于12 min 时，随着微波解冻时间的延长，芝麻油提取率逐渐增加，是由于微波解冻时间不足，冰晶无法完全溶解。当微波解冻时间为12 min 时，芝麻油提取率最高；当微波解冻时间在12 min 以后，芝麻油提取率反而降低，解冻时间过长，将导致芝麻物料中的水分蒸发，可能使游离油与蛋白质再度结合[27]，降低芝麻油提取率，这与张涛等[25]研究的结论一致。因此，选择最适微波解冻时间为12 min。

2.3.2 冷冻-微波解冻预处理正交试验结果

冷冻-微波解冻预处理正交试验结果及数据分析见表6。

表6 冷冻-微波解冻预处理正交试验结果及数据分析Table 6 The orthogonal experiment results and data analysis of freeze-microwave thawing pretreatment

由表6 可知，由正交试验结果分析最优水平为6号组合，即A2B3C1D2；按照极差R 值的大小确定各因素的主次顺序为RD＞RB＞RA＞RC，即影响芝麻油提取率因素的主次关系依次是微波解冻时间、冷冻时间、粉碎时间、冷冻温度；再根据k 值分析得出的最佳水平组合为A2B3C3D2未出现在9 组试验中，因此增加验证试验，结果见表7。

表7 验证试验结果Table 7 Experiment results of verification

由表7 可知，A2B3C1D2组合更优于A2B3C3D2组合，因此得到冷冻-微波解冻预处理最佳条件：粉碎时间为24 s、冷冻时间为20 h、冷冻温度为-20 ℃、微波解冻时间为12 min，此条件下芝麻油提取率最高，为85.23%。

2.4 芝麻油品质分析

芝麻油品质特性比较见表8。

由表8 可知，两种水酶法芝麻油未经过任何精炼处理，属于芝麻原油，从透明度以及不溶性杂质来看，与成品芝麻油（压榨芝麻油）相同。从气味、滋味来看，两种水酶法芝麻油无异味，具有清香味，较压榨芝麻油清淡；从色泽来看，两种水酶法芝麻油的色泽较浅，两者相比超声波预处理得到的芝麻油更浅，但均达到精炼一级油的标准，而压榨芝麻油的色泽较深，符合一级芝麻香油的标准[28]，两种油的颜色、气味、滋味不同，主要是由于压榨制油存在着高温处理，温度较高会发生美拉德反应，产生呈色呈味物质，因此压榨法芝麻油香气较浓，颜色较深，而水酶法整个过程温度不超过60 ℃，温度较低，因此水酶法芝麻油香气较淡，颜色较浅。

表8 芝麻油品质特性比较Table 8 The compare of quality characteristics of soybean oil

酸价主要体现油脂中游离脂肪酸含量的多少，通过酸价大小可以评价油脂品质的好坏。3 种芝麻油的酸价存在着明显差异，通过试验得到，两种水酶法芝麻油的酸价低于压榨芝麻油的酸价，这是由于在水酶法酶解过程中，提取环境为碱性环境，中和了一部分游离脂肪酸的结果，根据国家标准GB/T 8233-2018《芝麻油》[28]，两种水酶法芝麻油能达到精炼一级油标准，但两者相比超声波预处理得到的芝麻油酸价更小，品质更好；而压榨芝麻油酸价符合一级芝麻香油的标准。

过氧化值的大小代表油脂氧化初级产物过氧化物含量的高低，代表油脂氧化酸败的程度，通过试验得到，两种水酶法芝麻油的过氧化值低于压榨芝麻油的过氧化值，其原因主要是压榨法制油过程中存在高温处理，导致油脂氧化，使油脂过氧化值较高，而水酶法提取条件温和，温度较低，抗氧化物质损失较少，油脂氧化程度较低；另一个原因是脂类氧化速率会受多种因素影响，在水酶法提取过程中油滴存在于O/W 乳化体系中，氧必须扩散到水相并通过油水界面才能接近油脂，从而减缓了氧化速率，同时酶可降解蛋白，产生的水解蛋白具有一定的抗氧化活性，也使油脂的氧化速率减慢[29]。两种水酶法芝麻油过氧化值相比，冷冻-微波解冻预处理得到的芝麻油过氧化值更高，其原因可能是微波解冻过程中温度较高导致油脂氧化。根据国家标准GB/T 8233-2018《芝麻油》[28]，3 种芝麻油均达到国家标准[28]，其中超声预处理得到的芝麻油过氧化值最低，其品质最好。

综合芝麻油的质量标准，水酶法芝麻油符合精炼芝麻油的标准，有文献记载，水酶法油脂无需精炼处理可直接食用[30]。因此，水酶法芝麻油无精炼能耗，进而减少了经济成本。

3 结论

试验得到超声波预处理条件为料液比1 ∶6（g/mL）、超声时间30 min、超声功率60%（总功率为500 W）、超声温度50 ℃，在此条件下芝麻油提取率为81.32%；冷冻-微波解冻预处理条件为粉碎时间为24 s、冷冻时间为20 h、冷冻温度为-20 ℃、微波解冻时间为12 min，在此条件下芝麻油提取率为85.23%。通过比较芝麻油品质指标，结果表明超声波预处理得到的芝麻油品质优于冷冷冻-微波解冻预处理得到的芝麻油，且两种芝麻油都能达到成品芝麻油的标准。