用于水酶法提油的油菜籽挤压预处理参数优化

凌 闽， 李琳何， 范方舒， 吴卫国,2， 邱展英， 张 喻,2

(湖南农业大学食品科学技术学院1，长沙 410128) (湖南省菜籽油营养健康与深度开发工程技术研究中心2，长沙 410128)

油菜籽是世界三大油料之一，我国是油菜籽的生产大国，油菜籽产量约占全球总量的19%[1，2]。菜籽油中含有丰富的不饱和脂肪酸，此外还富含维生素E、植物甾醇、多酚等多种天然活性成分[3，4]。长期食用，具有提高免疫力、延缓衰老、降低心血管疾病等方面的功效，深受消费者喜爱[5-7]。

水酶法是一种新兴的绿色提油工艺，通过对油料进行一定的机械破碎，利用生物酶的酶解作用将植物组织中的油脂释放出来，因非油成分对水和油的亲和力以及油水比重的不同，经离心可有效地将油脂提取出来[8，9]。与传统提油工艺相比，水酶法具有原料利用率高、条件温和、耗能低、安全环保等特点[10-12]。水酶法提油过程中，预处理是一道至关重要的工序，其目的是尽量破坏油料细胞壁和脂质复合体，使油脂充分释放，以提高得油率，改善油脂和饼粕的品质[13-15]。目前，预处理方法主要有机械粉碎、超声波处理、挤压处理、热处理等[16]。其中挤压处理可以破坏油料的细胞壁，使其中的纤维和蛋白质的结合松散，增加蛋白质对酶的敏感性，有利于油脂释放[17，18]。其次，在挤压过程中温度设置不高，避免了传统制油方式的高温处理，减少能量损耗，可以最大限度地保留油料中的活性成分和油脂风味，有利于饼粕的进一步加工利用[19]。朱文鑫等[20]研究发现低温挤压时，菜籽中的各成分未发生明显变化，不会产生二次色素，磷脂含量极低，不需经过脱胶处理，简化了精炼的工艺流程。申德超等[21]研究表明挤压参数对提油率和蛋白质的品质影响很大。因此，选择合适的挤压预处理参数具有重要意义。

目前，将挤压预处理结合水酶法提取菜籽油的研究鲜见报道。本实验以油菜籽为原料，对水酶法提取菜籽油的挤压预处理参数进行优化，以期为挤压预处理的工艺改进及工业应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

油菜籽：香油Ⅰ号；氢氧化钠、盐酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾；碱性蛋白酶(酶活≥ 200 U/mg)；所有试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

FMHE36-24R双螺杆挤压膨化机，GFL-230电热鼓风干燥箱，TDZ5台式低速离心机，SHZ-B恒温水浴振荡器，PHS-3E精密pH计，SX-4-10马弗炉。

1.3 方法

1.3.1 基本成分测定

油脂含量测定按GB 5009.6—2016索氏抽提法进行；蛋白质含量测定按GB 5009.5—2016凯氏定氮法进行；水分含量测定按GB 5009.3—2016中直接干燥法进行；总灰分的测定按GB 5009.4—2016中灼烧法进行；纤维素的测定按GB/T 5009.10—2003进行；总糖的测定按GB/T 5009.8—2003中直接滴定法进行。

1.3.2 菜籽油提取

1.3.2.1 工艺流程

油菜籽→清理粉碎→双螺杆挤压→水酶法酶解→灭酶→离心→吸取上清油→干燥→菜籽油

1.3.2.2 操作要点

将干燥的油菜籽清理粉碎，过40目筛，选择12 mm的模孔直径，在一定的挤压条件下进行挤压。称取20.0 g挤压后的油料于250 mL锥形瓶中，按1∶5的料液比加入温度为70～80 ℃、pH为10的热缓冲液。搅拌原料，待其均匀分散后，放入60 ℃的水浴锅中浸提1 h。将样品取出置于室温下，当其温度降至40 ℃左右时，称取3%的碱性蛋白酶加于样品中。样品与酶混匀后，将样品置于50 ℃恒温水浴振荡器中，酶解4 h后取出，于水浴锅中以90 ℃灭酶20 min。将其离心吸取上层清油，在90 ℃的烘箱中烘1 h，计算清油提取率。

1.3.3 清油提取率的计算

清油提取率的计算公式为：

式中：Y为清油提取率/%；m0为挤压油菜籽酶解后所得清油的质量/g；m1为挤压油菜籽的质量/g；m2为挤压油菜籽的含油率/%。

1.3.4 实验设计

1.3.4.1 单因素实验设计

在套筒温度80 ℃、喂料量10 kg/h、螺杆转速120 r/min、物料加水量10%的基础上，分别以套筒温度60、70、80、90、100 ℃，喂料量8、12、16、20、24kg/h，螺杆转速120、150、180、210、240 r/min，物料含水量8%、10%、12%、14%、16%为单因素，考察各因素对提油率的影响。

1.3.4.2 正交实验设计

在单因素实验的基础上，选择套筒温度、喂料量、螺杆转速、物料含水量4个实验因素，进行L16(45)正交实验，对挤压参数进行优化。正交实验因素与水平表见表1。

表1 正交实验因素水平表

1.4 数据统计与分析

采用EXCEL2010进行数据处理，SPSS21.0进行方差分析，ORIGIN2018进行制图，每组实验至少重复3次。

2 结果与分析

2.1 油菜籽主要成分

油菜籽的主要成分见表2。油菜籽中脂肪质量分数最高，为39.523%；蛋白质次之，为23.670%，属于高油高蛋白作物。纤维素含量相对较高，主要存在于种皮中[22]。此外，油菜籽中还含有丰富的磷脂、甾醇和其他生物活性物质[3]。在加工过程中，脱皮可以有效降低纤维素、磷脂的含量，以降低毛油色泽。但油菜籽颗粒较小，大多数机械脱皮效果不理想。因此，目前油菜籽提油仍采用不脱皮的方式。

表2 油菜籽的主要成分(质量分数/%)

2.2 单因素实验结果与分析

2.2.1 套筒温度对提油率的影响

实验所用挤压膨化机共有6个处理阶段，设定第一、二阶段为常温进量，第三至第五阶段为加热阶段，第六阶段出料温度小于50 ℃。固定其他挤压参数不变，通过主机控制面板调节挤压膨化机加热阶段的的温度，探究套筒温度对提油率的影响，实验结果见图1。套筒温度对提油率有显著性影响(P<0.05)。随着套筒温度的提高，油菜籽提油率增加，于80 ℃时达最高，为75.04%；当套筒温度继续提高，提油率开始下降。这是由于当温度较低时，机腔内热量较少，压力较低，细胞壁破坏能力差[21]。随着温度的升高，机腔内压力上升增强了剪切效果，细胞壁的破坏效果较好，并且部分蛋白质发生变性，蛋白酶对蛋白质的水解程度提高，因此提油率较高[23，24]。但过度的高温挤压，会破坏蛋白质空间结构的稳定性，导致油菜籽蛋白完全变性，增加蛋白质的交联作用，酶解效率下降[25]。因而套筒的挤压温度选择80 ℃较为合适。

2.2.2 喂料量对提油率的影响

喂料量对提油率的影响如图1所示。随着喂料量的增加，提油率呈先上升后下降的趋势，当喂料量在12 kg/h时提油率最高。喂料量较少时，螺杆转速不变，物料在腔体内停留时间变短，物料受到的挤压、剪切、摩擦时间较短，细胞壁破坏不完全，酶解提油率较低[26]。喂料量继续增加，机腔内物料之间的阻力加大，物料的摩擦和挤压剪切作用增强，油菜籽细胞的破碎度提高，促进了油脂的释放，因此菜籽的出油率提高。但喂料速度过大，容易导致机腔内物料过量，出现堆积机腔的现象，从而影响腔内螺杆的作用效果，使油料破碎不完全，导致提油效果下降[27]。并且继续增加喂料量，会出现堵机现象。因此，喂料量选择12 kg/h较为合适。

2.2.3 螺杆转速对提油率的影响

螺杆转速对提油率的影响如图1所示。螺杆转速对提油率有显著性影响(P<0.05)，螺杆的转速会影响物料在机腔内滞留的时间和对物料剪切的效果；随着螺杆转速的不断提高，菜籽油提油率呈现先上升后下降的趋势，当螺杆转速达到180 r/min时提油率最高，达75.04%。这是由于当螺杆转速较低时，机腔内螺杆转速对物料的剪切作用较小，对物料细胞壁的破坏效果较差，酶解提油率较低；并且当喂料量不变时，螺杆转速过低会造成堵机现象。随着转速的提高，机腔内螺杆对物料的剪切作用逐渐增强，并且压力不断升高，细胞壁破坏程度高；但当转速过高时，物料在机腔内的横向运动速度过快，停留时间短，物料与螺杆的摩擦不充分，细胞壁的破坏效果差，并且还易造成堵机现象[28]。因此，螺杆的转速选择180 r/min为最佳。

注：小写字母代表数据的显著性差异(P<0.05)，下同。图1 套筒温度、喂料量、螺杆转速和物料加水量对提油率的影响

2.2.4 物料加水量对提油率的影响

在挤压过程中，物料加水量既可以影响物料在挤压过程中的流畅性，又影响挤压后原料的特性。物料加水量对提油率的影响如图1所示。油菜籽的提油率随着物料加水量的增加呈先增加后下降的趋势，当物料含水量为10%时，提油率最高，为75.04%。这是由于当物料加水量较低时，挤压的爆破段水蒸气瞬间蒸发的动力不足，会影响挤压后油菜籽细胞壁破坏的效果，致使提油率低，水分过低，还会造成挤压膨化机的堵机现象[29，30]；而当物料加水量过高时，物料的湿润度加大，在机腔内的流动性增强，受到的压力、剪切力和摩擦力减小，导致油料细胞壁破坏不完全，酶解效果较差[31，25]。康钰[32]在挤压膨化预处理过程中对油料中蛋白结构进行研究，发现物料加水量会使油料蛋白的线性结构发生变化，从而影响酶解过程中油料的释放。因此，物料加水量过少或过多都会影响水酶法提油的提油率，选择物料加水量为10%较为合适。

2.3 正交实验结果与分析

正交实验结果及数据分析见表3。4个因素对提油率影响的大小顺序为：A(套筒温度)>B(喂料量)>D(物料含水量)>C(螺杆转速)；最佳挤压参数组合为A3B2C4D1，即套筒温度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺杆转速210 r/min、物料含水量10%。由表4可得，4个因素的P值均小于0.05，说明4个因素均对油菜籽提油率有显著影响，其中套筒温度对提油率的影响最为显著，其次为喂料量和物料加水量，显著性影响较小的是螺杆转速。

表3 正交实验结果与数据分析

表4 正交实验方差分析

2.4 验证实验

由于最佳挤压参数组合A3B2C4D1不在表3正交实验9个组合中，故对该组合进行了验证实验，重复3次，验证实验结果见表5。组合A3B2C4D1的提油率分别为81.477%、81.461%、79.564%，平均值为80.834%，高于正交实验表中最高提油率79.115%，从而验证了该挤压工艺参数优化组合是可行的。

表5 实验验证结果

3 讨论

水酶法是在机械破碎的基础上利用酶破坏油料种子的细胞壁，使油脂从细胞中释放出来，以提高出油率的提油方法。不同的预处理方法对水酶法提油的影响不同，对于水酶法提油的预处理工艺现已有许多研究。张妍等[33]采用超声波辅助水酶法提取菜籽油，得油率为67.55%，提油效率大大提高。贾照宝等[34]采用粉碎后加热预处理油菜籽结合水酶法提油，油脂提取率高，可达86.3%，但由于粉碎过程中细胞破碎，油脂外溢造成物料结团，颗粒大小不均，粉碎效果差，且热处理导致油脂的品质降低。

目前，对于挤压预处理辅助水酶法提油的研究中，还主要以大豆、米糠为原料进行提油工艺的优化及应用。李杨等[35]对大豆进行挤压处理结合酶法提取大豆油，提油率达91.67%，比传统预处理后酶解的提油率提高了19%。赵新乾等[36]采用挤压膨化结合水酶法提取米糠油，提油率可达89.62%，比采用蒸汽预处理结合复合酶的提油率高了4%左右。而预处理技术的使用还应根据不同的油料进行选择，在以油菜籽为原料的水酶法应用上，挤压预处理的研究还鲜有报道，需进一步探索，以期找到简便、高效、能耗低且适合工业化水酶法提取菜籽油的预处理应用。

4 结论

本实验以油菜籽为原料，研究挤压预处理工艺对水酶法提取菜籽油的影响。由单因素实验可知，随套筒温度、喂料量、螺杆转速和物料加水量的增加，油菜籽提油率均呈先增加后减小的趋势，分别在套筒温度80 ℃、喂料量12 kg/h、螺杆转速180 r/min、物料含水量10%时达到最高。通过正交实验结合方差分析，得出4个工艺参数对提油率影响大小的顺序为：套筒温度>喂料量>物料含水量>螺杆转速，且均有显著性影响。最佳挤压工艺参数为：套筒温度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺杆转速210 r/min、物料含水量10%，在此条件下处理过的油菜籽，用水酶法提油时，清油的提取率可达80.834%。