初榨椰子油加工技术的研究进展

赵津好, 张玉锋,2,3, 董泽来

(中国热带农业科学院椰子研究所1,文昌 571339) (海南省椰子深加工工程技术研究中心2,文昌 571339) (椰子国家工程研究中心3,文昌 571339) (云南农业大学热带作物学院4,普洱 665000)

椰子(CocosnuciferaL.),系棕榈科椰子属热带木本植物,广泛分布于热带和亚热带地区,其各个部位均可加工利用,经济价值较高,因此享有“生命之树”的美称。椰子主要的可食用部分为固体胚乳(椰肉)和液体胚乳(椰子水),其营养价值很高,富含钙、磷、钾、维生素、矿物质及氨基酸等,其具体含量可因产地环境等因素而改变[1]。一般情况下,新鲜椰肉中含有脂肪质量分数为35.2%、蛋白质质量分数为3.8%、水质量分数为40.0%;椰浆是由椰子破壳的新鲜椰肉经灭酶后研磨榨汁过滤取得,脂肪和蛋白质质量分数与椰肉相似,分别为35.0%和3.5%;而椰干是由新鲜椰肉经日晒、烘干等方式去除水分获得,其脂肪质量分数为68%,而其水质量分数仅为2%～3%[2]。椰子油与棕榈油和动物脂肪一样,是人们获取饱和脂肪的主要来源,其中椰子油的饱和脂肪酸质量分数可达90%以上[5]。同时,椰子油还是亚洲南部和东南部居民的最主要的食用油。亚洲和太平洋椰子联合会(APCC)和菲律宾国家标准(PNS)明确了初榨椰子油(VCO)的定义:即以新鲜成熟椰肉(授粉后12个月大)为原料,通过机械、天然、无论加热与否的非化学方法,获得的具有天然椰子香味、无色无异味的植物油脂,其水质量分数通常低于0.1%,且含有微量的生育酚、甾醇等营养伴随物。VCO的加工工艺主要包括干法和湿法两大类,其中干法加工是通过冷磨或低温压榨从椰蓉/椰干中提取油脂的工艺;而湿法加工则通常借助发酵或酶作用从椰浆中提取油脂的工艺。总体来看,湿法工艺具有生产时间短,油脂提取率高,最大程度保留营养伴随物等优点[6]。

我国是食用油脂消费大国,2021年植物油消耗量3 700余万t,但自给率仅有30.5%,且呈逐年下降趋势。相关数据显示,2020年全球椰子油产量逾300万t,占植物油产量的3%,其中我国椰子油的年产量达2.4万t,且近5年来,我国椰子油产量整体呈现增长趋势。目前,椰子油主要应用于食品领域,占比51%,其次47%用于工业领域[9]。为提高VCO产量,获得高质量的油脂,国内外众多学者对其加工工艺和功能活性不断革新及探索,使得椰子油领域的应用领域日益广阔。然而,国内椰子油产量不能满足市场需求,而且原料短缺、油脂品质参差不齐和新技术的应用明显不足等问题制约了VCO产业的发展[11]。主要从VCO的加工工艺及其品质对比方面综述国内外相关研究进展,为VCO加工工艺的优化和椰子油产业的可持续发展提供理论支持及参考价值,增进消费者对VCO功能活性的认知。

1 初榨椰子油的加工工艺

干法和湿法是提取VCO的主流加工工艺。其中,干法加工工艺简单,但生产的椰子油品质较低,油脂的平均提取率约为50%[12];湿法工艺包括冻融离心、酶解法和发酵等众多加工方式,因提取条件相对温和,可更充分提取油脂,其最高油脂提取率可达90%及以上且能最大程度保留油脂的营养伴随物[13]。我国海南省VCO产业发展迅速,但产品质量参差不齐,在一定程度上限制了行业持续健康发展。

1.1 干法

干法提油是椰子油加工的传统工艺,通常是将椰肉经过日晒或烘干处理后再进行压榨后获得椰子油。该工艺中椰肉的水分含量是影响椰子油品质及提取率的关键因素,最早是以日晒的方式获得椰干,然后粉碎后榨油,后来人们开始优化日晒工艺,并开始尝试新的干燥方式。如Seneviratne等[2]将椰肉进行连续7～14 d,每日8 h日晒获取椰干,再通过机械榨油的方式提取椰子油,但油脂的提取率低,原料处理条件难以控制,得到的油脂品质较差。为探索更稳定的椰肉干燥条件,Ghani等[14]对比了烘箱和日晒2种干燥方式对VCO提取率和品质的影响,结果发现烘箱干燥法的VCO提取率相对较高,且水分含量、过氧化值及游离脂肪酸含量较低,油脂品质较日晒方式有明显提高。为进一步优化干法工艺, Mohammed等[12]在35 ℃条件下将椰肉烘干48 h后,利用螺旋杆压榨的方式,所得VCO提取率达54%,游离脂肪酸仅为0.16%,相比前期研究,该方法榨取的椰子油品质及提取率都有了明显提升。

干法加工具有工艺简单、投资成本低等优势,但干燥过程耗时较长,且椰肉在晒制或干燥过程中容易被黄曲霉菌等微生物污染,从而导致椰子油中游离脂肪酸含量偏高[11];另外,高温压榨过程中还会影响油脂的椰香味且使甾醇、多酚等物质丧失其活性。为了改善干法工艺的缺陷,近年来,椰子油加工企业开始尝试干法与溶剂提取等工艺相结合的方式,但油脂品质无有明显改观,因此新型加工工艺有待探索。VCO提取工艺分解图如图1所示。

1.2 湿法

1.2.1 超临界二氧化碳萃取

超临界二氧化碳萃取是一种新兴的油脂制备方法,利用超临界二氧化碳对天然产物的溶解作用提取油脂[16]。关于超临界萃取VCO 的最佳条件已取得相关研究进展,如郑亚军等[17]优化了该工艺的制备条件,得到了超临界二氧化碳萃取VCO的最佳条件,在二氧化碳流速为25 L/h、温度为45 ℃、压力为35 MPa、萃取时长为60 min的条件下,VCO的提取率为93.24%,油脂呈淡黄色、清澈透亮、椰香味十分浓郁。Aytaç[18]为进一步提高VCO的品质,探索优化超临界二氧化碳的最佳提油条件,对比了不同温度及压力条件下的油脂品质后,发现在压力在30 MPa、温度60 ℃且二氧化碳流速为10 g/min的条件下萃取60 min获得VCO的品质最好,其月桂酸质量分数高达53.19%。

图1 VCO提取工艺分解图[15]

虽然超临界萃取不仅具有操作简单、快捷高效、条件温和、绿色环保等优势,且能获得高品质的椰子油,但因其是设备造价偏高,难以实现规模化利用,因此如何降低生产成本将是超临界萃取工艺的研究重点[19]。

1.2.2 冻融离心工艺

冻融离心是一种利用低温破坏椰浆(奶)的乳化结构,再借助离心机的高速向心力作用分离油脂层,从而获得VCO的方法。学者们不仅探索了冻融离心提取油脂的最佳条件,还不断改善了该冻融离心的工艺流程。早期研究中,Raghavendra等[21]对比了不同温度处理组(5、10、15、20 ℃)在冷冻6 h后VCO的提取率,结果表明在30 ℃离心条件下VCO的提取率为65%;为提高该工艺的提取率,Oseni等[22]优化冻融离心工艺,将椰浆在0 ℃条件保存下6 h后室温解冻,离心获得的VCO提取率为70%;为提高该工艺提取VCO的品质,李瑞等[11]通过在-60 ℃条件下冷冻,65 ℃解冻反复3次之后离心,获得VCO的提取率为48%,获得的VCO油脂的水分质量分数低于0.091%,其各项理化指标证明该油脂质量标准高于APCC和我国食用油国家标准。

相比于干法等其他提炼工艺,冻融离心处理条件温和,其优势是能保留椰子油中的多酚、VE和甾醇等营养伴随物,提高了油脂品质,但油脂提取率整体偏低,且生产连续性较差,有必要进一步的优化和升级。

1.2.3 酶解法

酶解工艺利用各种酶的不同特性,通过酶解乳化的方式,使椰浆中稳定结构失衡从而获得VCO[23]。早期研究中,夏秋瑞等[24]在探索酶解法优化条件的过程中发现,在50 ℃条件下利用纤维素酶水解36 h制备VCO,其VCO提取率可达90%,但VCO的游离脂肪酸含量偏高。近年来,为解决油脂水解酸败的过程中产生异味的难题,Raghavendra等[21]通过优化酶解工艺,减少油脂中酯类结构水解产生游离脂肪酸的含量,从而获得高质量VCO。在椰浆中加入质量分数为0.1%的天冬氨酸蛋白酶,并在30 ℃温度下培养3 h后离心,结果VCO的提取率为80%,其游离脂肪酸质量分数仅为0.14%;Pooi-Pooi等[25]利用提取成熟菠萝里的蛋白酶获得的VCO提取率为77%,且其VCO中仅有质量分数0.11%的游离脂肪酸;有学者用0.1%木瓜蛋白酶在55 ℃培养3 h后离心并获得VCO的提取率为62%,其游离脂肪酸质量分数约为0.1%[12]。为进一步提升酶解工艺提取的油脂品质,董家合等[26]利用复合酶优化酶解工艺,将VCO的提取率提升至83%,且其提取的VCO品质高于APCC标准,进一步验证了复合酶解工艺在提取VCO中的发展前景。

酶解法工艺是一种绿色环保的加工方式,提取环境相对温和、无毒[27]。然而,酶解法提取的油脂中水分含量较高,降低了VCO的保鲜期限,同时,增加了油脂水解和被氧化的风险。因此,酶解法提油工艺仍需不断探寻价格低、产量高的酶种,以获得可以量化生产的优质工艺。

1.2.4 发酵法

发酵工艺利用微生物发酵技术去掉沉淀物质、发酵脱脂奶(并不适合日常食用)、发酵凝乳等物质后,将上层的VCO回收利用。Srivastava等[28]利用耗氧型乳酸菌发酵,破坏椰浆中的蛋白质肽键,从而提取VCO。其具体做法是将椰浆放置在35～40 ℃、湿度75%的条件下发酵,将油脂和蛋白质与水分分离,得到了高质量VCO。为了进一步探索自然发酵与微生物发酵对VCO品质的影响,Oseni等[22]对比自然发酵法和菌种发酵法,将椰肉和水质量比1∶1在70 ℃充分混合5 min后获取的椰浆并静置6 h,其中自然发酵法是在40 ℃的条件下发酵16 h后离心,VCO的提取率为68%;而菌种发酵则利用植物乳杆菌在40 ℃培养10 h后离心,VCO最终的提取率约为77%。近年来,学者不断对发酵工艺进行优化,为获得高品质VCO,Rohyami等[29]用椰浆为原料,选择酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)在室温下发酵24 h,获得的油脂中水质量分数为0.12%;Mohammed等[12]将菌种发酵工艺加以优化,在椰浆中加入酿酒酵母后,室温发酵36 h使油脂和水层充分分离,重复提取上层油脂3次,VCO提取率为72%,水质量分数为0.15%。

与传统的提油工艺相比,发酵工艺比较温和,制油过程中可以保持油料中蛋白质的活性。然而,发酵法获得的VCO中的游离脂肪酸普遍含量较高,在一定程度上增加了油脂水解酸败的机率,影响油脂中的椰香风味及口感。因此,发酵法提取油脂的加工工艺还需不断优化。

1.2.5 离心法

离心法是利用高速旋转产生的强大离心力,让密度不同物质发生沉降或漂浮,加速蛋白质与油脂的分离,使其乳状液分离,从而提取VCO[30]。Abdurahman等[31]在最佳离心参数60 min(速度7 168 r/min)条件下,VCO的提取率为45.2%;为进一步改善离心法提油工艺,Oseni等[22]探索了离心最佳条件,在室温下将椰肉与水1∶1混合的混合物离心30 min(速度4 000 r/min),并分离其油脂和乳状液分离,得到澄清VCO的提取率为54.4%。

离心法提油工艺的优势是操作简单、耗时短。但是处理过程中油水分离效果并不明显,可作为提取油脂的前期处理工艺。因此,为增大油脂加工工艺中VCO的提取率并且提高其提取纯度和品质,优化离心加工工艺,并结合多种加工技术的方式仍然需要进一步深入研究。

1.2.6 其他

为攻克不同加工工艺提取的VCO品质差及产量低等难题,不断有学者对加工工艺进行优化。在早期研究中,有学者尝试通过单独变温和pH处理后离心,加速其水乳分离获得VCO,但是其油脂品质相对较低[21]。近年来,为了增加VCO的产量且提高VCO品质,Pooi-Pooi等[25]对比微波技术和超声工艺,在微波450 W(10 min)条件下VCO的提取率为58%,而超声工艺的VCO提取率仅为22%。为探索新型VCO加工工艺,武林贺等[32]利用真空超声辅助酶解工艺提取VCO,在真空度0.09 MPa、微波功率800 W、超声波功率50 W的条件下处理120 s后酶解36 h,可获得高品质VCO,且提取率为90%以上。

微波工艺可获得游离脂肪酸含量较少的可食用VCO,且不影响其油脂中的水分及过氧化值指标,是一种简单、低成本的现代化提油方式[33]。然而微波工艺对VCO的提取率较低,还需进一步优化;单独改变提取工艺中的pH或者温度获得的VCO品质相对较低,其过氧化值和游离脂肪酸含量较高,且VCO的成色气味较差;超声工艺提取VCO中的水分含量远高于行业标准,很大程度影响了VCO的品质及保鲜期限。因此,为提高VCO品质,多种加工工艺结合的方式可纳入后期的研究内容,以实现在不影响VCO品质的同时提高VCO产量。

2 初榨椰子油椰子油的品质对比

根据国际行业标准APCC和市场销售品质要求,VCO中脂肪酸的成分、含量和理化指标可直观判定VCO的品质优劣。由于各类活性物质的不稳定性,不同加工工艺对VCO的各项指标有一定影响。因此,对比不同工艺提取VCO的各项指标可作为判断油脂质量的标准。

2.1 脂肪酸含量

VCO对人体健康的益处在于其中链饱和脂肪酸(MCFA; C6～C12)含量高,有研究表明VCO中MCFAs含量占其总脂肪酸质量的64%,其中月桂酸(C12∶0)和肉豆蔻酸在VCO中占主要的地位[34]。月桂酸是VCO中主要的中链饱和脂肪酸,与长链脂肪酸(LCFA; C14～C24)代谢方式不同,大部分的MCFAs,像碳水化合物一样,不会被轻易的酯化,可被静脉直接汲取后在肝脏中进行新陈代谢,因此也不会造成脂肪的堆积和凝固,能够更直接地给人体供能。而且MCFA在不给心血管及其代谢造成压力的基础上,可在一定程度上提高身体机能[37]。

不同加工方法提取VCO脂肪酸含量对比见表1。根据APCC标准要求,高品质的VCO中应含有质量分数为45%～56%的月桂酸和质量分数为16%～21%的肉豆蔻酸;超临界二氧化碳工艺提取的VCO中月桂酸的质量分数最多(53.19%),肉豆蔻酸质量分数为17.34%,该方法提取油脂中棕榈酸、硬脂酸、油酸等其他脂肪酸含量均符合国际APCC标准且高于市面销售标准;微波和超声工艺提取油脂中的月桂酸含量偏低,但其各项脂肪酸含量指标仍符合APCC及销售标准对VCO的要求;在发酵提油方法中,己酸、辛酸、癸酸含量相对偏高,其中自然发酵工艺中,己酸含量略高于APCC国际标准,而油酸质量分数为0.76%,远低于APCC标准的4.5%～10.0%且不满足市场销售标准;研究数据表明,酶解法提取VCO工艺中的脂肪酸含量符合APCC标准,该方法提取的VCO的脂肪酸含量符合APCC标准;对比其他工艺,离心法和冻融离心工艺提取的油脂中亚油酸含量低于国际标准指标,需要进一步工艺优化。因此,超临界二氧化碳萃取技术可提取高质量且脂肪酸含量丰富的VCO。

不同加工工艺制备得到的VCO脂肪酸含量不同,进而导致提取油脂的品质有差异,因此结合多种加工工艺提取油脂,可作为进一步优化提油技术的思路。

2.2 理化性质比较

APCC制定的VCO标准比较详细,对VCO的水分及游离脂肪酸含量较为严格,因为降低VCO中的水分及游离脂肪酸含量可延长其储藏期,并且较低的过氧化值代表该油脂有极佳抗氧化能力。不同加工工艺提取的VCO应是无色且具有椰子香气的油脂,其理化指标应符合APCC和销售标准的油脂。不同加工方法提取VCO理化指标的对比见表2,对比湿法工艺,干法提油的过氧化值和游离脂肪酸较高,可一定程度降低其油脂品质及保鲜期限;湿法工艺中的超临界二氧化碳技术提取的油脂中水分含量和过氧化值指标均较低,是符合APCC及销售标准的高质量油脂;发酵工艺提取的油脂中过氧化值和游离脂肪酸含量相对其他工艺较高,且略高于市售规格。因此,进一步改善发酵条件、优化发酵工艺、提高VCO品质是必要的;酶解法提取油脂中的游离脂肪酸含量较高,在一定程度上影响VCO的品质也增加了油脂酸败的几率;超声工艺和离心法提取的油脂中,水分含量高于APCC的标准指标,相对较高的水分含量不仅影响VCO的保鲜期限,还增加了油脂水解和被氧化的风险。

表1 不同加工方法提取VCO脂肪酸质量分数/%

对比各种加工工艺,超临界二氧化碳技术作为新型环保工艺在众多加工技术中脱颖而出,可提取品质相对较高的油脂,然而其成本高,难以量化生产仍是难题;同时,湿法工艺提取的油脂中可保留大量的多酚和生育酚等物质,因此为防止脂质和蛋白质氧化,还需要改良其抗氧化状态[39]。为同时提高VCO品质和产量,不同VCO加工工艺的优化和多种工艺优势集成的加工方式是未来研究重要方向。

表2 不同加工方法提取VCO理化指标对比

2.3 营养价值及功能活性

VCO不仅可被直接食用,还可以被转化为更有价值的商业产品。早期使用中,人们就发现VCO在可食用和非食用领域都扮演重要角色,比如作为脂肪来源加入到婴儿食物中,有助于婴幼儿对脂肪的消化和吸收;作为日常烹饪及食品添加剂,可以在增加食物风味的同时增长食物的保质期限;VCO也可以用于生产可生物降解的洗涤剂等其他清洁产品;VCO还可以用于营养保健品、功能性食品、护肤品的油基及护发素等[40]。

一直以来,VCO的部分中链脂肪酸以及多酚等活性物质对人体健康维护和慢性疾病防治等方面有一定的潜力。VCO中脂肪酸独特的代谢方式有益于减少人体脂肪积累、抑制糖尿病恶化,有助于改善血糖耐受情况,促进免疫系统中血球蛋白的生成,提高人体免疫力[34]。

饱和脂肪酸是人体正常代谢和维持结构功能所必须的物质,然而过量食用也会危害人体健康。2015—2020年美国居民膳食指南(DGA)建议控制每天的饱和脂肪酸摄入量低于总卡路里摄入量的10%,可以通过食用不饱和脂肪酸(尤其是多不饱和脂肪酸)替代,从而避免过度摄入饱和脂肪酸,降低心血管疾病的风险[37]。为更好利用VCO的代谢优势,平衡饱和与不饱和脂肪酸摄入比例,Jeyarani等[41]等比混合了VCO和大豆油,制备含有ω-3脂肪酸的可可酱,为消费者提供新产品的同时改善了油脂的品质,也为VCO进一步健康发展提供了新思路。

2.3.1 VCO的代谢优势

VCO可减缓人体脂肪积累且有益于改善阿尔兹海默症。由于VCO中含有丰富的饱和中链脂肪酸,适量摄入VCO可减缓体重的增加,减少脂肪的沉积,同时,可转变成酮类物质给大脑补充能量。Adeyemi等[42]利用小鼠实验,证明饮食中适量的加入VCO可改善肥胖患者肝脏结构变化及一些生化指标偏差,从而维持人体健康状态;有学者指出在85岁以上人群中,大脑中胆固醇的含量可以与人记忆功能成正比,并且提高其胆固醇含量可减少痴呆症状,且高胆固醇水平与寿命长短成正相关关系[43]。

2.3.2 VCO缓解慢性疾病

VCO在维护人体健康和减缓慢性疾病的方面有一定益处。由于VCO中含有大量的月桂酸,其主要组成成分于母乳相似,可以增加婴儿免疫力[44],同时,不同脂肪酸代谢途径可影响乳汁的组成成分,VCO可加在哺乳期女性饮食中帮助其增强免疫力[45]。

适量摄入VCO不仅有益于抑制糖尿病恶化,改善血糖耐受情况,还可以促进免疫系统中血球蛋白的生成,提高人体免疫力。VCO中的饱和脂肪酸在维护人体健康等方面也起到关键作用。有学者研究了月桂酸对促胰岛素的作用,其结果表明癸酸(C10)和月桂酸对胰岛素分泌的影响最强,对体内血糖浓度的控制效果最好;对比食用其他油脂,食用VCO对胰岛素的促进作用更好,并且可以提高胰岛素的结合能力,从而起到控制血糖的作用[46]。富含VCO的饮食有益于降低溃疡性结肠炎和关节肠癌的发病率[47]。同时,相关临床研究也证明VCO中丰富的多酚含量可以改善癌症化疗患者因辐射引起的炎症并提高患者的免疫力等作用[48]。因此,全面展开VCO对人体健康特性及保护作用的研究十分必要。

2.3.3 VCO的抗氧、抑菌作用

VCO含有高比例的膳食类多酚物质和月桂酸含量,具有抗氧化特性及抑菌作用。Yeap等[49]对于VCO在体内抗氧化活性加以研究,实验证明VCO可以在一定程度上减轻油脂成分的过氧化反应同时增加实验鼠体内可平衡机体氧化的重要物质:超氧化物化酶;月桂酸可以作为致病菌的潜在抗菌素,抑制单核细胞增生性李斯特菌、芽胞杆菌,同时还可阻碍粪肠球菌的生长[50,51]。

2.3.4 VCO的护理潜力

热带地区的人们有使用VCO作为天然护理产品的习惯。因其分子结构简单、分子质量轻,与毛发蛋白有很强的亲和力,容易被吸收,在临床试中也取得不错的结果。实验表明,VCO对轻度至中度特应性皮炎的儿童患者的总体治疗结果明显优于矿物油治疗[52]。在医学领域,VCO已被用于治疗多种皮肤疾病,及伤口愈合和微生物感染,并有良好的治疗效果[53]。因此,VCO在改善生活和造福人类等方面有巨大的潜力,但仍需进一步地深入研究。

3 展望

椰子是亚洲地区国家重要的经济作物,其加工技术是生产中最重要的环节。目前,我国椰子油行业产量虽保持较高速度增长,但受限于国内椰子供给能力,存在产量不高,品牌单一等问题。近年来,国内外学者在VCO加工方面开展了广泛的研究,对VCO加工工艺、理化性质及功能应用提供了理论基础和技术支持。作为一项系统的研究,多方面的深度研究有待提高,如在VCO加工工艺优化和其技术普及、VCO对人体健康及慢性疾病防治等方面,都需要深入探究。

多种VCO加工工艺中在增高VCO提取率的同时也需要加大对其理化性质的控制,减少油脂中可挥发物质及水分的含量,从而增加其保鲜时间。同时应重视VCO对人体健康的影响,尤其影响体内胆固醇含量和对心脏的保护作用,以及月桂酸在人体的吸收代谢方式等方面的临床研究。进而构建完整的VCO对慢性疾病的防治网络,在有限的资源下实现经济价值最大化,使我国成为世界椰子油加工和产品销售大国。