水酶法制取菜籽油的超聲輔助微波破乳工藝研究

魏松麗，劉元法，曹培讓，李進偉，孟 宗

(江南大學 食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，食品安全與營養協同創新中心，江蘇 無錫214122)

油脂加工

水酶法制取菜籽油的超聲輔助微波破乳工藝研究

魏松麗，劉元法，曹培讓，李進偉，孟 宗

(江南大學 食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，食品安全與營養協同創新中心，江蘇 無錫214122)

在超聲輔助作用下，采用微波輻射對水酶法制取菜籽油過程中產生的乳狀液進行破乳。采用單因素試驗方法，對超聲輔助微波破乳工藝條件進行優化。結果表明，最優破乳工藝條件為：乳狀液體積分數60%，pH 5.0，超聲強度400 W，超聲溫度40℃，超聲作用時間30 s，微波強度600 W，微波作用時間70 s。在最優工藝條件下，破乳率可達96.30%±1.20%。

菜籽油；水酶法；乳狀液；超聲輔助；微波；破乳

工業上制備菜籽油多以預榨浸出工藝為主，盡管相較于傳統的壓榨工藝，預榨浸出工藝制備的菜籽油得率有所提高，但仍無法克服油品品質較差和污染嚴重等問題[1]。隨著新酶種的不斷出現和酶制劑價格的下浮，水酶法這種綠色新型的制油技術逐漸再次成為國內外研究的熱點。

水酶法制取菜籽油過程中面臨的重要問題是大部分油脂以乳化液的形式與蛋白質緊密結合而難以提取，清油得率低。對此，國內外學者也進行了相關研究，其中Embong等[2]利用煮沸的方法對菜籽油乳狀液進行破乳，最終破乳率達到90%以上；章紹兵等[3]利用冷凍解凍-離心結合的方法對菜籽油乳狀液進行破乳，最終破乳率達75%；胡麗麗等[4]利用無水乙醚萃取-離心結合的方法對菜籽油乳狀液進行破乳，最終破乳率達98.05%。以上研究為解決菜籽油清油得率低的問題做出了貢獻，但破乳方法較為單一，與工業化應用要求還有很大距離。

本研究針對水酶法制取菜籽油過程中乳化液難以破乳的問題，采用超聲輔助微波輻射破乳方法，系統研究了該方法破乳的作用規律，旨在為水酶法制取菜籽油的工業化應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

甘藍型雙低脫皮油菜籽，中國農業科學院油料作物研究所提供；纖維素酶、果膠酶、Alcalase 2.4L堿性蛋白酶，購于諾維信(中國)生物技術有限公司；β-葡聚糖酶，購于美侖生物技術有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、乙醇等均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

小型高速粉碎機：青州市精誠醫藥裝備制造有限公司；電子天平、pH計：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；超級恒溫循環水浴鍋；數顯恒溫磁力攪拌器；RJ-TDL-50A低速臺式大容量離心機：無錫瑞江分析儀器有限公司；醫用低溫箱：三洋電機株式會社；數顯恒溫水浴鍋；旋轉蒸發儀；Scientz ⅡD超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技股份有限公司；NN-T251W型微波爐：日本Panasonic公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

脫皮油菜籽→干磨→加水混合(料液比1∶6)→煮沸4 min→復合多糖酶水解(果膠酶、β-葡聚糖酶與纖維素酶體積比為2∶1∶1，加酶量1.0%，溫度50℃，pH 4.8，時間1 h)→堿提(pH 9.0，溫度60℃，時間30 min)→蛋白酶水解(加酶量1.5%，pH 8.5，溫度60℃，時間3 h)→滅酶(90℃，10 min)→離心(4 500 r/min，10 min)→菜籽乳狀液→加水混勻→超聲處理→調節pH→微波處理→離心→菜籽清油。

1.2.2 破乳技術的篩選

離心分離破乳方法，參照陶海騰等[5]的方法；加熱破乳方法，參照祖亭月等[6]的方法；超聲破乳方法，參照李楊等[7]的方法；冷凍解凍破乳方法，參照彭瑤瑤等[8]的方法；冷凍微波解凍破乳方法，參照齊寶坤等[9]的方法；微波破乳方法，參照王文睿等[10]的方法；乙醇萃取破乳方法，參照李楊[11]的方法；超聲輔助乙醇萃取破乳方法，參照李楊[11]的方法。

1.2.3 超聲輔助微波破乳方法

用50 mL燒杯稱取5 g乳狀液，與一定量去離子水混合，放入超聲波細胞粉碎機中，在一定的超聲溫度和超聲強度下處理一定時間后取出。調節預處理后乳狀液的pH，將其置于微波爐中，在一定的微波強度下處理一定時間后，4 500 r/min離心10 min，得游離油、水相混合液和殘余物。破乳率按下式計算：

1.2.4 統計分析

每個試驗重復3次，結果表示為平均值±標準偏差。采用SPSS17.0軟件對數據進行ANOVA差異顯著性分析，采用Origin8.0和SAS9.1軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 破乳技術的篩選

為確定菜籽乳狀液的最佳破乳技術，對近年來已報道的9種破乳技術的最佳條件進行了試驗，并進行了對比，結果見表1。

表1 不同破乳技術的最佳條件對菜籽乳化液破乳率影響

由表1可知，不同破乳技術對菜籽乳狀液的破乳效果差別明顯，其中超聲輔助乙醇萃取技術對菜籽乳狀液的破乳率最高，為90.47%；冷凍微波解凍技術的效果次之，破乳率為89.82%；微波破乳技術的效果又次之，破乳率為83.93%?？梢?，超聲輔助乙醇萃取、冷凍微波解凍及微波這3種破乳技術較適合應用于菜籽乳狀液的破乳，但考慮到冷凍解凍技術和乙醇萃取技術存在能耗高或有機溶劑使用量大等問題，因而將更加節能環保的超聲輔助和微波破乳技術有機結合，并以此作為菜籽乳狀液破乳的最佳技術進行后續研究。

2.2 乳狀液體積分數對破乳率的影響

在pH 5.0、超聲強度400 W、超聲溫度40℃、超聲作用時間30 s、微波強度600 W、微波作用時間70 s 的條件下，考察乳狀液體積分數對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖1。

由圖1可知，當乳狀液體積分數很低時，破乳效果并不理想，乳狀液體積分數為10%時破乳率僅87.2%，隨著乳狀液體積分數的增大，破乳率逐漸提高，在乳狀液體積分數為60%達到最高，為96.30%±1.20%；之后隨乳狀液體積分數的增大破乳率逐漸降低。此組試驗說明破乳率與乳狀液體積分數有關，原因可能是適宜體積分數的乳狀液經微波作用后水分子高速旋轉、運動，并與油水界面的分子發生碰撞，使ξ-電位遭到削弱或破壞[12]，界面膜強度降低，進而有利于油脂釋放和油滴聚集。因此，選擇乳狀液體積分數為60%。

圖1 乳狀液體積分數對破乳率的影響

2.3 pH對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、超聲強度400 W、超聲溫度40℃、超聲作用時間30 s、微波強度600 W、微波作用時間70 s的條件下，考察pH對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖2。

圖2 pH對破乳率的影響

由圖2可知，乳狀液pH小于7.0時的破乳率均高于pH大于7.0時的破乳率，且當pH為5.0時破乳率最高，為96.30%±1.20%；pH為7.0時破乳率最低，僅為85.2%±1.13%。此組試驗說明破乳率與pH有關，且相較于中性條件，酸性條件和堿性條件均有利于微波破乳，其中酸性條件更有利于破乳的進行。原因可能是酸性和堿性條件下乳狀液內蛋白質帶有較多電荷，微波作用時，帶電荷蛋白質沿電場方向發生振動、聚集，水油兩相間薄膜變薄、破裂，有利于油脂的釋放，且在酸性條件下，由于接近蛋白質的等電點，蛋白質溶解度降低，這也在一定程度上促進了油脂的釋放，與李楊[11]研究大豆油得到的結果相符。因此，選擇pH為5.0。

2.4 超聲強度對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、pH 5.0、超聲溫度40℃、超聲作用時間30 s、微波強度600 W、微波作用時間70 s的條件下，考察超聲強度對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖3。

圖3 超聲強度對破乳率的影響

由圖3可知，隨著超聲強度逐漸增加，破乳率快速上升，并在超聲強度400 W時破乳率達到最高，為96.30%±1.20%；隨著超聲強度繼續增加，破乳率呈現下降趨勢。此組試驗說明破乳率與超聲強度有關，且當超聲強度過小或過大時破乳效果都不理想。原因可能是在超聲強度過小時，超聲作用不能對乳狀液起到分散、均質等作用[13]，不利于微波進一步對乳狀液破乳；當超聲強度過大時，由于超聲的空穴效應改變了菜籽乳狀液中蛋白質的結構，暴露出更多的親水基團[14]，促進乳狀液的進一步乳化并增強了乳狀液的乳化穩定性，不利于破乳的進行。因此，選擇超聲強度為400 W。

2.5 超聲溫度對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、pH 5.0、超聲強度400 W、超聲作用時間30 s、微波強度600 W、微波作用時間70 s的條件下，考察超聲溫度對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖4。

圖4 超聲溫度對破乳率的影響

由圖4可知，隨著超聲溫度的升高，菜籽乳狀液的破乳率先緩慢增大，后快速減小，并在40℃時破乳率達到最高，為96.30%±1.20%。此組試驗說明破乳率與超聲溫度有關。原因可能是超聲溫度升高，分子振動加劇，促進了分子間的擴散作用，而超聲溫度過高，蛋白質發生熱變性，肽鏈結構逐漸展開，甚至斷裂，從而暴露出更多的親油基團，使得吸油性有所升高[15]，從而不利于破乳的進行。因此，選擇超聲溫度為40℃。

2.6 超聲作用時間對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、pH 5.0、超聲強度400 W、超聲溫度40℃、微波強度600 W、微波作用時間70 s的條件下，考察超聲作用時間對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖5。

圖5 超聲作用時間對破乳率的影響

由圖5可知，在超聲作用初期，破乳率隨超聲作用時間的延長迅速上升，并在30 s時破乳率達到最高，為96.30%±1.20%；隨著超聲作用時間的繼續延長，破乳率持續下降。此組試驗說明破乳率與超聲作用時間有關，且超聲作用時間過短或過長破乳效果都不理想。原因可能是超聲作用時間過短，乳狀液還未來得及充分分散，不利于破乳的進行；而超聲作用時間過長時，蛋白質分子結構變得疏松，使疏水性多肽部分展開朝向脂質而極性部分朝向水相，導致乳化活力及乳化穩定性都增強[16]，從而加大了破乳的難度。因此，選擇超聲作用時間為30 s。

2.7 微波強度對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、pH 5.0、超聲強度400 W、超聲溫度40℃、超聲作用時間30 s、微波作用時間70 s的條件下，考察微波強度對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖6。

圖6 微波強度對破乳率的影響

由圖6可知，破乳率隨微波強度的增強不斷上升，在微波強度為600 W時，破乳率趨于最高，為96.30%±1.20%；微波強度大于600 W時，破乳率略有上升。此組試驗說明破乳率與微波強度有關，且隨微波強度的增加而增大。原因可能是由于微波電磁場的高頻振蕩，乳狀液內部的電極性分子自由振蕩，使破乳得以實現[10]，并且隨著微波強度的增加，破乳率呈上升趨勢。微波強度繼續增加，由于油脂的釋放一定程度上限制了界面蛋白質的進一步破壞，故繼續增加微波強度對進一步破乳效果不大。盡管當微波強度大于600 W時破乳率略有上升，但考慮到微波強度大于600 W時破乳效果提升不明顯且能耗增加，所以選擇微波強度為600 W。

2.8 微波作用時間對破乳率的影響

在乳狀液體積分數60%、pH 5.0、超聲強度400 W、超聲溫度40℃、超聲作用時間30 s、微波強度600 W的條件下，考察微波作用時間對菜籽乳狀液破乳率的影響，結果見圖7。

圖7 微波作用時間對破乳率的影響

由圖7可知，破乳率隨微波作用時間的延長不斷上升，在微波作用時間70 s時，破乳率趨于最高，為96.30%±1.20%；微波作用時間大于70 s時，破乳率趨于平衡，變化不明顯。此組試驗說明破乳率與微波作用時間有關，且隨微波作用時間的延長而增大。原因可能是隨著微波作用時間的延長，微波對乳狀液產生的熱效應增強，乳狀液界面張力和黏度下降，油水密度差增加，從而降低乳狀液的穩定性，有利于水油兩相分別聚集[12]，使破乳易于實現。微波作用時間繼續延長，由于油脂釋放已趨于完全，且蛋白質嚴重熱變性，難以與乳狀液中油脂再次結合，故破乳率達到平衡。因此，選擇微波作用時間為70 s。

3 結 論

本文在超聲輔助作用下，采用微波輻射對水酶法制取菜籽油過程中產生的乳狀液進行破乳工藝研究，探討乳狀液體積分數、pH、超聲強度、超聲溫度、超聲作用時間、微波強度、微波作用時間對破乳率的影響。采用單因素試驗方法，對超聲輔助微波破乳工藝條件進行優化，確定最優破乳工藝條件為：乳狀液體積分數60%，pH 5.0，超聲強度400 W，超聲溫度40℃，超聲作用時間30 s，微波強度600 W，微波作用時間70 s。在最優工藝條件下，破乳率可達96.30%±1.20%。因此，超聲輔助微波輻射技術是一種可應用于水酶法制取菜籽油中的非常有效的破乳方式。

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Ultrasound-assistedmicrowavedemulsificationofrapeseedoilpreparedbyaqueousenzymaticmethod

WEI Songli, LIU Yuanfa, CAO Peirang, LI Jinwei, MENG Zong

(Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition, State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China)

The emulsion produced during aqueous enzymatic extraction of rapeseed oil was treated by microwave for demulsification assisted by ultrasound. The process conditions of ultrasound-assisted microwave demuldification were optimized by single factor experiment. The results showed that the optimal demulsification conditions were obtained as follows: volume fraction of emulsion 60%, pH 5.0, ultrasonic power 400 W, ultrasonic temperature 40℃, ultrasonic treatment time 30 s, microwave power 600 W, and microwave treatment time 70 s. Under the optimal conditions, the demulsification rate of rapeseed oil emulsion was 96.30%±1.20%.

rapeseed oil; aqueous enzymatic method; emulsion; ultrasound-assist; microwave; demulsification

2016-10-25;

：2017-03-16

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2013AA102103-1)；國家自然科學基金項目(31471678)；中央高?？蒲谢?JUSRP51501)

魏松麗(1991)，女，碩士研究生，研究方向為油脂深加工研究與開發(E-mail)weisongli1991@163.com。

孟 宗，副教授，碩士生導師(E-mail)mengzong@jiangnan.edu.cn。

TS224; TS225.1

： A

：1003-7969(2017)07-0001-05