不同預處理對辣木籽油提取率的影響及其機理初步分析

孫燕，覃小麗，鐘金鋒，劉雄

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

辣木(MoringaoleiferaLam.)為辣木科辣木屬植物，原產于印度北部喜馬拉雅山南麓[1]。辣木具有良好的保健功能和生理活性，其根、莖、葉、種子、花朵等均可食用[2]。辣木籽中含有豐富的油脂、蛋白質及礦物元素。其中，辣木籽油中富含不飽和脂肪酸，油酸含量高達75.39%[3-4]，且含有飽和烴、醛及植物甾醇[5-6]，具有較高的營養價值。因此，研究一種高效提取辣木籽中油脂等營養成分的方法，為功能食品、醫藥和化妝品等領域的產品開發及應用奠定理論和技術基礎。

目前，植物油脂提取多采用有機溶劑浸提法，這種方法油脂提取率較高，但此過程涉及易燃、易爆化學試劑，易導致有機溶劑殘留且存在一定的安全問題[7]。水酶法是利用酶解作用破壞油料細胞壁結構，從而將油脂釋放出來，該方法條件溫和，提取工藝簡單，無溶劑殘留。劉華勇[8]研究了蛋白酶種類、酶解時間、酶添加量等條件對辣木籽油提取率的影響，酶解24 h后辣木籽油提取率為70.09%。已報道的水酶法提取辣木籽油提取率較低且酶解時間大都較長(通常為24 h)[8-9]。而預處理(高溫高壓、微波、超聲等)方法與水酶法相結合可以有效地提高油脂提取效率。YUSOFF等[10]采用高壓(50 MPa，60 ℃，35 min)預處理方法輔助水酶法提取辣木籽油，油脂提取率可達73%，并且與傳統水酶法相比乳化層更薄，但酶解時間較長(12.5 h)。近年來，預處理方法與水酶法結合的研究多集中在茶葉籽油[11]、西瓜籽油[12]、橄欖油[13]等植物油的提取，但在提取辣木籽油中應用較少，且不同預處理方法對辣木籽油提取率及微觀表面形貌和結構的影響尚未見報道。

本文以辣木籽為原料，在傳統水酶法的基礎上，結合微波、高壓和超聲3種不同的預處理方法，考察3種預處理對辣木籽油提取率的影響，并與傳統水酶法的提取效果進行對比。進一步借助掃描電鏡分析辣木籽在預處理前后微觀表面形貌及結構的變化，初步探究不同預處理方法提取辣木籽油的機理，以期提高辣木籽油的提取效率以及為辣木籽的開發與利用提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

辣木籽，云滇養生堂；中性蛋白酶Neutrase 0.8 L，丹麥諾維信公司；其他試劑均屬于分析純；超純水，由YSL-RO-T10L/H超純水系統(Ashland公司)制備。

1.2 儀器與設備

BJ-300型高速多功能粉碎機，上海拜杰實業有限公司；EG823LA6-NR型微波爐，美的公司；手提式高壓蒸汽滅菌鍋，上海申安醫療器械廠；Scientz-800CQ型超聲波提取震蕩反應器，寧波新芝生物科技股份有限公司；SHZ-88水浴恒溫振蕩器，常州朗越儀器制造有限公司；RW20數顯型混合頂置式機械攪拌器，德國IKA公司；FD-1A-50型冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；PB-10 pH計，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取方法

辣木籽→脫殼→粉碎→過篩→與水混合→水浴加熱→冷卻→預處理(微波、高壓、超聲)→調pH 6.0→酶解→滅酶→離心

操作要點：辣木籽脫殼粉碎，過60～80目篩。辣木籽粉與超純水以1∶6質量比混勻，96 ℃水浴9 min，冷卻至室溫。分別經微波、高壓、超聲預處理后，用1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl調其pH為6.0。樣品中添加中性蛋白酶(1.5×105U/100g辣木籽粉)于水浴恒溫振蕩器(45 ℃，120 r/min)進行酶解反應。酶解后于95 ℃水浴滅酶30 min。離心(8 000 r/min，20 min)后得到游離油、乳狀液、水解液及殘渣。微波預處理時采用微波間歇加熱方法，即微波加熱1 min后冰水浴冷卻1 min，再微波1 min，反復進行，以防止提取液暴沸。未進行預處理的為對照組。

1.3.2 單因素試驗

在提取過程中，考察微波(功率、時間、酶解時間)、高壓(溫度、時間、酶解時間)、超聲(功率、時間、酶解時間)預處理條件對辣木籽油提取率的影響。

1.4 辣木籽油和蛋白質的提取率的計算

辣木籽油和蛋白提取率的計算分別如式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中：m1，游離油的質量，g；m2，辣木籽粉中粗脂肪的質量，g；m3，辣木籽粉中粗蛋白質量，g；m4，殘渣中蛋白質量，g。其中，粗脂肪含量和蛋白質含量測定分別根據GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》和GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》進行測定。

1.5 數據處理

各實驗重復3次，各樣品的指標平行測定至少3次，以平均值±標準偏差表示結果。采用SPSS 18.0軟件對數據進行單因素方差分析(P<0.05時判斷組間存在顯著差異)。

2 結果與分析

2.1 微波預處理對辣木籽油提取率的影響

2.1.1 微波功率對辣木籽油提取率的影響

在微波時間3 min，酶解時間3 h的條件下，微波功率(100～800 W)對辣木籽油提取率的影響如圖1-A所示。當微波功率從100 W增大到300 W時，辣木籽油的提取率由52.54%顯著升高至58.75%(P<0.05)，這可能是因為辣木籽粉吸收微波熱能后，溫度快速升高，辣木籽細胞在微波電磁場作用下粒子之間相互碰撞，使得細胞壁破裂，油脂流動性增加，其內部的油脂得以釋放[14-15]。當微波功率在300～800 W時，油脂提取率趨于平緩，這可能是因為隨著微波功率的增大，酶對蛋白的水解作用達到飽和，蛋白質的提取率不再顯著性上升(P>0.05)，油脂提取接近平衡狀態，這與仵緣等[15]用微波輔助溶劑法提取橡膠籽所得結果類似。胡濱等[16]在微波功率300～800 W也得出相似的結論。因此，選擇提取辣木籽油的微波功率為300 W。

2.1.2 微波時間對辣木籽油提取率的影響

在微波功率300 W，酶解時間3 h的條件下，微波時間(0～9 min)對辣木籽油提取率的影響如圖1-B所示。

圖1 微波功率(A)和時間(B)對辣木籽油提取率的影響Fig.1 Effect of microwave power (A) and time (B) on oil recovery from the Moringa oleifera seed powder

當微波時間從0增加到5 min時，油脂提取率增加了5.57%。一方面，可能是隨著微波時間的增加，微波輻射對細胞壁的破壞作用增大，增加了細胞的通透性[17]；另一方面隨著提取時間的進行，更多的蛋白被酶水解，蛋白提取率顯著增加(4.81%)，說明蛋白質在酶解液中溶解度增大，這使被蛋白質包圍的油脂得以釋放。當微波處理時間超過5 min后，油脂釋放較少，提取率(60.87%)不再顯著增加(P>0.05)。提取過程中，蛋白提取率和油脂提取率呈相似趨勢，可能說明油脂釋放與蛋白水解在一定程度上呈正相關。

2.1.3 微波預處理酶解時間對辣木籽油提取率的影響

在微波功率300 W，微波時間5 min的條件下，酶解時間(0.5～5 h)對辣木籽油提取率的影響如圖2所示。酶解時間從0.5 h延長至1 h時，油脂提取率從50.26%迅速增大至62.09%，這可能是由于隨著酶解時間的延長，蛋白酶充分水解細胞內部的蛋白質(蛋白提取率從26.56%提高至44.63%)，使油脂大量溶出。當酶解時間從1 h延長至3 h，油脂提取率提高不顯著(P>0.05)；酶解時間繼續至5 h時，雖然蛋白提取率增加了5.77%，但是油脂提取率下降了3.70%，這可能是長時間的酶解和振蕩使大量蛋白質及蛋白質酶解物與辣木籽油發生乳化。為了提高油的提取率，選擇提取辣木籽油的酶解時間為1 h。

圖2 酶解時間對辣木籽油提取率的影響Fig.2 Effect of reaction time on oil recovery from theMoringa oleifera seed powder注：不同字母表示差異顯著。下同。

2.2 高壓預處理對辣木籽油提取率的影響

2.2.1 高壓溫度對辣木籽油提取率的影響

在高壓時間10 min，酶解時間3 h的條件下，高壓溫度(100～120 ℃)對辣木籽油提取率的影響如圖3-A所示。當高壓溫度達到110 ℃時，油脂提取率由60.43%提高至65.71%，這可能是因為高壓有效地使細胞壁膨松、淀粉糊化，增加其滲透性[18-19]，因而有利于酶的作用使蛋白質提取率增加了20.73%，促進油脂釋放。繼續升高溫度至120 ℃時，油脂提取率下降了3.97%。這可能是因為高溫使蛋白質變性，蛋白質提取率提高不顯著(P>0.05)；且部分油脂在此條件下易被乳化。因此，選擇提取辣木籽油的高壓溫度為110 ℃。

2.2.2 高壓時間對辣木籽油提取率的影響

在高壓溫度110 ℃，酶解時間3 h的條件下，高壓時間(0～20 min)對辣木籽油提取率的影響如圖3-B所示。隨著高壓時間從0升高到10 min，辣木籽油提取率增加了8.96%，辣木蛋白提取率增加了14.96%，這可能是由于較長時間的高溫高壓作用使細胞壁變得更加松弛，酶更易進入細胞內部與蛋白質發生作用[19]，從而提高了出油率。當繼續增加高壓時間至20 min，辣木籽油的釋放接近平衡狀態，提取率呈平緩趨勢。因此，選擇提取辣木籽油的高壓時間為10 min。

圖3 高壓溫度(A)和時間(B)對辣木籽油提取率的影響Fig.3 Effect of highpress temperature (A) and time (B) on oil recovery from the Moringa oleifera seed powder

2.2.3 高壓預處理酶解時間對辣木籽油提取率的影響

在高壓溫度110 ℃，高壓時間10 min的條件下，高壓預處理酶解時間(0.5～5 h)對辣木籽油提取率的影響如圖4-A所示。酶解時間從0.5 h延長至2 h時，油脂提取率從56.17%提高至65.48%，這可能是由于隨著酶解時間的延長，更多的蛋白被水解(蛋白提取率增加了10.07%)，促進了油脂的釋放。當酶解時間延長至5 h，油脂提取率顯著下降(油脂提取率從65.71%降低至57.14%)，這可能是因為高溫高壓作用以及長時間酶解作用，使大量的蛋白質及蛋白酶解物與油脂發生乳化(圖4-B)。YUSOFF等[10]研究了辣木籽粉在高壓預處理(50 MPa，60 ℃，35 min)后酶解12.5 h，辣木籽油提取率為73.02%，而本試驗在高壓預處理(110 ℃，10 min)后酶解2 h即可達到相近的提取率(65.48%)，有效地縮短了提取時間，因此，高壓預處理可顯著提高油脂提取效率。

圖4 酶解時間對辣木籽油提取率(A)和乳狀液形成(B)的影響Fig. 4 Effect of reaction time on oil recovery (A) and cream emulsion formed (B) from the Moringa oleiferaseed powder

2.3 超聲預處理對辣木籽油提取率的影響

2.3.1 超聲功率對辣木籽油提取率的影響

在超聲時間10 min，酶解時間3 h的條件下，超聲功率(40～720 W)對辣木籽油提取率的影響如圖5-A所示。當超聲功率從40 W升高到720 W，油脂提取率降低了6.96%，這可能是因為較強的超聲功率使蛋白質分子聚集，溶解度下降(蛋白提取率下降了6.16%)，不利于油脂釋放[20-22]。因此，選擇提取辣木籽油的超聲功率為40 W。

2.3.2 超聲時間對辣木籽油提取率的影響

在超聲功率40 W，酶解時間3 h的條件下，超聲時間(10～50 min)對辣木籽油提取率的影響如圖5-B所示。當超聲時間從10 min升高到20 min，油脂提取率從58.96%顯著提高至66.29%(P<0.05)，這可能是因為隨著超聲時間的延長，超聲波的空化作用及機械振蕩作用對原料組織的細胞破碎程度增大，使其內部的油脂得以釋放[23-24]。超聲時間20～40 min，油脂提取率變化不明顯。超聲時間繼續至50 min，油脂提取率降低了2.32%，這可能是因為隨著提取時間的延長，蛋白分子發生聚集，不利于酶的作用使蛋白提取率降低了3.13%，抑制了油脂的釋放。因此，選擇提取辣木籽油的超聲時間為20 min。

圖5 超聲功率(A)和時間(B)對辣木籽油提取率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power (A) and time (B) on oil recovery from the Moringa oleifera seed powder

2.3.3 酶解時間對辣木籽油提取率的影響

在超聲功率40 W，超聲時間20 min的條件下，酶解時間(0.5～5 h)對辣木籽油提取率的影響如圖6-A所示。隨著酶解時間從0.5 h升高到1 h，油脂提取率顯著提高了4.86%(P<0.05)，這可能是因為隨著酶解時間的延長，蛋白溶解度增大(蛋白提取率提高了4.54%)，使被蛋白包圍的油脂得以釋放。酶解時間1 h到3 h油脂提取率變化不明顯。酶解時間繼續至5 h時，油脂提取率下降了3.15%，而蛋白提取率(42.05%)不再顯著增加(P>0.05)，這可能是因為蛋白及蛋白酶解物與油脂發生乳化。超聲酶解1 h(圖6-A)和高壓酶解2 h(圖4-A)油脂提取率顯著高于微波酶解1 h(圖2)和對照酶解1 h(P<0.05)；另外，超聲預處理5 h乳化程度(圖6-B)小于其他預處理(圖4-B)，且蛋白提取率低于其他處理組。這說明超聲在提高油脂提取率的基礎上還可以在一定程度上緩解油脂嚴重乳化現象。ABDULKARIM等[25]研究表明，不經預處理輔助水酶法提取辣木籽油，酶解24 h后提取率為73.38%。也有研究通過堿提的方法水解蛋白質促進油脂的釋放，添加復合酶酶解24 h后，也可得到相近的提取率(70.09%)[8]。而本試驗分別經高壓和超聲預處理后酶解1～2 h，均可達到相近的提取率，大大縮短了提取時間，有效提高了油脂提取效率。

圖6 酶解時間對辣木籽油提取率(A) 和乳狀液形成(B)的影響Fig. 6 Effect of reaction time on oil recovery (A) and cream emulsion formed (B) from the Moringa oleiferaseed powder

2.4 不同預處理對辣木籽表觀結構分析

與傳統水酶法相比，3種預處理方法均能顯著提高油脂提取率，其中超聲和高壓處理效果最好，為了進一步解釋這一結果，通過掃描電鏡對預處理提取前后辣木籽粉的微觀表面形貌進行觀察，分析不同預處理提取辣木籽油的機理，結果如圖7所示。

A-提取前;B-水酶法提取后;C-微波+水酶法提取后;D-高壓+水酶法提取后;E-超聲+水酶法提取后圖7 辣木籽掃描電鏡圖(×1 500)Fig.7 The images of scanning electron microscope

提取前辣木籽粉呈不規則圓形，表面較為粗糙(圖7-A)。不經預處理的水酶法提取使辣木籽結構明顯膨脹、體積增大(圖7-B)。微波處理是利用微波的熱效應在短時間內升高其內部溫度，使結構變得膨脹，經酶解后辣木籽粉表面出現小的凹陷、卷曲和破碎(圖7-C)；高壓處理是利用高溫高壓的膨脹擠壓作用使辣木籽細胞組織松散、破碎，經酶解后辣木籽粉呈不均勻的片狀結構(圖7-D)；而超聲的機械振蕩作用能更徹底地破壞其表觀結構，使辣木籽顆粒變得更加細小，有明顯的孔洞，更有利于油脂的釋放(圖7-E)。這說明，微波、高壓、超聲3種預處理輔助水酶法均有利于破壞辣木籽表觀結構，促進酶解作用，使得更多油脂被釋放，從而提高辣木籽油的提取率。其中超聲和高壓預處理對其結構破壞程度最大，更有助于油脂的釋放，油脂提取率提高，這與單因素試驗中超聲和高壓預處理油脂提取率較高的結果一致。

3 結論

(1)微波酶解1 h油脂提取率為62.09%；高壓酶解2 h油脂提取率為65.48%；超聲酶解1 h油脂提取率為66.35%，而對照組油脂提取率僅為56.45%。說明3種處理方法均可以高效地提高油脂提取效率，其中超聲和高壓預處理效果更好。

(2)掃描電鏡結果表明，微波處理使辣木籽粉表面出現小的凹陷、卷曲和破碎；高壓處理使辣木籽粉呈不均勻的片狀結構；而超聲使辣木籽顆粒變得更加細小，有明顯的孔洞。3種預處理輔助水酶法均不同程度地破壞了辣木籽的表觀結構，其中超聲的空化和機械振蕩作用以及高壓的膨脹擠壓作用對其結構的破壞效果更為明顯，更有利于蛋白酶水解細胞內部的蛋白質，促進油脂釋放，這與單因素試驗中超聲和高壓預處理油脂提取率較高的結果一致。因此，超聲和高壓預處理能夠有效地提取辣木籽油。