超聲、冷凍-微波輔助水酶法提取芝麻油的研究

張雅娜，郭麗，蘇悅，李曉東

（綏化學院食品與制藥工程學院，黑龍江綏化152061）

芝麻含油量高，有油料作物“皇后”之美譽，屬小品種油料作物中的大品種[1]。芝麻油是世界衛生組織公布的三大最佳食用油之一，不僅具有較高的營養價值，同時還具有藥用價值，被列入中國、美國、日本等國藥典，因此被稱為“油中之王”[1-2]。芝麻油中富含不飽和脂肪酸，且脂肪酸組成合理，其中油酸含量為36.9%～50.5%，亞油酸含量為36.9%～49.1%，對降低膽固醇、軟化血管，防止因血管硬化引起的疾病非常有益；更重要的是含有獨特的營養成分——芝麻木酚素，芝麻木酚素類物質具有抗衰老、促進肝臟解毒、抑制誘發癌癥、增強免疫力、預防心血管疾病、防止中風等功效[3]。

目前芝麻油的傳統制取方法主要有水代法、機械壓榨法等。水酶法是近年來新興的一種環保提油技術，油脂科學界將水酶法提油技術稱為“一種油料資源的全利用技術”。與芝麻油傳統制取技術相比，水酶法制備芝麻油特點是可以同時得到芝麻油和蛋白質，縮短工藝路線；操作條件溫和、低耗能、低投資、產油率高；不使用有機溶劑，低碳安全環保[4]。在制油工藝中，預處理工藝對于油脂的提取起著至關重要的作用，預處理效果好壞，直接影響油脂提取率的高低。油脂存在于油料的完整細胞內，且油脂的存在形式為兩種，一種是游離油，一種是油脂與其他物質的復合形式。預處理的主要作用，一方面是破壞細胞的完整結構；另一方面是破壞油脂與其他物質的復合形式，從而有利于油脂的充分釋放，以提高油脂得率。

水酶法常用的預處理方式有機械粉碎法、超聲波法、擠壓膨化法、熱處理法等，用于水酶法提取芝麻油的預處理方法中，機械粉碎法是利用最多的預處理方法[5]，而冷凍-微波解凍和超聲波預處理技術則研究的較少。冷凍分為速凍和緩凍，冷凍-微波解凍預處理主要采用的是緩凍，其原理是緩凍過程中能夠形成大而少的冰晶，這些銳利的冰晶可以刺破細胞組織，破壞細胞的完整結構，使細胞內容物（包括油脂）釋放，因此緩凍能夠強化油脂的提取，提高細胞的破碎度，從而提高油脂的提取率。微波技術是一項新型食品解凍技術，具有加熱速度快、解凍時間短、節能高效、安全無害、容易瞬時控制、選擇性和穿透性好等特點，符合現代社會和生產企業的需求[6]。超聲波輔助水酶法提取技術是一種新興的提取分離技術，能夠強化植物中油脂的提取、加速傳熱和傳質過程[5]。在超聲波作用下，產生的空泡在爆裂時可以產生巨大的剪切力，因此可以有效的破壞油料的細胞壁，并使細胞壁內的物質得到釋放[7]。

本試驗對超聲波、冷凍-微波解凍兩種預處理輔助水酶法提取芝麻油進行研究，在單因素的基礎上選出最佳的超聲波、冷凍-微波解凍預處理條件，再利用正交試驗法進行優化，并對兩種預處理得到的芝麻油與成品芝麻油進行品質指標的對比分析，為全面理解水酶法芝麻油的性質，水酶法油脂精煉以及工業應用提供一定的研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫皮白芝麻：安徽省渦陽縣；壓榨芝麻油：安徽省鳳陽縣御膳油脂有限公司；Alcalase 2.4L（酶活2.4 AU/g）：丹麥 novo 公司。

ESJ205-4 電子分析天平：普利賽斯國際貿易有限公司；ZH-25B-B11 多功能食品加工機：河南新飛電器集團有限公司；JY92-IIN 型超聲波細胞粉碎機：北京泰亞賽福科技發展有限責任公司；DW-86L386 立式超低溫保存箱：青島海爾特種電器有限公司；GL-16G-II 高速冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；HZS-H 水浴振蕩器：哈爾濱市東聯電子開發有限公司；PHS-3C 型pH 計：杭州齊威儀器有限公司；JOYN-H1C1 微波化學實驗爐：上海喬躍電子有限公司；KDN-103F 自動定氮儀、HYP-10404 十孔消化爐：上海纖檢儀器有限公司；SCT-02 索氏抽提器：天津玻璃儀器廠；SX-4-10 箱式電阻爐：天津市泰斯特儀器有限公司；WSL-2 羅維朋比色計：浙江托普儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗工藝流程

1.2.2 芝麻主要成分的測定

水分：GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[8]；粗脂肪：GB 5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》[9]；粗蛋白：GB 5009.5-2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》[10]；灰分：GB 5009.4-2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》[11]。

1.2.3 水酶法芝麻油提取

超聲波預處理：將50 g 芝麻采用多功能食品加工機I 檔進行粉碎得芝麻粉，按照試驗設計進行水分調節，水分調節后將燒杯轉移至超聲波細胞粉碎機中進行超聲處理。

冷凍-微波解凍預處理：將50 g 芝麻采用多功能食品加工機I 檔進行粉碎得芝麻粉，按照芝麻粉∶水=1 ∶6（g/mL）進行水分調節，水分調節后進行冷凍處理，將冷凍后的芝麻物料，采用微波化學實驗爐進行微波解凍處理。

水酶法步驟：本試驗酶解所用的酶制劑為水解蛋白酶Alcalase 2.4L[3，12]，加酶量為2%（脫皮白芝麻粉質量的2%），酶解溫度55 ℃，酶解時間3 h，酶解pH 值為9.0，酶解過程用2 mol/L 的NaOH 溶液調整酶解過程的pH 值。酶解結束后進行離心操作（轉速10 000 r/min、時間 20 min、溫度 4 ℃），離心后分為 4 層（游離油、乳狀液、水解液、殘渣），取出乳狀液再次進行冷凍、微波解凍處理，進行二次離心，得到游離油2，最后將兩次得到的游離油稱量計數。芝麻油提取率計算公式如下：

1.2.4 超聲波預處理試驗

1.2.4.1 超聲波預處理單因素試驗

分別以料液比 [1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7（g/mL）]，超聲時間（10、20、30、40、50 min），超聲功率（30 %、40 %、50 %、60 %、70 %），超聲溫度（10、20、30、40、50 ℃）為單因素，考察各因素對芝麻油提取率的影響。

1.2.4.2 超聲波預處理正交試驗

在單因素試驗基礎上，根據結果確定正交試驗條件范圍，以料液比、超聲時間、超聲功率和超聲溫度為因素，以芝麻油提取率為指標，進行四因素三水平正交試驗，確定最佳預處理條件。超聲波預處理正交試驗因素與水平表見表1。

表1 超聲波預處理正交因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal test for ultrasound pretreatment

1.2.5 冷凍-微波解凍預處理試驗

1.2.5.1 冷凍-微波解凍預處理單因素試驗

分別以粉碎時間（12、16、20、24、28 s），冷凍時間（8、12、16、20、24 h），冷凍溫度（-10、-20、-30、-40、-50 ℃），微波解凍時間（6、8、10、12、14 min）為單因素，考察各因素對芝麻油提取率的影響。

1.2.5.2 冷凍-微波解凍預處理正交試驗

冷凍-微波解凍預處理正交試驗因素與水平表見表2。

表2 冷凍-微波解凍預處理正交試驗因素與水平表Table 2 Factors and levels of the orthogonal test for freezemicrowave thawing pretreatment

1.2.6 芝麻油品質指標測定

GB/T 5525-2008《植物油脂透明度、氣味、滋味鑒定法》[13]；GB/T 22460-2008 《動植物油脂羅維朋色澤的測定》[14]；GB 5009.229-2016《食品安全國家標準食品中酸價的測定》[15]；GB 5009.227-2016 《食品安全國家標準食品中過氧化值的測定》[16]。

1.2.7 分析方法

所有的試驗至少進行3 次，利用Origin 8.0 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 芝麻的主要成分含量

芝麻的主要成分見表3。

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

由表3 所示，本試驗的脫皮白芝麻主要成分為：水分約為4.07 %，粗脂肪約為65.73 %，粗蛋白約為22.40%，灰分約為2.85%。

2.2 超聲波預處理試驗結果

2.2.1 超聲波預處理單因素試驗結果

2.2.1.1 料液比對芝麻油提取率的影響

料液比對芝麻油提取率的影響見圖1。

圖1 料液比對芝麻油提取率的影響Fig.1 Effects of ratio of material on sesame oil yield

由圖1 可知，當料液比未達到 1 ∶6（g/mL）時，隨著溶劑體積增加，芝麻油的提取率逐漸增加；當料液比為1 ∶6（g/mL）時，芝麻油提取率最高，為 71.23%，當料液比在1 ∶6（g/mL）以后，芝麻油提取率出現下降趨勢。當溶劑體積較小時，體系黏度較大，不利于酶分子的遷移和油分子的游離，而當溶劑體積較大時，酶與底物發生碰撞的幾率降低，不利于油脂的提取[17]，因此，最佳料液比為 1 ∶6（g/mL）。

2.2.1.2 超聲時間對芝麻油提取率的影響

超聲時間對芝麻油提取率的影響見圖2。

圖2 超聲時間對芝麻油提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on sesame oil yield

由圖2 可知，當超聲時間小于40 min 時，隨著超聲時間的延長，芝麻油提取率逐漸增加，這是由于在超聲作用的初始階段細胞膜的破碎相對較大，內容物不斷釋放，使得芝麻油提取率不斷增加；當超聲時間為40 min 時，芝麻油提取率最高，為72.43%；超聲時間在40 min 以后，芝麻油提取率略有下降，其原因是一方面由于超聲波從芝麻外部向內部擴散，擴散區域減小，距離增大，擴散率相應減小[18]；另一方面超聲時間長會使體系溫度急劇升高，導致油分解或揮發，使得芝麻油提取率下降[19]。因此，最佳超聲時間為40 min。

2.2.1.3 超聲功率對芝麻油提取率的影響

超聲功率對芝麻油提取率的影響見圖3。

圖3 超聲功率對芝麻油提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on sesame oil yield

由圖3 可知，當超聲功率小于60%時，隨著超聲功率的增加，芝麻油提取率逐漸增加，這是因為大量的超聲波通過溶液產生大量氣泡，氣泡瞬間破裂形成局部瞬時壓力，產生強大的沖擊作用破壞細胞壁，從而提高出油率[20]；當超聲功率為60%時，芝麻油提取率最高，為73.34%；超聲功率在60%以后，芝麻油提取率反而下降，這可能是由于產生了自由基導致油降解[21]。因此，最佳超聲功率為60%。

2.2.1.4 超聲溫度對芝麻油提取率的影響

超聲溫度對芝麻油提取率的影響見圖4。

圖4 超聲溫度對芝麻油提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on sesame oil yield

由圖4 可知，當超聲溫度小于40 ℃時，隨著超聲溫度的增加，芝麻油提取率逐漸增加，這可能是由于小分子擴散運動和油料空化不足所致，從而降低了提油率；當超聲溫度為40 ℃時，芝麻油提取率最高，為71.98%；超聲溫度在40 ℃以后，芝麻油提取率逐漸下降，這可能是由于溫度過高導致物料輕微糊化及變性，不利于油脂的釋放，繼而使得提油率降低[22]。因此，最佳超聲溫度為40 ℃。

2.2.2 超聲波預處理正交試驗結果

超聲波預處理正交試驗結果及數據分析見表4。

由表4 可知，由正交試驗結果分析最優水平為4號組合，即A2B1C2D3；按照極差R 值的大小確定各因素的主次順序為RA＞RB＞RD＞RC，即影響芝麻油提取率因素的主次關系依次是料液比、超聲時間、超聲溫度、超聲功率；再根據k 值分析得出的最佳水平組合為A3B1C2D3未出現在9 組試驗中，因此增加驗證試驗，結果見表5。

表4 超聲預處理正交試驗結果及數據分析Table 4 The orthogonal experiment results and data analysis of ultrasound pretreatment

表5 驗證試驗結果Table 5 Experiment results of verification

由表5 可知，A2B1C2D3組合更優于A3B1C2D3組合，因此得到超聲預處理最佳條件：料液比1 ∶6（g/mL）、超聲時間為30 min、超聲功率為60%、超聲溫度為50 ℃，此條件下芝麻油提取率最高，為81.32%。

2.3 冷凍-微波解凍預處理試驗結果

2.3.1 冷凍-微波解凍預處理單因素試驗結果

2.3.1.1 粉碎時間對芝麻油提取率的影響

粉碎時間對芝麻油提取率的影響見圖5。

圖5 粉碎時間對芝麻油提取率的影響Fig.5 Effect of crushing time on sesame oil yield

在水酶法工藝中，油料的粉碎程度對提高油料有效成分的得率起著重要作用，采用機械粉碎，最大程度破壞油料細胞，作為水酶法預處理工藝十分關鍵。由圖5 可知，當粉碎時間在12 s～24 s 時，芝麻油提取率隨著粉碎時間的延長而增加，其原因是芝麻比表面積逐漸變大，酶可作用的面積相應增大，因此芝麻油提取率也相應的提高[23]。當粉碎時間為24 s 時，芝麻油提取率最高，其原因可能是芝麻粉碎24 s 時其粒度大小較適宜，芝麻細胞破壁較完全，油脂充分釋放，芝麻油提取率最高。粉碎時間在24 s 以后，芝麻油提取率反而降低，其原因是一方面粉碎時間較長時，部分油脂被粉碎出來，芝麻粘結成塊，導致油脂部分損失，使得芝麻油提取率降低；另一方面隨粉碎時間延長，破乳難度提高了，導致芝麻油提取率降低[24]。因此，選擇粉碎時間為24 s。

2.3.1.2 冷凍時間對芝麻油提取率的影響

冷凍時間對芝麻油提取率的影響見圖6。

圖6 冷凍時間對芝麻油提取率的影響Fig.6 Effect of freezing time on sesame oil yield

由圖6 可知，當冷凍時間小于16 h 時，隨著冷凍時間的增加，芝麻油提取率逐漸增加；當冷凍時間為16 h 時，芝麻油提取率最高；冷凍時間在16 h 以后，芝麻油提取率趨于平穩。這是由于冷凍16 h 前是冰晶形成且不斷長大的過程，對細胞結構具有一定程度的破壞，有利于提高芝麻油提取率[25]；而冷凍超過16 h，冷凍時間過長，冰晶增加緩慢，破壞細胞組織的概率不再增加，使得芝麻油提取率變化不明顯，趨于平穩。因此，從經濟成本角度考慮，選擇冷凍時間為16 h。

2.3.1.3 冷凍溫度對芝麻油提取率的影響

冷凍溫度對芝麻油提取率的影響見圖7。

圖7 冷凍溫度對芝麻油提取率的影響Fig.7 Effect of freezing temperature on sesame oil yield

由圖7 可知，當冷凍溫度在-10 ℃～-30 ℃時，隨著冷凍溫度降低，芝麻油提取率逐漸增加。當冷凍溫度達到-30 ℃時，芝麻油提取率最高，有研究表明對于一定的冷凍溫度，有一相應的最終冰晶尺寸[26]，因此可能原因是在冷凍溫度為-30 ℃時形成的冰晶尺寸最大，破壞細胞程度大，油脂釋放充分，芝麻油提取率最高。繼續降溫，芝麻油提取率反而降低，其原因是冷凍介質溫度越低，冰晶生長速度越快，導致形成的晶核數量多而不可能形成較大的冰晶[26]，細胞破壞不充分，使得提油率降低。因此，選擇最適冷凍溫度為-30 ℃。

2.3.1.4 微波解凍時間對芝麻油提取率的影響

微波解時間對芝麻油提取率的影響見圖8。

圖8 微波解時間對芝麻油提取率的影響Fig.8 Effect of microwave thaw time on sesame oil yield

由圖8 可知，當微波解凍時間小于12 min 時，隨著微波解凍時間的延長，芝麻油提取率逐漸增加，是由于微波解凍時間不足，冰晶無法完全溶解。當微波解凍時間為12 min 時，芝麻油提取率最高；當微波解凍時間在12 min 以后，芝麻油提取率反而降低，解凍時間過長，將導致芝麻物料中的水分蒸發，可能使游離油與蛋白質再度結合[27]，降低芝麻油提取率，這與張濤等[25]研究的結論一致。因此，選擇最適微波解凍時間為12 min。

2.3.2 冷凍-微波解凍預處理正交試驗結果

冷凍-微波解凍預處理正交試驗結果及數據分析見表6。

表6 冷凍-微波解凍預處理正交試驗結果及數據分析Table 6 The orthogonal experiment results and data analysis of freeze-microwave thawing pretreatment

由表6 可知，由正交試驗結果分析最優水平為6號組合，即A2B3C1D2；按照極差R 值的大小確定各因素的主次順序為RD＞RB＞RA＞RC，即影響芝麻油提取率因素的主次關系依次是微波解凍時間、冷凍時間、粉碎時間、冷凍溫度；再根據k 值分析得出的最佳水平組合為A2B3C3D2未出現在9 組試驗中，因此增加驗證試驗，結果見表7。

表7 驗證試驗結果Table 7 Experiment results of verification

由表7 可知，A2B3C1D2組合更優于A2B3C3D2組合，因此得到冷凍-微波解凍預處理最佳條件：粉碎時間為24 s、冷凍時間為20 h、冷凍溫度為-20 ℃、微波解凍時間為12 min，此條件下芝麻油提取率最高，為85.23%。

2.4 芝麻油品質分析

芝麻油品質特性比較見表8。

由表8 可知，兩種水酶法芝麻油未經過任何精煉處理，屬于芝麻原油，從透明度以及不溶性雜質來看，與成品芝麻油（壓榨芝麻油）相同。從氣味、滋味來看，兩種水酶法芝麻油無異味，具有清香味，較壓榨芝麻油清淡；從色澤來看，兩種水酶法芝麻油的色澤較淺，兩者相比超聲波預處理得到的芝麻油更淺，但均達到精煉一級油的標準，而壓榨芝麻油的色澤較深，符合一級芝麻香油的標準[28]，兩種油的顏色、氣味、滋味不同，主要是由于壓榨制油存在著高溫處理，溫度較高會發生美拉德反應，產生呈色呈味物質，因此壓榨法芝麻油香氣較濃，顏色較深，而水酶法整個過程溫度不超過60 ℃，溫度較低，因此水酶法芝麻油香氣較淡，顏色較淺。

表8 芝麻油品質特性比較Table 8 The compare of quality characteristics of soybean oil

酸價主要體現油脂中游離脂肪酸含量的多少，通過酸價大小可以評價油脂品質的好壞。3 種芝麻油的酸價存在著明顯差異，通過試驗得到，兩種水酶法芝麻油的酸價低于壓榨芝麻油的酸價，這是由于在水酶法酶解過程中，提取環境為堿性環境，中和了一部分游離脂肪酸的結果，根據國家標準GB/T 8233-2018《芝麻油》[28]，兩種水酶法芝麻油能達到精煉一級油標準，但兩者相比超聲波預處理得到的芝麻油酸價更小，品質更好；而壓榨芝麻油酸價符合一級芝麻香油的標準。

過氧化值的大小代表油脂氧化初級產物過氧化物含量的高低，代表油脂氧化酸敗的程度，通過試驗得到，兩種水酶法芝麻油的過氧化值低于壓榨芝麻油的過氧化值，其原因主要是壓榨法制油過程中存在高溫處理，導致油脂氧化，使油脂過氧化值較高，而水酶法提取條件溫和，溫度較低，抗氧化物質損失較少，油脂氧化程度較低；另一個原因是脂類氧化速率會受多種因素影響，在水酶法提取過程中油滴存在于O/W 乳化體系中，氧必須擴散到水相并通過油水界面才能接近油脂，從而減緩了氧化速率，同時酶可降解蛋白，產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減慢[29]。兩種水酶法芝麻油過氧化值相比，冷凍-微波解凍預處理得到的芝麻油過氧化值更高，其原因可能是微波解凍過程中溫度較高導致油脂氧化。根據國家標準GB/T 8233-2018《芝麻油》[28]，3 種芝麻油均達到國家標準[28]，其中超聲預處理得到的芝麻油過氧化值最低，其品質最好。

綜合芝麻油的質量標準，水酶法芝麻油符合精煉芝麻油的標準，有文獻記載，水酶法油脂無需精煉處理可直接食用[30]。因此，水酶法芝麻油無精煉能耗，進而減少了經濟成本。

3 結論

試驗得到超聲波預處理條件為料液比1 ∶6（g/mL）、超聲時間30 min、超聲功率60%（總功率為500 W）、超聲溫度50 ℃，在此條件下芝麻油提取率為81.32%；冷凍-微波解凍預處理條件為粉碎時間為24 s、冷凍時間為20 h、冷凍溫度為-20 ℃、微波解凍時間為12 min，在此條件下芝麻油提取率為85.23%。通過比較芝麻油品質指標，結果表明超聲波預處理得到的芝麻油品質優于冷冷凍-微波解凍預處理得到的芝麻油，且兩種芝麻油都能達到成品芝麻油的標準。