用于水酶法提油的油菜籽擠壓預處理參數優化

凌 閩， 李琳何， 范方舒， 吳衛國,2， 邱展英， 張 喻,2

(湖南農業大學食品科學技術學院1，長沙 410128) (湖南省菜籽油營養健康與深度開發工程技術研究中心2，長沙 410128)

油菜籽是世界三大油料之一，我國是油菜籽的生產大國，油菜籽產量約占全球總量的19%[1，2]。菜籽油中含有豐富的不飽和脂肪酸，此外還富含維生素E、植物甾醇、多酚等多種天然活性成分[3，4]。長期食用，具有提高免疫力、延緩衰老、降低心血管疾病等方面的功效，深受消費者喜愛[5-7]。

水酶法是一種新興的綠色提油工藝，通過對油料進行一定的機械破碎，利用生物酶的酶解作用將植物組織中的油脂釋放出來，因非油成分對水和油的親和力以及油水比重的不同，經離心可有效地將油脂提取出來[8，9]。與傳統提油工藝相比，水酶法具有原料利用率高、條件溫和、耗能低、安全環保等特點[10-12]。水酶法提油過程中，預處理是一道至關重要的工序，其目的是盡量破壞油料細胞壁和脂質復合體，使油脂充分釋放，以提高得油率，改善油脂和餅粕的品質[13-15]。目前，預處理方法主要有機械粉碎、超聲波處理、擠壓處理、熱處理等[16]。其中擠壓處理可以破壞油料的細胞壁，使其中的纖維和蛋白質的結合松散，增加蛋白質對酶的敏感性，有利于油脂釋放[17，18]。其次，在擠壓過程中溫度設置不高，避免了傳統制油方式的高溫處理，減少能量損耗，可以最大限度地保留油料中的活性成分和油脂風味，有利于餅粕的進一步加工利用[19]。朱文鑫等[20]研究發現低溫擠壓時，菜籽中的各成分未發生明顯變化，不會產生二次色素，磷脂含量極低，不需經過脫膠處理，簡化了精煉的工藝流程。申德超等[21]研究表明擠壓參數對提油率和蛋白質的品質影響很大。因此，選擇合適的擠壓預處理參數具有重要意義。

目前，將擠壓預處理結合水酶法提取菜籽油的研究鮮見報道。本實驗以油菜籽為原料，對水酶法提取菜籽油的擠壓預處理參數進行優化，以期為擠壓預處理的工藝改進及工業應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油菜籽：香油Ⅰ號；氫氧化鈉、鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鉀；堿性蛋白酶(酶活≥ 200 U/mg)；所有試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

FMHE36-24R雙螺桿擠壓膨化機，GFL-230電熱鼓風干燥箱，TDZ5臺式低速離心機，SHZ-B恒溫水浴振蕩器，PHS-3E精密pH計，SX-4-10馬弗爐。

1.3 方法

1.3.1 基本成分測定

油脂含量測定按GB 5009.6—2016索氏抽提法進行；蛋白質含量測定按GB 5009.5—2016凱氏定氮法進行；水分含量測定按GB 5009.3—2016中直接干燥法進行；總灰分的測定按GB 5009.4—2016中灼燒法進行；纖維素的測定按GB/T 5009.10—2003進行；總糖的測定按GB/T 5009.8—2003中直接滴定法進行。

1.3.2 菜籽油提取

1.3.2.1 工藝流程

油菜籽→清理粉碎→雙螺桿擠壓→水酶法酶解→滅酶→離心→吸取上清油→干燥→菜籽油

1.3.2.2 操作要點

將干燥的油菜籽清理粉碎，過40目篩，選擇12 mm的模孔直徑，在一定的擠壓條件下進行擠壓。稱取20.0 g擠壓后的油料于250 mL錐形瓶中，按1∶5的料液比加入溫度為70～80 ℃、pH為10的熱緩沖液。攪拌原料，待其均勻分散后，放入60 ℃的水浴鍋中浸提1 h。將樣品取出置于室溫下，當其溫度降至40 ℃左右時，稱取3%的堿性蛋白酶加于樣品中。樣品與酶混勻后，將樣品置于50 ℃恒溫水浴振蕩器中，酶解4 h后取出，于水浴鍋中以90 ℃滅酶20 min。將其離心吸取上層清油，在90 ℃的烘箱中烘1 h，計算清油提取率。

1.3.3 清油提取率的計算

清油提取率的計算公式為：

式中：Y為清油提取率/%；m0為擠壓油菜籽酶解后所得清油的質量/g；m1為擠壓油菜籽的質量/g；m2為擠壓油菜籽的含油率/%。

1.3.4 實驗設計

1.3.4.1 單因素實驗設計

在套筒溫度80 ℃、喂料量10 kg/h、螺桿轉速120 r/min、物料加水量10%的基礎上，分別以套筒溫度60、70、80、90、100 ℃，喂料量8、12、16、20、24kg/h，螺桿轉速120、150、180、210、240 r/min，物料含水量8%、10%、12%、14%、16%為單因素，考察各因素對提油率的影響。

1.3.4.2 正交實驗設計

在單因素實驗的基礎上，選擇套筒溫度、喂料量、螺桿轉速、物料含水量4個實驗因素，進行L16(45)正交實驗，對擠壓參數進行優化。正交實驗因素與水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平表

1.4 數據統計與分析

采用EXCEL2010進行數據處理，SPSS21.0進行方差分析，ORIGIN2018進行制圖，每組實驗至少重復3次。

2 結果與分析

2.1 油菜籽主要成分

油菜籽的主要成分見表2。油菜籽中脂肪質量分數最高，為39.523%；蛋白質次之，為23.670%，屬于高油高蛋白作物。纖維素含量相對較高，主要存在于種皮中[22]。此外，油菜籽中還含有豐富的磷脂、甾醇和其他生物活性物質[3]。在加工過程中，脫皮可以有效降低纖維素、磷脂的含量，以降低毛油色澤。但油菜籽顆粒較小，大多數機械脫皮效果不理想。因此，目前油菜籽提油仍采用不脫皮的方式。

表2 油菜籽的主要成分(質量分數/%)

2.2 單因素實驗結果與分析

2.2.1 套筒溫度對提油率的影響

實驗所用擠壓膨化機共有6個處理階段，設定第一、二階段為常溫進量，第三至第五階段為加熱階段，第六階段出料溫度小于50 ℃。固定其他擠壓參數不變，通過主機控制面板調節擠壓膨化機加熱階段的的溫度，探究套筒溫度對提油率的影響，實驗結果見圖1。套筒溫度對提油率有顯著性影響(P<0.05)。隨著套筒溫度的提高，油菜籽提油率增加，于80 ℃時達最高，為75.04%；當套筒溫度繼續提高，提油率開始下降。這是由于當溫度較低時，機腔內熱量較少，壓力較低，細胞壁破壞能力差[21]。隨著溫度的升高，機腔內壓力上升增強了剪切效果，細胞壁的破壞效果較好，并且部分蛋白質發生變性，蛋白酶對蛋白質的水解程度提高，因此提油率較高[23，24]。但過度的高溫擠壓，會破壞蛋白質空間結構的穩定性，導致油菜籽蛋白完全變性，增加蛋白質的交聯作用，酶解效率下降[25]。因而套筒的擠壓溫度選擇80 ℃較為合適。

2.2.2 喂料量對提油率的影響

喂料量對提油率的影響如圖1所示。隨著喂料量的增加，提油率呈先上升后下降的趨勢，當喂料量在12 kg/h時提油率最高。喂料量較少時，螺桿轉速不變，物料在腔體內停留時間變短，物料受到的擠壓、剪切、摩擦時間較短，細胞壁破壞不完全，酶解提油率較低[26]。喂料量繼續增加，機腔內物料之間的阻力加大，物料的摩擦和擠壓剪切作用增強，油菜籽細胞的破碎度提高，促進了油脂的釋放，因此菜籽的出油率提高。但喂料速度過大，容易導致機腔內物料過量，出現堆積機腔的現象，從而影響腔內螺桿的作用效果，使油料破碎不完全，導致提油效果下降[27]。并且繼續增加喂料量，會出現堵機現象。因此，喂料量選擇12 kg/h較為合適。

2.2.3 螺桿轉速對提油率的影響

螺桿轉速對提油率的影響如圖1所示。螺桿轉速對提油率有顯著性影響(P<0.05)，螺桿的轉速會影響物料在機腔內滯留的時間和對物料剪切的效果；隨著螺桿轉速的不斷提高，菜籽油提油率呈現先上升后下降的趨勢，當螺桿轉速達到180 r/min時提油率最高，達75.04%。這是由于當螺桿轉速較低時，機腔內螺桿轉速對物料的剪切作用較小，對物料細胞壁的破壞效果較差，酶解提油率較低；并且當喂料量不變時，螺桿轉速過低會造成堵機現象。隨著轉速的提高，機腔內螺桿對物料的剪切作用逐漸增強，并且壓力不斷升高，細胞壁破壞程度高；但當轉速過高時，物料在機腔內的橫向運動速度過快，停留時間短，物料與螺桿的摩擦不充分，細胞壁的破壞效果差，并且還易造成堵機現象[28]。因此，螺桿的轉速選擇180 r/min為最佳。

注：小寫字母代表數據的顯著性差異(P<0.05)，下同。圖1 套筒溫度、喂料量、螺桿轉速和物料加水量對提油率的影響

2.2.4 物料加水量對提油率的影響

在擠壓過程中，物料加水量既可以影響物料在擠壓過程中的流暢性，又影響擠壓后原料的特性。物料加水量對提油率的影響如圖1所示。油菜籽的提油率隨著物料加水量的增加呈先增加后下降的趨勢，當物料含水量為10%時，提油率最高，為75.04%。這是由于當物料加水量較低時，擠壓的爆破段水蒸氣瞬間蒸發的動力不足，會影響擠壓后油菜籽細胞壁破壞的效果，致使提油率低，水分過低，還會造成擠壓膨化機的堵機現象[29，30]；而當物料加水量過高時，物料的濕潤度加大，在機腔內的流動性增強，受到的壓力、剪切力和摩擦力減小，導致油料細胞壁破壞不完全，酶解效果較差[31，25]。康鈺[32]在擠壓膨化預處理過程中對油料中蛋白結構進行研究，發現物料加水量會使油料蛋白的線性結構發生變化，從而影響酶解過程中油料的釋放。因此，物料加水量過少或過多都會影響水酶法提油的提油率，選擇物料加水量為10%較為合適。

2.3 正交實驗結果與分析

正交實驗結果及數據分析見表3。4個因素對提油率影響的大小順序為：A(套筒溫度)>B(喂料量)>D(物料含水量)>C(螺桿轉速)；最佳擠壓參數組合為A3B2C4D1，即套筒溫度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉速210 r/min、物料含水量10%。由表4可得，4個因素的P值均小于0.05，說明4個因素均對油菜籽提油率有顯著影響，其中套筒溫度對提油率的影響最為顯著，其次為喂料量和物料加水量，顯著性影響較小的是螺桿轉速。

表3 正交實驗結果與數據分析

表4 正交實驗方差分析

2.4 驗證實驗

由于最佳擠壓參數組合A3B2C4D1不在表3正交實驗9個組合中，故對該組合進行了驗證實驗，重復3次，驗證實驗結果見表5。組合A3B2C4D1的提油率分別為81.477%、81.461%、79.564%，平均值為80.834%，高于正交實驗表中最高提油率79.115%，從而驗證了該擠壓工藝參數優化組合是可行的。

表5 實驗驗證結果

3 討論

水酶法是在機械破碎的基礎上利用酶破壞油料種子的細胞壁，使油脂從細胞中釋放出來，以提高出油率的提油方法。不同的預處理方法對水酶法提油的影響不同，對于水酶法提油的預處理工藝現已有許多研究。張妍等[33]采用超聲波輔助水酶法提取菜籽油，得油率為67.55%，提油效率大大提高。賈照寶等[34]采用粉碎后加熱預處理油菜籽結合水酶法提油，油脂提取率高，可達86.3%，但由于粉碎過程中細胞破碎，油脂外溢造成物料結團，顆粒大小不均，粉碎效果差，且熱處理導致油脂的品質降低。

目前，對于擠壓預處理輔助水酶法提油的研究中，還主要以大豆、米糠為原料進行提油工藝的優化及應用。李楊等[35]對大豆進行擠壓處理結合酶法提取大豆油，提油率達91.67%，比傳統預處理后酶解的提油率提高了19%。趙新乾等[36]采用擠壓膨化結合水酶法提取米糠油，提油率可達89.62%，比采用蒸汽預處理結合復合酶的提油率高了4%左右。而預處理技術的使用還應根據不同的油料進行選擇，在以油菜籽為原料的水酶法應用上，擠壓預處理的研究還鮮有報道，需進一步探索，以期找到簡便、高效、能耗低且適合工業化水酶法提取菜籽油的預處理應用。

4 結論

本實驗以油菜籽為原料，研究擠壓預處理工藝對水酶法提取菜籽油的影響。由單因素實驗可知，隨套筒溫度、喂料量、螺桿轉速和物料加水量的增加，油菜籽提油率均呈先增加后減小的趨勢，分別在套筒溫度80 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉速180 r/min、物料含水量10%時達到最高。通過正交實驗結合方差分析，得出4個工藝參數對提油率影響大小的順序為：套筒溫度>喂料量>物料含水量>螺桿轉速，且均有顯著性影響。最佳擠壓工藝參數為：套筒溫度90 ℃、喂料量12 kg/h、螺桿轉速210 r/min、物料含水量10%，在此條件下處理過的油菜籽，用水酶法提油時，清油的提取率可達80.834%。