李世科,李春陽(yáng),曾曉雄

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇南京 210095；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所,江蘇南京 210014；3.江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210014)

油茶籽油乳狀液的堿法破乳工藝研究

李世科1,2,3,李春陽(yáng)2,3,*,曾曉雄1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇南京 210095；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所,江蘇南京 210014；3.江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210014)

對(duì)水酶法提取油茶籽油產(chǎn)生的乳狀液,進(jìn)行堿法破乳研究。以破乳率為指標(biāo),在單因素的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面對(duì)主要影響因素進(jìn)行分析和優(yōu)化,確定最佳破乳工藝參數(shù)為pH=9.0,溫度60℃,時(shí)間45min,破乳率最大為90.15%。采用熒光標(biāo)記技術(shù)對(duì)堿法破乳前后油滴變化進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)堿法破乳后油滴發(fā)生聚并,游離油更容易釋放。

油茶籽油,堿法破乳,響應(yīng)曲面

油茶(camelliaoleifera)是我國(guó)特有木本油料樹(shù)種,也是世界四大木本油料樹(shù)種之一。油茶籽油富含不飽和脂肪酸和人體所必須的氨基酸以及鋅、硒等微量元素,具有軟化血管、降低血脂、滋補(bǔ)提神、驅(qū)蟲(chóng)健脾的功效,是深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)的高檔食用油,具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿1-2]。

水酶法提油技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比,其在能耗、環(huán)境和安全衛(wèi)生等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),但提油過(guò)程中產(chǎn)生的大量乳化油,嚴(yán)重制約游離油釋放。為提高清油得率,需要對(duì)乳化油進(jìn)行低成本且有效的破乳[3]。目前破乳研究大多集中在冷凍-解凍、無(wú)機(jī)鹽破乳等物理化學(xué)方法。堿法破乳研究鮮見(jiàn)報(bào)道。章紹兵[4]研究發(fā)現(xiàn),堿性環(huán)境下油滴界面膜上蛋白質(zhì)分子帶電量增加,分子間斥力加劇,蛋白質(zhì)易從油滴表面脫吸,導(dǎo)致膜層變薄,從而有利于蛋白酶作用及油滴聚并。本實(shí)驗(yàn)以水酶法提取油茶籽油形成的乳狀液為研究對(duì)象,采用堿法對(duì)其進(jìn)行破乳研究。通過(guò)對(duì)堿法破乳工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定了堿法破乳的最適條件與最大破乳率,并探討了其相關(guān)機(jī)理,為堿法破乳工藝提供了理論依據(jù),具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶籽 購(gòu)于安徽省六安市(干仁含油率為53.84%,含水率為6.62%,粉碎成80目備用)；果膠酶NCB-PE40 湖南尤特爾生化公司提供,最適pH3.0～5.5,最適溫度45～55℃,實(shí)測(cè)酶活力30000U/g；堿性蛋白酶Acalase2.4L 諾維信公司提供,最適pH6.5～8.5,最適溫度55～70℃,實(shí)測(cè)酶活力275800U/g；Nile Blue A 上海沃凱生物技術(shù)公司提供；鹽酸、氫氧化鈉等 均為分析純。

FW177型中草藥粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；HJ-4A型恒溫多頭磁力加熱攪拌器 常州國(guó)華電器有限公司；PHS-2C型數(shù)顯pH計(jì) 上海智光儀器儀表公司；熒光倒置顯微鏡IX81 奧林巴斯公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.2 操作要點(diǎn) 乳狀液的制備:參照文獻(xiàn)[5]中工藝提油茶籽油,產(chǎn)生的乳狀液用小勺取出,4℃冷藏備用；調(diào)料水比∶用蒸餾水以1∶1比例稀釋乳狀液；堿法破乳:調(diào)整體系pH和溫度,攪拌浸提一定時(shí)間；蛋白酶水解:加堿性蛋白酶Acalase2.4L進(jìn)行水解(水解條件:pH9.0,酶解溫度60℃,加酶量(v/w)1.5%,酶解時(shí)間1.5h)；滅酶:85℃水浴10min；離心:在10000r/min條件下離心15min,吸取上層清油,稱量,計(jì)算破乳率。

1.2.3 油茶籽仁和乳狀液主要成分 油茶籽仁和乳狀液含水率的測(cè)定:真空干燥法,參照GB/T 5009. 3-2003；乳狀液粗蛋白含量的測(cè)定:凱氏定氮法,參照GB/T 5009. 5-2003；油茶籽仁含油率的測(cè)定:索氏抽提法,參照GB/T 5009. 6-2003；乳狀液含油率的測(cè)定:羅紫-哥特里(Rose-Gottlieb)法[6]

1.2.4 乳狀液破乳率 按下式計(jì)算破乳率。

破乳率(%)=破乳后清油質(zhì)量/乳狀液中含油質(zhì)量×100

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 堿法破乳工藝參數(shù)優(yōu)化

1.3.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 按照1.2.1和1.2.2中方法,對(duì)堿法破乳工藝參數(shù)(時(shí)間、溫度和pH)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

a.時(shí)間對(duì)破乳率的影響 控制體系pH=8.5,溫度60℃,比較不同攪拌時(shí)間30、40、50、60、70min對(duì)油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

b.溫度對(duì)破乳率的影響 控制體系pH=8.5,攪拌時(shí)間50min,比較不同溫度40、50、60、65、70℃對(duì)油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

c.pH對(duì)破乳率的影響 控制體系溫度60℃,攪拌時(shí)間50min,比較不同pH7.0、8.0、8.5、9.0、9.5對(duì)油茶籽仁乳狀液破乳率的影響。

1.3.1.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 以時(shí)間(X1)、溫度(X2)、pH(X3)為實(shí)驗(yàn)因子設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)曲面法因素水平編碼Table 1 Level and code of variables for response surface analysis

1.3.2 熒光標(biāo)記技術(shù)觀察乳狀液油滴堿法破乳前后變化 參照文獻(xiàn)[7],對(duì)堿法破乳前后乳狀液進(jìn)行熒光染色實(shí)驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Design-Expert 8.05b進(jìn)行響應(yīng)面分析,應(yīng)用Graphpad Prism5作圖及分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳狀液主要成分

見(jiàn)表2。

表2 乳狀液主要成分(%)Table 2 Main components of the emulsion(%)

2.2 堿法破乳工藝參數(shù)對(duì)破乳率影響

2.2.1 堿法破乳工藝的單因素實(shí)驗(yàn)研究

2.2.1.1 時(shí)間對(duì)破乳率的影響 由圖1可以看出,破乳率隨堿法破乳時(shí)間延長(zhǎng)而增加,但50min以后隨時(shí)間延長(zhǎng)變化不明顯。綜合考慮生產(chǎn)效率和微生物污染等因素,堿法破乳時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),因此下面的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)研究中選擇時(shí)間水平值范圍為30～60min。

圖1 堿法破乳時(shí)間對(duì)破乳率的影響Fig.1 Effect of alkaline time on demulsification rate

2.2.1.2 溫度對(duì)破乳率的影響 由圖2可以看出,在40～50℃范圍內(nèi),隨著溫度升高破乳率迅速增加,但超過(guò)50℃后破乳率增加緩慢直至趨于穩(wěn)定。這可能因?yàn)檩^高溫度下,乳狀液界面膜上的蛋白質(zhì)易脫吸,使界面膜層變薄,易于蛋白酶作用；另一方面,溫度較高時(shí),體系粘度降低,有利于油滴聚集[4]。綜合考慮能耗和環(huán)境等因素,堿法破乳溫度不宜過(guò)高,因此下面的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)研究中選擇溫度水平值范圍為40～60℃。

圖2 堿法破乳溫度對(duì)破乳率的影響Fig.2 Effect of alkaline temperature on demulsification rate

2.2.1.3 pH對(duì)破乳率的影響 由圖3可以看出,pH對(duì)破乳率影響顯著,pH升高,破乳率迅速增加,但在pH超過(guò)8.0之后,破乳率增加趨于平緩。這可能因?yàn)轶w系pH高,油滴表面蛋白質(zhì)分子帶較多負(fù)電荷,分子間斥力作用較強(qiáng),易從油滴表面脫吸,從而有利于蛋白酶作用及油滴的聚集。但pH過(guò)高易使油脂皂化促進(jìn)游離脂肪酸的形成,從而影響油的質(zhì)量[4]。綜合考慮各方面因素,下面的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)研究中選擇pH水平值范圍為7.0～9.0。

圖3 堿法破乳pH對(duì)破乳率的影響Fig.3 Effect of alkaline pH on demulsification rate

2.2.2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 (如表3、表4、表5、圖4)。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。以X1、X2、X3為自變量,破乳率為響應(yīng)值Y,響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Results of response surface experiments

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert 8.05b進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到堿法破乳最佳工藝為:pH=9.00,溫度59.68℃,時(shí)間46.74min,此時(shí)油茶籽仁乳狀液破乳率達(dá)到預(yù)測(cè)中的最大值90.26%；并且建立二次響應(yīng)面回歸模型如下:Y=-200.37175+0.28188X1+12.03370X2-20.34600X3+0.0009X1X2+0.024000X1X3-0.17200X2X3-0.00539250X12-0.087880X22+1.81300X32

回歸模型方差分析見(jiàn)表4,回歸方程系數(shù)顯著性分析見(jiàn)表5,交互項(xiàng)的響應(yīng)面分析見(jiàn)圖4。

表4 二次多項(xiàng)式模型方差分析Table 4 ANOVA for the fitted quadratic polynomial mode

表5 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance validation of coefficient estimate of regression equation

注:**表示極顯著水平(p<0.01)；*表示顯著水平(p<0.05)。

圖4 pH和溫度交互作用的的響應(yīng)曲面圖Fig.4 Response surface plot of pH and temperature on demulsification rate

由表4可知,該模型回歸方程顯著(p=0.0020),而失擬項(xiàng)不顯著,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.90以上,說(shuō)明該回歸模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好,可以用于油茶籽仁乳狀液堿法破乳工藝實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)。

由表5可知,模型中一次項(xiàng)X2、X3的顯著水平小于0.01,影響極顯著,說(shuō)明溫度和pH對(duì)油茶籽仁乳狀液堿法破乳率具有極其顯著的影響；X22影響顯著。

由圖4分析結(jié)果可看出:由于時(shí)間在三個(gè)因素中影響最小,因此將時(shí)間固定(45min),作響應(yīng)面圖,以便突出溫度與pH對(duì)指標(biāo)的影響。在本實(shí)驗(yàn)水平范圍之內(nèi),隨著pH、溫度增加,破乳率均相應(yīng)增大；pH、溫度曲面坡度比較陡,說(shuō)明pH、溫度均對(duì)破乳率的影響比較大。

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化堿法破乳工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),考慮到實(shí)際操作的便利,將工藝參數(shù)修正為pH=9.0,溫度60℃,時(shí)間45min。在此條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)際測(cè)得的乳狀液平均破乳率為90.15%,與理論預(yù)測(cè)值90.26%相比,其相對(duì)誤差約為0.12%。因此基于響應(yīng)面法所得的優(yōu)化堿法破乳工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3 熒光標(biāo)記技術(shù)觀察堿法破乳前后乳狀液油滴變化

由圖5(a)可知,原始乳狀液的油滴小而多；由圖5(b)可知,堿法破乳時(shí)乳狀液小油滴穿透油水界面正在發(fā)生聚并,呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。這可能是因?yàn)閜H(9.0)高,使體系膜層蛋白質(zhì)分子帶較多凈負(fù)電荷,分子間斥力作用增強(qiáng),易從油滴表面脫吸；溫度(60℃)較高時(shí),體系粘度下降,有利于油滴聚集,另一方面蛋白質(zhì)在水相中的溶解度增大,加劇蛋白膜破裂[4,8]。

圖5 乳狀液的Nile Blue A熒光染色圖像Fig.5 Nile Blue A fluorescence images of emulsion

3 結(jié)論

3.1 應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)油茶籽仁乳狀液堿法破乳工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)響應(yīng)結(jié)果為:pH=9.0,溫度60℃,時(shí)間45min,此條件下乳狀液破乳率為90.15%。

3.2 通過(guò)熒光顯微成像法觀察得出,堿法破乳前油滴小而密集,并未聚并成大油滴；堿法破乳后油滴聚并變大,且呈不規(guī)則形狀。

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Camelliaoleiferaseed oil recovery fromemulsion through alkaline demulsificatication

LI Shi-ke1,2,3,LI Chun-yang2,,3,*,ZENG Xiao-xiong1

(1.Nanjing Agriculture University,Food College,Nanjing 210095,China;2.Institute of Agro-Food Science and Technology,Jiangsu Academy of Agriculture Science,Nanjing 210014,China;3.Jiangsu Cereals and Oil Quality Control and Processing Technology Important Laboratory,Nanjing 210014,China)

The demulsification of the emulsion formed during aqueous enzymatic extraction of camellia oleifera seed oil by alkaline was studied. Demulsification rate was taken as index. Based on single-factor experiments,the main factors were optimized with response surface methodology(RSM). By employing RSM design programmed,the optimal parameters were generated as follows:pH=9.0,temperature 60℃,time 45min and demulsification rate was 90.15%. Fluorescence microscopy technology was applied to observe the change of oil droplets before and after alkaline demulsificatication,respectively. The comparision found that alkaline demulsificatication oil droplets aggregated significantly,grease easier to release.

camellia oleifera seed oil;alkaline demulsificatication;RSM

2014-04-21

李世科(1989-)，女，碩士，研究方向：食品科學(xué)工程。

*通訊作者:李春陽(yáng)(1966-)，男，博士，研究員，研究方向：營(yíng)養(yǎng)與活性物質(zhì)，農(nóng)產(chǎn)品精深加工。

江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性課題(LYPK2012002)。

TS221

B

1002-0306(2015)03-0219-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.037