周龍正，陳復(fù)生，趙自通，李宇健

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州450001）

花生又名“落花生”或“長(zhǎng)生果”，是世界上六大油料作物之一。中國(guó)是世界上最大的花生生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也是最大的消費(fèi)國(guó)。此外，印度、美國(guó)、尼日利亞和蘇丹也是花生的主要種植國(guó)。2016年，我國(guó)花生的種植面積為472萬(wàn)hm2，主要集中在河南、山東、河北，廣東、安徽等地，花生總產(chǎn)量為1 728萬(wàn)噸，位居世界第一[1]。2016年～2017年，預(yù)計(jì)我國(guó)花生總產(chǎn)量將達(dá)到1 790 萬(wàn)噸[2]。

花生的主要成分及含量分別為油脂（44.27%～53.86%）、蛋白質(zhì)（23.94%～36.35%）、碳水化合物（9.89%～23.62%）、粗纖維（2.67%～6.40%）、灰分（1.75%～2.58%）、水分（5.33%～9.16%）[3]。此外，花生還富含微量營(yíng)養(yǎng)素，包括葉酸、維生素B6、維生素E、硫胺素、核黃素、煙酸、鈣、鎂、鋅等。

油脂是花生的主要成分，在主要的油料作物中，油脂含量?jī)H次于芝麻?；ㄉ椭泻卸喾N脂肪酸，如表1所示，大多數(shù)為不飽和脂肪酸，其中油酸含量高達(dá)60%，亞油酸為22%，與牛奶中油脂（58%）、亞油酸（25%）含量非常接近，而亞油酸是人體所必需的脂肪酸[4－5]。

表1 花生油中主要脂肪酸組成Table 1 The main fatty acid composition in peanut oil

花生蛋白含量很高，在油料作物中僅次于大豆（36%～51%），供給了11%的世界植物蛋白消費(fèi)?；ㄉ鞍字泻?8種氨基酸，其中包括人體所需的8種必需氨基酸[6]。它主要由花生球蛋白和伴花生球蛋白組成，其中花生球蛋白占63%，伴花生球蛋白占33%，是一種高營(yíng)養(yǎng)的植物蛋白資源[7]。此外，花生蛋白消化系數(shù)高達(dá)90%，與大豆蛋白相比，極易被人體消化吸收，并且花生蛋白的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量低于大豆蛋白，作為病人食品，對(duì)幫助糖尿病、高血壓病、動(dòng)脈硬化癥和腸胃病患者恢復(fù)健康有一定的效果[8]。在水酶法提取花生蛋白工藝中，由于酶的加入會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)水解，因此水解蛋白質(zhì)的功能特性及其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的研究有利于水酶法提取植物油技術(shù)的發(fā)展。Wang等[9]對(duì)水酶法提取花生油過(guò)程中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)水解物的生物活性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)花生肽具有良好的自由基清除能力，而且通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，花生肽具有抗疲勞的功效。Jung等[10]的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱處理后的蛋白質(zhì)，由于蛋白質(zhì)的熱變性而導(dǎo)致其溶解度下降，再經(jīng)過(guò)酶適度水解后可以改善其溶解性。相似的結(jié)果也在其它植物蛋白質(zhì)的相關(guān)研究中被證實(shí)[11]。

綜上所述，關(guān)于提高花生提油率以及花生蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的研究，有利于提高花生資源的綜合利用率、增加花生資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，花生衣、花生殼、花生蔓中含有的降低膽固醇物質(zhì)、抗氧化物質(zhì)及大量的膳食纖維等，也都增加了花生的使用價(jià)值[12－14]。

1 水酶法

1.1 水酶法原理

水酶法的原理是在機(jī)械破碎的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用能降解油料細(xì)胞中的脂蛋白、脂多糖、細(xì)胞壁等大分子復(fù)合物的酶來(lái)處理油料，達(dá)到破壞其組織結(jié)構(gòu)、水解大分子復(fù)合體，最后利用油水密度差以及各組分對(duì)油水親和力的差異，將油脂和蛋白質(zhì)分離開(kāi)[15]。激光共聚焦顯微鏡下木瓜蛋白酶破乳的微觀結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖1[16]，在水酶法提取花生油和蛋白過(guò)程中，形成的乳狀液是以油脂體形式存在的。油脂體是由一層磷脂膜包圍三?；视停╰riacylglycerol，TAG）所形成的完整、穩(wěn)定、獨(dú)立存在于細(xì)胞質(zhì)中的小球體，蛋白質(zhì)鑲嵌在磷脂膜上[17]。由于油脂體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，有效地破壞油脂體的磷脂蛋白膜就成了酶法破乳的關(guān)鍵。利用激光共聚焦顯微鏡觀察木瓜蛋白酶對(duì)乳狀液進(jìn)行破乳的微觀結(jié)構(gòu)變化，其中圓球狀部分為油脂，其外部由一層蛋白膜包被。

圖1 激光共聚焦顯微鏡下木瓜蛋白酶破乳的微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.1 Microstructural changes of cream emulsion by using papain from confocal laser scanning microscopy

1.2 水酶法工藝

壓榨法和預(yù)榨－浸出法是世界上最為成熟的花生油提取方法，水酶法正在向工業(yè)化進(jìn)程邁進(jìn)。

壓榨法分為高溫壓榨法和低溫壓榨法，前者應(yīng)用范圍更加廣泛。高溫壓榨法提取的花生油具有獨(dú)特的花生烘烤風(fēng)味，更為大眾所喜好。其工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少，適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是，過(guò)高的溫度會(huì)使蛋白質(zhì)變性，優(yōu)質(zhì)的花生蛋白資源遭到破壞，且壓榨后的花生餅中含油率較高（10%左右）。在油脂品質(zhì)方面，低溫壓榨油優(yōu)于高溫壓榨油；而在提油率方面，低溫壓榨法略低于高溫壓榨法，雖然低溫壓榨法的花生餅中有部分蛋白質(zhì)變性，但仍可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的花生蛋白粉[18]。

預(yù)榨-浸出法世界上應(yīng)用最廣的花生油提取方法。由于花生中油脂含量較高，一般經(jīng)高溫預(yù)榨提取部分油脂后，再經(jīng)溶劑浸出法提取剩余油脂。其提油率可以達(dá)到99%以上，預(yù)榨-浸出法雖然解決了提油率低的問(wèn)題，但其毛油質(zhì)量差[19]，浸提后花生粕中仍有溶劑殘留，致使蛋白質(zhì)品質(zhì)較差，用作動(dòng)物飼料后仍存在安全隱患[20-21]。此外，這兩種方法主要用來(lái)生產(chǎn)食用油，很少關(guān)注蛋白質(zhì)。提取花生油之后，蛋白質(zhì)含量達(dá)到50%，由于認(rèn)識(shí)到花生蛋白資源得不到合理利用，人們開(kāi)始探索新的技術(shù)方法，將花生油和花生蛋白同時(shí)提取以達(dá)到高效利用的目的。因此，“水酶法”應(yīng)運(yùn)而生。

水酶法是一種新興的植物油脂和蛋白質(zhì)提取技術(shù)，其生產(chǎn)條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、油脂提取率高等特點(diǎn)符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。與壓榨法相比，水酶法采用了比較溫和的提取條件，蛋白質(zhì)也作為副產(chǎn)物生產(chǎn)且具有高質(zhì)量的功能特性，不含毒素，極大地增加了蛋白質(zhì)的利用率[22]。與溶劑浸出法相比，水酶法以水作為提取介質(zhì)更加安全、環(huán)保，提取的油脂品質(zhì)高且不需要進(jìn)一步精煉。減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時(shí)也節(jié)約了生產(chǎn)成本[23]。水酶法產(chǎn)品質(zhì)量高，符合人們的生活需求。因此，受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

楊瑞金等[24]總結(jié)并繪制了水酶法提油技術(shù)的一般工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 水酶法提油技術(shù)的一般工藝流程Fig.2 The general process of extracting oil technology in aqueous enzymatic method

其中，在提取環(huán)節(jié)不加酶時(shí)，被稱(chēng)為水代法。水代法是利用油料中油和非油成分對(duì)水的親和力不同，以及油與水的比重不同將油水分離[25]。此方法雖然安全環(huán)保，但油脂得率遠(yuǎn)不能滿足人們生產(chǎn)需要。當(dāng)有酶的添加時(shí)，則變成了水酶法，水酶法是在水劑法的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的。因?yàn)槊钢苿┚哂懈咝院蛯?zhuān)一性的特點(diǎn)，選擇合適的酶制劑可以有效增加油脂得率。

在傳統(tǒng)水酶法生產(chǎn)流程中，酶解過(guò)程中需要加入大量的酶制劑，以達(dá)到避免產(chǎn)生大量乳狀液的同時(shí)破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)以提高游離油產(chǎn)量的目的。然而蛋白酶會(huì)導(dǎo)致花生蛋白質(zhì)水解成小分子肽，花生蛋白水解物帶有苦味，會(huì)影響花生蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用。此外，加酶量針對(duì)于花生原料中所有的蛋白質(zhì)，因此傳統(tǒng)水酶法工藝中的大量的加酶量導(dǎo)致了生產(chǎn)成本過(guò)高。根據(jù)傳統(tǒng)水酶法提取花生油和花生蛋白過(guò)程中所存在的這些問(wèn)題，李鵬飛[26]在堿性提取之后將乳狀液取出，此時(shí)乳狀液含有（77.89±1.24）%油脂和（1.37±0.12）%蛋白質(zhì)，然后單獨(dú)對(duì)乳狀液加酶進(jìn)行破乳提取花生油脂，在此被稱(chēng)為新型水酶法，如圖3所示。

由于乳狀液中的蛋白質(zhì)含量只占原料蛋白質(zhì)含量的6%，因此加酶量大大減少，從而保護(hù)了約94%的蛋白質(zhì)不被酶過(guò)度水解成小分子肽，保留了原有蛋白質(zhì)的功能特性。

圖3 新型水酶法工藝流程Fig.3 New aqueous enzymatic method process

2 水酶法提取花生油和蛋白研究進(jìn)展

水酶法是由水代法發(fā)展而來(lái)的。研究者為提高油脂得率對(duì)溫度、pH值、料液比等提取條件進(jìn)行優(yōu)化，但效果并不明顯。后來(lái)，隨著酶制劑的廣泛應(yīng)用，水酶法提油提蛋白成為了探究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)油籽粉碎粒徑、酶制劑的選擇、加酶量、酶解時(shí)間、酶解溫度等影響因素的優(yōu)化，提油率以及蛋白品質(zhì)均顯著提高，水酶法工業(yè)化進(jìn)程步入了新的時(shí)期。

2.1 水代法

壓榨法和溶劑浸出法提取植物油是世界上最為成熟的兩種提油工藝，但在這兩種提油工藝中將蛋白質(zhì)分離是一個(gè)獨(dú)立的、分開(kāi)的操作。為了解決這一問(wèn)題，1956年，Nathan[27]首次提出了以水作為提取溶劑提取花生油的方法，這種方法可以同時(shí)將清油、蛋白質(zhì)和固體殘?jiān)蛛x，達(dá)到同時(shí)提取蛋白質(zhì)和清油的目的，其操作更容易被控制，提出來(lái)的油可以直接作為最終產(chǎn)品。這種方法被稱(chēng)為“水代法”，此后受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。關(guān)于水代法的應(yīng)用，我國(guó)已有幾千年的歷史，但這種方法僅限于對(duì)芝麻（即小磨香油）的加工，只有甘肅地區(qū)將水代法應(yīng)用于大麻籽油的提取。

1958年我國(guó)油脂大會(huì)上就提出了推廣“水代法”的同時(shí)注重對(duì)“水溶法”的研究。水溶法是由水代法演變而來(lái)的，與水代法原理相同，只是水溶法用水量相對(duì)較多，將油料破碎到一定細(xì)度成為漿狀后，將其置于水或稀堿液中，油料中可溶性蛋白質(zhì)、糖類(lèi)等溶解，使油游離出來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)溶液pH值至蛋白質(zhì)等電點(diǎn)或者直接離心分離取得蛋白質(zhì)與油脂。但此時(shí)機(jī)械化程度較低，生產(chǎn)工藝中還需要用到燒堿和硫酸[28]。

1959年，Subrahmanyan等[29]采用新方法討論提高花生產(chǎn)油量和改善蛋白質(zhì)品質(zhì)的研究，最終花生油提取率只有30%，且分離蛋白中含有12%脂肪。1972年，Khee Choon Rhee等[30]以花生為原料，進(jìn)一步完善此方法。此時(shí)，油料的粉碎程度對(duì)植物油提取的影響逐漸受到研究人員的關(guān)注。根據(jù)乳化原理，在大量水分存在下對(duì)油料進(jìn)行碾磨粉碎，會(huì)形成穩(wěn)定的乳狀液。李瑚傳等[31]研究者認(rèn)為，采用濕法碾磨或脈沖法會(huì)造成提油率不高并且蛋白中含油率很高等問(wèn)題，干法碾磨是最佳選擇，因?yàn)闆](méi)有水的加入，不會(huì)出現(xiàn)高度乳化現(xiàn)象。與此同時(shí)，高速離心機(jī)的應(yīng)用為機(jī)械化和連續(xù)化生產(chǎn)提供了重要的途徑[32]。

水劑法不僅用于植物油和蛋白質(zhì)的提取，1984年，盛健華等[33]利用水劑法脫毒制取的脫毒菜籽粕，有毒成分異硫氰酸鹽從1.784 mg/g降至0.433 mg/g，惡哇烷硫銅從0.494 mg/g降至0.133 mg/g，生產(chǎn)的脫毒菜籽粕具有低毒，高營(yíng)養(yǎng)的品質(zhì)，其生產(chǎn)性能不亞于豆餅。

2.2 水酶法

水劑法在提取油料中油脂的同時(shí)，有效回收了具有天然性質(zhì)的蛋白質(zhì)[34]。然而，水劑法的主要技術(shù)問(wèn)題是如何提高破乳率和分離效率[35]。直至20世紀(jì)70年代，隨著微生物技術(shù)在酶生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣，一些學(xué)者將水劑法與酶制劑相結(jié)合，發(fā)明了一種全新的提取植物油脂和蛋白質(zhì)的方法——水酶法，這種方法有效解決了水劑法提油率不高的問(wèn)題。

1983年Fullbrook[36]從廢棄的西瓜籽中制取可溶性水解蛋白質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著蛋白質(zhì)水解，部分油被釋放。隨后，酶法分離油料中油和蛋白質(zhì)等組分的研究逐漸成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

選取合適的酶制劑是水酶法成功的關(guān)鍵，根據(jù)水解作用部位的不同，可將酶制劑分為三大類(lèi)，分別為油料細(xì)胞壁降解酶類(lèi)、蛋白質(zhì)水解酶類(lèi)和復(fù)合酶類(lèi)[37]。其中，應(yīng)用最為廣泛的是蛋白酶。Sharma等[38]在蛋白酶Protizyme TM（酸性、中性和堿性蛋白酶混合物）提取花生油的研究中，在最佳酶解條件下（加酶量2.5%，酶解pH值4.0，酶解溫度40℃，酶解時(shí)間18 h，料水比1∶5 g/mL），花生水酶法總油提取率可以達(dá)到86%～92%。但是，由于此過(guò)程中酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于工業(yè)化生產(chǎn)[39]。因此，研究者不斷創(chuàng)新，致力于尋找出一種高效的提取植物油和蛋白的酶解條件。章紹兵等[40]對(duì)此方法進(jìn)行了優(yōu)化，選取Alcalase 2.4L研究了在不同烘烤溫度下花生油和蛋白的提取率，最適酶解條件為：烘烤溫度 190 ℃（20 min），料液比為 1 ∶5，酶濃度為2%，酶解時(shí)間為3 h。最終游離油和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物的產(chǎn)率分別為78.6%和80.1%。殘留乳狀液經(jīng)凍融破乳后，總游離油產(chǎn)率提高到86%～90%。研究證明烘烤溫度對(duì)花生提油率影響不大，但過(guò)高的烘烤溫度會(huì)減少蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物的回收。

針對(duì)水酶法過(guò)程中用水量過(guò)大的問(wèn)題，Moura等[41]在兩步水酶法提取大豆油的過(guò)程中，將第一步酶解離心后的液相進(jìn)行分離，分離出的上清液重新加入至第一步酶解過(guò)程中進(jìn)行酶解反應(yīng)，用水量只有傳統(tǒng)水酶法的一半?；厥盏纳锨逡褐胁糠置缚赡苋源嬖诨钚?，因此油和蛋白的提取率略有增加。

酶制劑昂貴的價(jià)格也是阻礙水酶法工業(yè)化生產(chǎn)的因素之一，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中有效的回收酶制劑將會(huì)為水酶法的工業(yè)化生產(chǎn)邁出重要的一步。Jung等[42]在水酶法（Protex 6L）提取大豆油中，Protex 6L 活性的主要部分在脫脂組分中被回收，且酶活性為84.7%。Chabrand等[43]用堿性?xún)?nèi)肽酶進(jìn)行兩步酶法提油實(shí)驗(yàn)中，提油率達(dá)到95%。第二次離心后脫脂組分中90%以上的酶活性被保留，并且可以再次用于破乳步驟，顯著降低了生產(chǎn)成本。此外，適度粉碎減小料漿平均粒徑可以降低乳狀液的穩(wěn)定性，提高油和蛋白質(zhì)回收率。當(dāng)花生料漿的平均粒徑從38 μm降至28 μm時(shí)，水酶法工藝的總得油率和水解蛋白得率最高，分別為88.8%和77.5%。如繼續(xù)粉碎，將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的乳化現(xiàn)象，總油得率和水解蛋白得率出現(xiàn)降低的趨勢(shì)[44]。

近年來(lái)，更多的學(xué)者將研究方向放在了乳狀液破乳方面，其中江南大學(xué)李鵬飛等[45]對(duì)比了磷脂酶、淀粉酶和蛋白酶（Protex 6L，Protex 7L，Protex 50FP，Alcalase 2.4L，木瓜蛋白酶）的破乳率、乳狀液中的提油率以及水解蛋白溶解度。研究表明，蛋白酶在乳狀液的破壞方面表現(xiàn)出更好的效果，其中木瓜蛋白酶的破乳率為（90.7±2.2）%、Protex 50FP 為（93.5±3.7）%；使用 Alcalase 2.4L得到的游離油為（86.9±3.3）%，而淀粉酶和磷脂酶分別只得到（69.0±4.0）%和（56.7±1.2）%；Alcalase2.4L水解蛋白的溶解度最高（94.4±5.0%），其次是 Protex 6L（93.5±0.6%），木瓜蛋白酶（79.5±1.5%）。

3 水酶法的前景展望

盡管水酶法具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在水酶法工業(yè)化進(jìn)程中，仍然存在一些問(wèn)題。1）酶制劑昂貴的價(jià)格是水酶法成本高的主要原因，因?yàn)樘崛∵^(guò)程中需要大量的酶（通常是油籽重量的1%），但隨著生物工程、固定化酶技術(shù)的不斷發(fā)展[46]，這些問(wèn)題會(huì)陸續(xù)得到解決。2）水酶法對(duì)油籽粉碎粒徑要求較高，適當(dāng)?shù)姆鬯榱接欣谟秃偷鞍椎奶崛?，大型的?zhuān)用粉碎設(shè)備有待開(kāi)發(fā)。3）在水酶法提油過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生乳狀液，不利于油和蛋白質(zhì)的回收，目前生產(chǎn)工藝中乳狀液的破乳率大多在80%左右，仍需有效的酶制劑來(lái)提高破乳率從而增加油脂和蛋白得率[47]。隨著人們生活水平的提高、社會(huì)生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，水酶法將有著更為廣闊的應(yīng)用前景。