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发布时间:2021-02-15 12:20:38

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作者:李杨 著

出版社:化学工业出版社

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大豆生物解离技术

大豆生物解离技术试读:

前言

大豆中含有丰富的优质蛋白及油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸,其中亚油酸含量尤其丰富(50%~60%),是优质食用油及植物蛋白的主要来源,在日常生活中乃至国家的经济中占有重要的地位。传统的大豆油提取方法主要有压榨法和浸出法,这两种传统制取方法虽然能得到95%以上的油脂,但提油过程中蛋白变性严重,很难进一步被利用,造成大量优质蛋白的浪费,而且存在溶剂残留、生产安全性差等问题,因此需要开发新的油脂提取技术。生物解离技术是近年来新兴的一种环保提油技术,与传统的提油方法相比,具有提取率高,对环境友好,安全性好,无溶剂残留,能耗和成本较低,条件温和,体系中降解产物一般不会与提取物发生反应,能得到变性程度低的蛋白、高品质的油以及其他功能性成分的特点。

生物解离技术是指在油料作物机械破碎的基础上,采用能降解油料细胞壁或对脂蛋白、脂多糖等复合物有降解作用的酶(纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、葡聚糖酶、淀粉酶等)作用于油料,使油脂从油料子叶细胞或脂蛋白、脂多糖的复合物中释放出来,以水为溶剂,使亲水性物质进入水相,利用油相与水相密度差异及不相溶性,采用物理方式将其分离。生物解离技术提取大豆油的一般工艺流程如下。

生物解离技术被油脂科学界称为“一种油料资源的全利用技术”,这项技术符合绿色生产、综合利用的发展理念和可持续发展的战略思想。

本书根据生物解离技术的工艺单元分为六章撰写,第一章介绍油料大豆,包括大豆的化学组成、籽粒细胞结构、大豆的制油特点;第二章对生物解离预处理进行了概述,包括粉碎预处理、挤压膨化预处理、超声预处理以及其他预处理方式;第三章对酶解工艺进行了概述,包括酶制剂、酶解工艺及生物解离相关机理;第四章介绍了目前常用的破乳方法,包括乳状液特征、乙醇冷浴破乳、酶解破乳、超声破乳及其他破乳技术,并对破乳相关机理研究进行了概述;第五章重点介绍了生物解离大豆油脂和蛋白的性质;第六章概述了大豆生物解离产物综合利用,包括大豆蛋白、大豆肽、膳食纤维的提取及其他副产物综合利用。

本书是第一本讲述大豆生物解离技术的著作,将笔者多年来的研究成果整合成此书,可以作为生物解离技术的相关研究学者的参考书,同时也可作为教学的参考书。

编写过程中,参考和引用了有关论著及期刊文献中的部分资料,在此表示感谢。

此书属于科研工作者的参考书,需要在科研领域中不断地探索与进一步完善。由于笔者的水平和经验有限,书中不足之处,希望专家学者和读者不吝赐教,以便改正。李 杨东北农业大学2015年4月第一章 油料大豆

大豆(Soybean),又名黄豆,属豆科,一年生草本植物,原产于我国。目前,大豆已经成为世界上最重要的植物油料之一,主要生产国有中国、美国、巴西、阿根廷等十个国家,产量占世界总产量的96%以上,是供应世界植物蛋白(食用和饲料)、食用油的主要来源之一,是全世界产量第一位的食用油(人们日常食用油中80%为植物油,20%为动物油),占美国食用油总产量的三分之二。本章主要对油料大豆进行综合阐述,分别介绍了大豆的化学成分、籽粒结构以及制油特点,这部分内容是研究大豆生物解离技术的重要的理论基础。第一节 大豆的化学组成

大豆是世界上最重要的植物油料和植物蛋白主要来源之一,其主要由脂肪、蛋白质、碳水化合物、膳食纤维、水分等组成。每100g大豆约含蛋白质36.3g,含量较高,且质量比粮食中的蛋白质好,与肉类的蛋白质接近(其中瘦猪肉含量16.4%,鸡蛋含量14.7%,牛奶含量3.3%);磷571mg,铁11mg,是矿物质的良好来源;脂肪18.4g,碳水化合物15.3g,膳食纤维15g,灰分4g,钙367mg(含量丰富),胡萝卜素0.4mg,维生素B 0.79mg,维生素B 0.25mg,尼克酸122.1mg;与等量的猪肉相比,蛋白质多1倍,钙多33倍,铁多26倍,而价格比猪肉便宜很多。大豆各个组分的含量见图1-1(刘琪,2013)。图1-1 大豆各组分含量

1.蛋白质

大豆中的蛋白质含量高,消化吸收率高,是一种优质的植物蛋白。是大豆中含量最高的成分,从某种意义来说大豆应当称为蛋白作物,而不是油料作物。大豆蛋白含有八种人体必需氨基酸,其含量接近联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)推荐的理想构成,营养价值与牛奶、牛肉相当,能够充分满足人类的营养需要(吴加根,1996;李里特等,2002;李岭,2011)。大豆蛋白具有多种功能特性,如乳化性、持水性、持油性、起泡性等,被应用于肉类制品、饮料、冰淇淋及各种保健食品中(王瑞元,2011)。然而目前,大豆蛋白主要被用作饲料,仅有很少一部分大豆蛋白直接用于传统的大豆食品或作为蛋白配料而被人体消耗掉。因此,可以说大豆蛋白很大程度上还没有被开发利用完全。

大豆蛋白的分级与分类很复杂,与此有关的报道常出现不一致的情况。由于其本身的复杂性和对大豆蛋白使用的不同提取方法,导致了不同的文献常常出现不同的命名法则。特定的大豆蛋白都有自己的俗名,例如,球蛋白的两种类型——豆球蛋白和豌豆球蛋白,在大豆中通常被称为大豆球蛋白和伴大豆球蛋白,其来源于大豆的属名Glycine。

2.类脂化合物

大豆主要以甘油三酸酯的形式把类脂成分储存在一个被称为油脂体的细胞器内,甘油三酸酯为中性类脂,每个甘油三酸酯分子含有三个脂肪酸分子和一个连接它们的甘油分子。普通食用油尤其是大豆油的营养价值、功能特性及氧化稳定性都是由其脂肪酸成分所决定的。而大豆脂肪酸构成较好,主要由5种脂肪酸组成,包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸,其中棕榈酸7%~10%,硬脂酸2%~5%,花生酸1%~3%,油酸22%~30%,亚油酸50%~60%,亚麻酸5%~9%,其中油酸、亚油酸和亚麻酸为不饱和脂肪酸,棕榈酸和硬脂酸为饱和脂肪酸。可见,大豆脂肪的特点是不饱和脂肪酸含量较高,其中亚油酸和亚麻酸占脂肪酸总量的60%左右。这类多不饱和脂肪酸在人体内不能合成或含量甚微,所以必须由食物供给,因而又称为必需脂肪酸。多不饱和脂肪酸有促进儿童生长发育的作用,也有降低成年人血清胆固醇和血脂的作用,是预防心血管性疾病的重要物质(刘志胜等,2000)。

大豆中还含有丰富的卵磷脂,对人体健康非常有益。大豆油也因为其消化吸收率高,被评为一种营养价值很高的优良食用油。

3.糖类

大豆中的碳水化合物可分为可溶性碳水化合物和不溶性碳水化合物两类。大豆中可溶性碳水化合物含有微量的单糖(如葡萄糖和阿拉伯糖)和适量的二糖与低聚糖(蔗糖2.5%、棉籽糖0.1%~0.9%、水苏糖1.4%~4.1%),大豆中的不溶性碳水化合物包括纤维素、半纤维素、果胶和微量的淀粉,他们主要存在于细胞壁中,为结构性成分。

大豆中同样有部分不被人体消化吸收的多糖类和木质素,统称为膳食纤维。大豆膳食纤维是复杂的混合物,包括水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维,大豆膳食纤维是由纤维素、半纤维素、果胶和果胶类物质、糖蛋白和木质素组成。大豆膳食纤维对人体健康有很多重要的生理功能,如降低血清胆固醇水平,改善血糖生成反应,改善大肠功能及降低营养素利用率等。大豆膳食纤维可作为一种食品配料,也可作为稳定剂,具有增稠、延长食品货架期的作用,且大豆膳食纤维可作为冷冻稳定剂使用,另外还可制成各种保健食品(蓝海军,2007)。

4.微量成分

在大豆的主要矿物质成分中,钾的含量最高,其次是磷、镁、硫、钙、氯和钠。这些矿物质的平均含量范围为0.2%~2.1%。

大豆含有水溶性和脂溶性维生素。大豆中的水溶性维生素主要是维生素B、维生素B、尼克酸、泛酸和叶酸。脂溶性维生素是维生12素A和维生素E,基本上不含维生素D和维生素K。

大豆中还含有大豆异黄酮,含量受大豆品种、产地、生产年份的影响,其变化范围为0.5~7.0mg/g干大豆。大豆异黄酮具有弱雌激素活性,可竞争性地与雌激素受体结合,从而具有抗雌激素的作用,具有预防乳腺癌、减轻或避免引起更年期综合征等功能(刘志胜等,2000)。

5.其他成分

大豆还含有抗营养因子,如干扰蛋白质消化利用的胰蛋白酶抑制剂、大豆凝集素。在生大豆中胰蛋白酶抑制因子含量约30mg/g,它对植物本身具有保护作用,可防止大豆籽粒自身发生分解代谢。目前,从大豆中已分离出两种类型蛋白抑制剂:即Kunitz型胰蛋白酶抑制剂和Bowman-Birk型胰蛋白酶抑制剂。目前,大豆胰蛋白酶抑制剂抗营养作用主要表现在抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性,降低蛋白质消化吸收和造成胰腺肿大两个方面(黄凯等,2008)。除了胰蛋白酶抑制因子以外还有其他的抗营养因子,如大豆凝集素,它是从大豆提取物中分离出的一种能凝集红细胞的蛋白质,主要有凝集活性,促分裂活性,对肠道、胰腺、免疫系统的抗营养作用(潘洪彬等,2005)。

大豆中含有对甲状腺不利的致甲状腺肿大因子,主要物质为硫氰酸酯、异硫氰酸酯、唑烷硫酮。致甲状腺肿素优先与血液中碘结合,致使甲状腺素合成所需碘来源不足,导致甲状腺代偿性增生肿大(顾振宇等,2000)。

大豆中含有影响微量元素吸收的植酸、皂苷。植酸即肌醇六磷酸(酯),是植物中磷的主要储备形式。植酸磷含量占总磷的60%~80%,但由于植酸磷在消化道中难以被降解,因此植酸态的磷被机体吸收利用率很低。在化学结构上,植酸具有很强的螯合能力,在2+2+pH值3.5~10的范围内(即胃肠的pH条件下)可以络合Fe、Zn、2+2+Ca、Mg等离子形成不溶性盐类,从而降低了人体对这些微量元素的吸收(吴金鸿等,2004)。

大豆中还含有致肠胃胀气的低聚糖成分等,这些成分在大豆加工过程中应去除或被破坏,以提高大豆制品的营养价值(石彦国等,1993;江连洲,2000;李利峰等,2004)。目前,通过诱变育种、转基因技术等开发低亚麻酸(1.5%~2.5%)、高油酸(60%~70%)、无胰蛋白酶抑制剂的大豆新品种,已经在一些国家获得成功。第二节 大豆的籽粒细胞结构一、大豆籽粒的结构

大豆的果实为荚果,豆荚内含有1~4粒种子,一般为2~3粒。大豆荚果脱去其果荚后即为大豆籽粒。大豆籽粒有扁圆形、球形、椭圆形和长圆形等几种不同的形状,其结构如图1-2(a)所示,种子的直径在5~5.98mm,由胚和种皮两部分组成,一般胚占种子重的92%左右,种皮占8%左右。正如在大多数其他豆科植物看到的,大豆种子基本没有胚乳,只有种皮和一个大的、发育良好的胚,因此,大豆属于双子叶无胚乳种子,大豆无胚乳子叶是大豆的主要部分,占种子重的90%。子叶有两片,是大豆储藏养分的地方,其中含有丰富的蛋白质和脂肪,子叶的细胞组织内几乎集中了大豆所含的全部油脂[如图1-2(b)所示]。图1-2 大豆籽粒结构

大豆和其他的有机体一样都是由大量的细胞组织组成,而且相比于棉籽和亚麻籽,其细胞最大,细胞的形状可呈球形、圆柱形、纺锤形、多角形等,一般单个细胞呈球形。

1.种皮

种皮位于大豆籽粒的外层,约占整个大豆籽粒质量的8%,是由胚珠被发育而成的,对种子具有保护作用。大多数大豆品种的种皮表面光滑,有的有蜡粉或泥膜。大豆种皮的色泽因品种而异,通常有黄、青、褐、黑及杂色五种,其上还附有种脐、珠孔和合点等结构。黄色大豆数量最多,且含油量最高,主要用于制油。成熟的大豆种子表面光滑、完整、饱满,有的还具有光泽,光泽好的大豆往往含油量较高。不同品种大豆种脐的形态、颜色、大小略有差别。大豆的种子有扁圆形、球形、椭圆形和长圆形等几种不同的形状。在种脐下部有一凹陷的小点称为合点,是珠柄维管束与种胚连接处的痕迹。脐上端可明显地透视出胚芽和胚根的部位,两者之间有一个小孔眼,种子发芽时,幼小的胚根由此小孔伸出,故称此小孔为种孔或珠孔、发芽孔。

大豆种子的种皮从外向内由4层形状不同的细胞组织构成[如图1-2(b)所示]。最外层为栅状细胞组织,由一层似栅栏状并且排列整齐的长条形细胞组成,细胞长40~60μm,外壁很厚,为外皮层。其最外层为角质层,其中有一条明线贯穿,决定种皮颜色的各种色素就在栅状细胞内。栅状细胞较坚硬并且排列紧密,一般情况下水较易透过,但若栅状细胞间排列过分紧密时,水便无法透过,使大豆籽粒成为“石豆”或“死豆”,这种大豆几乎不能加工利用。靠近栅状细胞的是圆柱状细胞组织,由两头较宽而中间较窄的细胞组成,长30~50μm,细胞间有空隙。当进行泡豆处理时,这些圆柱状细胞膨胀极大,使大豆体积增大。圆柱状细胞组织的再里一层是海绵状组织,由6~8层薄细胞壁的细胞组成,间隙较大,泡豆处理时吸水剧烈膨胀。最里层是糊粉层,由类似长方形细胞组成,壁厚,含有一定的蛋白质、糖、脂肪等成分。对于没有完全成熟的大豆籽粒,其种皮的最里层(糊粉层之下)是一层压缩胚乳细胞。

2.胚

大豆籽粒的胚由胚根、胚轴(茎)、胚芽和两枚子叶4部分组成。胚根、胚轴和胚芽3部分约占整个大豆籽粒质量的2%。大豆子叶是大豆主要的可食部分,其质量约占整个大豆籽粒的90%。子叶的表面是由近似正方形的薄壁细胞组成的表皮,其下面有2~3层稍呈长形的栅状细胞,栅状细胞的下面为柔软细胞,它们都是大豆子叶的主体。在超显微镜下可以观察到子叶细胞内白色的细小颗粒和黑色团块。白色的细小颗粒称为圆球体,直径为0.2~0.5μm,内部蓄积有中性脂肪;黑色团块称为蛋白体,直径为2~20μm,其中主要为蛋白质。二、大豆籽粒的组成

大豆籽粒的各个组成部分由于细胞组织形态不同,其构成物质也有很大差异。大豆种皮除糊粉层以外都含有一定量的蛋白质和脂肪,其他部分几乎都是由纤维素、半纤维素、果胶质等物质组成,食品加工中一般作为豆渣而除去。而胚根、胚轴、胚芽、子叶则主要以蛋白质、脂肪、糖为主,富含异黄酮和皂苷。大豆子叶是由蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质和维生素等主要成分构成。整粒大豆及其各部位的化学组成情况如表1-1所示。表1-1 整粒大豆及其各部分的化学组成①粗蛋白含量是以含氮量N×6.25计。三、大豆籽粒细胞结构

大豆油呈黄色或者棕黄色,是一种半干性油。大豆主要用于制取油脂和饼粕,过去豆粕仅作为副产品,用作饲料或者肥料。近年来大豆日益成为制取食用蛋白的重要原料,以大豆饼粕为原料,可制取大豆浓缩蛋白、分离蛋白、组织状蛋白、纤维状蛋白等多种产品。

大豆油与其他食用油一样,主要为我们提供能量、必需脂肪酸和脂溶性维生素。除此之外,大豆油脂被广泛应用于各种食品产品中,包括冰淇淋、起酥油、人造奶油、蛋黄酱及生菜调味酱汁等(李杨,2013)。

对大豆微观结构的了解对于大豆油脂的提取有着重要的意义,大豆是双子叶植物,大部分的蛋白和油脂储存在子叶组织中的亚细胞器中,称为大豆蛋白质体和大豆油体(也称油体蛋白)。蛋白体占据了子叶细胞的大部分空间(Bair C W,1979)。大豆油体的直径远小于蛋白质体,位于蛋白质体之间的空隙中(Wolf W J,1970)。大豆子叶透射电镜显微图见图1-3,典型大豆子叶呈现圆柱形,直径为30μm,长度有70~80μm,为了充分地破坏子叶细胞,粉碎的粒度需要小于这个尺寸才可以有效地破坏细胞结构(Deak等,2004;齐宝坤,2013)。图1-3 大豆种子与子叶细胞的透射电镜图(Campbell KA等,2010)CW—细胞壁;PB—蛋白质体;N—细胞核;OB—油体

植物油料细胞壁是植物细胞特有的结构,主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等物质组成,油料细胞表面坚韧的细胞壁将油脂、蛋白质等物质包裹在内,在细胞内,油脂通常与其他大分子结合,构成脂多糖和脂蛋白等复合体,油脂及其伴随物是以极小直径的球形“油脂体”存在的,每个油脂体外面都由一层蛋白质为主要成分的边界膜包围着(谭春兰,2006),由于油脂被细胞壁所包围着,有研究表明(Campbell KA等,2009),细胞壁是从大豆中提取油脂和蛋白的主要屏障,因此任何物质的提取都需要对细胞进行破碎(Rosenthal A等,1996)。大豆细胞壁为双层,大豆的第一层细胞壁由果胶、半纤维素、交联着蛋白的纤维微管束构成,这层由果胶构成的膜层将子叶细胞连接在一起(Kasai N等,2003);第二层细胞壁是由纤维素、半纤维素构成(Dominguez等,1994)。通过胞间连丝将物质越过细胞壁屏障发生传递,胞间连丝是细胞壁中的微小开口,直径为20~80nm(Johnson L A,2008)。

Tzen和Huang(Tzen J T et a.l 1992)于1992年提出的油脂体结构模型,分析了油脂体的分布规律及其存在状态(图1-4),认为油脂体内部主要为三酰甘油(TAG)的液态基质[图1-4(a)],外部则为磷脂单分子层及嵌入其内的油脂体结合蛋白组成的半单位膜,这个半单位膜的基本单位是由13个磷脂分子和1个油脂体结合蛋白分子组成[图1-4(c)],镶嵌于半单位膜上的油脂体蛋白分子主要为油素蛋白,其疏水区域为长约11nm的柄状结构[图1-4(b)]。因此,只有将油料组织的细胞结构和油脂复合体破坏,才能将有效的成分(油脂、蛋白及功能性成分等)提取出来。图1-4 油脂体结构示意图(Tzen J T et al.1992)第三节 大豆的制油特点

古往今来,大豆是我国的重要的油料作物之一(李里特,2002;江洁等,2004)。植物油脂积累于植物种子中,主要以三酰甘油的形式存在,植物种子中的三酰甘油分散成许多小的相对稳定的亚细胞颗粒,也被称为油体(oil body)(Huang AHC,1992)。大豆的种子中含有大量的油体。大豆油体是天然存在的油,应用过程中既不需要乳化剂也不需要均质的过程。油体是植物细胞中最小的细胞器。油体为直径0.5~2.5μm的球体,油体的大小因植物种类和品种的不同而不同,且会受到营养和环境的影响(Tzen JTC等,1993)。在同一粒种子的不同组织细胞中,油体的大小也会有所不同。在电镜下,油体的外部是一层致密的膜,内部为不透明的基质。

油体主要组成为:中性脂类(92%~98%)、磷脂(PL)(1%~4%)和油体相关蛋白(1%~4%)(仇键等2005)。油体中也含有少量的细胞色素C还原酶(Huang AHC,1992)。某些植物的油体中还含有酯酶和酰基甘油酶(Tzen JTC等,1992)。根据Tzen等(Slack CR等,1980)提出的油体结构模型,油体内部的液态基质为TAG,外围是由一层磷脂单分子层及其镶嵌蛋白Oleosin组成的半单位膜,它是由13个磷脂分子和1个Oleosin分子组成(如图1-5),其中磷脂占油体表面的80%,Oleosin占20%。每个磷脂分子的2个疏水酰基朝向内部疏水的基质,而亲水端则朝向外部,使油体表面具有一定的亲水性。Oleosin分子中间的疏水区形成一个约11 nm的柄状结构,并且伸入磷脂的疏水酰基部分及油体内部的基质中,而Oleosin分子其余的部分则覆盖在油体表面,阻止外部的磷脂酶作用于磷脂。植物种子经长期储存,油体分子之间不会相互聚合(WuLSH等,1998),这是由于油体表面的电荷和Oleosin的存在(Frandsen G I等,2001)。最近有研究表明,油体表面的蛋白主要为Oleosin,同时也镶嵌少量Caleosin等其他蛋白,因此油体的结构可能较上述模型更加复杂(Huang A H C,1996)。图1-5 冷冻电镜条件下的油体结构图

油体的产生尚未研究清楚,但有学者认为TAG的合成以及在内质网上被磷脂包裹和油体蛋白在粗面内质网上的合成是同步的(Huang AHC,1992;Tzen JTC等,1993)。合成的TAG在内质网上积累,形成突出的“芽体(bud)”,粗面内质网上一旦合成了Oleosin就与芽体上的磷脂结合,很可能受其中间疏水区的定位引导,最终发育形成油体(Deborah S L等,1993;Kai H等,2004)。这种模型可以很好地解释油体的半单位膜结构,但也有另一种假说认为油体的合成是在细胞液中,由聚合态的TAG分子遇到Oleosin和磷脂后被包起来形成。研究表明,在种子萌发的过程中,酯酶的合成可能与Oleosin有关,Oleosin中可能含有酯酶的结合位点,也有可能是酯酶的活化因子(Huang AHC,1992)。酯酶作用于油体内的TAG产生脂肪酸,脂肪酸在乙醛酸循环体中代谢。当TAG降解后,Oleosin迅速消失,油体的磷脂与液泡膜逐渐融合,最终形成大的中央液泡。

由于油脂被细胞壁所包围着,所以细胞壁成为了提取油脂的第一道障碍,因此对子叶细胞的破损过程有利于从细胞中提取油脂(Yoshida H等,2005)。大豆的第一层细胞壁由果胶、半纤维素、交联着蛋白的纤维微管束构成,这层由果胶构成的膜层将子叶细胞连接在一起(Referenceunndfs 2011);第二层细胞壁是由纤维素、半纤维素构成。大豆子叶细胞中的蛋白体含有蛋白量占子叶细胞总蛋白含量的80%左右,这些蛋白体占据了子叶细胞的大部分空间(Cater C等,1974)。因此,要达到充分的释放子叶细胞中的油脂的目的,就要充分地移除蛋白体。

油料种子的子叶细胞内含有独立分离的细胞器,分别是油体(Oil Body,OB)和蛋白体(Protein Body,PB)。油体表面含有大量的蛋白组分,这些蛋白对油体形状的维持起到了重要的作用,并起到了保护其内部油脂的作用(Anthony H.C H,1994;Murphy D J,1993)(详情见本章第二节),子叶细胞内充满了蛋白体,在蛋白体的空隙间则充满了油体和细胞质。蛋白体的直径为10~50μm。比起蛋白体,油体的直径一般在几微米之间(Wolfw J等,1972)。通常油体填满了蛋白体之间的空间,并且被包裹在蛋白体形成的网状结构中(Adler-Nissen J等,1985)。油体的外表面是由双亲性蛋白(一端亲油,一端亲水)构成的膜,并且膜上结合了磷脂(Bair C等,1980)。这些油体表面蛋白的重量大约占油体总重量的15%。油体蛋白对于稳定油体的形态起到了重要的作用。在蛋白酶作用下,油体蛋白可以被酶水解。通过显微镜观察可以发现:油体对细胞壁、蛋白体、质膜、内质网具有明显的亲和力,但对于其他的细胞器则无此亲和力(Murphy D J,1993;Adler-Nissen J等,1985)。

油体的提取方法主要有水相提取法,缓冲溶液提取法和酶辅助提取法。Jacks等用含有氯化钠的Tris-HCl缓冲液,蒸馏水总共洗涤14次得到纯净的油体。Tzen等提出了一种经典提取油体的方法,包括用有机溶剂萃取、离心沉淀、用去污剂洗涤、用盐离子洗脱、用离液剂处理、用正己烷进行完整性测定等步骤。该方法提取的油体,除去了油体中非特异性结合蛋白,拥有较高的纯度。Kiosseoglou等用水萃取法提取了玉米胚乳中的油体,结果表明在碱性条件下多次洗涤油体的得率可以达到95%。在油体的储藏过程中,测定了油体的平均粒径的变化和稳定性,并研究了油体表面的磷脂、油体结合蛋白对油体稳定性的影响。Kapchie等用酶辅助法提取大豆油体,在60℃,150r/min用复合果胶酶、纤维素酶和β-葡聚糖酶的混合物对豆粉处理20h,过滤、离心进而得到油体,研究了超声和高静压两种前处理方法对油体的影响,油体的回收率最高可达到84.65%。

传统大豆油脂提取中,主要采用的是以六号溶剂为主的浸出法和机械压榨法(Huang A H C,1996;Deborah S L等,1993)。机械压榨提油法主要是通过采用物理的手段从植物的子叶细胞中将油脂挤出来的提油方式。压榨法提油与溶剂浸出法相比其工艺比较简单,相应的配套设备较少,并且对不同油料的适应性强,风味纯正,作为一种传统的提取油脂的方式已被广为应用,同时因其提取手段不含有化学物质,因此压榨提取的油脂在世界范围内被认为是绿色安全的油脂(Huang AHC,1992;Huang A H C等,1996)。由于物理手段无法完全将油料作物子叶细胞中的油脂提取出来,因此压榨后的饼中残油量高,大约在85%,并且耗能较大,零件极易损耗(Kai H等,2004)。浸出法虽油脂提取率高,可达到95%~98%(Huang A H C,1996;Rosenthal A,1996),但在高温脱溶过程中蛋白的变性较为严重,而且使用有机溶剂增加了工艺的繁琐性,生产的安全性也随之降低,造成了环境污染,大量有机溶剂的使用不但会增加大气中挥发性有机物的含量,而且这类化合物还能和大气中其他的污染物质发生反应生成臭氧以及一些对人有危害的光化学氧化剂,并且随着石油资源的枯竭,有机溶剂也必将耗尽(Huang A H C,1996;Kai H等,2004;Cater C等,1974)。因此,激发了更多的研究者对寻求新型、安全油脂制取途径的研究热情。

生物解离提油(EAEP)技术作为一种新兴的“绿色、环保”提油技术,它在提取油脂的同时能高效的回收油料中其他价值组分(Gunstone F D等,1986),被油脂科学界称为“一种油料资源的全利用技术”(Rosenthal A等,1996),生物解离提取大豆油脂技术同传统的提油工艺相比,其在耗能、环境和卫生安全等方面具有极其显著的优势。

在大豆细胞中,细胞壁是油脂释放的第一道屏障,同时在油料籽粒细胞内油脂与蛋白质和碳水化合物等一些大分子物质相结合,并且以脂蛋白和脂多糖等复合体的形式存在(Yoshida H等,2005)。要提取大豆籽粒细胞中的油脂就必须将细胞的完整结构和细胞内的油脂复合体破坏。参考文献[1] ADLER-NISSEN J.Enzymatic hydrolysis of food proteins.New York:Elsevier Applied Science Publishers,1985.[2] Anthony H C H.Structure of plant seed oil bodies.Current Opinion in Structural Biology,1994,4(4):493-498.[3] Bair C W.Microscopy of soybean seeds:Cellular and subcellular structure during germination,development,and processing with emphasis on lipid bodies.Iowa: Iowa State University,1979.[4] Bair C,Snyder H.Electron microscopy of soybean lipid bodies.Journal of the American Oil Chemists'Society,1980,57(9):279-282.[5] Campbell K A,Glatz C E,Johnson L A,et a.l Advances in Aqueous Extraction Processing of Soybeans.Journal of the American oil Chemist's Society,2010,88(4):449-465.[6] Campbell K A,Glatz C E.Mechanisms of aqueous extraction of soybean oil.J Ag Food Chem,2009,57(22):10904-10912.[7] Cater C,Rhee K,Hagenmaier R,et a.l Aqueous 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在生物解离工艺中,油料的分子结构特征对提高油料有效成分的得率起着重要影响,若要加快生物解离效果及效率,降低油料的粒度,提高油料的解离程度,进而提高油脂的提取率,需对油料进行预处理,通过不同预处理技术使油料的高度压缩的结构松散开,暴露出分子内部酶的作用位点以利于酶的结合,提高酶的作用效果。

预处理方法有粉碎预处理、挤压膨化预处理、超声预处理及其他的预处理等方式。采用粉碎预处理油料的方法,最大程度破坏油料细胞,作为生物解离预处理工艺十分关键。通过机械作用,降低油料的粒度,油料的细胞壁被充分破坏,使细胞内有效成分易于释放,增加了物料与酶的接触面积,提高了酶的作用效果。挤压膨化后油料的细胞壁被破坏较彻底,细胞内红色功能细胞器及储藏物质发生聚集现象,细胞内细胞器与储藏的蛋白、脂肪物质发生聚集且暴露,有利于蛋白酶对蛋白的攻击,使得蛋白水解和油脂释放更充分。超声波是一种高频机械振荡波,在物料局部小区域中压缩和膨胀迅速交替,对物料施加张力和压溃作用,产生“空蚀”(也称“空化”)。在伴随空化作用的同时,还有机械振动作用、击碎作用、化学效应等多种形式的作用,有利于油料中油脂的提取。

目前已有较多的研究集中到生物解离的预处理工艺上,还有如超高压预处理、真菌固态发酵预处理、脉冲电场预处理及复合预处理等。本章就生物解离提油过程前预处理工艺中常用方法的原理特点、研究现状及工业化应用前景作一论述。第一节 粉碎预处理一、粉碎在生物解离中的作用

在生物解离工艺中,油料的粉碎程度对提高油料有效成分的得率起着重要作用,采用机械粉碎,最大程度破坏油料细胞,作为生物解离预处理工艺十分关键。在酶解前,通过机械作用,降低油料的粒度,油料的细胞壁被充分破坏,使细胞内有效成分易于释放,增加了物料与酶的接触面积,提高酶的作用效果。

不同油料的细胞大小和细胞壁的厚度不同,所耐受的外力撞击程度也不同,两者存在着密切的相关性,而出油率又与细胞破碎程度成正比,因此,细胞壁厚与细胞大小的比值与出油率密切相关。几种油料细胞壁厚度、子叶细胞大小以及两者的比值如表2-1所示,细胞壁厚度与细胞大小的比值由大小依次为大豆、茶籽、油茶籽、花生,由此可以推测破坏四种油料的细胞所需的力的大小为花生<油茶籽<茶籽<大豆(郭华等,2006)。李桂英等(2005)研究表明菜籽的粉碎度最好在140~200目。一般认为高水分酶解工艺要求颗粒度小于0.2mm,有些油料(花生仁、芝麻、椰子等)则需要研磨成微粒(150~200目),而低水分工艺粒度要求较低0.75~1.0mm(倪培德等,2002)。表2-1 几种油料子叶细胞大小、细胞壁的厚度二、粉碎分类

油料破碎方法分为干碾压法和湿研磨法,目前较多采用的是干法粉碎,因为湿法破碎易产生乳化现象,影响提取率。刘志强等认为干法粉碎物料效果好,而章绍兵等认为干法粉碎达不到理想的粒径,对于不同的油料应选择最适合的机械粉碎条件。贾照宝等(2008)研究表明,脱皮菜籽先干法粗破碎,沸水处理10min,再用组织捣碎机粉碎,与只进行干法粉碎、湿法粉碎相比,油脂的提取率最高。易建军等(2010)研究预处理对水酶法提取核桃油的影响,最终选定粉碎时间为80s。

根据粉碎的粒度还可分为普通机械粉碎和超微粉碎两类。超微粉碎技术是利用各种特殊的粉碎设备,通过一定的加工工艺流程,对物料进行碾磨、冲击、剪切等,将粒径在3mm以上的物料粉碎至粒径为10~25μm以下的微细颗粒,从而使产品具有界面活性,呈现出特殊功能的过程(张洁等,2010)。与传统的粉碎、破碎、碾碎等加工技术相比,超微粉碎产品的粒度更加微小。

超微粉碎基于微米技术原理,随着物质的超微化,其表面分子排列、电子分布结构及晶体结构均发生变化,产生块(粒)材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应,从而使得超微产品与宏观颗粒相比具有一系列优异的物理、化学及表界面性质。

区别于普通粉碎,超微粉碎设备是利用转子高速旋转所产生的湍流,将物料加到该超高速气流中。转子上设立多极交错排列的若干小室能产生变速涡流,从而形成高频振荡,使物料的运动方向和速度瞬间产生剧烈变化,促使物料颗粒间急促摩擦、撞击,经过多次的反复碰撞而裂解成微细粉。

超微粉碎在生物解离技术中具有广泛应用,其原理是利用高频机械震荡波(超声波),在物料局部小区域中压缩和膨胀迅速交替,对物料施加张力和压溃作用,产生“空蚀”(也称“空化”)。在伴随空化作用的同时,还有机械振动作用、击碎作用、化学效应等多种形式的作用,对大分子有机械性断键作用,可促进物料中有效成分的溶出。从图2-1可以看出超声波处理改变了物料的状态,由聚集变为分散,并且在原料分子内部产生了空化作用,而这种改变有利于油料中油脂的提取(杨柳等,2009)。图2-1 超微粉碎前后大豆粉的扫描电镜图(杨柳等,2009)三、粉碎粒度对大豆油提取率的影响

大豆膨化后粉碎分别过20目、40目、60目、80目、100目、120目、140目和200目,考察不同粉碎目数对生物解离提取大豆油脂总油提取率的影响。

膨化后物料不同粉碎粒度条件下大豆油脂得率见表2-2。表2-2 膨化物料粒度对总油提取率的影响a~f表示拥有相同的字母的数值差异不显著(P>0.05)。

从表2-2可知,物料过20目筛时,其残渣中含油较高,达到35%以上,并且游离油和水解液中含油较少,乳状液中含有较高,达到48%,总油提取率较低;当物料过筛目数增加到40目时,游离油得率和水解液中油脂含量显著升高(P<0.05),乳状液和残渣中含油显著降低(P<0.05);当物料过60目筛时,游离油得率继续显著升高(P<0.05),乳状液和残渣中含油量显著降低(P<0.05),但是水解液中含油量显著升高(P<0.05);物料过80目筛时,其游离油得率、残渣残油和乳状液含量显著降低(P<0.05),水解液中含油量显著升高(P<0.05);当将物料继续过100目时,游离油得率和残渣中含油量变化不显著(P>0.05),乳状液含量显著升高(P<0.05),水解液含油量显著降低(P<0.05);物料过120目筛时,游离油得率、乳状液含油量和残渣残油量都显著降低(P<0.05),水解液含油显著升高(P<0.05);物料过140目以上时,游离油得率与乳状液残油和残渣残油量都显著升高(P<0.05),水解液中含油量显著降低(P<0.05);当物料粉碎粒度超200目筛时,其乳状液含油量变化不显著,游离油得率显著降低(P<0.05),残渣残油量与水解液含油量显著升高(P<0.05)。对总油提取率来说,随着物料由20~60目,其总油提取率呈现升高趋势,且得率变化较大,当目数继续升高至80~100目,总油提取率变化不大,目数达到120目时,其总油提取率达到最大值,超过120目后,继续增加粉碎目数,总油提取率反而降低。通过以上对膨化物料粉碎粒度单因素的试验,确定出最优水酶法总油提取率的粉碎粒度为过120目。第二节 挤压膨化预处理一、大豆挤压膨化机理分析及分类

1.挤压机与挤压膨化的基本原理

连续挤压蒸煮工艺的核心设备是挤压机。挤压机具有压缩、混合、混炼、熔融、膨化、成型等功能。挤压机的腔体可以分成3~5个区,各区可以通过蒸汽或电加热,也可通过挤压摩擦加热,从而达到蒸煮物料的目的,物料在腔体中高温、高压的作用下,淀粉糊化、蛋白质变性。当物料通过挤压机腔体各区的时候,可溶性的风味物质和色素可以通过腔体在高压的作用下注入到物料之中。在挤压腔体的末端,熔融的物料通过在高压的作用下通过模板的模孔而挤出,由于压力的突然下降,水蒸气迅速膨胀和散失,使产品形成多孔结构,然后膨化的物料被旋转刀切成一定大小的产品(沈正荣,2000)。

2.挤压机分类(1)单螺杆挤压机 单螺杆挤压膨化机(图2-2)主要用于挤出软、硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料,可加工多种塑料制品,如吹膜、挤管、压板、拔丝带等,亦可用于熔融造粒。图2-2 单螺杆挤压膨化机结构示意图1—进料装置;2—调质器;3—挤压螺杆;4—加热夹套;5—检测仪表;6—成型模板;7—切刀装置;8—输送带;9—电动机;10—变速器(2)双螺杆挤压机 双螺杆挤压机(图2-3)同单螺杆挤压机相比更具有优势,因为单螺杆挤压机对物料粒度、水分要求、组分要求

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