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水酶法提取光皮树油的研究

发布日期:2018-06-26 中国油脂网

 

申爱荣1,谭著明1 ,李昌珠1,肖志红1,陈金良2,黄玉芳3,蒋丽娟4

(1. 湖南省林业科学院,长沙 410004; 2. 河南工业大学,郑州 450001;

3. 长沙创林有限公司,长沙 410004; 4. 中南林业科技大学,长沙 410004)


摘要:从市售的木聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶、中性蛋白酶、复合植物水解酶、果胶酶中筛选提取光皮树油的水解酶,实验结果得到纤维素酶对光皮树果实的提油作用最强,其提油率达65.29%,复合植物水解酶次之,为64.05%,木聚糖酶效果最差,仅为54.47%。通过单因素实验得到纤维素酶提取光皮树油的最适工艺条件为:酶解pH 5.8,料液比1∶ 3,酶加量2.5%,酶解温度40 ℃,酶解时间4 h。该条件下,油的乳化率低,提出来的基本上是清油,且提油率达76.64%。

关键词:光皮树油;水酶法;纤维素酶;筛选

中图分类号:TQ644;TE66   文献标志码:A   文章编号:1003-7969(2010)03-0006-04


Aqueous enzymatic extraction of Cornus wilsoniana fruit oil

SHEN Airong1 ,TAN Zhuming1 , LI Changzhu1 ,XIAO Zhihong1 , 

CHEN Jinliang2, HUANG Yufang3 ,JIANG Lijuan4

(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2. Henan University of Technology, Zhenzhou

450001,China ; 3. Changsha Chuanglin Science & Technology Co., Ltd., Changsha 410004,China ; 

4. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004,China)

Abstract:The optimum enzyme of extracting oil from Cornus wilsoniana fruit was selected from xylanase, amylase, cellulase, neutral protease, composite plant hydrolytic enzymes and pectinase. The results showed that the oil extraction rate (65.29%) with cellulase was the highest among the six kinds of enzyme, and the oil exraction rate (64.05%) with composite plant hydrolytic enzymes was the second, the lowest oil extraction rate was 54.47% only by xylanase. By single factor test, the optimum conditions with cellulase was obtained as follows: pH 5.8, solid-liquid ratio 1∶ 3, enzyme dosage 2.5%, reaction temperature 40  ℃, reaction time 4 h. Under these conditions, the oil extraction rate reached 76.64%. 

Key words:Cornus wilsoniana fruit oil; aqueous enzymatic extraction; cellulase; selection

目前,植物油脂的提取方法主要有物理压榨法、化学浸出法和生物酶法。生物酶法提油具有诸多优点:油脂得率高,品质好,易于精炼;工艺路线和技术设备简单,能耗低,污染少,操作条件温和,资源的综合利用率高,因此受到国内外相关人士的青睐,成为一种重要的安全、高效、环保的提油方法[1,2]。

光皮树是一种自然生长在我国亚热带地区,抗逆性很强的木本油料树种。其果核、果肉均含油脂, 干全果含油率 33%~36%;油中含不饱和酸 77.68%, 其中油酸 38.83%、亚油酸 38.85%;经药理实验和临床应用证明,光皮树油治疗高血脂症的总有效率为93.3%,其中降低胆固醇的有效率达100%[3,4]。湖南省林科院用光皮树油通过酯化工艺制取生物柴油,实验表明,这种生物柴油的燃料特性和动力性能接近 0# 柴油,是一种优良的石化柴油代用燃料[5,6].

开发高产多用途的能源树种光皮树油作为生物柴油资源及其相关工艺已引起广泛关注[7,8]。本文主要研究用于酶法提取光皮树油的适宜酶种,以期为光皮树油的水酶法规模化生产提供基础酶类,为建立生物酶法提取光皮树油的优良工艺奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

光皮树果实:采自湖南林业科学院实验林场,晒干、保存,含水率10%以下。

纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、中性蛋白酶、木聚糖酶、复合植物水解酶,均购自上海奥兴生物科技有限公司;其余试剂均为市售分析纯。

1.2 主要仪器、设备

电热恒温水浴锅,电子分析天平,电动搅拌机,高速大型离心机,酸度计。

1.3 实验方法

1.3.1 光皮树果实样品中含油率测定 按照索氏抽提法测定。

1.3.2 水酶法提油工艺 称取 100 g 粉碎的光皮树果实,加入适宜pH的磷酸缓冲液浸泡30 min后,于100 ℃连续搅拌 30 min。待料温降到70 ℃时,加磷酸缓冲液调整至一定料液比,在设定的pH、温度下,加入一定量酶,搅拌,酶解反应一定时间,静置分层,在5 000 r/min下离心分离油脂, 用电子分析天平称取油脂质量。根据公式计算提油率。每组实验重复3次。

提油率=油脂质量/(含油率×试样质量)×100%

2 结果与分析

2.1 酶制剂筛选

分别比较了纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、中性蛋白酶、木聚糖酶、复合植物水解酶对提油率的影响,固定各种酶制剂的酶解条件为料液比1∶ 5,酶加量2%,反应时间4 h, pH、温度为各酶适宜范围,结果如图1所示。由图 1 可看出, 酶的添加能有效提高提油率, 其中纤维素酶的作用效果最佳(提油率达65.29%),复合植物水解酶次之(64.05%),木聚糖酶效果相对较差(54.47%)。另外,实验过程中发现,纤维素酶提油时,油的乳化率较低,上部油层基本上是清油,不必做乳化油和清油的分离。基于此,后续实验选择纤维素酶作实验试剂。

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图1 不同单酶对提油率的影响

2.2 pH对提油率的影响

每组分别称取100 g粉碎的光皮树果实,料液比为1∶ 5,酶加量2.0%,50 ℃,pH分别调节至4.0、5.8、6.8、7.8、8.8、10.0,连续搅拌反应4 h,实验结果见图2。由图 2 可看出, 反应溶液过酸性或过碱性均不利于油脂的分离提取,偏酸性条件,pH为 5.8时,提油效果最好,达57.36%。pH为4.0、8.8、10.0时,提油效果稍差,且在提取过程中,上层产生大量白沫,散发异味,离心后,上层悬浮较厚的乳化层。另外,碱性越大,所得油越浑浊,色泽越差。因此,在其他条件不变的情况下,宜选择pH 5.8。

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图2  pH对提油率的影响

2.3 料液比对提油率的影响

称取 100 g粉碎的光皮树果实,分别按料液比为1∶ 2、1∶ 3、1∶ 4、1∶ 5、1∶ 6、1∶ 7、1∶ 9、1∶ 11加入相应的磷酸缓冲液,在50  ℃,酶加量2.0%,pH 5.8下搅拌反应4 h,实验结果见图3。由图3可看出, 随着缓冲液比例的增加,提油率先增加后降低,当缓冲液比例过高时,提油率较低, 可能是因为此时酶反应体系中底物浓度和酶浓度都较低, 影响了酶反应速度所致。当缓冲液比例降低时, 底物浓度和酶浓度都相应提高, 反应速度加快, 提油率有所增加[9,10]。但当缓冲液比例过低时,对反应的进行也会产生不利影响,如料液比为1∶ 2时提油率较低。这可能是因为反应体系流动性较差, 导致酶和底物不能充分接触,反应不完全。因此,料液比选择1∶ 3为好。


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图3  料液比对提油率的影响

2.4 酶加量对提油率的影响

称取100 g粉碎的光皮树果实,在50 ℃,pH 5.8,料液比1∶ 3条件下,分别使酶加量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%,反应4 h,结果如图 4 所示。纤维素酶的添加能有效提高提油率。原因可能是纤维素酶能有效解离光皮树果实的细胞壁, 使细胞内的油脂释出。 由图4可知,当酶加量增加到 2.5%时, 提油率最高, 继续增加酶加量, 提油率不能同步增加,甚至降低。因此,酶加量宜确定为2.5%。

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图4  酶加量对提油率的影响

2.5 酶解温度对提油率的影响

称取 100 g粉碎的光皮树果实,在料液比1∶ 3,酶加量2.5%,pH 5.8条件下, 分别将酶解温度设定在15、25、30、35、40、45、50、55、60、70、80 ℃,搅拌反应4 h,结果如图5 所示。由图5可见,在25~80 ℃之间,提油率随着温度的增加而有所波动。在40 ℃时,提油率最高,达74.93%,15 ℃时提油率仅有22.23%;80 ℃时提油率也只有48.25%。可见,温度太低或太高均不利于提油。因此,酶解温度宜设定在40 ℃,这样不仅反应速度快,而且反应条件较温和。


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图5  酶解温度对提油率的影响

2.6 酶解时间对提油率的影响

称取 100 g粉碎的光皮树果实,在酶加量2.5%,pH 5.8,料液比1∶ 3,酶解温度40 ℃条件下,分别酶解2、4、6、8、10 h,考察不同酶解时间对提油率的影响,结果如图6所示。由图6 可看出,前期,随着酶解时间的延长,提油率升高。可能是由于随着酶解时间的增加,细胞壁结构逐步被打破,酶的作用越来越完全,因此油的释放也就相应增多。但酶解一定时间后,由于底物的减少,油的释放不会进一步增加,且酶解时间太长,油的品质也会有所下降 [9,10]。酶解8 h 后有较厚的乳状液,提油率明显下降,并产生异味。因此,酶解时间宜选择为4 h。

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图6  酶解时间对提油率的影响

2.7 实验讨论

水酶法提取植物油脂的方法一直受到人们的关注。20世纪80年代,有人用蛋白水解酶和对细胞壁有降解作用的酶从大豆和油菜籽中制取油脂和蛋白质,大豆油回收率可达90%,菜籽油为70%~72%;90年代Sosulski 等[11]人对Canola 油料先进行酶处理后再进行压榨,未经酶处理的Canola 压榨出油率仅为72%,经过酶处理后可达90%~93%。王素梅等[12]人利用纤维素酶从玉米胚中提油,结果表明:玉米胚清油提取率为78.72%,总油提取率为88.18%。李淑芳等[13]人对利用中性蛋白酶提取杏仁油的酶解工艺的研究结果表明,酶的应用能大大增加油脂得率, 增加量达9 倍多;得到的油脂为透明淡黄色, 酸值、过氧化值低, 具有良好的品质。易建华等[14]人比较了生物酶法和溶剂法两种提油方法对核桃油理化性质的影响,结果显示,酶法提取的油脂透明度高、色值低、风味好;毛油中的磷脂、蜡质含量很低,利于简化后续精炼工序。

     但以上研究多是含油率较高、植物组织比较容易破碎的仁果类油料作物,或对油料果实脱壳后含油量高的果仁进行提油,对光皮树等果肉、种核和种仁均含油的核果类植物提油工艺研究甚少。光皮树果实除果皮外,其他部位均含有油脂,其果肉质量占全干果质量的41.32%,含油占全果总含油比例的66.95%;种核质量占全干果质量的49.93%,含油占全果总含油比例的16.96%,种仁质量占全果总质量的8.75%,含油占全果含量比例的16.09%,光皮树果实综合提油率为33%~35%[15],果肉紧紧贴着种核,导致果肉与种核分离困难,光皮树种核坚硬结实,木质化程度较高,纤维素结构致密,阻碍了酶的破壁能力,油脂的释放受到影响。

3 结 论

  本实验对光皮树果实进行粗略破碎,从木聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶、中性蛋白酶、复合植物水解酶、果胶酶中,筛选提取光皮树油的酶制剂。实验结果表明,纤维素酶的提油效果最好,达65.29%;复合植物水解酶次之,为64.05%;木聚糖酶效果最差,为54.47%。通过单因素实验得出纤维素酶提取光皮树油的最适工艺条件为:酶解pH 5.8,料液比1∶ 3,酶加量2.5%,酶解温度40 ℃,酶解时间4 h。该条件下,油的乳化率低,抽提物基本上是清油,提油率达76.64%,比优化前提高了17.38%。且不用进行乳化油和清油的分离。

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