葉　　展，冉玉斌，何東平，2，胡傳榮，2，羅　　質(zhì)，2，亞森·玉山

（1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023；2.國家糧食局糧油資源綜合開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430023；3.湖北奧星糧油工業(yè)有限公司，湖北襄陽441800）

菜籽油磷脂酶C脫膠與水化脫膠條件優(yōu)化及效果對比研究

葉展1，冉玉斌1，何東平1，2，胡傳榮1，2，羅質(zhì)1，2，亞森·玉山3

（1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023；2.國家糧食局糧油資源綜合開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430023；3.湖北奧星糧油工業(yè)有限公司，湖北襄陽441800）

以菜籽毛油為原料，分別利用二次回歸正交實(shí)驗(yàn)對菜籽毛油磷脂酶C（PLC）脫膠工藝和常規(guī)水化脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化，按照國標(biāo)要求，對兩種不同脫膠方式生產(chǎn)的菜籽油的磷脂含量、水分、過氧化值等基本指標(biāo)進(jìn)行檢測，并對指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對比。確定了PLC用于菜籽毛油脫膠的最優(yōu)工藝參數(shù)為pH5.4、酶添加量10μL/kg、酶解溫度42℃，經(jīng)PLC脫膠后菜籽油磷脂含量為7.45mg/kg；水化脫膠最優(yōu)工藝參數(shù)為作用時(shí)間4.8h、操作溫度86℃、加水量為毛油磷脂含量的3.2倍，經(jīng)水化脫膠后菜籽油磷脂含量為76.32mg/kg。且酶法脫膠油整體上比水化脫膠油品質(zhì)更好，酶法脫膠油經(jīng)常規(guī)精煉后可達(dá)到國家一級油標(biāo)準(zhǔn)，該研究可為菜籽油酶法脫膠工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論參考。

菜籽油，PLC脫膠，水化脫膠，工藝優(yōu)化，對比

油菜籽是我國最主要的油料資源之一，是我國的主要食用油，其主要含有甘油三酯外，同時(shí)含有微量伴隨物，如磷脂、游離脂肪酸、色素、甾醇、生育酚等。磷脂是一種很好的營養(yǎng)物質(zhì)，對油脂具有抗氧化增效作用，但磷脂熱穩(wěn)定性差，加熱到150℃后會逐漸分解［1］，對后續(xù)油脂的脫色、脫臭會產(chǎn)生不利影響，因此，植物油的脫膠（脫除磷脂）是精煉過程中一個(gè)非常重要的工藝環(huán)節(jié)。水化脫膠是目前油脂工業(yè)企業(yè)中最常用的植物油脫膠工藝［2］，但隨著人們對油脂精煉工業(yè)研究的不斷深入，植物油酶法脫膠技術(shù)已經(jīng)逐漸走上工業(yè)化的道路［3-4］，與常規(guī)的水化脫膠工藝相比，酶法脫膠可以提高1%以上的成品油得率，降低70%酸堿化學(xué)品的消耗，并且可減少90%的廢水排放［5-6］。具有顯著降低成本、提高精煉效率和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢，也越來越受到研究者和企業(yè)家的重視和認(rèn)可。本文以菜籽毛油為原料，分別采用酶法脫膠工藝和水化脫膠工藝對其進(jìn)行脫膠處理，并進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)［7］。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

菜籽毛油湖北奧星糧油工業(yè)有限公司提供，磷含量為690mg/kg；磷脂酶C由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生產(chǎn)提供；檸檬酸、氫氧化鈉等分析純試劑，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DF-101S型集熱式恒溫磁力攪拌器鞏義市英峪予華儀器廠；pH-1型pH計(jì)江蘇省金壇市杰瑞爾電器有限公司；TD5A型臺式離心機(jī)湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；AL-204型電子天平梅特勒托利多儀器（上海）有限公司；SZ-93型自動(dòng)雙重雙重純水蒸餾器上海亞榮生化儀器廠；UV-1600型紫外可見分光光度計(jì)上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1基本指標(biāo)測定方法PLC活力測定：采用NPPC法［8］（p-nitrophenylphorylchoine，對硝基苯磷酸膽堿）。以NPPC作為PLC作用底物，水解產(chǎn)物對硝基苯酚是一種黃色物質(zhì)，在410nm處有最大吸收。在pH7.2、37℃條件下，每分鐘催化lnmol NPPC水解的酶量定義為一個(gè)酶活單位［9］。

磷脂含量的測定（GB/T 5537-2008）；油脂水分的測定（GB/T 5009·3-2010）；油脂過氧化值的測定（GB/T 5538-2005）；油脂酸值的測定（GB/T 5530-2005）；油脂色澤的測定（GB/T 22460-2008）。

1.2.2菜籽油PLC脫膠工藝參照參考文獻(xiàn)［10-11］稍有改動(dòng)。取200mL過濾菜籽毛油加熱到70℃，添加油重0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%檸檬酸溶液，在該溫度下攪拌25min后，冷卻到45℃，添加一定體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液，以調(diào)節(jié)體系pH，PLC酶液（酶液稀釋1000倍后加入，加入量約為10μL/kg油）與去離子水（約為油重的4%，溫度比混合液溫度稍高）混合加入調(diào)質(zhì)毛油中，攪拌均勻，在保溫條件下繼續(xù)反應(yīng)一定時(shí)間后加熱到85℃，離心機(jī)分離膠質(zhì)和油（轉(zhuǎn)速3000r/min，時(shí)間10min），油進(jìn)行真空干燥（溫度140℃，壓力≤4.0kPa，時(shí)間40min）后即為PLC脫膠油。

1.2.3菜籽油水化脫膠工藝由于菜籽油膠質(zhì)含量較高，因此采用高溫水化脫膠工藝，工藝路線如下：菜籽毛油經(jīng)過過濾，取200mL加熱至油溫為80℃左右后，加入一定量熱水（比油溫稍高，約為毛油膠質(zhì)含量的3～3.5倍），攪拌以充分混合，稍微升高溫度，在約80℃反應(yīng)器中靜置沉降3～8h以完成水化，反應(yīng)完成后，由離心機(jī)將油和膠質(zhì)進(jìn)行分離（轉(zhuǎn)速3000r/min，時(shí)間10min），菜籽油再進(jìn)行干燥（溫度140℃，壓力≤4.0kPa，時(shí)間40min）［12］。

1.2.4菜籽油PLC脫膠單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1pH對酶法脫膠效果的影響取200mL過濾菜籽毛油經(jīng)檸檬酸處理冷卻到45℃后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH為4.8、5.0、5.2、5.4、5.6、5.8和6.0，加入10μL/kg油PLC酶液和油重4%的去離子水（溫度比油溫稍高）混合均勻，在45℃保溫反應(yīng)3h，結(jié)束后加熱至85℃，離心機(jī)分離膠質(zhì)和油，測定脫膠油磷含量。

1.2.4.2PLC添加量對脫膠效果的影響200mL菜籽毛油經(jīng)檸檬酸處理冷卻到45℃后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液，調(diào)節(jié)體系pH為5.0，依次將6、7、8、9、10、11、12μL/kg油的PLC酶液與油重4%的去離子水（溫度比油溫稍高）混合均勻，在45℃保溫反應(yīng)3h，結(jié)束后加熱至85℃，離心機(jī)分離膠質(zhì)和油，測定脫膠油中磷含量。

1.2.4.3溫度對PLC脫膠效果的影響取200mL菜籽毛油經(jīng)檸檬酸處理冷卻到45℃后，分別調(diào)節(jié)溫度為15、25、35、45、55、65、75℃，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH為5.0，將10μL/kg油的PLC酶液與油重4%的去離子水（溫度比油溫稍高）混合加入調(diào)質(zhì)毛油中，攪拌混合均勻，在各溫度條件下保溫反應(yīng)3h，完成后加熱到85℃，離心機(jī)分離膠質(zhì)和油，測定脫膠油中磷含量。

1.2.5PLC脫膠工藝條件的優(yōu)化在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Design Expert 8.0.5軟件中心組合設(shè)計(jì)（Central Composite Design，CCD）模塊中的二次回歸正交中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)了一組3因素5水平共計(jì)23次的實(shí)驗(yàn)（Full CCD設(shè)計(jì)）［13］，其中析因部分實(shí)驗(yàn)次數(shù)為14次，星點(diǎn)數(shù)為5次，為了保證均一精密性并且減小實(shí)驗(yàn)誤差，將中心重復(fù)數(shù)手動(dòng)調(diào)整為9次，共計(jì)23個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，來確定PLC脫膠最優(yōu)條件組合。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平見表1。

表1　因素水平編碼表Table 1　Code factors and levels of the CCD experiment design

1.2.6水化脫膠工藝條件的優(yōu)化影響水化脫膠的因素有加水量、操作溫度、混合（攪拌）強(qiáng)度、作用時(shí)間、電解質(zhì)和毛油品質(zhì)等，由于單因素對水化脫膠效果的影響，前人研究較多［14］，添加水時(shí)混合強(qiáng)度較高為60～70r/min，到水化結(jié)束階段控制在30r/min以下，以利于膠粒絮凝和分離；電解質(zhì)添加量根據(jù)其種類不同有所不同，如果選用食鹽或磷酸三鈉其用量為油重的0.2%～0.3%，若用明礬和食鹽，用量各占油重的0.05%［12］；其他因素的影響要視實(shí)際情況而定。因此，選取其中影響最大三個(gè)因素加水量、操作溫度和作用時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。同樣采用Design Expert 8.0.5軟件CCD進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，水化脫膠因素水平編碼見表2。

表2　因素水平編碼Table 2　Code factors and levels of the CCD experiment design

1.2.7兩種脫膠工藝的對比按照國家標(biāo)準(zhǔn)對兩種不同脫膠工藝生產(chǎn)的脫膠菜籽油和不同脫膠工藝最終生產(chǎn)的成品菜籽油的磷脂含量、過氧化值、酸值、水分含量等基本指標(biāo)進(jìn)行檢測，從而比較兩種脫膠工藝的優(yōu)劣。

1.2.8數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.5繪制單因素實(shí)驗(yàn)曲線圖，采用Design Expert 8.0.5繪制響應(yīng)面圖和等高線圖，并進(jìn)行方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1菜籽毛油基本指標(biāo)值

菜籽毛油的基本指標(biāo)值，見表3。

表3　菜籽毛油基本指標(biāo)值Table 3　The basic index of crude rapeseed oil

2.2PLC脫膠工藝條件優(yōu)化

2.2.1單因素實(shí)驗(yàn)菜籽油PLC脫膠的影響因素有酶作用時(shí)間、體系pH、酶的添加量、體系反應(yīng)溫度、水的添加量、攪拌速錄、檸檬酸用量及其作用時(shí)間等［11，15］。實(shí)際生產(chǎn)中，對酶法脫膠影響最為顯著的因素是酶作用時(shí)間、體系pH、酶的添加量和酶解溫度［16］，且酶作用時(shí)間越長，菜籽毛油中磷脂殘留含量越低，但脫膠3h后再增加反應(yīng)時(shí)間，磷含量的下降不明顯，考慮到生產(chǎn)成本等實(shí)際情況，確定3h作為酶處理完成時(shí)間。現(xiàn)主要考慮體系pH、酶的添加量和酶解溫度這三個(gè)單因素的影響，并對其進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1.1pH對酶法脫膠效果的影響由圖1可知PLC是一種偏酸性的磷脂酶，pH對PLC催化活性的影響明顯，由圖1分析可得，pH由4.8變化到6.0，PLC脫膠菜籽油磷含量先下降后升高，當(dāng)pH為5.4時(shí)，菜籽油磷含量最低，即pH為5.4菜籽油的脫膠效果最好。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過酸或者過堿都可能會導(dǎo)致PLC活性的喪失，而PLC最適作用pH約為5.4。

圖1　pH對PLC菜籽脫膠油磷含量的影響Fig.1　Effect of pH on the phosphorus content of PLC degumming rapeseed oil

2.2.1.2PLC添加量對脫膠效果的影響磷含量越低說明PLC脫膠效果越好，由圖2分析可知，當(dāng)酶添加量由6μL/kg增加到10μL/kg時(shí)，磷含量由約34mg/kg降低到10mg/kg以下；而當(dāng)加酶量大于10μL/kg，增加酶的用量對菜籽油磷脂含量的降低作用不太明顯，即PLC的添加量超過10μL/kg后，再增加其添加量，對脫膠效果的提高意義不大，因此，從經(jīng)濟(jì)角度來看，酶的添加量在10μL/kg時(shí)比較合適。

圖2　酶添加量對PLC菜籽脫膠油磷含量的影響Fig.2　Effect of enzyme dosage on the phosphorus content of PLC degumming rapeseed oil

圖3　酶解溫度對PLC菜籽脫膠油磷含量的影響Fig.3　Effect of temperature on the phosphorus content of PLC degumming rapeseed oil

2.2.1.3溫度對PLC脫膠效果的影響由圖3可以看出，體系溫度低于45℃或者高于45℃時(shí)，脫膠油的磷脂含量均較高；這是由于溫度較低PLC酶的活性受到了抑制，不能發(fā)揮其高效催化作用，而當(dāng)溫度較高，特別是溫度高于65℃后，PLC可能由于高溫已經(jīng)失去了活性，造成脫膠效果急劇下降［17］。因此，為了保證PLC的催化活性，體系溫度確定為45℃較適宜。

2.2.2二次回歸正交實(shí)驗(yàn)按照1.2.5中響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表4。

表4　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 4　Results of CCD experiment

得二次回歸模型為：

Y=1656.626-521.738A-42.720B-1.225C+1.515AB+ 0.0495AC+0.0309BC+46.868A2+1.617B2+0.00795C2，對回歸模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5。

根據(jù)表5中F值的大小可以判斷各因素對PLC脫膠影響強(qiáng)弱，F(xiàn)值越大，影響作用越強(qiáng)。因此，各因素對PLC脫膠影響程度大小依次為：酶添加量＞酶解溫度＞pH；由Prob＞F值的大小可知二次回歸模型和各單因素對模型的影響均極顯著（p＜0.01）；在交互作用中，pH和酶添加量以及酶添加量和酶解溫度的交互作用對模型的影響顯著（p＜0.05），它們的交互作用的響應(yīng)面圖見圖4、圖5所示。

在Design-Expert 8.0.5軟件優(yōu)化模塊中，將優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為最小值，求解得磷含量Y的最優(yōu)值為7.60mg/kg，預(yù)測的最佳工藝條件為：A=5.38，B=10.29，C=42.20，為方便操作，在實(shí)際操作方便性和生產(chǎn)成本的情況下，將體系的pH確定為5.4、酶添加量確定為10μL/kg、酶解溫度確定為42℃。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，PLC菜籽脫膠油的磷含量為7.45mg/kg，與預(yù)測值較為接近。

表5　二次回歸模型方差分析Table 5　ANOVA for the response surface quadratic regression model

圖4　pH和酶添加量交互作用相應(yīng)曲面圖Fig.4　Response surface of pH and enzyme dosage on the phosphorus content

圖5　酶添加量和酶解溫度交互作用響應(yīng)曲面圖Fig.5　Response surface of enzyme dosage and temperature on the phosphorus content

2.3水化脫膠工藝條件優(yōu)化

水化脫膠工藝條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表6。

得到二次回歸模型為：

表6　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 6　Results of CCD experiment

Y=9344.637-2255.997A-128.332B-38.719C+ 2.294AB+0.430AC+0.274BC+319.279A2+0.692B2+ 1.416C2

對該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7。

由表7分析可知，回歸模型和各單因素均極顯著（p＜0.01），單因素交互作用中，水/磷脂與脫膠溫度的交互作用、脫膠溫度與作用時(shí)間的交互作用對回歸模型影響顯著（p＜0.05），運(yùn)用軟件繪制出兩響應(yīng)曲面，見圖6～圖7所示?；貧w模型的失擬度不顯著（p= 0.0893＞0.05），且R2=0.9879，R2Adj=0.9796，說明模型能較好的預(yù)測水化脫膠后油脂的磷殘留量。

表7　二次回歸模型方差分析Table 7　ANOVA for the response surface quadratic regression model

圖6　水/磷脂和脫膠溫度交互作用相應(yīng)曲面圖Fig.6　Response surface of the ratio of water to phosphorus and temperature on the phosphorus content

圖7　脫膠溫度和作用時(shí)間交互作用響應(yīng)曲面圖Fig.7　Response surface of degumming temperature and time on the phosphorus content

由曲面對應(yīng)的等高線圖的形狀（橢圓形），可知因素交互作用對模型影響顯著［18］。將優(yōu)化指標(biāo)設(shè)置成最小值，求解得當(dāng)A=3.22、B=86.40、C=4.82時(shí)，Y最小值為76.06，但是為了實(shí)際操作方便性，將水/磷脂取為3.2，將操作溫度取為86℃，作用時(shí)間取為4.8h。并在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得優(yōu)化后水化脫膠后磷脂含量為76.32mg/kg，與預(yù)測值比較接近。

2.4菜籽油PLC脫膠與水化脫膠的效果比較

在優(yōu)化條件下，PLC脫膠生產(chǎn)的脫膠菜籽油磷脂含量為7.45mg/kg，而水化脫膠工藝在優(yōu)化條件下生產(chǎn)的脫膠菜籽油磷脂含量為76.32mg/kg，PLC脫膠工藝生產(chǎn)的脫膠菜籽油磷脂含量比水化脫膠生產(chǎn)的脫膠菜籽油磷脂含量更低。按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法對兩種脫膠菜籽油和最終成品菜籽油的基本理化指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果見表8。

由表8可知，對于脫膠油而言，除了皂化值、碘值、氣味、滋味和透明度之外，PLC脫膠菜籽油的品質(zhì)均要比水化脫膠菜籽油品質(zhì)好，特別是磷脂含量，前者要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者；對經(jīng)完整精煉后的成品油而言，成品油1#的磷脂含量、過氧化值比2#稍低，其他指標(biāo)二者相差不大，并且二者的各項(xiàng)指標(biāo)均在一級菜籽油國家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

表8　兩種脫膠菜籽油和成品菜籽油基本指標(biāo)對比Table 8　Comparison of the basic indexes of the two kinds of degumming oil and refined oil

3　結(jié)論

3.1經(jīng)二次回歸正交實(shí)驗(yàn)對PLC脫膠工藝和水化脫膠進(jìn)行優(yōu)化后，得PLC脫膠最佳工藝參數(shù)為pH5.4、酶添加量10μL/kg、酶解溫度42℃，在該條件下，菜籽油磷含量為7.45mg/kg；水化脫膠最佳工藝參數(shù)為水化時(shí)間4.8h，操作溫度86℃，加水量為毛油磷脂含量的3.2倍，在該條件下，菜籽油磷脂含量為76.32mg/kg。

3.2對兩種不同的脫膠方式所生產(chǎn)的脫膠油和成品油的基本指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，PLC脫膠菜籽油除了皂化值、碘值、氣味、滋味和透明度之外的其他指標(biāo)均優(yōu)于水化脫膠菜籽油，而經(jīng)完整精煉工藝后，成品油品質(zhì)二者相差不大。但PLC脫膠節(jié)約用水，廢水產(chǎn)生少，而且油脂的后續(xù)精煉具有節(jié)約白土、節(jié)約用堿、分餾物中維生素E含量更高等優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)精煉更容易，生產(chǎn)的成品油品質(zhì)更高［20］，值得在油脂工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

3.3對于酶法脫膠的精煉率和成本投入，需要在實(shí)踐中進(jìn)行進(jìn)一步探討；酶法脫膠仍有其他眾多的影響因素，例如水中的Ca2+、Mg2+及Fe3+等金屬離子的影響，PLC酶的添加速率，PLC的保存條件等，在后續(xù)的研究中需深入研究。

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Process optimization of PLC degumming and hydration degumming about rapeseed oil and the comparison of their effects

YE Zhan1，RAN Yu-bin1，HE Dong-ping1，2，HU Chuan-rong1，2，LUO Zhi1，2，YASENG·Y S3
（1.College of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China；2.Grain and Oil Resources Comprehensive Exploitation and Engineering Technology Research Center of State Dministration of Grain，Wuhan 430023，China；3.Hubei OKing Star Grain and Oil Industry Co.，Ltd.，Xiangyang 441800，China）

Taking crude rapeseed oil as raw material，the optimization experiments of PLC degumming and hydration degumming were conducted by quadratic regression orthogonal methods.Then the basic quality index of the two kinds of degumming oil was tested.The optimization conditions of PLC degumming were as follows：pH was 5.4，the PLC amount was 10μL/kg，enzymolysis temperature was 42℃，the confirmatory experiment of the optimization process showed that the phospholipids residual content of rapeseed oil was 7.45mg/kg.The optimization of hydrated degumming were as follows：the degumming time was 4.8h，the degumming temperature was 86℃，the water addition was 3.2 times of phospholipids content in crude rapeseed oil，confirmatory experiment of hydrated degumming shows that the phospholipid content of rapeseed oil after hydrated degumming was 76.32mg/kg.The quality of the PLC degumminged oil was better than the hydration degumminged oil，and it could meet the national standard for first grade edible oil after being refined in the latter process.This paper would provide some theoretical

for the rapeseed oil refining industries.

rapeseed oil；PLC degumming；hydrated degumming；process optimization；comparison

TS224.6

B

1002-0306（2015）14-0260-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.045

2014－10－14

葉展（1989-），男，碩士研究生，研究方向：油脂及植物蛋白工程。

羅質(zhì)（1963-），男，副教授，研究方向：油脂及植物蛋白工程。

國家公益性科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（201313012-03）。