芝麻酶法脱皮工艺的优化

宋国辉，黄纪念*，芦 鑫，孙 强，张丽霞

(河南省农业科学院农副产品加工研究所，国家油脂加工技术研发分中心，河南 郑州 450002)

芝麻酶法脱皮工艺的优化

宋国辉，黄纪念*，芦 鑫，孙 强，张丽霞

(河南省农业科学院农副产品加工研究所，国家油脂加工技术研发分中心，河南 郑州 450002)

采用纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶对芝麻进行脱皮处理，研究最优化的酶法脱皮工艺条件。以脱皮率为考察指标，首先采用混料试验设计进行用酶筛选以及优化复配比例。在确定混合酶复配比例的基础上，采用单因素和正交试验对酶法脱皮工艺进行优化。确定最优酶处理工艺为：纤维素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6比例复配、酶用量为芝麻质量的0.4%、酶解时间30min、酶解温度50℃。此工艺条件下芝麻脱皮率可达98.3%。该工艺可替代传统的碱液湿法脱皮工艺，符合绿色环保生产的要求。

酶；芝麻；脱皮；混料试验设计

芝麻(Sesamum indicum)，又称为胡麻、脂麻、油麻，一年生草本植物，既可以食用，又可以作为油料，是世界上最古老的油料作物之一[1]。芝麻皮质量占籽粒的17%左右，芝麻皮主要由大量的草酸和不可消化的纤维组成，对口感产生不良影响，草酸的存在会降低人体对钙的吸收率以及对蛋白的消化率。经脱皮后的芝麻仁中，草酸的含量从籽质量的3%降到0.25%，明显降低了对蛋白质和钙的消化吸收的不良影响，芝麻仁的风味也更佳。可见芝麻脱皮是扩大芝麻在食品行业应用的前提。以脱皮芝麻仁为原料，生产的糖果、点心和调味品等产品的品质和档次大大提高，同时也增加了附加值[2]。

目前脱皮芝麻的加工常用湿法加工工艺，该工艺采用浸泡、搅拌和淘洗分离芝麻的皮和仁。浸泡可以使芝麻皮层吸水膨胀，有利于芝麻皮从仁上剥离。芝麻浸泡工序大多采用化学物质作为脱皮剂，常用烧碱或纯碱的水溶液浸泡，将芝麻皮腐蚀，然后采用机械搅拌将皮脱掉。采用这种工艺浸泡芝麻，加快了流体在芝麻皮层中的渗透速率，使浸泡工序所需时间由原来的4～6h，减少到了0.5h左右，极大地提高了生产效率。但该工艺也存碱液洗涤耗水量大、大量含碱废水排放等问题，对环境造成了严重的不良影响。用烧碱或纯碱作为脱皮剂，这些化学物质与芝麻的接触，也给脱皮芝麻食用的安全性带来了隐患。

酶法脱皮是农产品加工中常用的脱皮方法之一，原理是采用特定的酶降解表皮物质，从而实现脱皮加工。酶处理技术在柑橘、甜橙、脐橙、黄桃、亚麻、胡椒、海参和鱿鱼脱皮中都有相关应用研究[3-14]，但目前尚未见将酶技术应用于芝麻脱皮的相关研究。本研究根据芝麻皮主要为不可消化的纤维这一特点，采用纤维素酶类如纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶进行芝麻脱皮实验，以期开发一种芝麻绿色脱皮方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芝麻购自河南汝南县；纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶 和氏璧酶制剂有限公司。

1.2 仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海佳胜公司。1.3 方法

1.3.1 芝麻酶法脱皮工艺流程

芝麻→筛分清理→加酶液处理→筛分→脱水→烘干→成品

1.3.2 芝麻脱皮操作步骤

取50g芝麻，加入4倍200mL水(预先加热到设定温度)和一定量的酶，固定转速进行磁力搅拌一段时间，然后通过浮选的方法分离脱掉的皮屑。将分去皮屑的芝麻置烘箱中60℃干燥，即得脱皮芝麻。

不同化成技术（化学配方、工艺流程）生产的化成箔通过常规参数 ：升压时 间（Tr）、耐 压（Vt）、容量(C)、水煮时间(Tr60)等测试难以判别化成箔性能差异、品质优劣[1,2]。铝电解电容器制造中常出现测试各项指标均相似的化成箔，生产的铝电解品质参差不齐，因此，铝电解制造中对化成箔品质判定的最后方法仍然是做铝电解寿命试验或加速寿命试验，需要的时间比较长。

1.3.3 混料试验设计

以木聚糖酶、纤维素酶、果胶酶3种酶的加入量为试验因素进行混料试验设计[15](平行试验3次)，并通过设置下限和上限来约束设计进行试验，使用软件Minitab 16随机化生成设计表[16]，Minitab提供了3种混料设计(单纯形质心、单纯形格点和极端顶点)，本实验采用单纯形质心设计。

1.3.4 脱皮率计算

将干燥过的脱皮芝麻充分混合后，取样1～3g，挑出完全脱皮(无黏皮)的芝麻，重复取样3次，分别数出脱皮芝麻和未脱皮芝麻的数目，按下式计算脱皮率：

式中：A1为脱皮芝麻的数目；A2为未脱皮芝麻的数目。

1.3.5 酶活力测定

木聚糖酶、纤维素酶、果胶酶活力测定采用分光光度法[17-19]。木聚糖酶酶活力单位(U)定义为50℃条件下，每分钟催化1%木聚糖溶液生成1μg木糖所需的酶量；纤维素酶活力单位定义为50℃条件下，每分钟催化1%羧甲基纤维素钠溶液生成1μg葡萄糖所需的酶量定义为1个酶活力单位(U)；果胶酶活力单位定义为在50℃条件下，每分钟催化1%果胶溶液生成1μg半乳糖醛酸所需的酶量。

2 结果与分析

2.1 混合酶的种类及比例初步确定

芝麻皮主要含有大量的草酸以及纤维[2]，草酸在脱皮过程中可直接溶于浸泡水中，而纤维可能是纤维素、木聚糖和果胶类物质，因此，针对性的以纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶作为考察用酶。3种酶的活力测定结果分别为4.6×104、1.96×104、5.47×104U/(min·g)。

2.1.2 三酶混合比例优化

植物种子种皮类物质主要为纤维素、木聚糖以及果胶类物质等，在芝麻皮成分未测定的情况下，采用混料试验设计，对酶的种类进行初步筛选，以初步确定酶的混合比例。实验添加酶的总量为芝麻质量的0.3%，即0.15g，置50℃水浴以固定的转速搅拌15min进行酶处理去皮。采用水浮选的方法去除脱掉的浮皮，然后沥去水分，置烘箱中60℃干燥，干燥结束后将芝麻充分混合后，计算脱皮率。混料试验设计及脱皮率结果见表1。

表1 三酶复配混料试验设计及结果Table1 Mixture experimental design for the combined use of cellulase, xylanase and pectinase

图1 三酶复配混料试验等值线图Fig.1 The isoline of the experimental result

由图1可以看出，果胶酶比例越低，芝麻脱皮率越高。高值区域果胶酶的含量低于10%，而木聚糖酶或纤维素酶比例约在20%～80%。由表1可以看出，3种酶单独使用比较，全部为果胶酶时，脱皮率最低，全部为木聚糖酶时，脱皮率最高。当不添加果胶酶，而纤维素酶和木聚糖酶为1:1时，脱皮率最高。综上，纤维素酶和木聚糖酶具有较好的协同作用，而果胶酶的存在影响脱皮效果。

2.2 纤维素酶与木聚糖酶比例确定

在确定了木聚糖酶和纤维素酶具有较好协同效应的前提下，进一步研究确定这两种酶的最佳复配比例，以这两种酶的加入量为试验因素进行采用Minitab 16进行混料试验设计，设计表及脱皮率结果见表2。

表2 纤维素酶与木聚糖酶复配混料试验及结果Table2 Mixture experimental design for the combined use of cellulase and xylanase

由表2可知，当纤维素酶和木聚糖酶以1:3的比例复配，即以酶活力4.6×104U/(min·g):3×5.47×104U/ (min·g) = 1:3.6时，脱皮率最高，为81.2%。通过混料设计试验研究，发现果胶酶的存在不利于芝麻脱皮，而纤维素酶和木聚糖酶则具有较好的协同作用，以酶活力1:3.6的比例混合时脱皮效果最好，这可能预测芝麻种皮的主要是由纤维素和木聚糖类组成，这需要进一步的研究验证。水果类原料的去皮多用果胶酶和纤维素酶[3-10,20]，这与水果的皮层成分多为果胶类和纤维素类物质有关。不同原料酶法去皮所用酶的类型以及比例的不同，主要与不同原料的成分差异和不同结构有关。

2.3 最佳酶处理条件的单因素试验

2.3.1 酶解时间对脱皮率的影响

在酶解温度50℃、纤维素酶与木聚糖酶比例1:3(酶活力1:3.6)、酶用量为芝麻质量的0.3%条件下，作不同酶解时间的单因素试验，计算脱皮率。由图2可知，脱皮率与酶解时间呈正相关，随着酶解时间的延长，脱皮率不断增大。

图2 酶解时间对脱皮率的影响Fig.2 Effect of hydrolysis time on peeling efficiency

2.3.2 酶解温度对脱皮率的影响

在酶解时间15min、添加酶(纤维素酶0.0375g、木聚糖酶0.1125g)总量为芝麻质量的0.3%条件下，作酶解温度单因素试验，结果见图3。脱皮率随温度的升高呈现先升高后降低的趋势，50℃时达到最大值。温度在30～45℃时，脱皮率随温度的升高逐渐变大，但增加幅度不明显。当温度从45℃上升到50℃时，脱皮率增加幅度明显，说明混料酶最适温度为50℃。

图3 酶解温度对脱皮率的影响Fig.3 Effect of hydrolysis temperature on peeling efficiency

2.3.3 酶添加量对脱皮率的影响

在酶解时间15min、酶解温度50℃条件下，作混料酶不同添加量(分别为芝麻质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)单因素试验，脱皮率结果见图4。结果表明在酶添加量0.2%～0.3%(即添加量为0.1～0.15g)时，芝麻脱皮率上升趋势较其他区域明显，斜率最大，但0.3%后，脱皮率几乎没有变化，不再增加。考虑到经济成本因素，酶添加量为芝麻质量的0.3%(0.15g)最佳。

图4 酶添加量对芝麻脱皮率的影响Fig.4 Effect of enzyme dosage on peeling efficiency

2.3.4 正交试验优化

表3 正交试验设计及结果Table3 Orthogonal array design for the optimization of sesame peelliinngg

在单因素试验的基础上，采用三因素三水平的L9(33)正交试验设计对酶解时间、酶解温度和混料酶添加量进行优化，正交试验设计及结果见表3。

由表3可知，影响脱皮率的主次因素依次是酶解时间、酶解温度和酶添加量，最优条件为A3B2C2，即纤维素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6混合、酶解时间30min、酶解温度50℃、酶添加量为芝麻质量的0.4%，经验证脱皮率为98.3%，高于正交试验各组脱皮率结果。

3 结 论

通过混料设计试验研究，筛选出纤维素酶和木聚糖酶对芝麻脱皮具有协同作用，纤维素酶和木聚糖酶以酶活力1:3.6的比例混合时脱皮效果最好，果胶酶对芝麻脱皮不起作用。在确定酶的复配比例的基础上，通过单因素和正交试验优化了酶处理的工艺条件，即酶解时间30min、温度50℃、酶添加量为芝麻质量的0.4%，脱皮率为98.3%，基本实现了完全脱皮。可见，采用酶法芝麻脱皮技术可替代碱法脱皮，有效解决了碱法脱皮芝麻生产中因碱液使用带来的环境和食用安全问题，符合绿色环保生产的要求。下一步需要重点研究解决的是酶的重复循环利用问题，以降低生产成本，加速该技术在脱皮芝麻加工业中的推广应用步伐。

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Optimization of Enzymatic Peeling of Sesame

SONG Guo-hui，HUANG Ji-nian*，LU Xin，SUN Qiang，ZHANG Li-xia
(National Research and Development Center for Oil and Fat Processing, Institute of Agricultural Products Processing, Henan Academy of Agriculture Sciences, Zhengzhou 450002, China)

An enzymatic hydrolysis method for peeling sesame was proposed and the optimum hydrolysis parameters were explored. The optimum enzymes and mixing ratio were screened out of cellulase, xylanase and pectinase by mixture experimental design based on peeling efficiency and the hydrolysis conditions were optimized by one-factor-at-a-time and orthogonal array designs. The optimum enzymatic hydrolysis conditions that provided maximum peeling efficiency (98.3%) were determined as 1:3.6, 0.4%, 30 min and 50 ℃ for activity ratio between cellulase and xylanase, total enzyme dosage, hydrolysis time and temperature, respectively. The procedure can be used as an environment-friendly alternative to the traditional procedure of wet alkaline treatment.

enzyme；sesame；peeling；mixture experimental design

TS201.1

A

1002-6630(2013)18-0028-04

10.7506/spkx1002-6630-201318006

2013-03-12

国家农业科技成果转化资金项目(2013GB2D000292)；河南省重点科技攻关计划项目(132102113105)

宋国辉(1980—)，男，助理研究员，硕士，研究方向为大宗粮油作物加工技术与功能活性物质开发。E-mail：sigehe@126.com

*通信作者：黄纪念(1971—)，男，研究员，博士，研究方向为农产品精深加工与功能食品开发。E-mail：hjinian@sina.com