酶制剂在植物油脂与蛋白质提取过程中应用的研究进展

赵自通，陈复生，张丽芬，郝莉花，李宇健

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001）

酶制剂在植物油脂与蛋白质提取过程中应用的研究进展

赵自通，陈复生*，张丽芬，郝莉花，李宇健

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001）

酶制剂在植物油脂和蛋白质的提取中发挥着越来越重要的作用，由于酶作用于底物时的特异性，选择合适的酶制剂尤为重要。根据目前酶制剂在植物油脂和蛋白提取方面的研究，总结多种酶制剂在不同原料中的作用效果，为合理选择酶制剂提供依据。

酶制剂；油脂；蛋白质；应用

Abstract：Enzyme preparation plays a key role in the extraction of vegetable oils and protein.For the specificity of the enzyme，it is really important to select suitable enzyme preparation.Based on the current study of enzyme preparation in vegetable oil and protein extraction，the effect of various enzymes in different raw materials were summarized，and the basis for reasonable selection of enzyme preparation was provided.

Key words：enzyme preparation；vegetable oil；protein；application

优质的植物油脂和蛋白质已经成为人们生活中重要的食物来源，植物蛋白中含有多种人体必需的氨基酸，而植物油脂中也含有人体所必需的一些不饱和脂肪酸如亚油酸、亚麻酸、油酸等。它们不仅能给人们提供充足的营养，而且植物油相比于动物脂其胆固醇和饱和脂肪酸的含量更低，对人们的健康有益，因此越来越受欢迎[1]。传统的油脂提取方法有压榨法、浸出法；但压榨法取油的原料利用率低，浪费大，成本高；而浸出法取油虽然油脂得率高，但有害物质残留高、功能性成分损失严重。因此传统的油脂提取方法已经不能满足现代工业发展和国际竞争需求。而近些年水酶法作为一种新兴的油脂和蛋白质提取技术，由于酶的高效专一性、反应条件温和、提取效率高、安全、环保且可同时获得营养价值较高的蛋白质等特点，在植物油脂和蛋白质的提取中有着很好的应用前景，受到广泛关注。根据酶制剂对植物油料油籽发生水解作用的部位不同，可将酶制剂分为油料细胞壁降解酶类、蛋白质水解酶类、以及两者的复合酶类等[2]。本文就不同酶制剂在植物油脂和蛋白质提取过程中的作用原理及应用现状进行了详细综述，以期为酶制剂在食品工业中的应用提供理论指导。

1 细胞壁降解酶类

1.1 细胞壁降解酶类的作用原理

植物油料细胞表面都存在细胞壁，它是维持植物细胞形态和增强植物细胞机械强度的重要结构，但在植物油脂和蛋白提取过程中，油料细胞壁阻挡了油料细胞内油脂和蛋白质的释放，给油脂和蛋白的提取分离造成了困难[3]。研究发现用细胞壁降解酶类可以有效的降解细胞壁，将油料细胞内的油脂和蛋白质释放出来[4]。根据目前的研究，在植物油脂和蛋白质提取过程中常用细胞壁降解酶有纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等。

从微观上看细胞壁是一个复杂的网状结构，各种植物的细胞壁虽有诸多差异，但其基本结构相似。在植物细胞壁中，半纤维素包裹纤维素形成微纤丝，果胶将微纤丝粘连构成细胞壁的网状构架，木质素及其他物质填充在细胞壁间隙中[5]。根据细胞壁的微观结构可知，纤维素酶和果胶酶在细胞壁降解中起到了关键作用。纤维素酶作用于油料细胞壁中纤维素，断开β-1，4-糖苷键将纤维素分解为葡萄糖[6]；而果胶酶则能将果胶物质分解，纤维素和果胶等物质的分解使油料细胞壁的网状结构破坏，进而在导致细胞壁破碎，细胞内油脂和蛋白质被释放出来。酶破碎细胞壁的过程如图1所示[2]，在机械粉碎的基础上再对油料细胞酶解，可以使油料细胞破碎更加彻底。

图1 酶对油料细胞的降解Fig.1 Cell degradation of oil seeds by enzymes

1.2 细胞壁降解酶类在植物油脂和蛋白质提取中的应用研究

1.2.1 细胞壁降解酶类对植物油脂和蛋白提取率的影响研究

有研究发现利用细胞壁破坏酶可显著提高一些植物油料的油脂和蛋白得率。Bisht等[7]在野生杏仁粉中加入果胶酶，纤维素酶或者纤维素酶和果胶酶混合物来提高野生杏仁油的油脂得率；结果表明单一酶制剂与复合酶制剂在合适的浓度下，都可以提高油脂得率，纤维素酶和果胶酶复配可以使油脂得率提高14.22%。Szydłowska-Czerniak 等[8]发现用果胶酶和纤维素酶提取菜籽油的得率都高于传统压榨法取油，而且相比之下果胶酶（16.5%）的作用效果比纤维素更好（15.5%）。这与菜籽中果胶的含量较高有很大关系。同样的，zhang等[9]也发现使用果胶酶提取菜籽油的效果比用其它酶类好。Li等[10]做了超声波协同水酶法提取文冠果油的研究，利用纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶在最适的试验条件下油脂得率为55.8%。单一酶制剂的效率如下：果胶酶＞纤维素酶＞半纤维素酶。而Jiao等用相同的酶（纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶）进行微波协助水酶法提取南瓜籽油的研究，在最适条件下油脂回收率为64.17%[11]。耿晶娟等[12]用纤维素酶（Celluclast 1.5L）进行酶法辅助冷榨和热榨火麻籽油，得到的油脂提取率分别为67.1%和68.3%。

1.2.2 细胞壁降解酶类对植物油脂和蛋白质品质的影响研究

利用细胞壁降解酶提取植物油脂和蛋白质，在一定程度上可以提高所得到油脂的品质。Sharma等[13]在研究酶法辅助提取橄榄油时发现用果胶酶和纤维素酶不仅能够提高油脂得率，而且使用酶制剂后可以显著提高橄榄油的澄清度和总酚含量。同样Chih等[14]也发现复合纤维素酶（Viscozymes）提取橄榄油可以增加了橄榄油的总酚含量和抗自由基活性。在水酶法提取菜籽油的研究中，Szydłowska-Czerniak等[8]发现用纤维素酶和果胶酶提取的菜籽油生育酚含量最高，抗氧化能力较好。利用水酶法提取丝瓜籽油发现，加入纤维素酶在50℃条件下酶解6.5 h后，丝瓜籽提油率可达到29.6%。用水酶法提取的丝瓜籽油的各项理化性质均符合国家标准，且比传统工艺提取的丝瓜籽油品质更好[15]。王喜波等[16]研究了不同方法提取牡丹籽油的品质差异，发现超声辅助碱性蛋白酶提取的牡丹籽油不饱和脂肪酸含量较高，所得到的油脂外观品质和市售牡丹籽油品质相近。细胞壁降解酶对植物油和蛋白的提取具有重大意义，不仅能够增加油脂和蛋白得率、提高油脂品质，而且可广泛应用在各种植物油料中。

2 蛋白质水解酶类

2.1 蛋白质水解酶的作用原理

植物油料的细胞壁、细胞膜、细胞质中都存在有蛋白质，研究发现在植物油脂和蛋白质提取过程中使用蛋白水解酶可以有效提高油脂和蛋白的得率。其作用原理可以分为以下几个方面：第一，蛋白酶能够作用于植物细胞壁中的结构蛋白，使嵌在细胞壁网状结构中的蛋白水解，降低了细胞壁的阻碍能力，因此油料细胞内的油脂和蛋白更容易被释放出来[17]。用碱性蛋白酶处理前（A）和处理后（B）油茶籽细胞结构变化如图2所示，可以看出蛋白酶处理后细胞团（图2B）已成“镂空”形态，更有利于油脂和蛋白的释放[18]。第二，蛋白酶作用于油料细胞膜和细胞质中的蛋白质促使细胞膜的破碎和细胞质内部结构疏松，导致细胞内容物流出，油脂和蛋白质被释放出来[2]。第三，蛋白酶能作用于植物油料细胞中的油脂体和蛋白体。植物油料中油脂和蛋白大部分都储藏在油脂体和蛋白体中，油脂体是植物油脂储存的重要器官。油料种子中几乎都有油脂体，它是植物油脂的主要储存场所[19-20]。油脂体是一个直径约有1 μm的微粒，主要是由甘三酯、磷脂和蛋白组成[21]；结构如图3所示，油脂体的表面被一层磷脂包裹，蛋白质镶嵌在油脂体的表面，甘三酯包裹在油脂体内部。油脂体表面的蛋白对油脂体的稳定起到了重要作用，蛋白酶可以将油脂体表面的蛋白质分解，破坏油脂体结构从而包裹在油脂体内的油脂释放出来[22]。

图2 Alcalase碱性蛋白酶处理前后油茶籽细胞结构扫描电镜图Fig.2 SEM observation on cell structure of oil-tea Camellia oleifera seed hydrolyzed by alcalase

图3 油脂体结构示意图Fig.3 Schematic diagram of oil body structure

2.2 蛋白质水解酶类在植物油脂和蛋白质提取中的应用研究

2.2.1 蛋白质水解酶应用于植物油脂和蛋白的提取

蛋白酶制剂在粮油食品行业中的应用非常广泛，同时越来越多蛋白酶制剂被用于蛋白质和油脂的提取中，其中碱性蛋白酶（Alcalase 2.4L）在研究中的应用较多，Alcalase 2.4L是一种来源于枯草杆菌的食品级碱性内切蛋白酶，由于其对底物作用范围广，水解蛋白质程度较为彻底，已被广泛应用于植物或动物蛋白的水解中[23]。章绍兵等[24]的研究表明选取Alcalase 2.4L对烘烤后的花生进行水酶法提取在最适条件下油脂和蛋白质得率分别为75.8%和76.7%。而Wang等[25]用Alcalase 2.4L在pH值为8.50，温度为60℃，酶浓度为1.5%条件下处理8 h后，花生蛋白水解产物产率为82.5%，油脂得率为92.2%。得到的油脂与溶剂浸出法相比游离脂肪酸的含量更低，且降低了食用油的精炼成本。同时花生分离蛋白水解物表现出良好的自由基清除能力和抑制血管紧张素I转换酶活性的作用。

另外还有许多其他蛋白酶制剂应用于植物油和蛋白的提取中，王瑛瑶等[25]研究了不同的蛋白酶制剂对花生水酶法同时提取油脂和蛋白质的影响。用中性蛋白酶（As1.398）得到的游离油和蛋白质水解物分别为85.9%和75.2%；中性蛋白酶（Protease-N）的油脂和蛋白得率为86.9%和78.1%；木瓜蛋白酶（Papain）的油脂和蛋白得率分别为84.5%和72.4%。Dotsenko等[26]利用水酶法提取白三叶草和黑麦草中的蛋白质，在pH值为8时，加入蛋白酶（Savinase 16.0L）蛋白质得率达到80%。而且连续的蛋白酶处理可以使蛋白质得率达到95%。综上可知蛋白酶能够显著提高植物油和蛋白的得率，满足当下高效、绿色的利用植物油料进行工业化生产的要求，有非常好的应用前景。

2.2.2 蛋白水解酶类应用于乳化液的破乳

在利用酶制剂提取油脂和蛋白质时往往形成数量可观的乳状液，不仅降低了油脂和蛋白得率，而且限制了其在油脂提取工业中的广泛应用。如何有效地破乳，提高蛋白质和油脂的得率，成为水酶法技术研究的重点之一。研究发现蛋白酶可以对乳状液进行破乳。其破乳的实质是乳化液中的蛋白（包含界面蛋白和非界面蛋白）被水解之后其分子量减小，不能维持原有界面膜的强度所致[23]。酶法破乳是一种新型的生物破乳方法，有学者研究了该方法对花生油的破乳效果。其中Li等[27]比较了几种酶制剂释放油脂的效率；试验表明木瓜蛋白酶（Papain）和风味蛋白酶（Protex 50FP）在酶浓度为1.5%时都能很好的对花生乳化液进行破乳，但是在酶浓度为0.01%时Protex 50FP的依然能够将92.8%左右的游离油脂释放出来，而Papain的破乳率只能达到55.2%。而Jiang等[28]用中性蛋白酶（As1398）来水解水酶法提取花生油和蛋白后的残余物和乳液，可以使总游离油和蛋白质水解产物分别提高到91.98%和88.21%。章绍兵等[23]用碱性蛋白酶2709对花生乳状液进行破乳，结果表明乳状液的破乳率均可达到或超过95%。在大豆油的提取中，Chabrand等[29]用碱性蛋白酶（Protex 6L）对乳状液进行破乳，破乳率为72%；用Protex 6L两步酶解的方法，总破乳率达到95%。而Jung等[30]用Protex 6L蛋白酶提取大豆油，再采用Protex 6L对乳状液进行破乳，破乳率达到100%。

除了蛋白质以外磷脂也是影响乳状液稳定性的关键因素；因此磷脂酶也可以用于乳化液的破乳[31]。Chabrand 等[29]用磷脂酶 A1（G-zyme）对水酶法提取大豆油过程中产生的乳状液进行破乳，破乳率几乎达到100%。在此之前Lamsal等也对大豆油提取过程中形成的乳状液进行了磷脂酶破乳的研究，结果表明磷脂酶通过切断磷酸甘油酯位上的sn-1、sn-2、sn-3酯键，极大地破坏了乳状液的稳定性[32]。Wu等[33]选择磷脂酶A（phospholipase A2）和蛋白酶（Protex 51FP）探究酶浓度对大豆油破乳作用的影响。研究发现在加酶量为2%时，两种酶都能够达到破乳效果。在酶浓度小于2%时蛋白酶比磷脂酶释放出更多的游离油。在酶浓度为0.2%时蛋白酶和磷脂酶的游离油得率分别为88%和48%。Li等[27]用磷脂酶 A1（LecitaseRUltra）对水酶法产生的花生乳状液进行破乳，结果表明花生油得率随着酶浓度的增加而升高，在酶浓度为1.5%时破乳率为56.7%。

3 复合酶类

3.1 复合酶类对植物蛋白和油脂得率的影响

由于植物油料细胞的成分和组织结构比较复杂，在提取植物油和蛋白时利用单一的酶制剂有时具有一定的局限性并不能取得理想的效果。而利用复合酶制剂时酶制剂之间可能存在协同效应，能够在一定程度上提高酶的作用效果，从而提高油脂和蛋白质得率。所以在研究中有些学者将细胞壁酶和蛋白水解酶混合使用来辅助提取植物油和蛋白。Passos等[34-35]研究了使用复合酶（纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶和蛋白酶）预处理辅助提取葡萄籽油，预处理后用超临界二氧化碳萃取和溶剂浸出油脂得率分别为16.5%和13.7%。Yusoff等[36]利用中性蛋白酶（Neutrase 0.8L）和纤维素酶（Celluclast 1.5L）来提取辣木籽中的辣木油，在pH4.5，料液比为 8∶1（质量比），震荡速率为 300 r/min，理论上油脂得率可以达到72.49%。Gai等[37-38]利用混合酶（纤维素酶、果胶酶、蛋白酶）提取连翘籽和板蓝根籽中的油脂，油脂得率分别为21.62%和57.29%。Hou等[39]用水酶法提取芝麻油结果表明当使用混合酶（木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、纤维素酶）芝麻油得率可以达到87.58%。

但是并不是所有的复合酶都能显著提高植物油脂和蛋白质的提取效率。罗明亮等研究了细胞壁破坏酶、蛋白酶、淀粉酶单因素及其复配酶对提取蓖麻籽油提取率的影响，发现中性蛋白酶的提油效果最好，其总的油脂提取率达到了91.17%，远大于其它各种复配酶最高得率（86.93%）。只用中性蛋白酶的提取率高的原因可能是：第一，蓖麻剥壳后的细胞组织容易破碎，细胞壁中纤维素、半纤维素含量较低，有利于提高油脂提取率；第二，蛋白酶通过分解蛋白质达到破乳效果，从而提高清油得率[40]。而有些植物油料，使用复配酶或者单一酶制剂并无明显差别，例如R ovaris等[41]选用碱性蛋白酶、戊聚糖复合酶与碱性蛋白酶、纤维素复合酶分别对大豆进行水酶法提油，发现油脂得率无明显差异。同样的在酶法辅助提取大蒜油时加入戊聚糖复合酶与使用单一的蛋白酶、果胶酶、纤维素酶相比油脂的得率没有显著差异[42]。

3.2 含淀粉酶的复合酶类对植物油脂和蛋白得率的影响

研究发现淀粉水解酶也可以辅助植物油脂和蛋白质提取。但淀粉酶在植物油和蛋白的提取中单独应用不多，大多是和其他酶制剂混合使用来提高油脂和蛋白的得率。林莉等[43]研究表明，使用α-淀粉酶进行水酶法提取薏米糠油得率为30.47%。但是用单一酶进行水酶法提油，游离油得率是有限的，为了提高游离油得率，单一酶之间的相互作用是必不可少的。根据试验结果使用复合酶后游离油得率有显著提高，其中α-淀粉酶与中性蛋白酶复合使用（1∶1），其游离油得率最高可接近60%。Fang等[44]研究了水酶法提取山茶籽油，结果显示使用淀粉酶进行提取油脂得率为31.92%。油茶籽中的淀粉含量为16.85%，在油茶籽中使用淀粉酶后悬浮液变稠，故相比于其他种类的酶而言，使用淀粉酶提取后的油茶籽更难通过离心分离出油茶籽油。罗明亮等[40]研究了纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、中性蛋白酶和半纤维素酶单因素及其复配酶对提取蓖麻籽总油和清油提取率的影响。结果表明淀粉酶效果最差，提取率分别是64.06%和21.31%。

虽然复合酶在作用于油料时可能具有协同作用，但在油脂提取中使用单一酶或复合酶没有统一的定论，酶的选择应该取决于油脂和蛋白在细胞内的结构形态及其理化性质。为了选择合适的酶制剂，我们应该从植物细胞的微观结构入手，研究酶制剂辅助下油脂和蛋白质释放的分子机制，进而找到针对特定油料的最适酶制剂。

4 结语

随着商业化酶制剂的种类越来越多，酶制剂在实际中的应用越来越广泛。利用酶制剂可以同时获得植物油脂和优质植物蛋白质，具有良好的工业应用前景；但由于酶作用于油料时具有特异性和各种植物油料在组成成分和结构上的差异，降解不同的植物油料需要酶的种类是不同的。因此，找到最合适的酶制剂或者酶制剂组合对植物油和蛋白的提取尤为重要。但目前的研究对于酶制剂的筛选存在着一定的盲目性，很少有人根据油料细胞的微观结构和酶对植物油料的作用机理来选择最适酶种类。所以对各种油料细胞结构的细化研究是今后需要重点探索的一个方面。相信随着科技的发展酶制剂在植物蛋白和油脂的提取中将会发挥越来越重要的作用。

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Advances in Application of Enzyme Preparations in the Extraction of Vegetable Oils and Protein

ZHAO Zi-tong，CHEN Fu-sheng*，ZHANG Li-fen，HAO Li-hua，LI Yu-jian
（College of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，Henan，China）

2017-01-18

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.045

国家自然科学基金项目（21376064、21676073）；国家“863”计划（2013AA102208）；中国博士后科学基金（2015M582184）

赵自通（1994—），男（汉），在读硕士，主要从事食品资源开发与利用。

*通信作者：陈复生，男，教授，博士生导师。