水酶法提油过程中破乳方法研究进展

高玉航，牛瑞浩，姚飞，陈复生

（河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001）

传统的油脂提取方法为压榨法和浸出法，压榨法通过机械挤压的方式破坏细胞结构，使油脂释放，油脂品质较高，但压榨法得油率较低。由于蛋白质在高温和高剪切力的作用下发生变性，导致利用率低，生产过程耗能耗时[1-2]。浸出法是依据溶剂相似相溶的原理提取油脂，提取率高，但存在生产安全、溶剂残留和空气污染等问题，产生的粕被当作饲料或者肥料使用，造成资源的浪费[3-4]。因此需要寻找一种新型提油方法来改善或者避免这些问题。

水酶法是一种绿色环保、安全、操作简洁的提油方法。在机械破碎油料细胞结构的基础上，通过添加纤维素酶、果胶酶等复合酶水解细胞壁，释放油脂和蛋白质，能够同时得到品质好的油脂和变性程度低的蛋白质，成本低、操作条件温和[5]。与浸出法相比，水酶法生产安全、绿色环保、无气体排放，与压榨法相比，提取率高、油脂品质较高，但水酶法提取过程中蛋白质和磷脂会乳化油滴，形成稳定的乳状液需要进一步破乳[6]。

1 提油过程中乳状液特性及其影响因素

植物油通常存在于油脂体中，由磷脂单层膜和油脂体蛋白包裹而稳定[7]。水酶法酶解后，由于蛋白质是具有亲水和亲油两性基团的表面活性分子，能够吸附到油滴表面，在油水之间形成夹层，形成以蛋白质-磷脂复合的膜包裹着的乳状液[8]。膜上的蛋白质主要包括油体蛋白（15 kDa～25 kDa）、油体钙蛋白（27 kDa～30 kDa）、固醇蛋白（40 kDa），油体蛋白和油体钙蛋白是乳状液液滴表面主要的结构蛋白，由锚定在三酰基甘油内的中央疏水域和面对细胞质的亲水性N端和C端组成，可在油滴表面形成黏弹性吸附层，有效地防止油滴聚集和奥斯特瓦尔德成熟，保持乳化体系的稳定[8-11]。

许多因素会影响乳状液的稳定性，例如液滴尺寸和表面电荷、水解度、表面疏水性。例如，随着液滴尺寸和表面张力变小，黏度变高，乳液变得更稳定[12]。包裹液滴的界面膜主要是通过蛋白质分子间和分子内的静电与疏水相互作用的结合而形成的。因此蛋白质的分子组成和结构会强烈影响界面膜的性质和乳状液的稳定[13]。其中乳状液稳定性对液滴尺寸和表面电荷敏感[14]。

液滴尺寸主要取决于所使用的乳化剂（蛋白质）和乳化过程中的剪切力，剪切力越大，粒径越小，乳状液分布均匀[8]。液滴尺寸受表面蛋白质影响，TCHOLAKOVA等[15]指出，当表面蛋白浓度达到1 mg/m2～2 mg/m2时，足以形成一个稳定的单层来包裹油滴。ZHANG和LI等[16-17]测得花生乳状液的表面蛋白质浓度分别为7.92、87.95 mg/m2，这表明在油滴表面覆盖了多层蛋白质，并且油滴粒径与粉碎方法（干法和湿法）、油料内部结构有关[18]。当蛋白质数量不足以包裹所有油滴时，往往会与相邻的油滴共享，导致油滴絮凝但不会失稳[11]。蛋白质浓度增加将增加油滴的覆盖面积，抑制油滴聚集并形成较小的油滴，并且随着乳状液黏度的增加，被蛋白质覆盖的液滴碰撞减少，所以在一定范围内平均粒径随着蛋白质浓度的增加而减小[14]。当大液滴相互碰撞时，除了暴露疏水基团以外，液滴之间没有足够的斥力来阻止形成二硫键或疏水键，最终导致液滴的聚集[12]。破乳后，粒径分布从单峰分布变为双峰粒径分布。升高温度会导致粒径增加，较大尺寸的颗粒可能是由于油滴的聚集，或者是吸附在不同小液滴上的蛋白质之间形成了共价结合的聚集体[19]。

通常用zeta-电位来对表面电荷定量，并将乳状液按照电位值±（0～10）、±（10～20）、±（20～30）、±（>30）mV分为高度不稳定、相对稳定、中度稳定、高度稳定。pH值和离子浓度对zeta-电位有显著影响。在等电点处，乳状液的zeta-电位接近0，并且由于乳液粒子静电斥力降低和范德华力的作用，粒子疏水性最强，乳状液失稳，有大量的液滴聚集；等电点以下，由于氨基质子化，带正电；等电点以上，由于羧基去质子化，带负电。通过调节pH值可以减少表面蛋白与磷脂之间的相互作用[11-12，20]。在离子强度为0时，乳状液中蛋白质颗粒表面带有净电荷，这些净电荷产生斥力可使乳状液稳定处于动态平衡。当加入离子，会与这些带电基团结合降低总电荷，zeta-电位降低，颗粒聚集，粒径显著增加。NING等[21]发现当花生乳状液中NaCl浓度从0增加至500 mmol/L时，粒径从178.2 nm增加至260.9 nm，zeta-电位从-36.2 V增加至-8.4 V，带电的Na+与带负电的花生蛋白相互作用，降低静电斥力，油滴聚集（盐析）。

除此之外，游离油得率与蛋白质水解度呈正相关。蛋白质的广泛水解（水解度通常超过10%）明显导致表面疏水性降低。蛋白质表面疏水性是与极性水环境接触的蛋白质表面疏水基团数量的指数，与其乳化性能密切相关[22]。表面疏水性的变化与二级结构的变化程度有关，当蛋白质水解后掩埋的疏水基团暴露，并通过疏水作用相互作用而聚集，从而有效地将它们重新掩埋在较大聚集结构的内部，从而降低了表面疏水性[16]。

2 破乳方法

一般的破乳机制主要是沉淀、上浮、聚集、相转变、合并以及奥斯特瓦尔德熟化6种[23]。破乳的目的是加速或者促进组成分离。对于离心破乳，只是加速不同相合并和分层，并不能完整分离。如何有效破乳，提高油脂和蛋白质得率，是目前水酶法研究的重点之一。

2.1 物理法破乳

2.1.1 加热法破乳

温度升高会加快乳状液中分子的热运动，降低界面膜的黏度和乳状液的稳定性，同时高温使蛋白质变性聚沉并加速水分子的运动，增加液滴相互碰撞机会，有利于乳化油的释放，实现破乳[24-25]。在一定程度加热时，乳状液的蛋白质可以产生稳定的纳米颗粒和聚集体，通过增加连续相的黏度和在油滴上形成第二层蛋白质层使乳状液稳定性增加。此时乳状液从单峰粒径分布变为双峰粒径分布和更大的粒径[19，26]。高温可能会通过改变蛋白质的粒径、二级结构和表面疏水性而影响乳化性能[27]。当温度高于蛋白质变性点，蛋白质展开，静电斥力降低，并暴露出巯基和二硫键，二者形成共价分子间二硫键，疏水键与二硫键相互作用，致使变形蛋白质聚集[28-30]。

DYBOWSKA[19]发现随着温度升高，乳状液的稳定性从52.2%降至48.2%，乳清浓缩蛋白的乳化能力从22.6 mL油/100 mg乳清浓缩蛋白降至19.6 mL油/100 mg乳清浓缩蛋白。王文睿等[31]将乳状液进行油浴或者水浴，通过加热作用，破坏蛋白质结构，使其变性，然后在10 000 r/min条件下离心10 min，发现最佳破乳条件为乳状液浓度85%、pH4.5、加热温度120℃、加热时间15 min，破乳率为90.76%。李杨等[24]使用高压蒸汽对花生乳状液进行加热破乳，最佳工艺条件为蒸汽压力18.2 MPa、蒸汽温度115℃、蒸汽处理时间21 s，破乳率和总油得率为93.49%和89.54%，并且高压蒸汽的破乳率和总油得率高于水浴加热。

2.1.2 冷冻-解冻法破乳

冷冻-解冻破乳方法分为两步，在冷冻过程中，乳状液出现油相结晶，当脂肪晶体出现在相邻油滴之间时，界面膜会被刺穿导致油滴聚集，从而降低乳状液稳定性，达到破乳的目的。在解冻过程中，乳状液温度升高，黏度降低，增加了油水之间的相互碰撞，有利于油水分离，破乳率提高[28]。冷冻-解冻破乳遵循碰撞机制，是一个渐进的过程。破乳效果与水分含量（30%～65%）之间存在线性关系，并且破乳率随着液滴粒径的增加而增加，而油的种类对其影响不大[32]。

LIN等[33]对比了冰箱冷冻法、低温水浴法、干冰法、液氮法4种冷冻方法对破乳效果的影响，发现去除水的最佳冷冻方法是低温水浴法和干冰法，并且对于所有含水量为60%的体系，其效率都超过70%，而与液滴大小和油相类型无关。程雪等[28]使用冷冻-微波解冻对紫苏籽水酶法所得乳状液进行破乳，最佳工艺条件为冷冻温度-20℃、冷冻时间13 h、微波解冻时间60 s、微波解冻强度450 W下，此时破乳率94.53%。在响应面优化大豆乳状液冷冻微波解冻破乳工艺中，齐宝坤等[29]发现冷冻时间对破乳效果影响最大，其次是微波解冻功率、冷冻温度、微波解冻时间、微波解冻温度，最佳破乳条件为-16.9℃、冷冻时间17.5 h、解冻温度62.4℃、解冻功率666.5 W、解冻时间10.5 min，响应面最优值为（96.89± 1.43）%。CHABRAND[1]采用冷冻解冻法对大豆乳状液破乳，油脂得率从3%提高到22%。

2.1.3 微波法破乳和高压CO2法破乳

微波作用产生电磁场，乳状液内部水滴不断地在电磁场作用下沿着电场方向发生聚集、破裂使油水两相之间的薄膜变薄，并且由于电磁场的高频振荡，体系内部的极性分子加速运动自由振荡，完成破乳[35]。其中微波强度与破乳效果在一定范围内呈线性关系，强度过大时，油脂与蛋白质会重新结合，破乳率反而降低。王文睿等[36]对大豆乳状液进行微波破乳，最佳条件为微波作用时间49 s、微波强度700 W、pH4.66、乳状液体积分数82%，此时破乳率为75.88%，并分析得出，对破乳效果的影响从大到小为微波强度、微波作用时间、乳状液体积分数、pH值。微波破乳法与加热法相比，油脂得率更高，比冷冻-解冻法速度更快，并且不使用溶剂，破乳率高[37]。Liu等[30]采用微波破乳所得油的脂肪酸组成与加热法、冷冻-解冻法没有明显差异，但氧化稳定性要好于加热法。

高压CO2破乳中，CO2对非极性物质具有高亲和力，并能够溶解在油相中以溶胀乳液的油滴，从而导致密度降低。CO2溶解在水相中形成碳酸，碳酸作为电解质破坏了乳液的电荷平衡，使乳液失稳。NAGAO等[38]试验结果表明，高压CO2可以作为溶胀剂，降低分散的油相密度，从而使油滴漂浮聚集，实现破乳。韩宗元等[39]利用响应面分析方法得到最佳工艺条件为高压CO2压力13.96 MPa、温度 155.64℃、处理时间 21.46 s、CO2浓度0.53g/cm3，破乳率为（94.88±0.30）%。但是此过程中存在高压和高温，具体的机制尚未得到阐明。

2.2 化学法破乳

2.2.1 有机溶剂法破乳

有机溶剂萃取破乳原理是以分配定律为基础（萃取相浓度/萃余相浓度=分配系数），分配系数越大，分离效果越好。萃取效果主要受溶剂用量、介质pH值、萃取时间3个因素影响。常用的溶剂有乙醇、乙醚等。肖丽飞等[40]使用乙醇对油茶籽油进行破乳，在乙醇浓度为35%、乙醇添加量为1∶1（体积比）时，破乳率分别为58.73%和58.52%。FANG等[4]使用20%的乙醇破乳，最高破乳率为91.38%。马娇[32]采用不同体积分数的正己烷和氯仿/甲醇（2∶1，体积比）对小麦胚芽油乳状液进行破乳，发现用量越大破乳效果越明显。TABTABAEI等[41]以托克黄芥粉为原料，先用水将蛋白质进行回收，再经过二甲基甲酰胺或异丙醇提取黄芥末油，二甲基甲酰胺与水有广泛的混溶性，最高能提取（38±3）%的油，在异丙醇 ∶油质量比为 31∶1时，可有效提取乳状液中94%以上的油。

2.2.2 无机盐法破乳

一般油水界面上有电荷存在时，界面两侧都有双电层和电位降。对于由蛋白质稳定的水包油型乳状液，当油滴表面上的双电层发生相互重叠时，在静电排斥的作用下油滴分开，乳状液保持稳定。而在加入无机盐后，可能破坏稳定的蛋白质双电层结构，促使油水之间因密度差和极性差而分离，油滴发生聚集导致破乳[35]。盐浓度较低时，盐离子的添加可以提高表面蛋白质在水中的溶解度，增加乳状液稳定性；盐浓度较高时，带正电的离子与带负电的蛋白相互作用，降低静电斥力，油滴聚集（盐析）[20-21]。肖丽飞[40]在使用食盐破除油茶籽乳状液中，分别研究了食盐添加量、温度和加热时间对破乳率的影响，发现在食盐添加量为15%、温度为90℃、时间为30 min时，破乳率分别为42.15%、42.36%、43.07%。吴海波等[42]向大豆乳状液中添加 0.04 mol/L CaCl2，在 60、70、80 ℃下反应 90、50、30 min可完全破乳。

2.2.3 酸碱破乳法

在乳状液中，pH值的变化会影响蛋白质的溶解度以及乳化能力，当体系pH值很高时，体系负电荷较多，分子间的排斥作用力增强，蛋白质（主要是油质蛋白）溶解度降低，容易从油滴表面脱落，从而利于油滴的聚集，并且在强碱的条件下，蛋白质容易发生变形和沉降[43]。但pH值过高容易导致游离脂肪酸的形成，影响油脂品质[40]。吴海波等[42]发现体系pH值的降低使乳状液电位绝对值和黏度下降，促使油滴发生聚合，油滴平均粒径增大，导致乳状液稳定性降低。当pH值为3～4时，50℃作用30 min大豆乳状液完全破乳。当接近蛋白质的等电点时，包裹油滴的蛋白质聚集，破坏了乳状液的完整性[16]。CHABRAND等[1]通过调节pH值使油得率从2%提高到83%。当pH值调节至乳状液等电点附近，乳状液粒径增大，zeta-电位接近于0，蛋白质的二级结构发生变化，表面疏水性降低，结构松散，使乳状液稳定性降低[44]。

2.3 酶法破乳

乳状液中蛋白质、磷脂等两亲性物质使乳状液趋于稳定。两亲的水溶性蛋白质倾向于在油-水界面形成稳定的蛋白质薄膜，使油滴均匀分散，体系稳定。磷脂具有很高的表面活性，可以显著影响乳状液的稳定性。碳水化合物通过增加黏度或分离液滴的水相凝胶化来减少聚结，有效性随浓度的增加而增加[4]。根据含量和功能的差别，现在普遍认为水-油界面处蛋白质分子的裂解是造成破乳作用的主要原因。酶解后的短肽由于缺乏二级和三级结构，稳定空间和界面膜的能力较差，从而实现破乳[16]。

LI等[45]分别使用蛋白酶、磷脂酶和淀粉酶对花生乳状液进行破乳，发现使用碱性蛋白酶（Alcalase 2.4 L）可获得（86.9±3.3）%的游离油，而使用淀粉酶和磷脂酶则分别获得（69.0±4.0）%和（56.7±1.2）%，这可能是由于蛋白质是稳定乳状液的主要物质。其中蛋白酶中Protex 50FP和木瓜蛋白酶的破乳率均在90%以上。ZHANG等[46]使用碱性内肽酶Mifong®2709，在水 ∶花生乳状液体积比为1∶1、酶浓度1 600 IU/g、酶解温度50℃下酶解70 min后，油脂得率为94%。LAMSAL等[47]使用磷脂酶对大豆乳状液进行破乳，发现不同磷脂酶可以作用于磷酸甘油酯的不同位点，能够极大地破坏乳状液的稳定性，如Lysomax（磷脂酶A2）、G-zyme999（磷脂酶A1）和磷脂酶C可以分别作用于磷脂的sn-2、sn-1和sn-3位点。

仅选用蛋白酶对其进行破乳处理，未考虑磷脂和碳水化合物等成分在乳状液的稳定中可能起到的作用，未筛选出适宜该乳状液破除的专用酶及破乳条件，有时候破乳效果不理想[48]。因此可以考虑对酶进行复配。CHABRAND[1]对大豆乳状液进行两步破乳，先使用碱性肽链内切酶，提油率提高到95%，然后使用溶血磷脂酶A1在pH4.5进行处理，可将乳状液完全转化为游离油。但是当使用过量的酶时，游离油得率开始下降，这是因为当高浓度蛋白质存在乳状液中，可能充当乳化剂[46]。

3 复合法破乳

将物理、化学、酶法破乳联合使用，也可以对水酶法乳状液破乳。LIU等[30]使用微波对花生乳状液进行破乳，并加入CaCl2，在最佳条件下，CaCl2-微波破乳的破乳率为92.3%，时间仅为2min。当使用特殊的蛋白酶时，往往会与pH值产生协同效应。张根生等[49]在酶法破乳最佳工艺条件下对南瓜籽油乳状液破乳，破乳率为88.39%，当pH值调节至4.5时，破乳率提高到95.47%。李世科等[50]对水酶法提取油茶籽油形成的乳状液进行破乳研究，先调节pH值破乳后酶法破乳，最高破乳率为90.15%。

4 展望

乳液的稳定性可以通过液滴粒径、zeta-电位、水解度和表面疏水性进行表征，在乳状液破乳过程中，粒径变大、电位绝对值变小，表明蛋白质功能性质发生变化，乳液失稳油滴释放。所有破乳方法旨在提高乳状液破乳率、增加游离油提取率，为水酶法提取植物油的实际生产提供参考依据。但是使用单一方法可能存在缺陷，如加热破乳可能使油脂品质下降；冷冻-解冻虽然油脂品质好，但耗能较大、设备成本较高；酶法破乳，破乳率较其他方法高，无杂质和污染，在合适的工艺条件下，酶可以回收重复利用，得到高品质的油脂和蛋白质。对于不同类型的乳状液，蛋白质的种类、作用不完全相同，具体的机制尚未阐明。若要达到的良好的破乳效果，必须对乳状液中蛋白质的作用进行深入的研究。