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酶技术在油脂加工业中的应用

发布日期:2018-10-25 作者: 点击:

酶技术在油脂加工业中的应用


王瑛瑶1,栾 霞1,魏翠平1,2,刘倩茹1,2

(1国家粮食局 科学研究院,北京 100037; 2郑州轻工业学院 食品工程系,郑州 450002)


摘要:酶工程技术作为环境友好型加工技术,在油脂加工方面越来越受到重视。就“酶技术”在油脂加工业中的主要应用——水酶法制油技术、酶法脱胶技术、功能油脂酶改性技术的原理与研究现状进行简要概述,并就酶技术在油脂加工领域的发展进行展望。

关键词:油脂加工;酶技术;水酶法制油;酶法脱胶;油脂酶改性

中图分类号:TS224;Q55   文献标志码:A   文章编号:1003-7969(2010)07-0008-04


Application of enzyme technology in oil processing industry

WANG Yingyao1, LUAN Xia1, WEI Cuiping1,2, LIU Qianru1,2

(1Academy of State Administration of Grain, Beijing 100037,China; 2Food Engineering

Department,Zhengzhou Institute of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)



Abstract:Enzyme engineering technology as the environment-friendly processing technology has been paid more and more attention in the world. The principle and the research status of aqueous enzymatic extraction technology, enzyme-degumming and enzyme-catalyzed modification to produce functional lipids, which were applied in the oil processing industry,were summarized.In addition,the prospects of the enzyme technology in oil processing were performed.

Key words:oil processing;enzyme technology;aqueous enzymatic extraction technology;enzyme-degumming;lipids modification by enzyme

    用生物技术手段取代传统的加工方式,是实现资源利用生态化和可持续发展的一个重要趋势[1]。自从1878年提出了“酶”这个名称后,随着人们对酶学理论研究的不断深入,酶技术在食品、医药、饲料、化工等领域的应用越来越广泛。

    2007/2008年度全球油料总产量为3.834亿t,是一个庞大的产业。基于消费者对营养健康的追求和社会对保护生态环境的需要,油脂产品的开发重点已由单一油脂扩展到蛋白、类脂物及其重要衍生物方面。相应地,在加工技术上也朝着有利于油料内容物分离提取,有效成分不受破坏或变化的方向不断革新。由于酶具有催化效率高、作用专一的特性,其在食用油脂加工中的应用可减少对健康不利的化学品的使用,提高产品深加工程度,提高产品质量和得率,提高油脂的营养价值,同时又能简化生产工艺,节约设备投资,更可减少副产品和废水的产生,有利于环境保护。

    本文就油脂加工中应用酶技术的三大主要方面研究概况与发展进行简要概述。

1 酶法制油技术

1.1 酶法制油工艺原理

    植物细胞壁由纤维素、半纤维素、木质素和果胶组成,油脂存在于油料籽粒细胞中,并通常与其他大分子(蛋白质和碳水化合物)结合,构成脂多糖和脂蛋白等复合体,只有将油料组织的细胞结构和油脂复合体破坏,才能提出里面的油脂。酶法制油技术是在机械破碎的基础上,采用对油料组织以及对脂多糖、脂蛋白等复合体有降解作用的酶(如纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、果胶酶、淀粉酶、葡聚糖酶等)处理油料,通过酶对细胞结构的进一步破坏,以及酶对脂蛋白、脂多糖的分解作用,增加油料组织中油的流动性,从而使油游离出来。

    综合国内外的文献报道,在不使用任何有机溶剂的前提下,根据酶解环境、酶解制油工艺分为水相酶解工艺、低水分酶解工艺。采用何种工艺与油料的种类及性质有关。但上述方法均避免了传统方法中油料的高温处理, 作用条件温和,体系中的降解产物一般不会与提取物发生反应,可以有效地保护油脂、蛋白质等可利用成分的品质。在得到油的同时能有效回收原料中的蛋白质(或其水解产物)及碳水化合物;操作温度低,能耗低;所得油的质量明显优于传统方法,油中最大限度地保留了油料中的天然抗氧化成分、磷脂含量低、色泽浅、酸值及过氧化值低;废水中BOD与COD值低,易于处理、污染少,符合“安全、高效、绿色”的要求[2-4]。

1.2 酶法制油工艺中主要使用的酶种类

    可供酶法制油工艺中使用的酶很多,如降解、软化细胞壁的纤维素酶(CE)、半纤维素酶(HC)和果胶酶(PE)以及蛋白酶(PR)、α-淀粉酶(α-AM)、α-聚半乳糖醛酶(α-PG)、β-葡聚糖酶(β-GL)等,对它们的作用机理及其应用研究已日趋成熟。各种酶在提高出油率与产品质量中具体发挥的作用有:①利用复合纤维素酶,可以降解植物细胞壁的纤维素骨架、崩溃细胞壁,使油脂容易游离出来。尤其适合于纤维、半纤维质含量较高的油料细胞,如卡诺拉油菜籽、玉米胚芽等多种带皮、壳油料。②利用蛋白酶等对蛋白质的水解作用,对细胞中的脂蛋白,或者由于在磨浆制油工艺(如椰子和油橄榄浆汁制油)过程中,磷脂与蛋白质结合形成的、包络于油滴外的一层蛋白膜进行破坏,使油脂被释放出来,因而容易被分离。③利用α-AM、PE、β-GL等对淀粉、脂多糖、果胶质的水解与分离作用,不仅有利于提取油脂,而且由于其温和的作用条件(常温、无化学反应),降解产物不与提取物发生反应。

1.3 酶法制油技术研究现状

    正己烷是目前用于提取植物油的主要溶剂。但是,美国已将正己烷列为189种毒性化学品之一,是有害的空气污染物质(HAP)。2004年,美国环保署制定溶剂排放率标准草案,提议取缔浸出油厂排放正己烷,以减少空气污染。在欧盟已依照挥发性有机物排放量对浸出油厂予以规制,新增油厂已从2001年4月起予以取缔排放正己烷,对于以往的油厂则从2007年10月起予以取缔。历经辉煌的油脂浸出技术也正因此受到严峻的挑战。

    基于酶法制油技术在“经济、环境、安全和卫生”等方面的优势,在世界上被尊为“绿色化学”。自1990年开始,国外一直将其作为一种油脂加工业潜在的替代升级技术进行重点研究。目前,印度[5]、法国等国支持本国研究机构开展油料酶法制取技术,欧盟投入巨资立项攻克十字花科油料作物的酶法制油技术,美国农业部从2004年开始连续立项研究玉米胚芽、大豆[6]等国内优势资源的酶法制油技术。在实验室范围及工业实验中,用酶法处理橄榄、鳄梨、椰子以提高出油率,已取得良好效果,它缩短了制油时间并提高了设备的处理能力。我国从“十一五”开始注重传统产业升级技术的创新研究,目前在玉米胚芽、花生[7]、葵花籽等资源上已有较大突破。结合油料特定预处理工艺,我国也开展了膨化预处理-水酶法提油技术在大豆加工中的应用[8]。我国作为油脂加工与消费主要大国,油料资源丰富,尤其对于价值高、微量营养物质含量高的特种油料,诸如油茶籽等,水酶法是一种很有应用推广价值的综合利用技术。

2 酶法脱胶技术

2.1 酶法脱胶原理

    植物油的脱胶传统上主要采用物理法和化学法,需要使用大量的水以及酸、碱等化学物质;而酶法脱胶是一个新的、经济环保的替代方法。酶法脱胶是利用磷脂酶将毛油中的非水合磷脂水解掉一个脂肪酸,生成溶血性磷脂,溶血性磷脂具有良好的亲水性,可以方便地利用水化的方法除去。酶法脱胶可使得脱胶过程中化学品的使用量大大降低,并且在含水量很低的条件下也可高效率地进行。

2.2 适于酶法脱胶的酶

    丹麦Novozymes 公司及德国ABF公司是植物油脱胶用酶的主要供应商,可用于脱胶的酶如表1 所示。

表1 目前可商业化供应的脱胶磷脂酶

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 注:表中部分信息由厂家说明书提供。

    表1中猪胰脏来源的磷脂酶Lecitase 10L 已不用于植物油脱胶,而被更具优势的微生物磷脂酶Lecitase Novo 、Lecitase Ultra 和Rohalase MPL所代替。一般酶法脱胶工序中酶用量为每吨油30 g。Lecitase Novo与Lecitase Ultra相比,Lecitase Ultra在多数情况下具有更好的热稳定性和脱胶效果。利用Lecitase Ultra 脱胶, 在良好的控制条件下脱胶油含磷量可以达到5 mg/kg左右,经后续的吸附脱色,脱胶油含磷量可降低至2 mg/kg以下,完全满足物理精炼的要求[9]。Rohalase MPL脱胶后经离心处理脱胶油含磷量可降至10 mg/kg以下。

2.3 酶法脱胶技术应用现状

    酶法脱胶可广泛应用于各种植物油,如菜籽油大豆油、葵花籽油等。与传统的脱胶方法相比,酶法脱胶优势明显,较传统方法成品油得率可提高1%以上,经济效益明显提高;节省了酸碱化学品的消耗,生产过程中产生的废水降低了70%~90%,从而显著节省了环保处理的费用[10]。

    最早将酶法脱胶用于工业生产的是德国Lurgi 公司,称为“EnzyMax process”。 该方法经过十多年的发展,已在脱胶用酶和控制方法等关键技术上实现突破,使该技术具有很强的推广价值。目前,酶法脱胶技术已引起世界各国油脂工业界的重视,在德国有几家工厂采用酶法脱胶工艺,印度有7 家中型工厂采用了酶法脱胶工艺,埃及也有2条生产线正在进行酶法脱胶工艺的改造,我国某大型油脂企业也有400 t/d的生产线在采用酶法脱胶工艺生产,另有若干家工厂在进行酶法脱胶工艺的试验,准备进行工程改造[11]。

3 酶催化制备各种功能性结构脂质

3.1 结构脂质(structured lipids,SLs)的特点

    脂质的营养及功能特性归根结底涉及到其本身所含脂肪酸的种类、数量(包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸)及这些脂肪酸在甘油基上的位置分布,即甘三酯的结构,同时也涉及到与油脂相伴随的类脂物的种类与含量。

    基于脂质代谢学、营养学、现代医学研究成果基础上设计出的结构脂质,通过改变三酰甘油骨架上脂肪酸组成及位置分布,最大程度地降低了脂肪本身潜在的或者不合理摄入带来的危害,最大程度地发挥了脂肪的有益作用。严格意义上讲,结构脂质是经化学或酶法改变甘油骨架上脂肪酸组成和(或)位置分布、具特定分子结构的三酰基甘油,即特定的脂肪酸残基位于特定的位置。通常所说的结构脂质是指将短碳链脂肪酸、中碳链脂肪酸中的一种或两种,与长碳链脂肪酸一起与甘油结合,所形成的新型脂质。SLs因本身仍系甘油三酯结构,其物理特性与常规的天然脂质没有大的区别,能保持天然脂质在食品加工中的起酥性和口感。但结构脂质经过脂肪酸组成与位置上的变化,除具有天然油脂的特性外,还具有特殊的营养价值与生理功能。

3.2 生物催化制备中酶使用现状

    酶催化合成结构脂质的优势在于:反应条件温和,利于保护营养成分不被破坏,而且节省能源;由于酶专一性强,副反应少,产品容易回收。此外,酶法还可以生产出传统育种的植物及基因工程所不能得到的新产品。由于脂肪酶具有精巧的位置特异性、化学基团专一性、脂肪酸链长专一性、立体结构专一性,因此可根据需要对期望的产品实现精确的控制,将特殊的脂肪酸结合到甘三酯中期望的位置,以满足消费者在医疗和营养保健方面的需要。目前,可用于催化合成的酶主要为具有Sn-1,3位特异性的脂肪酶(EC 3.1.1.3),以Novozymes 公司、日本Amony公司等为代表。

3.3 结构脂质酶法催化合成种类与应用现状

    结构脂质在不同领域的应用主要分为如下几个方面[12]:

3.3.1 特种油脂 生产巧克力的主要原料可可脂来源十分有限。日本不二制油公司与英国联合利华公司在固定化脂肪酶催化下,以棕榈油与硬脂酸为原料,合成物理性质与化学组成与可可脂相近、性能优异的类可可脂以弥补天然可可脂产量有限的不足,这类产品的价格仅为天然可可脂的1/3。丹麦国内以酶法酯交换大规模生产零反式脂肪酸人造黄油,避免了氢化及化学酯交换工艺中反式脂肪酸的产生。

3.3.2 控制肥胖症和降低血清胆固醇的有效类脂物 低能量油脂(燃烧热只有传统油脂的40%~90%)是结构脂质中重要的一类产品。这类油脂不贮存脂肪而只提供能量,代替部分常规脂肪可以达到减肥的目的,还能显著地降低血清胆固醇含量。日本、美国已经有这类产品销售。

3.3.3 快速供能油脂 这类油脂主要是同时含有中碳链和长碳链脂肪酸的油脂,其消化吸收、分解代谢和脂肪积累形态等与普通油脂迥异,但又具有普通油脂的物化性能与加工性能。产品中中碳链脂肪酸位于甘油骨架1,3位将真正有利于其优势的发挥。目前,作者所在课题组在反应器设计、反应参数优化控制及酶重复使用控制技术等与实际规模化生产应用相结合方面做了大量的研究,已开展了实验室中试研究,效果良好、经济效益显著。

3.3.4 婴幼儿母乳脂替代品 脂肪是母乳中主要的能量来源,母乳脂最大的特点是60%~70%的棕榈酸位于甘三酯的2位,棕榈酸在甘油基上的位置将极大地影响婴幼儿对矿物质与脂肪的吸收利用。目前酶法合成的婴幼儿母乳脂代替品Betapol已经面世。

3.3.5 补充并强化长链不饱和脂肪酸(PUFA)的吸收 PUFA处于甘油骨架的2位有利于PUFA以2-单甘酯的形式被有效吸收,这是一类在医药、临床、营养和健康食品中越来越受到重视的结构脂质。

3.3.6 新型脂质衍生物 主要是磷脂的生物酶技术改性产品以及一些维生素酯类等。目前,含高不饱和脂肪酸的卵磷脂因具有细胞分化诱导作用,在医药领域已引起极大关注[13]。

4 结束语

    油料作为可再生资源,在其加工利用方式上,“绿色化学”即环境友好型加工利用方式将是未来发展不变的趋势与人类科技突破的归宿。随着生物工程、基因工程和固定化酶技术的不断进步,酶源不足、酶使用成本高、稳定性差和易失活等问题将逐步得到解决,酶技术在油脂加工业中有着广阔的应用前景,是未来油脂工业新科技的发展方向之一。

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