（化学工艺专业论文）生物法耦合膜技术提取茶籽油的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 茶籽油是从山茶属油茶树种籽中提取的木本植物油。茶籽油的理化性质与橄 榄油极为相似，而且营养比例优于橄榄油，是优质食用调和油，可作为化妆品用 植物油和医药上的注射用油。茶籽油具有巨大的市场价值，但国内面临茶籽油的 质量和产量跟不上世界需求的问题。 本课题采用生物法和膜技术，从茶籽中生产茶籽油。 生物法制油技术是利用酶技术破除油料细胞中油脂与其他物质的联系，使油 脂游离出来。传统制油所用机械压榨法得率不高，且原料需要蒸炒或烘烤热处理， 蛋白质等营养成分将变性；而溶剂浸提法制取茶籽油，则有脱溶能耗高，油脂中 溶剂残留的问题。生物法制取茶籽油技术避免了两者的缺点。实验对茶籽的预处 理方法、酶的使用种类和条件、破乳方法进行了研究。 分析生物法提取茶籽油工艺特点，可利用膜技术取代传统脱胶、脱酸工艺， 脱除油脂中磷脂、游离脂肪酸、皂化物等非甘油三酯的杂质，缩短了精炼工艺路 线，且不产生碱炼废水。本课题根据油脂的理化性质，来确定合适的膜材料。通 过测定膜的通量，及其对磷脂含量、酸价的改变来选择合适的膜孔径。 实验确定使用万能粉碎机将茶籽仁粉碎至2 0 目以下，使用碱性蛋白酶，酶解 条件为：酶用量为0 5 ，p h 为1 0 0 ，固液比为1 ：6 ，反应温度为5 0 ，第一次酶 解时间6 h ，第二次酶解时间3 h 。配合破乳，茶籽油的提取率为8 9 1 7 。经检测毛 油中：磷脂含量2 3 7 9 p p m 、酸价1 0 3 m g k o h g 。 膜技术确定采用1 0 0 0 0 d a l 截留分子量的无机陶瓷膜，进口压力2 0 m p a ，出口 压力1 0 m p a ，流量6 5 l m i n ，温度9 0 - - - , 9 5 。膜处理后的油脂中：磷脂含量1 5 3 p p m 、 酸价o 3 9 m g k o h g 。 由此，本研究采用生物法耦合膜技术制取茶籽油是可行的，所得产品品质超过 国家一级压榨成品茶籽油标准。但油脂的提取率还有待提高。 关键词：茶籽油，生物法，膜技术。脱胶，脱酸 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a m e l l i ao i li so n eo ft h ew o o d yo i l ，m i l l e df r o mt e ap l a n ts e e d i th a ss i m i l a r p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i cw i t ho l i v eo i l ，a p p l y i n gt oc o o k i n go i l ，m e d i c a lo i l a n dc o s m e t i co i l t h ev e n d i b i l i t yo fc a m e l l i ao i li sv e r yi m m e n s e b u tt h eq u a l i t ya n d t u r n o u to fc a m e l l i ao i lm a d ei nc h i n ac a n tm e e tw o r l dd e m a n d t h i sr e s e a r c hs t u d i e dp r o d u c i n gc a m e l l i ao i lf r o mt e ap l a n ts e e db yb i o l o g i c a lm e t h o d a n dm e m b r a n et e c h n o l o g y t h ep r i n c i p l eo fp r o d u e i n gc a m e l l i ao i lb yb i o l o g i c a le n z y m em e t h o di st h a tt h e e n z y m ec a nu n d e r m i n et h ek e yl i n kb e t w e e nf a ta n do t h e re e l lc o m p o n e n t si nt h et e a p l a n ts e e d b e f o r em i l l i n gc a m e l l i ao i l t h et e ap l a n ts e e dn e e dt ob er o a s t e d a n dt h e p r o t e i nw o u l db ed e n a t u r a l i z a t i o n e x c e p tt h a t t h ey i e l do fo i lm i l li sl o w b u tp r o d u c t c a m e l l i ao i lb ys o l v e n te x t r a c t i o n t h ed e s o l v e n t i z ei sn e c e s s a r y i tw o u l dc o n s u m e l l i g l le n e r g y a n dt h es o l v e n tr e s i d u e si no i li su n a c c e p t a b l e t h es h o r t c o m i n g so f p r o d u c i n gc a m e l l i ao i lb yo i lm i l lo rb ys o l v e n te x t r a c t i o nd on o te x i s ti nb i o l o g i c a l m e t h o d t h i sr e s e a r c hs t u d i e dt h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d sb e f o r eh y d r o l y s i s ，t h et y p eo f e n z y m ew es h o u l du s ea n dh o w t ou s et h e m a tl a s t t h ed e m u l s i f i c a t i o nm e t h o d 功er e a s o nt h a tw ec h o o s em e m b r a n et e c h n o l o g yt or e p l a c ed e g u m m i n ga n da l k a l i d e a c i d f i c a t i o nu s e di nt r a d i t i o n a lr e f i n i n gm e t h o d si sd e p e n d e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eb i o l o g i c a lm e t h o d m e m b r a n et e c h n o l o g yi su s e dt os e p a r a t em a t e d a lt h a ta r en o t t r i g l y c e r i d ef r o mc r u d eo i l ，s u c ha sp h o s p h o l i p i d s 、f r e ef a t t ya c i d sa n ds o o n m e m b r a n et e c h n o l o g yh a v en oa l k a l id e a c i d f i c a t i o nw a s t e w a t e r a n dt h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec r u d ec a m e l l i ao i li st h ef a c t o rw es h o u l dc o n s i d e rw h e n w ec h o o s et h em a t e r i a lo fm e m b r a n e t h e rt h em e m b r a n ei sa p p r o p r i a t ei sd e p e n d e d o ni t sp e r f o r m a n c e ：t h ef l u x t h ec o n t e n to fp h o s p h a t i d ea n dt h ea c i dv a l u eo fc a m e l l i a o i l b e s tc o n d i t i o n so fb i o l o g i c a le n z y m et e c h n o l o g y ：t e ap l a n ts e e dm i l l e du n d e r 2 0 e y e s ；a l k a l i n ep r o t e a s e ；d o s a g eo fe n z y m ew a s0 5 、p hw a s1 0 0 t e m p e r a t u r ew a s 5 0 ，r e a c t i o nt i m ew a s6 h ( t h ej c i r s da n d3 h ( t h es e c o n d ) a f t e rd e m u l s i f i c a t i o n ，t h e e x t r a c t i o nr a t eo fc r u d ec a m e l l i ao i lw a s8 9 17 1 1 1 ec o n t e n to fp h o s p h a t i d ew a s 2 3 7 9 p p m t h ea c i dv a l u ew a s1 0 3 m g k o h g b e s tc o n d i t i o n so fm e m b r a n e t e c h n o l o g y ： c e r a m i cm e m b r a n e ( 10 ，0 0 0 d a l ) ， o p e r a t i o n a lp r e s s u r ew a s0 3 m p a ( i n p u t ) 0 2 m p a ( o u t p u t ) ，o p e r a t i o n a lt e m p e r a t u r ew a s 9 0 - 9 5 t h ec a m e l l i ao i lw eg o ta f t e rr e f i n e d ：t h ec o n t e n to fp h o s p h a t i d ew a s 1 5 3 p p m t h ea c i dv a l u ew a s0 3 9 m g k o h g f r o ma b o v e ，c a m e l l i ao i lc a nb ep r o d u c e db yb i o l o g i c a lm e t h o da n dm e m b r a n e t e c h n o l o g y a n dt h eq u a l i t i e so ft h ec a m e l l i ao i lg e tb yt h i sw a ya r eb e r e rt h a nt l l en a t i o nf i r s t g r a d em i l l i n gc a m e l l i ao i l t h ee x t r a c t i o nr a t eo ft h ec r u d ec a m e l l i ao i ln e e dt ob e r a i s e d k e y w o r d s ：c a m e l l i ao i l ，b i o l o g i c a lt e c h n o l o g y , m e m b r a n et e c h n o l o g y , d e g u m m i n g , d e a c i d i f i c a t i o n h 溯班? 案大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 篓荻 日期：刀岵年r 学位论文版权使用授权书 月司日 l 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：巷刍静 日期沙僻广月二7 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 茶籽油性质及应用概述 油茶树为我国特有的木本油料树种，与油棕、油橄榄和椰子并称为世界4 大 木本油料树种，主要有普通油茶( c o l i e f e r a ) ，滇山茶( c r e t i c u l a t a ) ，浙江红花油 茶( c c h e k a n g o l e o s a ) ，枚县油茶( c y u h s i e n s i s ) 、小果油茶( c m e i o c a r p a ) ，越南 油茶( c v i e t n a m e n s i s ) 和日本红山茶( c j a p o n i c a ) 等1 0 多个品种i l j 。目前，我国 共有油茶林资源大约5 5 0 0 万亩，其中江西、湖南、广西等南方省( 区) 面积较大。 越南、缅甸、泰国、马来西亚和日本等有少量栽培【2 】。 从山茶属油茶树种籽中提取的木本植物油即为茶籽油，简称茶油。早在4 0 0 年 前，本草纲目上就有记载：“茶有种生、野生。种者用籽，其籽大如顶指，面圆 色黑。其仁入口初甘后苦，最戟入喉。而闽人以榨油食用，【3 1 。而近年来随着对茶 籽油的研究日渐深入，已发现其具有极高的营养价值和药用价值，在食品、保健、 医疗、化工等行业正得到越来越广泛的开发和利用。 1 1 1 茶籽油在食品及保健品中的应用 茶籽油属于天然绿色食品。茶籽油的物理、化学特性与橄榄油极为相似，属 不干性油，色清味香。其理化指标见表l ： 表1 茶籽油与橄榄油理化指标对比f 4 5 】 由表l 可知，茶籽油的脂肪酸组成以油酸为主，其油酸和亚油酸总量高达9 0 湖北工业大学硕士学位论文 以上，油酸及亚油酸因人体不能合成而被认为是人体必需脂肪酸。营养学家指出， 食用油中饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸含量、多不饱和脂肪酸的作用和功能是不 同，只有三者含量的比例合理，才有利于人体健康。油酸作为单不饱和脂肪酸， 现已证明其耐热性和抗氧化性比含有2 个以上不饱和键的多不饱和脂肪酸高，且 有更优的生理活性，被认为是一类有利健康的脂肪酸 6 1 。而多不饱和脂肪酸对热( 高 温) 和氧化较差的稳定性可能导致负面的影响。有不少研究报告指出，动物体内 多不饱和脂肪酸极易受自由基攻击，产生过氧化反应生成有害物质。这些过氧化 物囤积体内过量，不仅会降低生物体机能，还可能引起癌症和造成动脉硬化【7 3 】。 因此，摄取过多的多不饱和脂肪酸是不适宜的。此外油酸作为单不饱和脂肪酸， 具有降低低密度脂蛋白( l d l ) 胆固醇的效果，且同时不会降低高密度脂蛋白 ( h d l ) 胆固醇。而多价不饱和脂肪酸在降低l d l 胆固醇的同时也降低了h d l 胆 固醇，饱和脂肪酸则同时增加血液中h d l 和l d l 的含量。众所周知，h d l 对心 血管有保护作用，l d l 氧化变性是动脉硬化的初期病变，l d l 在血中水平越高， 冠心病的危险越大。 此外相较橄榄油，茶籽油中维生素e 的含量更高，茶油不皂化物含量更少。 且茶籽油中不含芥酸、山愈酸等难以消化吸收的组分，不含黄曲霉毒素( 致癌性 很强) 【9 】。美国卫生研究院营养合作委员会主席西莫奥普勒斯博士誉茶油为“世界 上最好的食用油”o o 。 1 1 2 茶籽油在保健医疗中的应用 茶籽油在保健及医药上的用途日见广泛。邓小莲【l l 】等利用药食兼用的中草药 将毛茶油精炼成保健茶油。不仅使茶油原有的优良品质得以充分发挥，而且使其 医疗保健功能更加显著。据报道【1 2 】，茶籽油精制后在医药上可用作注射用油，主 要有两种应用途径：一是作为不能经口进食和超高代谢的危专病人的静脉输注用 油；二是作为药物的溶媒。 1 1 3 茶籽油在化妆品中的应用 茶籽油同橄榄油、杏仁油一样，是化妆品用植物油之一【1 3 】。茶籽油的成分与 人体的皮脂成分很相似，与皮肤的亲和性好，有较好的渗透性，且吸收波长短的 紫外线的性能好，另外，茶籽油中有一定量的皂苷和多种维生素，具有杀菌解毒 的作用，因此茶籽油可以用作化妆品基质油，促使皮肤柔嫩而富有弹性，并可防 治疥疮等【1 4 】。用茶籽油制备的护发品，具有滋润养发的功效、杀菌止痒的作用。 茶籽油在日本除了食用外，主要用途是作为化妆品用油如头发油、防晒油和润肤 2 湖北工业大学硕士学位论文 油等。但国内的化妆品行业中茶籽油还未得到广泛使用。 1 1 4 茶籽油在化工行业中的应用 在化工、轻工行业，茶油可作为生产助剂和表面活性剂的原料，江西永友化 工有限公司以茶籽油为原料，经水解、真空提纯、氨化和分子蒸馏提纯等主要工 艺制得油酸酰胺1 5 】。此外，茶籽油可作制造发油及皂类的原料。陈小毅等用茶籽 油来合成茶油酸甲酯和茶油酸- - 7 , 醇酰胺【1 6 1 。 1 2 我国的茶籽油加工面临的问题 由上文介绍可知，茶籽油的利用范围极其广泛：可做食用油、保健油、医用 油及化妆品添加。目前我国生产的茶籽油大量出口欧美日等发达国家，市场价值 十分巨大。但我国的茶籽油生产面临一个问题：产量不足与国际市场需求量巨大 之间的矛盾。其因有两个方面：一是油茶籽产量不高，使得油茶加工企业原料短 缺，难以形成大规模的产业化开发；二是茶籽油加工水平不高，质量差、收率低， 目前我国油茶栽培面积为5 5 0 0 万亩，年产茶油约2 0 万吨，平均亩产茶油不到5 公斤，只与上世纪中叶世界橄榄油的产量相差无几，半个世纪过去了，现今世界 橄榄油的产量已达到3 6 0 万吨。 在我国现有的油茶林中，绝大多数还是低产林，其品种混杂老化，单位面积 产量低，且经营管理粗放，大多仍停留在“人种天养”或“天种天养”的状态。要大幅 度提高油茶籽产量，增加种植面积来得最直接，但受到大量增加林业用地的局限， 大幅度提高单位面积产量才是真正的出路所在。但推广优良无性系油茶种植，或 实施油茶低产林改造工程，均需要大额投资。据测算，建设1 亩高标准的油茶林 投资需1 2 0 0 多元，采用高冠换枝方式进行低改，每亩也需投入8 0 0 多元，油茶林 从投入到初产，最少也要四年，这四年中不但没有收入，还要不断投入管理费用。 这必然需要国家的支持，所得回报也需要一段时日才看得到。 目前茶树主要分布在我国的湖南、江西、贵州、广西等丘陵、山区的贫穷地， 该地区交通不发达，科技力量薄弱。茶油加工主要是农户小作坊形式，技术落后， 以9 5 型榨油机压榨为主，采用一次压榨，产量低，通常为1 叫天，但一般只生产 2 3 t ( 国内最大的茶油加工厂产量也只有5 0 f f 天) ，而且断断续续生产，产出的茶 籽油品质不高，生产副产品茶枯饼粕中还残存较多的油脂。据分析，一般土榨枯 饼中油脂含量为3 8 ，高的达1 2 - - 1 4 。大部分茶枯饼粕没有进行复榨，农 户们用饼粕喂牲畜，使部分茶油损失。而茶枯饼粕中含有的天然茶皂素、茶黄酮、 3 湖北工业大学硕士学位论文 茶多糖等有益物质，也没有被提取，丧失了油茶加工的综合效益。另外，茶籽油 生产季节性强，年生产时间短，且生产时多为雨季，原料不易收藏，易发霉变质， 从而导致生产的成品茶籽油质量不稳定【1 7 】。 综上所述，从技术手段入手，提高茶籽中提取油脂的收率，及油脂的品质， 并尽量回收茶籽中的多种高附加值产物，是目前解决茶籽油行业供需矛盾最快也 是最行之有效的办法。 1 3 本课题的研究目的及意义 本课题的目的在于寻求一种新方法，尽量提高茶籽油的提取率，并保证提取 过程中茶籽油的绿色无污染；同时维持整个工艺环节低能耗，茶籽中高附加值营 养成分活性无损失，为后续做到零排放、高回报做好准备。 从技术上提高茶籽油产品的收率和质量，在于提高茶籽油进入市场的能力。 目前，世界人均年消费食用植物油约2 0 始，发达国家为4 0 , - 一5 0 k g ，我国为8 9 k g ， 在发展中国家也只是中低水平，全国油脂市场潜力十分巨大。而其中大宗油料己 趋于饱和，像茶籽油、橄榄油等高档营养油比较紧缺，还未能形成大规模工业化 生产。这造成茶籽油价格贵，出口到台湾等地区价格达到每5 0 0 9 十几元1 1 7 j 。据外 贸部门统计，国外对保健茶籽油和可作化工产品原料的茶皂素等需求很大，出口 前景广阔。这促使我们尽量提高茶籽油的提取率，谋求更大的经济效益。另一方 面，作为保健油、药用油，欧洲各国对茶籽油的品质要求及其严格，目前溶剂法 生产的茶籽油，因其溶剂残留，很难获得欧美市场的认可。因此本课题如能完成 提高茶籽油提取率、提升茶籽油品质的目标，将打开茶籽油广阔的市场，创造巨 大的经济价值，同时茶籽油的产量增加势必降低茶籽油的价格，丰富市民健康保 健用油的选择范围。 1 4 本课题主要研究内容： 本课题侧重于生物技术制取茶籽油及膜技术精制毛茶油的研究，包括以下两 方面： 1 ) 茶籽油的生物法提取技术研究： 此处所用生物技术是利用水相酶解处理茶籽仁提取茶籽油，具体研究 内容包括两个部分：合适预处理方式的确立：适用酶及酶解条件的确定。 茶籽在酶解前的预处理对茶籽油的收率有很大的影响。采用合适的碾 磨方式，达到适宜酶促反应所需的破碎度，油料颗粒大小直接影响底物与 4 湖北工业大学硕士学位论文 酶的接触面积，进而影响产物的生成；酶解前热处理可使茶籽细胞内的脂 肪酶、过氧化物酶失活，同时使细胞壁疏松，增加渗透性和便于酶的作用， 使油更容易释放出来【埽】。 酶的种类、搭配及使用条件是影响茶籽油提取的最重要因素。酶解的 因素很多，如温度、p h 值、酶浓度、底物浓度、颗粒度大小、酶解作用时 间等【1 9 1 。一般而言，酶解反应温度升高，酶反应速度增大，但酶本身很易 因过热而失去活性。温度除影响反应速率外，还可改变酶解液的物理性质。 如降低反应液的粘性，加速底物和产物的传质速率，间接影响产物得率。 p h 的变化影响酶活，从而影响产物的生成。酶浓度对提油效率的影响也很 显著1 2 0 1 。一般酶浓度增加，会使油的得率和油的分离速率增大，但往往存 在一个较为适宜的酶浓度值。当酶的添加量达到一定的浓度后，继续提高 浓度对油的提取率影响不大【2 1 1 。适宜的酶解时间应从油料细胞有较大程度 的降解及提取油、蛋白质的效果，经济成本等诸多因素而定f 勿。 参考国内外文献关于水酶法的研究，我们的目标是提高提油率，降低 提油相对时间，得到高品质的茶籽油，并尽量保证茶籽中其他高附加值物 质不流失，同时使溶剂水回用。我们需要选择出合适的酶及酶的最佳作用 条件，为下一步的研究奠定基础【2 3 1 。 2 ) 茶籽油毛油的精炼技术研究 目前茶籽油的精炼技术是建立在传统油脂提取技术基础上的。考虑到 水酶法制取茶籽油工艺有其独有的技术特征，生产出的毛油所含的杂质相 对压榨法或溶剂浸提法是不同的，因此可尝试采用不同与传统的精炼方 法。 为得到高级烹调油、化妆品和医药用油，主流的毛油精炼采用的技术 包括离心除杂、脱胶、脱酸、脱臭及分提，分别用于除去固体杂质、磷脂 等胶体、游离脂肪酸、臭味组分，并提高产品中的油酸等不饱和脂肪酸含 量、减少饱和脂肪酸特别是硬脂肪酸含量、除去油脂里的蜡质等不良物质。 近年来，在传统精炼工艺中引入先进技术的研究层出不穷，如脱胶及脱酸 工段就有研究者尝试使用过膜技术、酶技术、超临界技术等。结合水酶法 生产茶籽油的特点，本课题尝试将膜技术引入其毛油的脱胶及脱胶工段， 并尽可能简化脱胶及脱酸的工艺流程。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章茶籽油的水酶法制取 2 1 我国茶籽油现行生产工艺分析 我国的茶籽油生产加工目前还停留在传统的机械压榨法及溶剂浸提法： 2 1 1 机械压榨法制取茶籽油 凡利用机械外力的挤压作用，将油料中油脂提取出来的方法称为机械压榨法 提油。它有多种形式，如水压机械、螺旋挤压机械以及离心式挤压分离机提油等冽。 制油过程一般如下： 油料一预处理( 清理、脱皮剥壳) 一制坯( 轧坯、调质、蒸炒、膨化成型) 斗压 榨( 一次或两次) 或预榨一毛油和饼 机械压榨法的优势在于工艺简单灵活、适应性强、成本较低、投资较省，压 榨油无溶剂残留，但其出油率不高，资料显示收率大约为8 0 ，而且因油茶籽仁 中还原糖、总糖、淀粉含量较高，用压榨法制油时，易发生美拉德反应会使油脂 的颜色加深，从而加大脱色过程中活性白土的用量。另外，由于机械压榨法的原 料需要蒸炒或烘烤热处理，蛋白质等将变性，提油后饼粕的综合利用价值下降。 而且渣中残油率高，仍需经溶剂脱脂。 2 1 2 溶剂浸出法制取茶籽油 凡利用某些有机溶剂( 如正己烷、无水酒精) 溶解油脂的特性，将料坯或预 榨饼中的油脂提取出来的方法，称为溶剂浸出法 2 4 1 。基本工艺有预榨浸出、直接 浸出与两次浸出三种方式。溶剂浸出法制油工艺典型过程如下： 油料一制坯( 或制坯预榨) 一溶剂浸出一混合油分离一毛油精炼 l 一粕脱溶一成品粕 溶剂浸出法的优点是出油效率高( 生产上收率能达到9 0 左右) 、干粕残油率 低( 1 左右) ，生产工艺过程能实现高度连续化、自动化控制，劳动强度低、生 产率高。但溶剂浸出后需要脱溶过程，设备多、投资大、污染重。另外油及残渣 中总会残留微量的溶剂。 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 生物法提取茶籽油工艺分析 在大多数油料种子子叶细胞中，存在着不连续蛋白质体和油脂体细胞器，油 脂体处于由蛋白质构成细胞质膜包围中，蛋白质体之间充满油脂体和细胞质膜。 也就是说脂质体在油籽细胞中是以球状脂类体形式存在的，包括“脂蛋白”、“脂 多糖”等。细胞壁是由纤维素、半纤维素和或木质素、胶质所组成。从理论上分 析，利用能降解植物油籽细胞壁和脂类复合物的酶制剂，在油籽被机械破坏的基 础上，在一定条件下，使之与料坯接触，可进一步将细胞壁打开，使油脂从复合 体中被释放出来，从而在温和条件下提高油脂的提取率【2 5 1 。本课题拟采用的水酶 法就是这样一种生物法提油工艺。 2 2 1 水酶法提取植物油技术的发展 水酶法提油技术与生物工程技术的发展密切相关。早在2 0 世纪5 0 年代就有 人提出应用酶制剂处理油料以提高制油工艺的效率，并开展了这方面的研究与实 践。进入2 0 世纪8 0 年代后期，许多新酶种投入了工业化生产，酶的生产成本不 断下降，为应用酶提取植物油的研究打下了坚实的基础。此后，国内外许多学者 在此领域开展了广泛的研究和探索，并持续至今f 2 6 】。 众多学者对纤维素酶、半纤维素酶、葡聚糖酶、果胶酶、聚半乳糖醛酸酶等 多种酶进行了应用试验，取得了大量具有较高学术价值和应用价值的研究成果。 目前可供水酶法提油工艺使用的酶很多，例如能降解、软化细胞壁的纤维素酶、 半纤维素酶和果胶酶、蛋白酶、q 淀粉酶、a 聚半乳糖醛酸酶、p 葡聚糖酶等，对 它们的作用机理及其应用研究日趋成熟 2 7 j 。 2 2 2 水酶法提油工艺及原理 在植物油料中，油脂存在于油料细胞内部，并通常与其它大分子( 蛋白质和 碳水化合物) 结合，构成脂多糖、脂蛋白等复合体，只有将油料组织的细胞结构 及油脂复合体破坏，才能取出其中的油脂。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、 果胶酶、淀粉酶、葡聚糖酶、蛋白酶等) 处理油料，酶对细胞壁的破坏，以及对 脂多糖、脂蛋白的分解作用，可增加油料组织中油的流动性，从而提高出油率。 另外，在油料磨浆过程中，部分磷脂转移到油中，与蛋白质结合并吸附在油滴表 面形成稳定的乳状液，酶解作用可破坏脂蛋白膜，降低乳状液的稳定性，提高游 离油提取率【2 副。 7 湖北工业大学硕士学位论文 水酶法提油工艺是在油料破碎时加水、再加酶，进行酶解，使油脂从油料中 释出，同时利用油水比重不同，经离心等分离技术将油和非油成分分离，其中残 渣( 固相) 干燥后生产饲料，或对其中所含活性成分进行再提取。液相破乳后采 用离心方法取得油和蛋白质【冽。 2 2 3 水酶法提油工艺的效果与评价 水酶法提油工艺与传统工艺相比，其优点主要体现在经济、环境、安全、所 得油的质量好，且可有效的回收蛋白质等方面。传统工艺必需要机械和热力学处 理：其中机械处理对油籽细胞破坏程度有限，无论是压榨还是浸提，油路都不宽 泛；而湿热处理又会使蛋白质等热敏性物质剧烈变性，影响油料中高附加值产品 的利用价值。随着对水酶法提油工艺的研究与实践不断深入，发现其具有以下明 显的优点【3 0 】： 1 ) 不仅可以提高出油效率，而且所得到的毛油质量较高，易于精炼： 2 ) 酶法处理条件温和，脱脂后的饼粕所含活性成分变性率低，可利用性好； 3 ) 所得毛油质量较高、色泽浅、易于精炼； 4 ) 油与饼粕易分离，如采用离心分离油、粕，可大大提高设备处理能力； 5 ) 生产过程相对能耗低，废水中b o d 与c o d 比值合理，易于处理。 2 2 4 水酶法提油工艺中的乳化及破乳 由于表面活性剂的作用，使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起的 现象称为乳化现象，具有乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。在水酶法提取油脂 的液相体系中，因油料本身所含蛋白质、磷脂及皂素等物质的两亲性质，起到了 表面活性剂的作用，因此乳化是不可避免的。乳化的机理【3 ”为：加入表面活性剂 后，由于表面活性剂的两亲性质，使之易于在油水界面上吸附并富集，降低了界 面张力，改变了界面状态，从而使本来不能混合在一起的“油 和“水 两种液 体能够混合到一起，其中一相液体离散为许多微粒分散于另一相液体中，成为乳 状液。 破乳机$ , 1 1 3 峪2 1 有：乳析和沉降、絮凝、凝集、相转换、奥氏熟化等。乳析和 沉降过程是利用重力或离心力作用，使大液珠上浮或下沉，建立了浓度梯度。絮 凝作用是利用分散系中普遍存在的分子间范德华吸引作用。凝聚是指当两个乳液 分子液滴在絮状沉淀或布朗运动中碰撞，液体薄膜就会被破坏，最终破乳。相转 化是指乳液内部和外部的相相互转换的过程，如水包油到油包水，反之亦然。奥 氏熟化，是由于小液滴因其大的曲率半径所具有的强溶解性，通过溶解和扩散， 3 湖北工业大学硕士学位论文 小液滴消失、沉积成大液滴。 上述机制都能促进乳化液中分散的小液滴的凝聚，但由分散态转变成一完整 的相，最终完成破乳，面临的最大的阻力是如何打破表面活性剂形成的薄膜。考 虑到茶籽油提取液相体系中，其表面活性剂作用的物质包括蛋白质、磷脂等，前 者可通过调等电点、盐析等方式除去，后者则利用盐、温度变化等手段调节相转 变温度和引起相转变实现破乳。 2 3 茶籽仁细胞结构及化学成分分析 2 3 1 材料及试剂 材料：油茶籽 试剂：石油醚( 3 0 6 0 ) 、硫酸、盐酸、冰乙酸、亚铁氰化钾、硫酸钾、硫酸铜、 硼酸、铁氰化钾、乙酸锌、碘液、1 苏丹i i i 。以上试剂均为分析纯。 2 3 2 实验仪器和设备 o l y m p u s 显微镜奥林巴斯株式会社 p h s 2 c 数显酸度计上海宇隆仪器有限公司 f a 2 0 0 4 n 分析天平上海精密科学仪器责任有限公司民桥 a l a k et d l 5 离心机飞鸽系列 h h - 4 数显恒温水浴锅江苏城西晓阳电子仪器厂金坛 1 0 1 1 型电热鼓风恒温干燥箱上海南阳仪器有限公司 2 3 3 茶籽仁子叶细胞形态和胞内积累物观察 取剥壳后的茶籽仁，采用人工切片法，用双面刀片进行切片，将切好的超薄 切片进行染色，观察淀粉时用碘液染色，观察脂体时用碘液和苏丹i i i 液染色，制 片。然后在o l i m p u s 显微镜下进行镜检，用1 0 x 4 0 镜头观察其细胞形态、排列， 以及细胞内脂体、淀粉颗粒的数量等存在状态1 3 3 , 3 4 1 。 2 3 4 茶籽仁中主要化学成分分析 样品预处理：取剥壳后的茶籽仁于万能粉碎机中磨成粉末状，用塑料袋装好 备用。 9 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 4 1 茶籽仁的水分测定【3 3 1 采用常压干燥法测定水分含量，温度为1 0 2 ，干燥2 - 4 h 至恒重。 2 3 4 2 茶籽仁的灰分测定1 3 3 】 采用灼烧重量法测定总灰分含量，温度为5 5 0 ，先于电炉上炭化完全，再 放置于箱式电阻炉中灰化。 2 3 4 3 茶籽仁的脂肪含量测定1 3 3 1 采用索氏抽提法测定脂肪含量，用沸程3 0 6 0 石油醚作提取溶剂，水浴温 度为6 5 - 7 0 ，回流提取8 1 2 h 。 2 3 4 4 茶籽仁的蛋白质含量测定i 弱i 蛋白质含量测定采用微量凯氏定氮法。 2 3 4 5 茶籽仁中糖类含量测定l a s l 还原糖、可溶性总糖、多糖都属于碳水化合物，还原糖、可溶性总糖的测定 按g b 5 0 0 9 9 2 0 0 3 进行，样品必须先进行脱脂处理；多糖的测定采用酸水解法，称 样后先用乙醚脱脂，8 0 乙醇脱糖，再加盐酸进行酸水解后，按还原糖滴定法进 行滴定。 2 3 4 6 茶籽仁中粗纤维含量的测定1 3 s l 纤维素的测定按g b 5 0 0 9 1 0 2 0 0 3 方法进行。 2 3 5 茶籽仁细胞结构及化学成分分析结果 2 3 5 1 茶籽仁细胞形态 图1 为在o l i m p u s 显微镜1 0 x 4 0 倍镜下茶籽仁子叶细胞的排列方式和细胞形 式。可以观察到油茶籽仁的子叶细胞有呈椭圆形的，也有圆形的、还有多边形的， 形态不甚规则。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 图1 油茶籽 茶籽仁细胞表面坚韧的细胞壁将油脂、蛋白质等物质包含在内，在细胞内， 油脂及其伴随物是以极小直径的球形“脂体”存在的，每个脂体外都有一层蛋白质为 主要成分的边界膜包围着。因此提取细胞内的油脂时，就必须破坏细胞壁和细胞， 使蛋白质结构受到破坏而变性，让油脂游离出来。细胞壁越厚，细胞越小，细胞 排列越紧密，则细胞越不易破坏；相反，细胞壁越薄，细胞越大，细胞排列越疏 松，细胞则越容易破坏。由图1 见，茶籽仁细胞的排列较疏松，大小饱满，易于被 外力破坏。另通过统计得出，每个油茶籽仁细胞内堆积着1 5 - - - - 2 5 个淀粉颗粒，平 均粒径较脂体直径大。有的淀粉颗粒交互堆积在一起，有的分散在细胞问。 2 3 5 2 茶籽仁的主要化学成分 根据上文所论述的检测办法，测定茶籽仁中主要化学成分如表2 所示( 除水分 外的化学成分均为茶籽仁干基中的含量) ： 表2 茶籽仁主要化学成分的含量 由上表可知，茶籽仁中水分含量低，可防止油料霉变和非水化磷脂含量的增 加【3 6 】；脂肪含量高，说明茶籽为高含油油料；茶籽仁中蛋白质的含量一般，在一 定程度上蛋白质含量与油脂含量成反比，而且由于蛋白质可以与油脂相互作用而 形成界面膜，将油脂包围在内，因此蛋白质含量越高，越不利于油脂提取。茶籽 仁的多糖提取液遇碘变蓝，说明茶籽仁的多糖中有直链淀粉。淀粉的糊化性质对 油料预处理和油脂的提取有一定影响。糖类的存在不仅会影响油脂的提取，还会 影响油脂的色泽。 湖j 匕工业大学硕士学位论文 2 4 水酶法制取茶籽油工艺路线及定量方法： 2 4 1 水酶法制取茶籽油工艺路线 水酶法提歆所得为毛茶油，现拟采用如下步骤进行： 茶籽一人工去壳取仁一对仁预处理一酶解一油水分离一得油 2 。4 。2 实验中的定量方法 乳是破j 为判断实验中所选择条件闻的优劣，需要对制取出来的油脂进行定量比较。 在预处理方式的选择实验、酶的确定实验、单因素实验及正交实验的不同组 别比较上，均使用体积法确定实验结果：帮待酶解分离出各相后，溺定油脂的体 积。茺诧统一各类型容器鳃晶牌、大小以及生产批次，以减小误差。 当最佳实验条件确定后，将采用定重的办法测定和分析毛油的质量，乳化层 及渣中油脂的损失： 1 ) 毛油的质量逶过测定毛油的体积及毛油的比重计算得捌。鼍油的比重计算 方式如下鲫； 测定水重：用吸管吸取蒸馏水沿瓶翻内壁注入比重瓶，播入带温度计的瓶 塞( 加塞后瓶内不褥有气泡存在) ，将比重瓶置于2 0 的恒温 水浴中，待瓶内水温达到2 0 恚0 2 c 时，取文比重瓶焉滤纸吸 去排水管溢出的水，盖上瓶幄，揩干瓶外部，约经3 0 m i n 后称 重w l 。 测定瓶重。倒出瓶内水，用乙醇和乙醚洗净瓶内水分，用干燥空气吹去旒 内残留的乙醚，并欧于瓶内芥，然艏加瓶塞和撬帽髂重w o ，按测定水重法注入院重瓶雨， 加塞，用滤纸蘸乙醚揩净外部，置于恒温水浴中，经 3 0 m i n 鹾取出，揩净排水管溢出的试样和瓶外部，盖上瓶帽， 称重w 2 。 按下式计算比重：比重鸸沪( w t - w 2 ) ，( w 1 w o ) 式串：w 旷一( 比重瓶+ 瓶塞十瓶帽) 的重量，g ； 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 w l ( 水+ 比重瓶十瓶塞十瓶幄) 的重量，g ； w 卜( 油样十比重瓶+ 瓶塞+ 瓶帽) 的重量，g ； 鹞广油温、承温均为2 0 时的比重。 动乳化层中豹油脂通过芷已烷萃取，再烘干溶裁，称重定量；渣经过干燥处 理后，其中所含油脂以索氏提取法进行定量。 2 s 水酶法提取茶籽油实验安排 2 器。 材料与试剂 材料：油茶籽 试剂：实验中所用化学试剂，如n a 0 h 、 配l 均势分析纯 静淀粉酶、纤维素酶、碱性蛋爨酶、桔革芽孢杆蘑蛋皇酶、地衣芽孢秆 菌蛋白酶、米曲霉蛋鑫酶、木瓜蛋白酶。具体介绍见表3 ： 表3 酶简介 生产厂商搿羞蓁翁 蠡注 洳淀粉 酶 纤维索 酶 碱性蛋 惑酶 桔荤棼 孢稃蘸 蛋国酶 地农棼 孢轩靛 蛋翻酶 米藏霉 蛋白酶 孥堡誓爨些5 5 7 0 6 0 7 0 x 3 工骞袋公司 “ 弱点 嗣上 霹土 走5 文s5 0 ”6 0 嚣参敏姜鲐5 s 羲o 7 05 0 - - , 5 5 熊承鳃淀粉成长短不的短链糊精和少量的低分予糖类，楚淀 粉糊的黏发迅速下簿；c a 2 + 、n a + 对酶活力稳定性商提高作用； 酶活1 0 万i u m g 使纤维索豹多精中参- 1 ，4 葡糍糖水解为糊精；对熟稳定； 酶活1 8 菇i u m g 能承勰擞出质分予敝链：生城多欺域氮基羧，舆有较强的分鳃蟹 囊质豹髓力；广泛震嬲子食品、医疗、歉选、丝绸、铡革等行 业，满飚务种水蚓舞求需要；酶活l o 万i u m g 锈用于酿造互业，烘媲工业，强臼鹱水解、穗炼、烟王，谰竦 晶芏韭，乳髓晶，接蓬常生产需要遗鬣使用；溶予水，见乎不 瓣予乙醪、氯彷翱乙醚；酶潞l o 万i u m g 常用于照臼质水解、精练、加正，调味品工业，乳制品，按芷 同上 6 0 - 7 05 5 霞生产熬要适蹙使用 游乎承，凡乎不溶于乙酵、氯傍和纛醚； 酶活l o 万i u m g 鬻瘸子鬣盘覆求解、糟炼、翔芏，调睬鑫王烂，熟制瀑，拨逛 霹上 6 0 - 7 0鼯一5 5 鬻生产霈要适爨使用；溶予水，几乎不溶予乙醇、氯仿和乙 醚；酶添l o 万i u m g 2 。s 。2 试验仪器和设备 p h s - 2 c 数显酸度计 f a 2 0 0 4 n 分析天平 上海字隆仪器有限公司 上海精密科学仪器责任有限公司民桥 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 a n k et d l 5 离心机飞鸽系列 h h 4 数显恒温水浴锅江苏城西晓阳电子仪器厂金坛 1 0 1 1 塑电热鼓风恒温干燥箱上海南阳仪器有限公司 2 。器3 水酶法提取茶籽油方案定型实验 为判断水酶法提取茶籽油实际应用的可行性，需对拟定的方案进行比较试验， 确定合适的预处理方式、酶的类型和最终破乳的方法，以使拟定的方案其有实际 的可操作性，舞后续条件优化做好准备。 2 。嚣。3 。，矮处理方式确定实验 酶解前对油茶籽进行预处理，以尽量打破细胞壁，破坏茶籽细胞中脂蛋自的 稳定结构，提高后续酶解的效率。本课题试验了加热以及胶体磨、万能粉碎机分 别对油料进行湿法和干法处理这三个因素对提油效率的影响： 物料分5 组，使用不同的预处理手段： 第l 组：茶籽仁加热一漫泡软化_ 胶体磨湿法处理_ 酶解一离心分离趣油 第2 组：茶籽仁一浸泡软化_ 胶体磨湿法处理_ 酶解_ 啼离心分离出油 第3 组：茶籽仁加热_ 万能粉碎祝千法处理叶酶解_ 离心分离出油 第4 组：茶籽仁一万能粉碎枫于法处理砷加热_ 酶解_ 离心分离怒浊 第5 组：茶籽仁一万能粉碎机干法处理酶解叶离心分离出油 加热：将目标物置于1 0 0 烘箱中，约1 0 m i n 胶体磨预处理：取2 0 0 9 油茶籽仁予l o 倍体积永中浸泡一夜软化，后用胶体 瘩研磨至形成乳化状液体。 万能粉碎机：取2 0 魄油茶籽仁粉碎至2 0 筒以下，以磨出的茶籽璺分散细粒 状，略有油光，但所含油脂乎捏两不浸出为准。 对胶体磨湿法处理所得物料童接用碱性蚤自酶酶解，万靛粉碎机处理所得物 料取2 0 0 9 溶予量o 倍体积水巾，亦用碱性蛋程酶酶解处理，酶作用条件均为2 ( s w ) 、5 0 、p h 8 5 、8 h ，实验完成后比较各自所得油量，以确定合适的预处 理条件。 2 。3 2 茶籽油水酶法挺取邋带鬻白酶的选撵 分