大豆生物解离制取油脂技术研究进展

江连洲1，2

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.国家大豆工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨 150030）

摘 要：从预处理酶解工艺改进、酶解破乳及高值化产品开发等方面对近年大豆生物解离制取油脂技术的国内外研究现状进行阐述，总结了生物解离技术的应用瓶颈问题及发展趋势，以期为创新升级我国大豆生物解离技术提供参考建议，为实现高值大豆产品的生物加工与调控提供理论依据。

关键词：大豆；生物解离技术；发展趋势

目前食用油的生产方式主要以压榨法和浸出法为主，普遍存在加工条件剧烈、油料资源利用率低、化学试剂残留及附加值低等突出问题。且制备的毛油品质稳定性差，需进行高温精炼，而现行精炼技术多为物化精炼法，存在条件难以控制、反应剧烈、工艺繁杂、安全性差等问题，因此开发绿色安全、营养健康、高效环保的食用油和蛋白质制取技术势在必行。大豆生物解离油脂制取技术不仅反应条件温和，油料蛋白性质几乎不发生变化，无论是水相中成分的直接加工利用，还是回收分离蛋白再利用，效果都十分理想。该方法将成为未来食用油提取的发展方向，是国内外学者研究的热点。

大豆生物解离技术是在预处理基础上，采用对植物油料细胞、脂蛋白、脂多糖等复合体有降解作用的酶作用于油料，并利用蛋白质对油和水的亲和力差异及油水比重的不同而将油和蛋白质等成分分离开来，经破乳、分离得到油脂的绿色加工技术［1］。植物油脂以油脂体结构储存于其种子细胞，通过采用生物酶法降解其表面的镶嵌蛋白及磷脂单分子层，影响油脂体组成与结构、Zeta电位和聚合度的变化，使其无法继续维持其稳定的球状结构，从而使破裂的油脂体分布在水-气界面，并释放出甘油三酯［2］。在生物解离过程中，蛋白质水解与油脂释放同步进行，而油料细胞中油脂体较小且分布于蛋白体和胞质蛋白的间隙中，显微成像观测发现油体对蛋白体、细胞壁等有较强的亲和力，在解离过程中相互影响限制了油脂的释放。在水解初始阶段，由于蛋白质水解不充分，仅有极少部分油脂被释放。大部分蛋白质吸附于油-水界面，与油滴形成了一层致密的界面层。随着水解时间的延长，大豆蛋白主要组分发生不同程度的水解，某些极小的蛋白质分子由于无法提供双亲基团，不能吸附于油-水界面上，因而降解进入到水解液中。此时，大多数油脂由于稠度较低仍存留于乳化层中，根据斯托克斯定律，乳化油滴在水解液中自由沉降系数较高，可迅速形成乳化层并浮在混合物的最上层，部分油滴在上层发生聚集，形成游离油，而其他油脂则被蛋白质“包裹”存在于水解液中［3］，形成稳定的乳状液体系［4］。乳状液体系中的蛋白与油脂紧密结合，导致其包裹的油脂难以被释放分离出来，因而限制了油脂提取率［3］。目前多采用冷冻-解冻法、乙醇-超声法和酶法等高效、绿色、安全的破乳技术，降低乳状液稳定性，达到释放油脂提高油脂提取率的目的。影响生物解离过程中蛋白和油脂释放的因素有多种。采用单一酶进行生物解离油得率和蛋白得率提高不显著，而利用复合酶生物解离油料可使得二者均保持较高水平［5］。生物解离过程中的各种因素影响着大豆子叶细胞中最重要的两种亚细胞态物质，即蛋白质体和油脂体，以及它们之间的相互作用，直接影响着油脂体的稳定性和油脂得率。

在国家经济体制改革的大环境下，为适应未来的“低投入、低消耗、低排放、低效率”资源节约型、环境友好型主流经济发展需求，生物解离技术的产业化、规模化、集约化改革创新尤为重要。笔者主要就生物解离技术的研究现状及发展趋势、应用瓶颈问题加以阐述分析，为生物解离技术的生产应用提供参考建议。

1 大豆生物解离技术国外研究现状

迄今为止，国外已将生物解离技术应用于大豆［6］、花生［7］、米糠［8］、菜籽［9］等油料加工中，研究主要针对油脂品质提升、制油率提高、同步制取蛋白功能性增强的工艺改良、技术融合及新型装备开发，尤其聚焦生物解离新型预处理工艺及设备建制、油脂制取率提高、高效破乳技术开发及同步蛋白产品回收富集等方面。

预处理工艺是生物解离的头道工序，不同预处理方式可通过改变油料细胞结构、蛋白体分布及组织状态、油脂体聚集形态等影响油脂溶出途径及释放规律。目前超微粉碎技术［10］、挤压膨化技术［11］、微波技术［12 -13］、超高压［14］、超声处理［15］、酶法处理［16］等广泛应用于油料预处理。研究表明采用机械粉碎可充分破坏油料细胞结构、降低油料粒度、增加物料与酶的接触面、提高生物酶的作用效果［17］。挤压膨化可有效破坏油料细胞壁结构、调节油脂在乳液相的分布规律、减少油脂再乳化作用［15］。另外挤压膨化的高压、高剪切作用会使物料蛋白质分子变性、结构发生伸展重组、表面电荷重新排布、分子间二硫键及氢键部分断裂，增加蛋白与酶的作用位点，利于油脂的释放；超声波产生的机械、空化等作用可促进油脂及其他组分的溶出，缩短工艺单次循环时间［18］；微波处理可增大油料蛋白质、淀粉和其他成分的溶解度，使细胞组织结构疏松，增加渗透性，易于酶的作用，有利于油脂的释放。

在水介质中采用可降解脂蛋白、脂多糖等复合体的生物酶（包括纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、蛋白酶等）作用于油料，可使油脂易于从油料固体中释放，但酶解过程中蛋白会吸附于油水界面并降低乳液体系界面自由能，而多肽、磷脂、多糖等成分的存在使油滴表面形成凝胶化界面层增强乳液稳定性，严重影响游离油的分离。因此通过调整生物酶组成用量、调控酶解程度，以降低生物酶及水用量、避免油脂过度乳化是目前生物解离技术亟须解决的难题，而循环生物解离酶解工艺是现今国外解决上述问题最为有效的方法，并初步应用于产业化示范中［19］。且同比目前常用的超声-乙醇破乳［20］、酶法破乳［21］及冷冻解冻破乳［22］工艺，循环生物解离酶解工艺可达到生物解离及乳相破除的双重作用，乳液破除后回溯至水解液相实现资源高效利用。但相较于其他破乳技术，循环生物解离酶解技术的破乳率尚难达到理想效果。

目前，国外在水解液和残渣的综合利用方面已有部分突破，充分利用酶解工艺的温和条件、提高副产物的价值是当前的发展思路。美国爱荷华州立大学对水酶法副产物的综合利用研究处于国际前沿，首次将生物解离过程形成的水解液和残渣用于玉米发酵制取酒精，并通过引入纳滤技术以提高发酵率及酒精产量，对比传统单以玉米为基料进行发酵制取酒精，该方法可提高酒精产量20%，酒精提取率提高3%，发酵时间降低38h［23］。而Pryor等［24］将生物解离得到的固体残渣组分进行糖酵解，并引入氨水浸泡工艺用于缩减发酵时间。

2 大豆生物解离技术国内研究现状

我国生物解离技术研究相对较晚，自王瑛瑶等［25］首次引入生物解离技术，国内学者陆续开展了生物解离技术的相关研究，并将该技术推广应用于大豆、玉米胚芽、花生、牡丹籽等多种油料［26 -29］。迄今，我国多家科研机构已针对生物解离工艺及机理进行了较系统的研究，主要集中于针对不同油料的预处理酶解工艺改进、酶解破乳及高值化产品开发研制等方面。

现今国内应用最广泛的生物解离制油预处理技术是挤压膨化技术，并且研究的预处理方法还包括超声波、热压处理、预酶解及超高压处理等。通过比对研究，国内现已开发出针对不同油料作物的预处理工艺［30］，超声波技术因其加速物料传热、传质及空泡作用，可应用于胡麻子、胚芽、茶叶籽等油料，具有缩短制取时间、提高出油率等特点［31 -34］；分步式预酶解技术利用纤维素酶、果胶酶逐级降解细胞壁纤维素骨架结构，促进破裂使油脂聚集，适于菜籽、米糠、玉米胚芽等的预处理工艺［35 -37］；挤压膨化技术可充分破坏油料细胞壁，通过增加蛋白质表面积、变性程度及酶解作用位点，促进油脂释放和溶出，可应用于大豆、米糠和葵花籽等的原料处理［38 -42］。国内在高新预处理技术的引入应用方面领先于国外，但相关研究仍局限于工艺参数优化及特种油料预处理技术的研发，多数预处理方法仍停留在实验室阶段，尚未实现规模化、产业化。

乳液的破除是制约生物解离工艺发展的主要技术瓶颈，亦是现今的研究热点。目前对破乳技术的研究多集中于物理破乳（微波破乳、加热破乳、冷冻解冻破乳）、化学破乳（pH破乳、有机溶剂破乳、无机盐破乳）以及酶法破乳等［43 -47］。比较几种物理破乳方法，微波、加热乳状液的破乳率不高，虽然冷冻解冻破乳效果好，但耗能较大，需要专门的设备；采用化学破乳的游离油回收率有高有低，但其引入了盐类和有机溶剂，需要专门的设备和工艺去除这些物质，增加提油的成本，降低油脂的品质；采用酶法对乳状液进行破乳，破乳率较高，此外酶法破乳不会引入有害物质，油脂品质高，耗能低［48］。

本研究团队在此方面处于国内领先水平，现已创制反胶束萃取破乳、磷酸聚沉—热絮凝破乳、超临界CO2高效破乳、高压蒸汽快速破乳、超声—乙醇破乳、微生物破乳等多项技术，破乳效果显著，且回收得到的蛋白质功能性强、纯度高、凝胶性及持水性均优于国外同类产品［49 -51］。同时利用磷脂酶—乙醇破乳技术，全面破除高磷脂油料生物解离形成乳状液，破乳率高达99.51%，同时简化了后续脱胶工艺。

为进一步实现生物解离产业化发展、生产高附加值产品，部分研究利用微波辅助酶法、超高压均质和高温蒸煮技术和超滤处理法提取残渣中的功能性低聚糖，所得低聚糖主要含有水苏糖、棉籽糖，具有促进人体肠道内有益菌、非致龋齿性、甜度低、热能低等生理功能［52 -54］；以不溶性豆渣为原料，联用淀粉酶、纤维酶等复合酶解，酶解滤液经醇沉干燥制得水溶性膳食纤维，滤渣经丙酮/乙醇分级洗脱制得非水溶性膳食纤维。另有研究将酶法提油过程中水相液组分施以二次酶解，借助电渗析除去芳香族氨基酸及游离氨基酸，再经反渗透及超滤处理制得高F值复合低聚肽及降压活性炭等功能性肽类，进一步通过醇洗水相组分和残渣基液进行超声萃取、大孔吸附树脂纯化及丙酮萃取，萃取液及滤除不溶物分别经真空浓缩、冷冻干燥制备为大豆异黄酮及大豆皂苷［55］。

3 大豆生物解离技术的瓶颈分析

综上所述，目前国内外研究侧重于不同预处理方式增加油脂提取率和乳状液破除方式等方面的研究，而未深入开展影响生物解离大豆蛋白油脂释放的关键组分和特征构象研究，以及生物解离大豆蛋白油脂过程中，各组分间的分子相互作用，结构及其功能性的变化等方面的基础研究，这也极大限制了生物技术在大豆产品加工的发展与应用。

1）大豆中油脂主要存在于大豆油脂体中，其结构极其稳定。生物解离酶法制取油脂的过程中，首先需要经过预处理的方法对大豆细胞壁进行破坏，增加生物解离时酶的接触位点。但目前有关预处理过程中油脂的释放、聚集及大豆油脂体结构状态的研究十分有限，因此，要明晰预处理对大豆油脂体的作用机制，提升预处理效果。

2）在生物解离过程中，油脂体对蛋白体、细胞壁等具有明显的亲和力，因而限制了解离过程中油脂的释放［56，3］。而在整个过程中有多种因素影响着油脂体和蛋白质体的稳定性，以及它们之间的相互作用，因而会影响油脂的提取率。在生物解离体系中蛋白质体和油脂体相互作用复杂，蛋白质水解的关键组分、空间结构变化及磷脂、多糖对油脂释放都有重要影响，重点探明重要组分的相互作用关系，解决油脂的释放问题。

3）大豆油脂体作为亚细胞态稳定结构，其分子空间结构动态变化，油脂体各组分均会影响生物解离过程中油脂溶出，需从分子层面基础上研究大豆油脂体溢裂模式及油脂析出机制。

4）利用生物酶法解离提取大豆油脂最为关键问题是乳液的破除。大豆酶解后蛋白、磷脂和油脂构成稳定的乳状液体系［18］，其乳状液组分、界面性质及结构特征与乳液的稳定性紧密相关。而且乳状液的组成复杂，涉及多种组分（如大豆蛋白、大豆磷脂、多糖等），且各组分分子的空间构象及组分间的分子交互作用等均会影响乳状液的形成。因而，需要明晰乳状液组分与其界面性质和结构特征的关系，系统地阐明乳状液复合体系分子组成、空间构象和制约关系是破除乳状液的基础。

4 大豆生物解离技术发展趋势

针对上述问题，生物解离技术应以下述研究方向作为重点:探讨生物解离大豆蛋白分子变化与油脂释放方式、聚集形式的关系，构建酶解体系关键组分变化与油脂释放间的动力学模型；明晰生物解离因素对反应体系中水相，乳化相，固相形成和累积的影响规律，剖析乳化相组分，分子构象与其界面性质和结构特征的关系，阐明高效破除乳化相平衡体系的分子作用机制；确定影响生物解离大豆蛋白油脂释放的关键组分和特征空间构象，明确生物解离大豆蛋白油脂过程中，各组分间的分子相互作用，结构及其功能性的变化；通过明确乳状液组分与其界面性质和结构特征的关系，开发新型高效破乳技术。上述技术的突破将为创新升级我国大豆生物解离技术提供理论依据及应用指导，为高端大豆产品加工的生物调控提供理论依据和技术支撑，对于提升我国大豆综合加工技术水平，实现大豆的高值化利用具有重要的理论和实际意义。

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专家论坛专栏

编者按：酒作为一种特殊饮品，对人类政治、文化、经济等方面都有深远影响，独特的酒文化在几千年的社会发展史中也熠熠生辉、深入人心。为了避免酒类饮品质量安全问题的发生，上期栏目已经对葡萄酒、白酒进行了探讨，本期栏目特别邀请专家继续对啤酒、黄酒可能出现的质量安全问题及控制对策进行深入阐述。希望在消费需求日渐提升、政府监管日趋严格、产业结构逐步升级的背景下，文章能为我国酿酒工业的安全发展提供有益借鉴，为我国食品工业的创新升级提供科学依据。（栏目策划：李 宁）

Advances in Research Technology of Biological Dissociation on Soybean Oil Extraction

JIANG Lianzhou1，2
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.National Soybean Engineering Technology Research Center，Harbin 150030，China）

Abstract: Extraction of soybean oil from flaked and extruded soybeans using enzyme-assisted aqueous extraction processing（EAEP）is a promising alternative to conventional hexane extraction.The present paper focuses on the current situation of biological dissociation technology for soybean around the world.Correlational studies are clarified including improvement of enzymatic hydrolysis pretreatment，demulsification and development of premium soybean products.Based on the above，important scientific problems and the development trend in EAEP research are put forward，which will provide recommendations for upgrading biological dissociation technology and theoretical basis for achieving biological processing and regulation of premium soybean products in China.

Key words: soybean；biological dissociation technology；development tendency

（责任编辑:李 宁）

中图分类号：TS224.3

文献标志码：A

doi:10.3969/ j.issn.2095-6002.2016.03.001

文章编号：2095-6002（2016）03-0001-07

引用格式：江连洲.大豆生物解离制取油脂技术研究进展［J］.食品科学技术学报，2016，34（3）:1 -7.

JIANG Lianzhou.Advances in research technology of biological dissociation on soybean oil extraction［J］.Journal of Food Science and Technology，2016，34（3）:1 -7.

收稿日期:2016-05-01

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD22B00）；黑龙江省自然科学基金资助项目（ZD201302）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20132325110013）。

作者简介:江连洲，男，教授，博士，主要从事粮食、油脂与植物蛋白工程方面的研究。