国家自然科学基金|南京财经大学王立峰教授:纤维素酶辅助乙醇水提法对菜籽油贮藏稳定性的影响

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入选中国科技期刊卓越行动计划

本文获河江苏高校优势学科建设工程资助项目；国家自然科学基金；国家自然科学基金；国家重点研发计划。

摘要

本研究为探究纤维素酶辅助乙醇水提法（Cellulase-assisted Ethanol Aqueous Extraction Processing，C-EAEP）制备菜籽油的贮藏稳定性，试验设计C-EAEP油、热处理后的C-EAEP油、传统热压油、三级商品油为研究对象，在加速氧化条件下贮藏28 d，在贮藏周期内每7 d测定四组样品理化指标、维生素E含量、脂肪酸组成、挥发性风味物质组成的变化。结果表明：C-EAEP工艺显著提升了菜籽油的贮藏稳定性。贮藏期间，C-EAEP油第28 d的过氧化值和酸值增幅均低于传统热压油与三级商品油，且维生素E总量保留率更高，其中未经热处理的C-EAEP油α-VE含量在28 d仍维持40 mg/100 g以上，显著高于对照组（P<0.05）。此外，C-EAEP油的不饱和脂肪酸（如油酸、亚麻酸）氧化降解速率更低，经贮藏后不饱和脂肪酸总量稳定在87.24%~88.65%，高于传统热压油和三级商品油。脂肪酸组成分析显示，C-EAEP油在贮藏28 d后C18:1的含量从28.21%变化至28.47%，低于三级商品油和传统热压油，而热处理后的C-EAEP油中C18:1含量显著提高至30.39%~30.86%（P<0.05），且芥酸（C22:1）含量降低，健康属性更优；风味物质分析表明，C-EAEP油因低温工艺抑制了硫苷降解产物中腈类（如2-丁烯腈）的生成，但热处理后激活酶促反应，促使吡嗪类（如2,5-二甲基吡嗪）和呋喃类物质（如2-戊基呋喃）富集，贮藏后期含量分别达9.23%和5.13%，赋予油品更浓郁的烘烤风味。电子鼻分析进一步显示，在贮藏前期，经热处理的C-EAEP油对PA/2和P70/2传感器的响应值高于其他三组菜籽油，在贮藏后期热处理C-EAEP油对PA/2、P70/2和T30/1传感器的响应值显著增加，产生了较丰富的醇类、有机胺类、芳香化合物等物质，风味增强。综上，C-EAEP工艺通过低温酶解有效保留了油脂天然抗氧化成分，使油脂的氧化稳定性提高，能够延缓酸败，提高贮藏稳定性，在该工艺基础上对C-EAEP油经热处理则可增加风味物质。本研究为C-EAEP菜籽油的商品化开发提供重要的理论参考，对发展高品质菜籽油，绿色油脂提取工艺的工业化应用具有重要的推动作用。

作为最古老且有效的食品保鲜技术，低温贮藏在维持肌肉食品、水果和蔬菜的安全及质量方面发挥着关键作用，根据贮藏环境温度的不同，现代工业中通常以冷藏（0~4 ℃）和冷冻（低于−18 ℃）两种方式来提高产品的品质稳定性。近年来，与传统肉制品相比，调理牛排因其食用方便、营养均衡等优势，越来越受到消费者的青睐。调理牛排产品通常采用冷藏或者冷冻方式进行贮运销售。传统的冷藏技术货架期较短，难以进行长线的冷链运输；此外，尽管冷冻技术可以大幅度延长货架期，但是贮藏过程中冰晶的生长/再结晶会对肌肉组织造成剧烈的机械损伤，解冻后过多的汁液损失会直接损害行业的经济效益和消费者的健康需求。因此，有必要开发新型的低温保存技术以维持食品原有的品质。

目前菜籽油制备的传统工艺有热压法、溶剂浸出法和冷榨法。通常存在油脂提取率较低、能源消耗较高以及溶剂残留等问题。并且传统提取工艺对油脂的热处理过程可能导致部分活性物质的损失，同时产生不良风味物质，从而降低了菜籽油的品质与消费者的接受度。因此，开发高效、绿色且兼具品质保护的新型提取技术具有重要意义。水酶法作为一种近年来兴起的绿色提取技术，以其环保、高效以及较低的能耗而受到研究者的青睐，根据提取介质可细分为水代法、水酶法和乙醇水提法等。其结合酶促辅助技术，如纤维素酶，可显著提高植物细胞壁的破裂程度，促进植物油脂的释放，目前将纤维素酶同乙醇水提法协同处理制备菜籽油的相关报道较少。因此以油菜籽为原料，采用纤维素酶辅助乙醇水提法（Cellulase-assisted Ethanol Aqueous Extraction Processing，C-EAEP）作为提取方法，能够在有效提高油脂的提取率的同时减少溶剂使用量和能耗，且在较低温度条件下提取，有助于保留油脂中的天然活性成分（如维生素E、植物甾醇等）使油脂的氧化稳定性更高，可有效延缓酸败，维持风味，对发展高品质菜籽油具有重要意义。 

本研究围绕C-EAEP技术提取菜籽油的贮藏稳定性展开，通过选取传统热压油、三级商品油、未经热处理的C-EAEP菜籽油以及经热处理的C-EAEP菜籽油，系统分析了该技术提取的菜籽油在加速氧化贮藏条件下的理化指标、维生素E含量、脂肪酸组成、挥发性风味物质以及电子鼻分析数据的变化，以展示C-EAEP菜籽油在贮藏稳定性方面的表现。 

结果与分析

2.1   纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间理化指标变化

在评价植物油脂氧化程度的研究方法上，通常是从氧化过程中植物油脂物理、化学和感官性质的变化等方面进行研究。图1显示了四组菜籽油样品在加速氧化贮藏条件下贮藏28 d期间的过氧化值、酸值、碘值、皂化值的变化。从四个理化指标综合分析，由C-EAEP工艺处理的菜籽油在贮藏期间氧化、水解等劣变反应更缓慢，不饱和成分与甘油三酯结构更稳定，使其贮藏稳定性显著优于传统热压油和三级商品油，得出该工艺对菜籽油贮藏理化性质的优化作用。 

图  1纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间理化指标

Figure  1.Physicochemical properties of cellulose-assisted ethanol water extraction of rapeseed oil during storage

注：A：过氧化值；B：酸值；C：碘值；D：皂化值；图中不同小写字母表示不同工艺间差异显著（P<0.05），图2同。

由图1（A）可知，四组菜籽油样品在储藏期间的过氧化值均不断升高，贮藏初期，四种菜籽油过氧化值均随时间上升，反映油脂氧化不断产生氢过氧化物。但总体来看，热处理后的C-EAEP油和未经热处理的C-EAEP油比三级商品油和传统热压油的过氧化值低，且经C-EAEP处理的菜籽油（尤其未加热组）过氧化值增幅显著减小（P<0.05），说明该工艺有效延缓氧化，维持贮藏稳定性。在贮藏的第14 d，三级商品油的过氧化值为6.56 mmol/kg，超过三级菜籽油国标的6.0 mmol/kg；传统热压油、未经热处理的C-EAEP油和热处理后C-EAEP油的过氧化值分别为5.98、5.33和5.79 mmol/kg，仍在国家三级菜籽油标准的阈值内。在贮藏的第21 d，四组菜籽油的过氧化值均超过国家标准。在贮藏的第28 d，传统热压油、三级商品油的过氧化值峰值分别为13.36、14.01 mmol/kg，远高于C-EAEP处理的菜籽油，这也表明其氧化反应剧烈，抗氧化能力弱。 

酸值是衡量油脂酸败程度的关键指标，贮藏过程中，油脂因氧化、水解产生游离脂肪酸，酸值越高，表明油脂品质劣变越严重。由图1（B）可知，随着加速实验时间的延长，四组菜籽油的酸值均呈现先缓慢增长后快速增长的趋势，传统热压油、三级商品油酸值增长较快。但无论是热处理后的C-EAEP油还是未经热处理的C-EAEP油其酸值显著低于传统热压油和三级商品油（P<0.05），表明其工艺抑制了游离脂肪酸生成，延缓酸败，贮藏稳定性更优。可能是因为C-EAEP油中天然抗氧化物（维生素E、甾醇等）含量相对较高，因此比传统热压油和三级商品油具有更好的抗氧化效果。贮藏后期油样品质劣变严重，从第21 d起，四组菜籽油的酸值均超过国家三级菜籽油标准的1.0 mg KOH/g。 

碘值和皂化值分别反映油脂不饱和键含量和油脂中甘油三酯等成分的变化。由图1（C）和图1（D）可知，随着加速实验时间延长，四组菜籽油的碘值和皂化值均呈现先缓慢降低后快速降低的趋势。经C-EAEP处理的菜籽油皂化值较其他三种菜籽油变化小，表明其脂肪酸组成相对稳定。三级商品油在贮藏期间碘值和皂化值显著高于其他三组菜籽油（P<0.05）；在贮藏后期，传统热压油、未经热处理的C-EAEP油和热处理后C-EAEP油碘值和皂化值接近。在加速氧化贮藏的第28 d，四组菜籽油的皂化值均低于160 mg KOH/g，品质下降严重，贮藏稳定性降低。

2.2   纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间维生素E含量变化

生育酚作为菜籽油的重要活性成分，可以通过改变自由基链的自动氧化过程和延缓不饱和脂肪酸氧化来实现油脂氧化稳定性的提高，从而有效降低异味和酸败的产生。四组菜籽油在贮藏期间维生素E（VE）变化如图2所示，四组菜籽油在加速氧化贮藏期间维生素E总量呈下降趋势，在贮藏第7~21 d期间维生素E总量下降明显，而在贮藏前期（0~7 d）和贮藏后期（21~28 d）维生素E总量下降缓慢。四组菜籽油在加速氧化贮藏期间，三级商品油的α-VE从初始约32 mg/100 g降至28 d的25 mg/100 g以下，VE总量从近95 mg/kg降至88 mg/kg左右，反映出传统高温加工或精炼工艺可能破坏VE结构，且贮藏过程中氧化作用加剧其降解。相较之下，C-EAEP油及加热处理的C-EAEP油的VE保留效果更优，其中C-EAEP油的α-VE在28 d仍维持在40 mg/100 g以上，VE总量稳定在105 mg/kg以上，显著高于其他3组（P<0.05）。尽管加热后的C-EAEP油部分VE组分有所下降，但VE总量表现仍显著优于传统热压油（P<0.05），适度热处理对VE的影响弱于传统高温加工。因此，C-EAEP工艺的低温酶解机制未对VE结构造成显著破坏，并有效保留其抗氧化成分，使其能够有效延缓贮藏期间VE的降解，维持油脂的抗氧化性能。

图  2纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间维生素E含量变化

Figure  2.Changes of vitamin E content of cellulose-assisted ethanol water extraction of rapeseed oil during storage

注：A：α-V_E；B：δ-V_E；C：γ-V_E；D：V_E总量。

2.3   纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间脂肪酸组成

目前，热处理对花生油、菜籽油、大豆油、茶籽油等食用油品质的影响已有文献报道，研究发现植物油脂经加热后，反式脂肪酸含量增加，不饱和脂肪酸含量减少，奇数碳脂肪酸含量升高。由表2可知，四组菜籽油在加速氧化储藏期间脂肪酸组成较稳定，无新的短链脂肪酸或长链脂肪酸，不饱和脂肪酸相对含量在贮藏周期结束后减少但变化幅度较小，其中油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）、亚麻酸（C18:3）、花生一烯酸（C20:1）、芥酸（C22:1）等菜籽油特征不饱和脂肪酸含量稳定。

表  2不同工艺菜籽油贮藏期间的脂肪酸组成（%）

Table  2.Fatty acid composition of rapeseed oil during storage by different processes (%)

注：不同工艺间不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

在贮藏初期（0 d），C-EAEP工艺表现出显著的脂肪酸富集特性：其芥酸（C22:1）含量达24.29%，显著高于传统热压油（19.47%）和三级商品油（15.09%）（P<0.05），表明酶解作用可有效释放长链不饱和脂肪酸；同时，其总不饱和脂肪酸比例（88.65%）高于其他工艺。相较之下，三级商品油因精炼工艺优化，棕榈酸（C16:0）和油酸（C18:1）含量最高，可能由于精炼选择性去除极性组分。而传统热压油的总不饱和脂肪酸较低，氧化稳定性较弱。 

在贮藏中期（7~14 d），C-EAEP工艺的优势进一步凸显：14 d时其亚麻酸（C18:3）含量升至8.83%，显著高于传统热压油（8.32%）（P<0.05），且硬脂酸（C18:0）显著高于其他工艺（P<0.05），反映酶解对于中链饱和脂肪酸的保留作用。然而，C-EAEP的油酸（C18:1）含量始终低于三级商品油和传统热压油，可能与多不饱和脂肪酸竞争性积累有关。三级商品油在贮藏期间表现出优异的稳定性，总不饱和脂肪酸比例波动最小，且C18:1含量始终最高，表明精炼工艺可有效抑制氧化劣变。 

在贮藏后期（21~28 d），C-EAEP热处理工艺的稳定性优势显现：热处理后C-EAEP油的C16:0含量升至3.48%，而未处理组仅升至3.24%，说明热处理可能加速了部分脂肪酸的分解或重组。经热处理后的C-EAEP油，与C-EAEP油相比芥酸（C22:1）含量显著降低（P<0.05），进一步体现热处理在改善油品健康属性中的作用。其硬脂酸（C18:0）含量由1.53%升至1.71%，总不饱和脂肪酸比例仅下降0.51%（87.58%~87.07%），下降变化量优于未处理的C-EAEP（1.41%）的下降速度。传统热压油在长期贮藏中总不饱和脂肪酸比例下降0.78%（87.95%~87.17%），证明其较弱的抗氧化能力，需依赖外源添加剂维持品质。

2.4   纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间电子鼻分析

C-EAEP菜籽油贮藏期间电子鼻雷达图谱如图3所示。从图中可以看出，在贮藏第7 d和第14 d，经热处理的C-EAEP油对PA/2和P70/2传感器的响应值高于其他三组菜籽油；在贮藏第21 d，四组菜籽油对各电子鼻传感器的响应值均呈现出一定的下降趋势，未经热处理的C-EAEP油对LY2/gCTL和LY2/gCT传感器的响应值降低至接近0，联系GC-MS数据得到，可能是由于部分烷烃类物质在这一贮藏阶段消失。在贮藏第28 d，三级商品油和热处理后的C-EAEP菜籽油对PA/2、P70/2和T30/1传感器的响应值增加，高于其他两组菜籽油。说明三级商品油和热处理后的C-EAEP菜籽油在加速氧化贮藏后期产生了较丰富的醇类、有机胺类、芳香化合物等物质，风味增强。

图  3纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间电子鼻雷达图谱

Figure  3.Radar spectrum of electronic nose during storage of cellulose-assisted ethanol water extraction of rapeseed oil

注：A：7 d；B：14 d；C：21 d；D：28 d；图4同。

C-EAEP菜籽油贮藏期间电子鼻PCA如图4所示。根据PCA，在贮藏前期，未经热处理的C-EAEP菜籽油风味与传统热压油和三级商品油接近；在贮藏第14 d，未经热处理的C-EAEP菜籽油与传统热压油和三级商品油无重合部分，风味上出现差异，而热处理的C-EAEP菜籽油风味与三级商品油相近；在贮藏第21 d，三级商品油风味减弱，与C-EAEP菜籽油和传统热压油区别明显；在贮藏第28 d，经热处理后的C-EAEP菜籽油风味上与三级商品油接近，在贡献率为92.4%的主成分1的数值高于热压油和三级商品油，说明在贮藏后期，经热处理的C-EAEP菜籽油比未经热处理风味增强，保持了与传统热压油和三级商品油相近的风味。

图  4纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间电子鼻PCA

Figure  4.Electronic nose PCA of cellulose-assisted ethanol water extraction of rapeseed oil during storage

2.5   纤维素酶辅助乙醇水提菜籽油贮藏期间挥发性风味物质组成分析

Kraljic等考察了不同温度下加热油菜籽原料对菜籽油挥发性风味物质组成的影响，发现随着温度升高，菜籽油样品中的硫苷降解产物类、呋喃类和醛类等挥发性风味物质增加。菜籽油贮藏期间挥发性风味物质组成及相对含量如表3所示。在整个贮藏过程中共鉴定出55种化合物，其中烷烃类5种，硫苷降解产物类8种，醛类9种，酮类5种，醇类4种，酯类3种，酸类2种，醚类1种，呋喃类2种，烃类5种，吡嗪类化合物6种，烯类5种。 

表  3不同工艺菜籽油贮藏期间挥发性风味物质相对含量（%）

Table  3.Relative content of volatile flavor substances of rapeseed oil during storage by different processes (%)

硫苷降解产物：由表3可知，硫苷降解产物在传统热压油中初始含量较高（74.04%），但随贮藏时间逐渐下降（至28 d时为65.26%），可能与贮藏期间硫苷进一步水解或挥发损失有关。相比之下，三级商品油的硫苷降解产物含量较低且变化幅度较小（64.71%~60.86%），可能因其精炼工艺减少了硫苷前体物质的残留。值得注意的是，在加速氧化贮藏周期内，2-丁烯腈始终未在未经热处理的C-EAEP菜籽油中被检出，而在另外三组菜籽油样品中2-丁烯腈始终存在。这是由于传统热压油和三级商品油在高温加工或精炼过程中可能激活黑芥子酶或通过氧化反应促进硫苷分解为腈类（如2-丁烯腈）,而C-EAEP冷榨工艺在低温下进行，抑制了酶活性，硫苷更倾向于生成异硫氰酸酯（如3-丁烯基异硫氰酸酯）而非腈类。此外，未热处理C-EAEP油的原料硫苷前体可能因细胞结构破坏较少或种类差异，限制了腈类的生成。热处理后，C-EAEP油因温度升高重新激活酶促反应或引发非酶热分解，促使硫苷转向腈类生成路径，因此微量2-丁烯腈被检出。这表明热处理可能通过激活内源酶或促进硫苷的热降解，导致硫苷衍生物积累。 

氧化挥发物：氧化挥发性物质按化学类别分，可分为醛类、酮类、酸类、酯类、烷烃类等。由表3可知，传统热压油在贮藏期间，3-甲基丁醛于第21 d突然出现（6.21%）并持续至第28 d（5.47%），而三级商品油中未检出该物质，这可能与传统热压工艺的高温环境及贮藏后期氧化反应的加剧有关，三级商品油的醛类含量增长较缓（13.88%~18.56%），可能得益于精炼过程中抗氧化剂的添加或杂质的去除。3-甲基丁醛通常来源于支链氨基酸（如亮氨酸）的Strecker降解或支链脂肪酸（如异丁酸）的氧化，其突然积累反映贮藏中后期脂质氧化。在贮藏期间，三级商品油和热处理C-EAEP油的酯类增加，可能与精炼工艺保留酯酶活性或热处理促进脂肪酸与醇类的结合有关。原甲酸三甲酯在热处理C-EAEP油中的含量大幅上升（3.25%~4.02%），可能是热处理加速了酯化反应的动力学进程。同时，热处理C-EAEP油中酸类含量高于未经热处理的C-EAEP油，表明热处理可能通过破坏细胞结构释放更多脂肪酸，或加速氧化酶活性，促进酸类积累。而烷烃类物质（如庚烷、正十二烷）在传统热压油中含量较高且随贮藏下降（7.85%~6.80%），可能因长链烷烃逐渐挥发或氧化分解。热处理C-EAEP油的烷烃类增加（5.41%~6.01%），尤其是1-碘壬烷从4.24%升至4.09%，热处理可能通过脱羧反应释放更多长链烷烃。 

吡嗪类物质和呋喃类物质：吡嗪类化合物是典型的美拉德反应产物，与热处理密切相关。传统热压油的吡嗪类含量较低且变化平缓，而热处理C-EAEP油的吡嗪类富集（8.35%~9.23%），尤其是2,5-二甲基吡嗪（1.25%~2.34%）和2-乙基-3,5-二甲基吡嗪（0.78%~0.30%）。这一趋势表明，热处理通过促进氨基酸与还原糖的反应，增强了吡嗪类风味物质的生成，可能赋予油类更浓郁的烘烤或坚果风味。呋喃类是醛类物质在相对短时低温的条件下Strecker降解反应的产物，对风味的贡献很大。2-戊基呋喃主要来源于亚油酸或2-癸二烯醛的氧化，具有豆香和近似面包的特殊香味，呋喃类化合物（如2-戊基呋喃、2-庚基呋喃）仅在热处理后的C-EAEP菜籽油中检测到，并在28 d时达5.13%，进一步证实热处理诱导的脂质氧化和糖类热降解是呋喃生成的主要途径。 

结论

通讯作者简介

王立峰，男，博士，教授，硕士生导师，南京财经大学科研处副处长。 社会兼职： 中国食品科学技术学会青年委员会副秘书长，中国粮油学会食品分会常务理事，中国营养学会会员，康奈尔大学（美国）食品科学系高级访问学者。 先后入选“国家粮食行业青年拔尖人才”（国家粮食局），江苏省“333”工程中青年科学技术带头人（江苏省委组织部），江苏省“六大人才高峰计划”B 层次培养对象（江苏省人社厅），江苏省“双创博士”计划人选（江苏省科技厅），江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师（江苏省教育厅）。 近年来，坚持致力于粮食资源高值化利用技术研究，着重于全谷物食品中功能成分的分离、功能活性及加工特性研究，薏仁米多酚类物质功能作用评估及机理研究，食品组分中蛋白（肽）作用研究。先后获江苏省高校技术发明二等奖（排名第1），中国粮油学会科学技术奖一等奖获得者（排名第2），南京市自然科学优秀论文二等奖（排名第1）。

（以上信息来自南京财经大学官网）