初榨椰子油加工技術的研究進展

趙津好, 張玉鋒,2,3, 董澤來

(中國熱帶農業科學院椰子研究所1,文昌 571339) (海南省椰子深加工工程技術研究中心2,文昌 571339) (椰子國家工程研究中心3,文昌 571339) (云南農業大學熱帶作物學院4,普洱 665000)

椰子(CocosnuciferaL.),系棕櫚科椰子屬熱帶木本植物,廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區,其各個部位均可加工利用,經濟價值較高,因此享有“生命之樹”的美稱。椰子主要的可食用部分為固體胚乳(椰肉)和液體胚乳(椰子水),其營養價值很高,富含鈣、磷、鉀、維生素、礦物質及氨基酸等,其具體含量可因產地環境等因素而改變[1]。一般情況下,新鮮椰肉中含有脂肪質量分數為35.2%、蛋白質質量分數為3.8%、水質量分數為40.0%;椰漿是由椰子破殼的新鮮椰肉經滅酶后研磨榨汁過濾取得,脂肪和蛋白質質量分數與椰肉相似,分別為35.0%和3.5%;而椰干是由新鮮椰肉經日曬、烘干等方式去除水分獲得,其脂肪質量分數為68%,而其水質量分數僅為2%～3%[2]。椰子油與棕櫚油和動物脂肪一樣,是人們獲取飽和脂肪的主要來源,其中椰子油的飽和脂肪酸質量分數可達90%以上[5]。同時,椰子油還是亞洲南部和東南部居民的最主要的食用油。亞洲和太平洋椰子聯合會(APCC)和菲律賓國家標準(PNS)明確了初榨椰子油(VCO)的定義:即以新鮮成熟椰肉(授粉后12個月大)為原料,通過機械、天然、無論加熱與否的非化學方法,獲得的具有天然椰子香味、無色無異味的植物油脂,其水質量分數通常低于0.1%,且含有微量的生育酚、甾醇等營養伴隨物。VCO的加工工藝主要包括干法和濕法兩大類,其中干法加工是通過冷磨或低溫壓榨從椰蓉/椰干中提取油脂的工藝;而濕法加工則通常借助發酵或酶作用從椰漿中提取油脂的工藝?？傮w來看,濕法工藝具有生產時間短,油脂提取率高,最大程度保留營養伴隨物等優點[6]。

我國是食用油脂消費大國,2021年植物油消耗量3 700余萬t,但自給率僅有30.5%,且呈逐年下降趨勢。相關數據顯示,2020年全球椰子油產量逾300萬t,占植物油產量的3%,其中我國椰子油的年產量達2.4萬t,且近5年來,我國椰子油產量整體呈現增長趨勢。目前,椰子油主要應用于食品領域,占比51%,其次47%用于工業領域[9]。為提高VCO產量,獲得高質量的油脂,國內外眾多學者對其加工工藝和功能活性不斷革新及探索,使得椰子油領域的應用領域日益廣闊。然而,國內椰子油產量不能滿足市場需求,而且原料短缺、油脂品質參差不齊和新技術的應用明顯不足等問題制約了VCO產業的發展[11]。主要從VCO的加工工藝及其品質對比方面綜述國內外相關研究進展,為VCO加工工藝的優化和椰子油產業的可持續發展提供理論支持及參考價值,增進消費者對VCO功能活性的認知。

1 初榨椰子油的加工工藝

干法和濕法是提取VCO的主流加工工藝。其中,干法加工工藝簡單,但生產的椰子油品質較低,油脂的平均提取率約為50%[12];濕法工藝包括凍融離心、酶解法和發酵等眾多加工方式,因提取條件相對溫和,可更充分提取油脂,其最高油脂提取率可達90%及以上且能最大程度保留油脂的營養伴隨物[13]。我國海南省VCO產業發展迅速,但產品質量參差不齊,在一定程度上限制了行業持續健康發展。

1.1 干法

干法提油是椰子油加工的傳統工藝,通常是將椰肉經過日曬或烘干處理后再進行壓榨后獲得椰子油。該工藝中椰肉的水分含量是影響椰子油品質及提取率的關鍵因素,最早是以日曬的方式獲得椰干,然后粉碎后榨油,后來人們開始優化日曬工藝,并開始嘗試新的干燥方式。如Seneviratne等[2]將椰肉進行連續7～14 d,每日8 h日曬獲取椰干,再通過機械榨油的方式提取椰子油,但油脂的提取率低,原料處理條件難以控制,得到的油脂品質較差。為探索更穩定的椰肉干燥條件,Ghani等[14]對比了烘箱和日曬2種干燥方式對VCO提取率和品質的影響,結果發現烘箱干燥法的VCO提取率相對較高,且水分含量、過氧化值及游離脂肪酸含量較低,油脂品質較日曬方式有明顯提高。為進一步優化干法工藝, Mohammed等[12]在35 ℃條件下將椰肉烘干48 h后,利用螺旋桿壓榨的方式,所得VCO提取率達54%,游離脂肪酸僅為0.16%,相比前期研究,該方法榨取的椰子油品質及提取率都有了明顯提升。

干法加工具有工藝簡單、投資成本低等優勢,但干燥過程耗時較長,且椰肉在曬制或干燥過程中容易被黃曲霉菌等微生物污染,從而導致椰子油中游離脂肪酸含量偏高[11];另外,高溫壓榨過程中還會影響油脂的椰香味且使甾醇、多酚等物質喪失其活性。為了改善干法工藝的缺陷,近年來,椰子油加工企業開始嘗試干法與溶劑提取等工藝相結合的方式,但油脂品質無有明顯改觀,因此新型加工工藝有待探索。VCO提取工藝分解圖如圖1所示。

1.2 濕法

1.2.1 超臨界二氧化碳萃取

超臨界二氧化碳萃取是一種新興的油脂制備方法,利用超臨界二氧化碳對天然產物的溶解作用提取油脂[16]。關于超臨界萃取VCO 的最佳條件已取得相關研究進展,如鄭亞軍等[17]優化了該工藝的制備條件,得到了超臨界二氧化碳萃取VCO的最佳條件,在二氧化碳流速為25 L/h、溫度為45 ℃、壓力為35 MPa、萃取時長為60 min的條件下,VCO的提取率為93.24%,油脂呈淡黃色、清澈透亮、椰香味十分濃郁。Ayta?[18]為進一步提高VCO的品質,探索優化超臨界二氧化碳的最佳提油條件,對比了不同溫度及壓力條件下的油脂品質后,發現在壓力在30 MPa、溫度60 ℃且二氧化碳流速為10 g/min的條件下萃取60 min獲得VCO的品質最好,其月桂酸質量分數高達53.19%。

圖1 VCO提取工藝分解圖[15]

雖然超臨界萃取不僅具有操作簡單、快捷高效、條件溫和、綠色環保等優勢,且能獲得高品質的椰子油,但因其是設備造價偏高,難以實現規?；?因此如何降低生產成本將是超臨界萃取工藝的研究重點[19]。

1.2.2 凍融離心工藝

凍融離心是一種利用低溫破壞椰漿(奶)的乳化結構,再借助離心機的高速向心力作用分離油脂層,從而獲得VCO的方法。學者們不僅探索了凍融離心提取油脂的最佳條件,還不斷改善了該凍融離心的工藝流程。早期研究中,Raghavendra等[21]對比了不同溫度處理組(5、10、15、20 ℃)在冷凍6 h后VCO的提取率,結果表明在30 ℃離心條件下VCO的提取率為65%;為提高該工藝的提取率,Oseni等[22]優化凍融離心工藝,將椰漿在0 ℃條件保存下6 h后室溫解凍,離心獲得的VCO提取率為70%;為提高該工藝提取VCO的品質,李瑞等[11]通過在-60 ℃條件下冷凍,65 ℃解凍反復3次之后離心,獲得VCO的提取率為48%,獲得的VCO油脂的水分質量分數低于0.091%,其各項理化指標證明該油脂質量標準高于APCC和我國食用油國家標準。

相比于干法等其他提煉工藝,凍融離心處理條件溫和,其優勢是能保留椰子油中的多酚、VE和甾醇等營養伴隨物,提高了油脂品質,但油脂提取率整體偏低,且生產連續性較差,有必要進一步的優化和升級。

1.2.3 酶解法

酶解工藝利用各種酶的不同特性,通過酶解乳化的方式,使椰漿中穩定結構失衡從而獲得VCO[23]。早期研究中,夏秋瑞等[24]在探索酶解法優化條件的過程中發現,在50 ℃條件下利用纖維素酶水解36 h制備VCO,其VCO提取率可達90%,但VCO的游離脂肪酸含量偏高。近年來,為解決油脂水解酸敗的過程中產生異味的難題,Raghavendra等[21]通過優化酶解工藝,減少油脂中酯類結構水解產生游離脂肪酸的含量,從而獲得高質量VCO。在椰漿中加入質量分數為0.1%的天冬氨酸蛋白酶,并在30 ℃溫度下培養3 h后離心,結果VCO的提取率為80%,其游離脂肪酸質量分數僅為0.14%;Pooi-Pooi等[25]利用提取成熟菠蘿里的蛋白酶獲得的VCO提取率為77%,且其VCO中僅有質量分數0.11%的游離脂肪酸;有學者用0.1%木瓜蛋白酶在55 ℃培養3 h后離心并獲得VCO的提取率為62%,其游離脂肪酸質量分數約為0.1%[12]。為進一步提升酶解工藝提取的油脂品質,董家合等[26]利用復合酶優化酶解工藝,將VCO的提取率提升至83%,且其提取的VCO品質高于APCC標準,進一步驗證了復合酶解工藝在提取VCO中的發展前景。

酶解法工藝是一種綠色環保的加工方式,提取環境相對溫和、無毒[27]。然而,酶解法提取的油脂中水分含量較高,降低了VCO的保鮮期限,同時,增加了油脂水解和被氧化的風險。因此,酶解法提油工藝仍需不斷探尋價格低、產量高的酶種,以獲得可以量化生產的優質工藝。

1.2.4 發酵法

發酵工藝利用微生物發酵技術去掉沉淀物質、發酵脫脂奶(并不適合日常食用)、發酵凝乳等物質后,將上層的VCO回收利用。Srivastava等[28]利用耗氧型乳酸菌發酵,破壞椰漿中的蛋白質肽鍵,從而提取VCO。其具體做法是將椰漿放置在35～40 ℃、濕度75%的條件下發酵,將油脂和蛋白質與水分分離,得到了高質量VCO。為了進一步探索自然發酵與微生物發酵對VCO品質的影響,Oseni等[22]對比自然發酵法和菌種發酵法,將椰肉和水質量比1∶1在70 ℃充分混合5 min后獲取的椰漿并靜置6 h,其中自然發酵法是在40 ℃的條件下發酵16 h后離心,VCO的提取率為68%;而菌種發酵則利用植物乳桿菌在40 ℃培養10 h后離心,VCO最終的提取率約為77%。近年來,學者不斷對發酵工藝進行優化,為獲得高品質VCO,Rohyami等[29]用椰漿為原料,選擇釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)在室溫下發酵24 h,獲得的油脂中水質量分數為0.12%;Mohammed等[12]將菌種發酵工藝加以優化,在椰漿中加入釀酒酵母后,室溫發酵36 h使油脂和水層充分分離,重復提取上層油脂3次,VCO提取率為72%,水質量分數為0.15%。

與傳統的提油工藝相比,發酵工藝比較溫和,制油過程中可以保持油料中蛋白質的活性。然而,發酵法獲得的VCO中的游離脂肪酸普遍含量較高,在一定程度上增加了油脂水解酸敗的機率,影響油脂中的椰香風味及口感。因此,發酵法提取油脂的加工工藝還需不斷優化。

1.2.5 離心法

離心法是利用高速旋轉產生的強大離心力,讓密度不同物質發生沉降或漂浮,加速蛋白質與油脂的分離,使其乳狀液分離,從而提取VCO[30]。Abdurahman等[31]在最佳離心參數60 min(速度7 168 r/min)條件下,VCO的提取率為45.2%;為進一步改善離心法提油工藝,Oseni等[22]探索了離心最佳條件,在室溫下將椰肉與水1∶1混合的混合物離心30 min(速度4 000 r/min),并分離其油脂和乳狀液分離,得到澄清VCO的提取率為54.4%。

離心法提油工藝的優勢是操作簡單、耗時短。但是處理過程中油水分離效果并不明顯,可作為提取油脂的前期處理工藝。因此,為增大油脂加工工藝中VCO的提取率并且提高其提取純度和品質,優化離心加工工藝,并結合多種加工技術的方式仍然需要進一步深入研究。

1.2.6 其他

為攻克不同加工工藝提取的VCO品質差及產量低等難題,不斷有學者對加工工藝進行優化。在早期研究中,有學者嘗試通過單獨變溫和pH處理后離心,加速其水乳分離獲得VCO,但是其油脂品質相對較低[21]。近年來,為了增加VCO的產量且提高VCO品質,Pooi-Pooi等[25]對比微波技術和超聲工藝,在微波450 W(10 min)條件下VCO的提取率為58%,而超聲工藝的VCO提取率僅為22%。為探索新型VCO加工工藝,武林賀等[32]利用真空超聲輔助酶解工藝提取VCO,在真空度0.09 MPa、微波功率800 W、超聲波功率50 W的條件下處理120 s后酶解36 h,可獲得高品質VCO,且提取率為90%以上。

微波工藝可獲得游離脂肪酸含量較少的可食用VCO,且不影響其油脂中的水分及過氧化值指標,是一種簡單、低成本的現代化提油方式[33]。然而微波工藝對VCO的提取率較低,還需進一步優化;單獨改變提取工藝中的pH或者溫度獲得的VCO品質相對較低,其過氧化值和游離脂肪酸含量較高,且VCO的成色氣味較差;超聲工藝提取VCO中的水分含量遠高于行業標準,很大程度影響了VCO的品質及保鮮期限。因此,為提高VCO品質,多種加工工藝結合的方式可納入后期的研究內容,以實現在不影響VCO品質的同時提高VCO產量。

2 初榨椰子油椰子油的品質對比

根據國際行業標準APCC和市場銷售品質要求,VCO中脂肪酸的成分、含量和理化指標可直觀判定VCO的品質優劣。由于各類活性物質的不穩定性,不同加工工藝對VCO的各項指標有一定影響。因此,對比不同工藝提取VCO的各項指標可作為判斷油脂質量的標準。

2.1 脂肪酸含量

VCO對人體健康的益處在于其中鏈飽和脂肪酸(MCFA; C6～C12)含量高,有研究表明VCO中MCFAs含量占其總脂肪酸質量的64%,其中月桂酸(C12∶0)和肉豆蔻酸在VCO中占主要的地位[34]。月桂酸是VCO中主要的中鏈飽和脂肪酸,與長鏈脂肪酸(LCFA; C14～C24)代謝方式不同,大部分的MCFAs,像碳水化合物一樣,不會被輕易的酯化,可被靜脈直接汲取后在肝臟中進行新陳代謝,因此也不會造成脂肪的堆積和凝固,能夠更直接地給人體供能。而且MCFA在不給心血管及其代謝造成壓力的基礎上,可在一定程度上提高身體機能[37]。

不同加工方法提取VCO脂肪酸含量對比見表1。根據APCC標準要求,高品質的VCO中應含有質量分數為45%～56%的月桂酸和質量分數為16%～21%的肉豆蔻酸;超臨界二氧化碳工藝提取的VCO中月桂酸的質量分數最多(53.19%),肉豆蔻酸質量分數為17.34%,該方法提取油脂中棕櫚酸、硬脂酸、油酸等其他脂肪酸含量均符合國際APCC標準且高于市面銷售標準;微波和超聲工藝提取油脂中的月桂酸含量偏低,但其各項脂肪酸含量指標仍符合APCC及銷售標準對VCO的要求;在發酵提油方法中,己酸、辛酸、癸酸含量相對偏高,其中自然發酵工藝中,己酸含量略高于APCC國際標準,而油酸質量分數為0.76%,遠低于APCC標準的4.5%～10.0%且不滿足市場銷售標準;研究數據表明,酶解法提取VCO工藝中的脂肪酸含量符合APCC標準,該方法提取的VCO的脂肪酸含量符合APCC標準;對比其他工藝,離心法和凍融離心工藝提取的油脂中亞油酸含量低于國際標準指標,需要進一步工藝優化。因此,超臨界二氧化碳萃取技術可提取高質量且脂肪酸含量豐富的VCO。

不同加工工藝制備得到的VCO脂肪酸含量不同,進而導致提取油脂的品質有差異,因此結合多種加工工藝提取油脂,可作為進一步優化提油技術的思路。

2.2 理化性質比較

APCC制定的VCO標準比較詳細,對VCO的水分及游離脂肪酸含量較為嚴格,因為降低VCO中的水分及游離脂肪酸含量可延長其儲藏期,并且較低的過氧化值代表該油脂有極佳抗氧化能力。不同加工工藝提取的VCO應是無色且具有椰子香氣的油脂,其理化指標應符合APCC和銷售標準的油脂。不同加工方法提取VCO理化指標的對比見表2,對比濕法工藝,干法提油的過氧化值和游離脂肪酸較高,可一定程度降低其油脂品質及保鮮期限;濕法工藝中的超臨界二氧化碳技術提取的油脂中水分含量和過氧化值指標均較低,是符合APCC及銷售標準的高質量油脂;發酵工藝提取的油脂中過氧化值和游離脂肪酸含量相對其他工藝較高,且略高于市售規格。因此,進一步改善發酵條件、優化發酵工藝、提高VCO品質是必要的;酶解法提取油脂中的游離脂肪酸含量較高,在一定程度上影響VCO的品質也增加了油脂酸敗的幾率;超聲工藝和離心法提取的油脂中,水分含量高于APCC的標準指標,相對較高的水分含量不僅影響VCO的保鮮期限,還增加了油脂水解和被氧化的風險。

表1 不同加工方法提取VCO脂肪酸質量分數/%

對比各種加工工藝,超臨界二氧化碳技術作為新型環保工藝在眾多加工技術中脫穎而出,可提取品質相對較高的油脂,然而其成本高,難以量化生產仍是難題;同時,濕法工藝提取的油脂中可保留大量的多酚和生育酚等物質,因此為防止脂質和蛋白質氧化,還需要改良其抗氧化狀態[39]。為同時提高VCO品質和產量,不同VCO加工工藝的優化和多種工藝優勢集成的加工方式是未來研究重要方向。

表2 不同加工方法提取VCO理化指標對比

2.3 營養價值及功能活性

VCO不僅可被直接食用,還可以被轉化為更有價值的商業產品。早期使用中,人們就發現VCO在可食用和非食用領域都扮演重要角色,比如作為脂肪來源加入到嬰兒食物中,有助于嬰幼兒對脂肪的消化和吸收;作為日常烹飪及食品添加劑,可以在增加食物風味的同時增長食物的保質期限;VCO也可以用于生產可生物降解的洗滌劑等其他清潔產品;VCO還可以用于營養保健品、功能性食品、護膚品的油基及護發素等[40]。

一直以來,VCO的部分中鏈脂肪酸以及多酚等活性物質對人體健康維護和慢性疾病防治等方面有一定的潛力。VCO中脂肪酸獨特的代謝方式有益于減少人體脂肪積累、抑制糖尿病惡化,有助于改善血糖耐受情況,促進免疫系統中血球蛋白的生成,提高人體免疫力[34]。

飽和脂肪酸是人體正常代謝和維持結構功能所必須的物質,然而過量食用也會危害人體健康。2015—2020年美國居民膳食指南(DGA)建議控制每天的飽和脂肪酸攝入量低于總卡路里攝入量的10%,可以通過食用不飽和脂肪酸(尤其是多不飽和脂肪酸)替代,從而避免過度攝入飽和脂肪酸,降低心血管疾病的風險[37]。為更好利用VCO的代謝優勢,平衡飽和與不飽和脂肪酸攝入比例,Jeyarani等[41]等比混合了VCO和大豆油,制備含有ω-3脂肪酸的可可醬,為消費者提供新產品的同時改善了油脂的品質,也為VCO進一步健康發展提供了新思路。

2.3.1 VCO的代謝優勢

VCO可減緩人體脂肪積累且有益于改善阿爾茲海默癥。由于VCO中含有豐富的飽和中鏈脂肪酸,適量攝入VCO可減緩體重的增加,減少脂肪的沉積,同時,可轉變成酮類物質給大腦補充能量。Adeyemi等[42]利用小鼠實驗,證明飲食中適量的加入VCO可改善肥胖患者肝臟結構變化及一些生化指標偏差,從而維持人體健康狀態;有學者指出在85歲以上人群中,大腦中膽固醇的含量可以與人記憶功能成正比,并且提高其膽固醇含量可減少癡呆癥狀,且高膽固醇水平與壽命長短成正相關關系[43]。

2.3.2 VCO緩解慢性疾病

VCO在維護人體健康和減緩慢性疾病的方面有一定益處。由于VCO中含有大量的月桂酸,其主要組成成分于母乳相似,可以增加嬰兒免疫力[44],同時,不同脂肪酸代謝途徑可影響乳汁的組成成分,VCO可加在哺乳期女性飲食中幫助其增強免疫力[45]。

適量攝入VCO不僅有益于抑制糖尿病惡化,改善血糖耐受情況,還可以促進免疫系統中血球蛋白的生成,提高人體免疫力。VCO中的飽和脂肪酸在維護人體健康等方面也起到關鍵作用。有學者研究了月桂酸對促胰島素的作用,其結果表明癸酸(C10)和月桂酸對胰島素分泌的影響最強,對體內血糖濃度的控制效果最好;對比食用其他油脂,食用VCO對胰島素的促進作用更好,并且可以提高胰島素的結合能力,從而起到控制血糖的作用[46]。富含VCO的飲食有益于降低潰瘍性結腸炎和關節腸癌的發病率[47]。同時,相關臨床研究也證明VCO中豐富的多酚含量可以改善癌癥化療患者因輻射引起的炎癥并提高患者的免疫力等作用[48]。因此,全面展開VCO對人體健康特性及保護作用的研究十分必要。

2.3.3 VCO的抗氧、抑菌作用

VCO含有高比例的膳食類多酚物質和月桂酸含量,具有抗氧化特性及抑菌作用。Yeap等[49]對于VCO在體內抗氧化活性加以研究,實驗證明VCO可以在一定程度上減輕油脂成分的過氧化反應同時增加實驗鼠體內可平衡機體氧化的重要物質:超氧化物化酶;月桂酸可以作為致病菌的潛在抗菌素,抑制單核細胞增生性李斯特菌、芽胞桿菌,同時還可阻礙糞腸球菌的生長[50,51]。

2.3.4 VCO的護理潛力

熱帶地區的人們有使用VCO作為天然護理產品的習慣。因其分子結構簡單、分子質量輕,與毛發蛋白有很強的親和力,容易被吸收,在臨床試中也取得不錯的結果。實驗表明,VCO對輕度至中度特應性皮炎的兒童患者的總體治療結果明顯優于礦物油治療[52]。在醫學領域,VCO已被用于治療多種皮膚疾病,及傷口愈合和微生物感染,并有良好的治療效果[53]。因此,VCO在改善生活和造福人類等方面有巨大的潛力,但仍需進一步地深入研究。

3 展望

椰子是亞洲地區國家重要的經濟作物,其加工技術是生產中最重要的環節。目前,我國椰子油行業產量雖保持較高速度增長,但受限于國內椰子供給能力,存在產量不高,品牌單一等問題。近年來,國內外學者在VCO加工方面開展了廣泛的研究,對VCO加工工藝、理化性質及功能應用提供了理論基礎和技術支持。作為一項系統的研究,多方面的深度研究有待提高,如在VCO加工工藝優化和其技術普及、VCO對人體健康及慢性疾病防治等方面,都需要深入探究。

多種VCO加工工藝中在增高VCO提取率的同時也需要加大對其理化性質的控制,減少油脂中可揮發物質及水分的含量,從而增加其保鮮時間。同時應重視VCO對人體健康的影響,尤其影響體內膽固醇含量和對心臟的保護作用,以及月桂酸在人體的吸收代謝方式等方面的臨床研究。進而構建完整的VCO對慢性疾病的防治網絡,在有限的資源下實現經濟價值最大化,使我國成為世界椰子油加工和產品銷售大國。