全 文 ：※工艺技术 食品科学 2012, Vol.33, No.22 127
水酶法提取紫苏籽油脂和蛋白质的工艺条件
徐冰冰1,2，王瑛瑶1,*，栾 霞 1，段章群1，刘建学2
(1.国家粮食局科学研究院，北京 100037；2.河南科技大学食品与生物工程学院,河南 洛阳 471003)
摘 要：利用响应面法对水酶法提取紫苏籽油和蛋白的工艺进行优化。在单因素试验基础上，以pH值、温度、酶
添加量、时间为影响参数，油和蛋白得率为响应值，应用Box-Behnken试验建立数学模型，进行响应面分析。结果
显示，拟合得到的方程显著，可以用以预测不同条件下油与蛋白质提取率，水酶法提取紫苏籽油及回收蛋白质的最
优工艺条件为料液比1:4(g/mL)、pH8.94、温度61.3℃、酶添加量(质量分数)为1.5%、时间4.47h，在此条件下，油脂
及蛋白质提取率分别为85.59%、73.43%。
关键词：紫苏籽；水酶法；优化；响应面；油提取率
Optimization of Aqueous Enzymatic Extraction of Oil and Protein from Perilla Seeds
XU Bing-bing1,2，WANG Ying-yao1,*，LUAN Xia1，DUAN Zhang-qun1，LIU Jian-xue2
(1. Academy of State Administration of Grain, Beijing 100037, China；
2. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract：Response surface methodology was employed to optimize the aqueous enzymatic extraction of oil and protein
from perilla seeds. The extraction yields of protein and oil were investigated as a function of six extraction conditions including
enzyme type, solid-to-solvent ratio, pH, temperature, enzyme loading and hydrolysis time. As a result, a mathematic model was
established using a Box-Behnken experimental design. The model was statistically signifi cant and allowed accurate prediction
of extraction yields of protein and oil under various conditions. Alcalase was identifi ed as the best enzyme for the aqueous
enzymatic extraction of oil and protein from perilla seeds and the optimized values of solid-to-solvent ratio, pH, temperature,
enzyme loading, and hydrolysis time for extracting oil and protein from perilla seeds were 1:4, 8.94, 61.3 ℃, 1.5% and 4.47 h,
respectively. Under the optimized conditions, the extraction yields of oil and protein were e 85.59% and 73.43%, respectively.
Key words：perilla seed；aqueous enzymatic extraction；optimization；response surface analysis；oil extraction yield
中图类分号：TS201.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2012)22-0127-06
收稿日期：2012-04-06
作者简介：徐冰冰(1985—)，女，硕士研究生，主要从事生化技术应用于粮油加工研究。E-mail：xubing_1985@126.com
*通信作者：王瑛瑶(1978—)，女，副研究员，博士，主要从事油脂化学与增值加工技术研究。E-mail：wyy@chinagrain.org
紫苏(Perilla frutescens L.)别名荏子、赤苏、红苏等，
唇形科，一年生草本植物[1]。紫苏是我国卫生部首批许可
的既是食品又是药品的60种植物之一[2]，我国紫苏籽年产
量约5～6万吨。紫苏分为药用与油用两类，油用紫苏籽
油脂含量约为50%～60%，蛋白质约占32%[3]。紫苏籽油
是世界上α-亚麻酸含量最高的植物油，有“植物深海鱼
油”的美称[4]，除食用外，还可作防癌和防过敏食品的
功能性原料；紫苏蛋白中谷氨酸、精安酸、赖氨酸的含
量高于其他油料，是一种非常理想的植物蛋白源[5-6]。因
此，紫苏籽加工新技术研究对于紫苏资源利用与新产品
开发具有重要的意义。
目前，国内外油脂的提取方法主要集中于压榨法、溶
剂浸出法及CO2超临界萃取法[7]。近年来，水酶法以其投
资小、能耗低，毛油质量好等特点，在特种油料以及小品
种油料制油中显示出巨大的应用潜力[8-10]。此外，水酶法
提油工艺具有处理条件温和、能同时得到蛋白质和质量较
高的毛油等优点，有利于提高油料资源综合利用率[11-12]。
本实验采用水酶法从脱壳紫苏籽仁中提取油脂和蛋
白质，在单因素试验的基础上，借助于响应面分析法具
有试验周期短、求得回归方程精度高、可用于确定试验
因素及其交互作用在工艺过程中对指标响应值的影响等
优点[13]，以紫苏籽油和蛋白提取率为响应值，研究酶添
加量、pH值、温度和时间等因素对油脂和蛋白质提取率
的影响，以初步确定水酶法提取紫苏籽油和水解蛋白较
为理想的工艺参数和条件，以便为紫苏籽加工新技术研
发提供基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
128 2012, Vol.33, No.22 食品科学 ※工艺技术
紫苏籽仁 天津东方雷格工贸有限公司；纤维素
酶、Alcalase蛋白酶、果胶酶、耐高温淀粉酶、复合纤维
素酶 诺维信公司；木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、酸性蛋
白酶 广西南宁庞博生物工程有限公司；无水乙醚 北
京化工厂。
1.2 仪器与设备
Foss2055型脂肪抽提仪、Foss2010全自动定氮仪、
Foss2010型粗纤维测定仪 丹麦Foss公司；FE 20型实验
室pH计 梅特勒-托利多仪器有限公司；FW135型中草
药粉碎机 天津泰斯仪器特有限公司。
1.3 方法
1.3.1 理化指标的测定
水分测定：采用GB/T 5497—1985《粮食、油料检
验 水分测定法》；粗脂肪测定：采用GB/T 14772—2008
《食品中粗脂肪的测定法》；粗蛋白测定：采用GB/T
15589.2—2008《粮油检验：植物油料粗蛋白质的测定
法》；粗纤维测定：采用GB/T 5009.10—2003《植物类
食品中粗纤维测定法》；灰分测定：采用GB/T 5505—
2008《粮油检验灰分测定法》。
1.3.2 工艺流程
150g紫苏籽粉碎碾磨后加入一定比例的水，搅拌均匀
后，调节体系pH值和温度至酶的最适作用pH值和温度，
搅拌反应一定时间后，加热至80℃条件下保持10min，然
后4000r/min离心15min，分离得到清油Ⅰ、乳状液、水解
液及渣。乳状液采用冷冻破乳的方式，得到清油Ⅱ及渣。
采用下式计算油脂提取率和蛋白质提取率。
油提取率/%＝(原料中油质量－渣中油质量)×100/原
料中油质量
蛋白提取率/%＝(原料中蛋白质量－渣中蛋白质量)×100/
原料中蛋白质量
1.4 试验设计与方法
在选定的酶种类和固液比基础上，以酶解pH值、酶
解温度、酶添加量(质量分数)、酶解时间为因素，开展单
因素试验；根据单因素试验结果，以油及蛋白提取率为
响应值，应用Box-Behnken试验设计，研究上述4个因素
对响应值的影响，进行响应面分析。试验因素及水平编
码表见表1。
表 1 Box-Behnken 试验因素及水平编码表
Table 1 Coded values and corresponding actual values of the
optimization parameters used in Box-Benhnken design
编码水平
因素
X1酶添加量/% X2 pH X3温度/℃ X4时间/h
－1 0.5 7 55 3
0 1.0 8 60 4.5
1 1.5 9 65 6
2 结果与分析
2.1 酶种类的筛选
紫苏籽仁中的成分特点，其油脂含量高达58.35%，
粗蛋白含量31.49%，粗灰分含量则在4.27%，粗纤维含量
仅在1.5%。水酶法提油的原理是通过酶分解植物油料中
富含粗纤维的细胞壁、脂蛋白、脂多糖，从而使油释放
出来[14]，因此，工艺中酶的选用至关重要。本实验比较
了不同酶对油脂提取影响，结果见图1。从图1可知，除
酸性蛋白酶以外，其他酶用于紫苏籽的酶法提油，油脂
提取率都有不同程度的提高；其中油脂提取率增加最显
著的分别是Alcalase碱性内切蛋白酶及耐高温淀粉酶。但
采用耐高温淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、酶酸性蛋白酶
的蛋白质提取率却低于不加酶的对照实验，这是因为这
几种酶的最适作用pH值在4.5～6.0范围内，而这个范围恰
巧接近紫苏蛋白的等电点(pI＝4.4)[15]，因此，体系中蛋白
质溶解度很小，蛋白质大部分以不溶状态存在于渣中。
而木瓜蛋白酶、中性蛋白酶、Alcalase碱性内切蛋白酶
的最适pH值分别为6.5、6.7、8.0，一方面远离紫苏籽蛋
白的等电点，不同程度上提高了蛋白质在体系中的溶解
度，从而易于蛋白酶的作用；另一方面，经蛋白酶降解
后，蛋白质以溶解度受pH值影响较小的、分子量更小的
肽形式存在，经这3种蛋白酶作用后，蛋白质提取率较对
照有不同幅度的增加，尤其以Alcalase碱性内切蛋白酶效
果最为显著。因此，选用碱性内切蛋白酶为水酶法提取
紫苏籽油的酶制剂。
0
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40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8
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1.无酶；2. 耐高温淀粉；3.纤维素酶；4.果胶酶；5.酸性蛋白
酶；6.木瓜蛋白酶；7.中性蛋白酶；8. Alcalase碱性内切蛋白酶。
图 1 酶种类对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.1 Effect of enzyme type on yields of the extraction yields of oil and
protein
2.2 料液比的确定
选用Alcalase碱性内切蛋白酶，在酶添加量1.5%(质
量分数)、酶反应pH8.0、温度60℃、作用时间4h的条件
下，考察料液比对各指标的影响。由图2可以看出，在料
液比1:2～1:6范围内，料液比对油提取率基本没有影响，
但是在料液比为1:2时，蛋白质提取率仅为34.74%，这
是因为料液比低时，体系中水量有限，可以溶解的蛋白
质量也有限；随着料液比增大，蛋白质提取率也相应增
加。为减少蛋白质回收的后续浓缩投入，选用料液比为1:4。
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40
50
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80
90
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1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
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图 2 料液比对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.2 Effect of solid-to-solvent ratio on the extraction yields of oil and
protein
2.3 单因素试验
选用碱性内切蛋白酶为水酶法提取紫苏籽油的酶制
剂，选用料液比为1:4，开展酶解pH值、酶解温度、酶添
加量、酶解时间的单因素试验。
2.3.1 pH值对提取率的影响
在酶解温度60℃、酶添加量1.5%、酶解时间4h的条
件下，考察酶作用pH值对各指标的影响。从图3可看出：
油及蛋白质提取率随着pH值的升高而增加；当pH7.0～
8.0时，油基本稳定，蛋白质在还在递增，这是由于蛋白
质越是远离其等电点提取率越高；而在pH9.0以后，各提
取率均趋于稳定，这是由于pH值远离其等电点一定程度
后，其提取率达到了一个动态平衡的状态，说明pH值高
于9.0后对提取率的作用不再明显，因此实验中选用酶的
pH值选择在8.0～9.0为宜。
50
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80
90
100
6.15 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50
pH
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图 3 酶解pH值对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.3 Effect of pH on the extraction yields of oil and protein
2.3.2 温度对提取率的影响
在酶解pH8.0、酶添加量1.5%、酶解时间4h的条件
下，考察酶作用温度对提取率的影响。从图4可看出：
温度对各指标的影响在55～65℃不明显，但当温度高于
65℃时蛋白质提取率明显下降，这是由于Alcalase碱性内
切蛋白酶的最适作用温度在55～65℃之间，一旦超出这
个范围，其酶活性就会大大降低，因此，选用的酶反应
温度为60℃。
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90
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55 60 65 70
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图 4 酶解温度对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.4 Effect of temperature on the extraction yields of oil and protein
2.3.3 酶添加量对提取率的影响
在酶解pH8.0、酶解温度60℃、酶解时间4h条件下，
考察酶添加量对各指标的影响。从图5可看出：油与蛋
白质提取率与酶的添加量呈正相关，0%～0.5%，急剧
增加；0.5%～1.5%，增幅减缓；但当酶添加量大于1.5%
时，油与蛋白质提取率趋于平稳，同时，考虑到经济成
本，实验中选用酶添加量为1.5%。
20
30
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᮴䝊 0.5 1.0 1.5 1.8 2.0
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图 5 酶添加量对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.5 Effect of enzyme loading on the extraction yields of oil and protein
2.3.4 酶解时间对提取率的影响
40
50
60
70
80
90
100
2 3 4 5 6
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图 6 酶解时间对紫苏籽油及蛋白质提取率的影响
Fig.6 Effect of hydrolysis time on the extraction yields of oil and protein
在酶解pH8.0、酶解温度60℃、酶添加量1.5%条件
下，酶作用时间对各指标的影响见图6。酶作用时间超过
4h以后，再延长所用时间，油与蛋白质提取率不再随时
间延长而增加，因此，选用的酶作用时间为4h。
2.4 响应面试验分析及数学模型的建立
对紫苏籽油水酶法制取工艺的参数优化研究进行响
应面分析，其试验方案设计与结果见表2。
130 2012, Vol.33, No.22 食品科学 ※工艺技术
表 2 Box-Behnken 试验方案设计与结果
Table 2 Box-Behnken experimental design and corresponding results
试验号 X1 X2 X3 X4 Y1油提取率/% Y2蛋白提取率/%
1 －1 1 0 0 78.57 61.43
2 －1 －1 0 0 76.75 50.22
3 1 0 －1 0 80.71 59.84
4 1 －1 0 0 77.1 60.76
5 －1 0 0 －1 76.24 56.66
6 －1 0 1 0 77.98 54.51
7 1 1 0 0 86.26 72.26
8 1 0 1 0 80.56 64.33
9 1 0 0 1 80.28 65.34
10 0 1 0 1 81.69 71.01
11 0 －1 －1 0 77.6 48.8
12 0 0 1 1 78.47 61.6
13 0 0 －1 －1 78.5 58.76
14 0 0 0 0 82.12 66.07
15 0 1 －1 0 78.45 66.34
16 1 0 0 －1 82.06 66.54
17 0 1 0 －1 81.38 67.81
18 0 0 －1 1 75.46 60.74
19 0 －1 1 0 77.08 56.62
20 －1 0 －1 0 77.23 55.53
21 0 0 0 0 81.78 65.75
22 0 －1 0 －1 76.96 53.68
23 0 0 0 0 82.25 67.17
24 －1 0 0 1 80.65 56.74
25 0 1 1 0 81 73.84
26 0 －1 0 1 77.78 51.62
27 0 0 1 －1 77.06 61.68
采用Design Expert软件，对表2中的试验数据进行分
析，建立回归模型，得到油及蛋白质提取率对编码自变
量酶添加量、pH值、温度、时间的二次多项回归方程分
别为Y1、Y2：
Y1＝82.05＋1.63X1＋2.01X2＋0.35X3＋0.18X4－
0.72X1
2－1.19X22－2.50X32－1.70X42＋1.83X1X2－0.22 X1X3－
1.55X1X4＋0.77X2X3－0.13X2X4＋1.11X3X4
Y2＝66.33＋4.50X1＋7.58X2＋1.88X3＋0.16X4－
3.34X1
2－2.06X22－3.54X32－2.34X42＋0.072X1X2＋1.38X1X3－
0.32X1X4－0.08X2X3＋1.32X2X4－0.52X3X4
进一步对该回归模型进行显著性检验，油提取率及
蛋白质提取率的方差分析结果分别见表3。
由表3可知，两个指标的模型回归都是极显著(P＜
0.001)，失拟项不显著，并且两模型分别是R2Y1＝0.9311，
R2AdjY1＝0.8508、R2Y2＝0.9443，R2AdjY2＝0.8792；说明该模型
与实验拟合良好，自变参数与响应值之间关系显著，实
验干扰因素较小，此模型可以用来分析和预测Alcalase碱
性蛋白酶提取紫苏籽油相应值的结果。由F检验可以得到
因素影响大小顺序皆为：X2＞X1＞X3＞X4，即：酶解pH
值＞酶添加量＞酶解温度＞酶解时间。方差分析结果与
实验拟合良好说明该此模型可以用来分析和预测Alcalase
碱性蛋白酶提取紫苏籽油及水解蛋白质的响应值结果。
表 3 油及蛋白质提取率的回归方程方差分析结果
Table 3 Analysis of variances for the fitted regression models for the
extraction yields of oil and protein
方差
来源
油提取率 蛋白提取率
总和 均方 F值 P值 总和 均方 F值 P值
模型 151.60 10.83 11.59 ＜0.001*** 1088.97 77.78 14.52 ＜0.001***
X1 31.85 31.85 34.10 ＜0.001*** 242.82 242.82 45.33 ＜0.001***
X2 48.32 48.32 51.73 ＜0.001*** 689.93 689.93 128.81 ＜0.001***
X3 1.47 1.47 1.57 0.2336 42.45 42.45 7.93 0.0156*
X4 0.38 0.38 0.40 0.5366 0.31 0.31 0.057 0.8148
X1
2 2.76 2.76 2.95 0.1116 59.47 59.47 11.10 0.0060**
X2
2 7.55 7.55 8.09 0.0148* 22.64 22.64 4.23 0.0622
X3
2 33.47 33.47 35.83 ＜0.001*** 66.66 66.66 12.45 0.0042**
X4
2 15.44 15.44 16.52 0.0016** 29.12 29.12 5.44 0.0380*
X1X2 13.47 13.47 14.42 0.0025** 0.021 0.021 3.925×10－3 0.9511
X1X3 0.20 0.2 0.22 0.6498 7.59 7.59 1.42 0.2569
X1X4 9.58 9.58 10.25 0.0076** 0.41 0.41 0.076 0.7868
X2X3 2.36 2.36 2.52 0.1382 0.026 0.026 4.779×10－3 0.9460
X2X4 0.065 0.065 0.070 0.7964 6.92 6.92 1.29 0.2780
X3X4 4.95 4.95 5.3 0.0400* 1.06 1.06 0.20 0.6642
残差 11.21 0.93 64.28 5.36
失拟差 11.09 1.11 18.83 0.0515 63.17 6.32 11.39 0.0834
纯误差 0.12 0.059 1.11 0.55
总和 162.81 1153.25
R2 0.9311 0.9443
R2Adj 0.8508 0.8792
注：***.差异极显著 (P＜ 0.001)；**.差异高度显著 (P＜ 0.01)；*.差
异显著 (P＜ 0.05)。
图7表示关于油提取率的各因素交互影响，从图中
可以看出X1、X2、X32的偏回归系数极显著，说明酶添加
量、酶解pH值对指标的提取率有极显著影响；X1X2、
X1X4、X2 X4、X3 X4、X22、X42的交互作用明显，说明实验
因素对响应值不是简单的线性关系，试验因素对响应值
有显著影响。
图8表示蛋白质提取率的各因素交互影响，从图中
可以看出X1、X2的偏回归系数极显著，即酶添加量、酶
解pH值对指标的提取率有极显著影响；X3、X22、X32、X42
的交互作用明显，说明酶解温度对响应值有显著影响。
83.236
2
81.496
1
79.756
0
78.015
9
76.275
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0.5
0.0
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1.0 1.0
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0.0
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※工艺技术 食品科学 2012, Vol.33, No.22 131
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81.3758
79.7912
78.2067
76.6221
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0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
pH
ᯊ䯈
82.8937
81.3821
79.8704
78.3587
76.8471
⊍
ᦤ
প
⥛
/%
e.ᯊ䯈ϢpH值
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
⏽ᑺ
ᯊ䯈
82.0718
80.6935
79.3153
77.9370
76.5587
⊍
ᦤ
প
⥛
/%
f.ᯊ䯈Ϣ⏽ᑺ
图 7 油提取率的各因素交互影响的响应面图
Fig.7 Response surface plots showing the effects of extraction
conditions on the extraction yield of oil
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
73.4155
67.2921
61.1688
55.0454
48.9221
pH 䝊⏏
ࡴ䞣
㲟
ⱑ
ᦤ
প
⥛
/%
a.䝊⏏ࡴ䞣ϢpH值
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
68.4191
64.9277
61.4364
57.9451
54.4537
⏽ᑺ
䝊⏏
ࡴ䞣
㲟
ⱑ
ᦤ
প
⥛
/%
b.⏽ᑺϢ䝊⏏ࡴ䞣
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
67.8426
64.8009
61.7592
58.7175
55.6758
ᯊ䯈
䝊⏏
ࡴ䞣
㲟
ⱑ
ᦤ
প
⥛
/%
c.䝊⏏ࡴ䞣Ϣᯊ䯈
72.0741
66.8533
61.6325
56.4117
51.1908
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
pH
⏽ᑺ
㲟
ⱑ
ᦤ
প
⥛
/%
d.⏽ᑺϢpH值
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
72.0843
67.3621
62.6398
57.9176
53.1954
ᯊ䯈
pH
㲟
ⱑ
ᦤ
প
䞣
/%
e.ᯊ䯈ϢpH值
132 2012, Vol.33, No.22 食品科学 ※工艺技术
66.5761
64.4076
62.2391
60.0706
57.9021
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0 1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
⏽ᑺ
ᯊ䯈
f.ᯊ䯈Ϣ⏽ᑺ
㲟
ⱑ
ᦤ
প
⥛
/%
图 8 蛋白质提取率各因素交互影响的响应面图
Fig.8 Response surface plots r showing the effects of extraction
conditions on the extraction yield of protein
2.5 验证实验
采用Design Expert软件，分析得到的最优条件是：
pH8.94、温度61.3℃、酶的添加量1.5%、时间4.47h，在此
条件下，油脂及蛋白质提取率分别为85.59%、73.43%。
为了便于实际操作，选用的条件为：pH9.0、温度60℃、
酶添加量1.5%、时间4.5h，在此条件下，油及蛋白质提取
率的实验验证值分别85.91%、73.39%，实验结果与理论
预测值吻合，误差在误差范围(＜0.5%)内，可以使用。
3 结 论
本研究运用响应面法对水酶法提取紫苏籽油同时回
收水解蛋白质的工艺进行优化，通过 Box-Behnken试
验设计建立数学模型，并进行响应面分析，得出酶添加
量、酶解pH值对油脂和蛋白质提取率有极显著影响，其
中最优工艺条件为料液比1:4、pH8.94、温度61.3℃、酶
添加量1.5%、时间4.47h。本实验所得油脂提取率与蛋白
质提取率低于花生、油菜籽等油料的水酶法提油结果，
后续工艺中可在酶的选择以及工艺路线设计上做进一步
改进，以提高水酶法应用于紫苏籽时油脂和蛋白质的提
取率。
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