《Sustainable Food Technology》：The ultrasonic-assisted enzymatic extraction, components and activities of vegetable oils
植物油水酶法（AEE）提取作为一种绿色提油技术，具有操作简单、提取条件温和及油脂品质优良等特点。然而，水酶法提油过程中存在酶解时间长、酶制剂用量大等问题，制约了其工业化应用，而超声辅助技术的引入可有效提升水酶法提油效率。本文详细阐述了超声辅助水酶法提取植物油的机理，重点总结了超声技术在破坏植物细胞结构、提高酶效应及促进水酶法破乳方面的应用，并对植物油中生物活性成分及其健康效益进行了归纳分析，以期为人类健康提供参考。
**1 引言**
植物油是维持机体正常生理活动的重要能量供给物质，富含脂肪酸、甾醇、生育酚等人体所需活性物质，因其在提高免疫力、促进新陈代谢及抗炎抗氧化等方面的积极作用，广泛应用于食品、饲料及化妆品等领域。目前植物油制备方法主要为压榨法、浸出法及预榨-浸出法。压榨法虽无溶剂残留，但饼中残油率高、能耗大，且过度摩擦产热易导致蛋白质变性；浸出法及预压-浸出法残油率低，但存在溶剂残留、原油品质差等问题，需严格精炼，同时伴随环境污染与生产安全问题。随着消费者对高品质食用油需求日益增长，水酶法提取技术应运而生。
本文详细介绍了超声辅助水酶法提取植物油的机理，总结了该技术在植物油提取中的应用及其对油脂品质的影响，并对现存问题与发展方向进行了讨论，同时归纳分析了植物油的组分与生物活性。
**2 超声辅助水酶法提取植物油的机理**
水酶法初始阶段称为水相法，其借助水实现油脂与亲水性组分的分离。水相法对植物油品质损伤小，但提取率低，难以适应工业生产与市场需求。自20世纪70年代起，研究者将水相法与酶法结合，有效提升了提油效率。与传统方法相比，水酶法具有操作简便、安全性高及油脂品质好等明显优势。然而，该方法存在酶解时间长（2–5.5 h）、酶制剂用量大（1.25–3.5%）等局限，制约了其推广与发展。目前，研究者已将水酶法与热处理、微波、挤压及溶剂萃取等多种物理化学辅助技术相结合，协同效果显著，但应用效果各异。对比研究表明，超声辅助技术具有更高效、更环保的优势。超声独特的物理效应可破坏植物油细胞结构及脂-脂复合物，提高酶活性，同时可应用于水酶法破乳过程，降低乳液界面稳定性。超声辅助技术不仅能减少酶用量、缩短酶解时间、显著提高破乳效率，还能减少高温、高压或溶剂残留导致的脂肪酸及生物活性物质氧化损失，更好地保留有益组分。
水酶法是通过添加果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶及蛋白酶等生物酶，破坏油细胞壁或水解脂蛋白、脂多糖等大分子复合物，从而释放油脂的绿色高效提取方法。其主要利用油脂与非油组分（蛋白质、碳水化合物）在水亲和性及密度方面的差异实现三相分离，同步分离油脂与非油组分。
超声辅助技术在水酶法中的应用主要发挥三方面作用：其一，超声通过周期性振荡与空化气泡崩溃产生的微射流等机械效应，生成极端高温、高压及高剪切力，作用于植物细胞壁，增强植物油分离提取过程中的传热传质效应，提高植物组织通透性，更好地破坏油籽细胞及细胞壁结构，促进细胞内容物释放；其二，超声产生的热效应与空化效应等物理效应使酶在反应体系中分散更均匀，增大了酶与底物的接触面积，空化气泡的崩溃可破坏酶分子内的弱相互作用，改变酶的结构与活性，从而提高水酶法提油效率；其三，超声可用于水酶法乳液的破乳，其机械作用驱动乳液中油体碰撞，促使油滴聚结、平均粒径增大，有利于破坏界面膜，降低乳液稳定性，提高破乳效率。
**3 超声辅助水酶法提取植物油的研究**
**3.1 超声对油籽细胞壁作用效果的研究**
植物油籽细胞结构主要包括细胞壁及细胞内原生质体。细胞壁由果胶、纤维素及半纤维素等多糖组成，可维持细胞稳定性并防止胞内组分外泄。成熟油籽细胞的原生质体形成完整的脂质与蛋白结构。以花生为例，细胞中的脂质体充满整个细胞质网络，紧密包裹分散于其中的蛋白体，这些储存性亚细胞器官不断发育形成，促进细胞内大量脂质与蛋白质的积累。因此，破坏植物油细胞结构有助于油脂等有效成分的释放与提取。
研究者对超声破坏植物油细胞结构进行了广泛研究，主要利用空化效应造成含油细胞的结构损伤，提高基质孔隙率并加速细胞壁分解。同时，空化气泡的周期性振荡增大了含油细胞的胞内空间，提高了细胞膜通透性，促进胞内溶解物质的外流。Zhang等研究了超声辅助提取木瓜籽油，结果表明超声处理后木瓜籽油提取率由25.27%提升至32.27%，通过观察油籽微观结构发现，超声空化加剧了提取过程中颗粒间的碰撞，对木瓜籽细胞膜及细胞壁造成严重损伤，导致细胞解体，从而使油脂更易于从细胞中释放。
超声技术与水酶法提油结合，对细胞壁酶解具有协同增效作用，可显著提高提油效率。Wang等对比了超声处理对栀子果水酶法提油的影响，发现超声处理后果实油产率由13.68%提升至17.9%，酶解残渣孔隙及间隙变大、表面更粗糙，这些形态学变化表明细胞结构进一步被破坏，促进了胞内脂质的释放。研究人员在超声耦合酶处理提取花生油的细胞特性变化研究中发现，与单一酶处理及超声处理相比，超声耦合酶处理后细胞壁中果胶、纤维素及半纤维素等多糖发生不同程度解聚，导致细胞壁碎裂程度更大，超声耦合酶解残渣中油脂残留减少，表明超声处理后油脂充分从细胞中释放。综上所述，超声在水酶法提取植物油过程中的应用可加剧细胞屏障的破坏，加速细胞壁多糖的降解，充分释放油脂，有效提升提油效率。
**3.2 超声对酶特性影响的研究**
油籽细胞壁主要由果胶、纤维素及半纤维素等多糖组成。在纤维素酶、半纤维素酶及果胶酶等破壁酶作用下，细胞壁多糖逐渐水解，细胞结构被破坏。同时，中性蛋白酶、碱性蛋白酶等蛋白水解酶水解油脂复合物，破坏其稳定性，从而促进油脂释放。因此，酶效应与水酶法提取效率密切相关。研究表明，在超声辅助水酶法提取植物油过程中，超声的空化效应与机械效应不仅能破坏细胞结构，还能改善酶效应并影响水酶法提取效率。
超声处理的机械效应可改善酶聚合体的分散性，增大酶与底物的接触面积，提高反应速率并缩短反应时间；同时，超声产生的机械效应直接作用于酶分子，驱动氢键、范德华力等弱相互作用改变，使其二级及三级结构发生变化，从而提高酶的活性与稳定性。Li等在超声辅助纤维素酶水解米糠的研究中发现，在超声功率密度1.67 W cm
?3条件下处理30 min，纤维素酶对纤维素的特异性增强，催化活性与效率显著提高，超声促进了纤维素酶在水解体系中的扩散。Ma等研究了超声改性果胶酶的机理，结果表明超声机械效应是酶活性提高的最主要因素，超声功率密度为4.50 W mL
?1、作用时间15 min时果胶酶活性最高。同时对比了不同浓度果胶酶经超声处理后的效果，发现浓度为0.1、1.0及10.0 mg mL
?1时果胶酶活性分别提高了68.24%和20.98%。
超声辅助技术在水酶法提油过程中的应用不仅能提高提油效率，还能有效缩短酶解时间并减少酶用量。Goula等研究了超声辅助酶法提取石榴籽油，发现添加超声处理后反应体系中酶-底物相互作用有效改善，石榴籽油提取率提高18.4%，提取时间缩短91.7%。同时，由于反应体系作用效果的改善，相应减少了酶用量，降低了成本。Al Loman等发现，在酶用量为2 mL g
?1的脉冲超声处理条件下，大豆油产率可由70%提升至81–87%，而无超声处理组需添加约2–4倍酶量才能达到同等提取水平。然而，过度超声产生的物理效应与热效应可能导致酶变性，降低酶解效果，因此超声技术的优化至关重要。研究者对刺桐超声辅助水酶法提油工艺进行了优化，发现在相同反应体积下，超声功率在30–60 W范围内增加时提油率显著提高，但超过60 W后继续增加功率则导致提油率下降。过高超声功率会影响气泡的膨胀与崩溃，降低空化效应，且过高功率会导致酶活性下降甚至失活，从而影响提油效率。因此，分析酶性质并优化超声参数，可最大限度发挥酶的生物催化潜力，提高水酶法提油率。
提取植物油时，超声对酶的影响主要体现在通过物理作用增强酶解效率，但其效果受粒度、酶配比及酶选择等关键因素调控。
**3.2.1 粒度的影响**
粒度越小，提取率越高，但存在临界点。超微粉碎（如80目筛）可显著提高细胞破碎率，有利于酶和超声的作用。过细（>80目）可能导致料液黏度及乳化程度增加，反而降低油脂分离效率。超声可进一步破坏细胞结构，尤其在粒度较小的颗粒中协同效应更为明显，促进油脂释放。
**3.2.2 酶配比的影响**
复合酶比例需优化，不同酶协同作用。纤维素酶破坏细胞壁，蛋白酶降解脂蛋白复合物，两者协同提高油产率。小麦胚芽研究表明，纤维素酶:蛋白酶 = 1:5时油产率最高。米胚油提取中，复合酶添加量在1.2%时达到饱和，更高比例并未显著增加产率。超声可增强酶与底物的接触，在最适酶配比下进一步提高反应速率。
**3.2.3 酶选择的影响**
酶种类直接影响提取效率。在油茶籽油研究中，Alcalase 2.4L（碱性蛋白酶）效果最好，优于纤维素酶、Viscozyme L等。花生油提取中，Alcalase 2.4L及纤维素酶+果胶酶复合体系均表现出高效性。超声在某些条件下可改变酶构象、增强其活性，但过度超声也可能导致酶失活。
超声主要作为预处理或协同手段，其空化效应、剪切力及微搅拌可加速酶解、提高传质效率，但需避免长时间或高功率导致的酶变性或乳化反应。提取植物油时，超声提高酶效率的机制主要包括：破坏细胞壁结构——超声产生的空化效应（微小气泡剧烈崩溃）及机械剪切力可有效破坏植物细胞壁，使胞内油脂更易接触酶，从而提高酶解效率；强化传质——超声促进溶剂与底物的混合，减少扩散边界层，加速酶与底物的接触速率；改善酶与底物的结合——适度超声处理可部分暴露细胞内容物（如油脂），增大酶作用位点，提高水解效率。超声功率对酶活性具有双重效应：低至中功率通常有利，过高功率则可能损伤酶结构。100–400 W范围内，超声可显著提高提油率且酶活性维持较高水平，如米胚油提取中400 W时提取率达峰值（88.3%），酶解仍有效。功率密度建议：若使用实验室超声设备，20–40%振幅（对应中低功率）常用于保护酶活性，如过氧化物酶提取中40%振幅可保留90%以上酶活性。>500 W可能导致局部温度过高及剧烈空化，引起酶变性失活或蛋白质结构破坏。米胚油研究中500 W时提取率显著下降，提示酶或底物可能受损。长期高功率连续处理：即使功率未超标，连续作用也可能因局部高温或自由基产生而抑制酶活性。超声常与水酶法结合，此类工艺中酶浓度通常在2–5%之间，取决于原料及酶类型。棕榈油提取中，纤维素酶用量4.2%（相对物料质量）结合超声辅助时提取率达34.62%；葫芦籽油提取中，酶用量2.5%，超声预处理（55 °C，500 W，6 min）后提取率提升至88.5%；猕猴桃籽油提取中，酶用量2.50%，超声功率400 W，提取率达92.57%。
**3.3 超声对水酶法乳液破乳影响的研究**
水酶法提取植物油过程中，油脂经机械粉碎后，油体中磷脂与油体蛋白、油体肌钙蛋白及油体甾醇蛋白等天然疏水蛋白结合形成界面膜，油脂与蛋白形成稳定的水-油乳液体系，影响油脂分离。解决破乳难题是促进水酶法工业化应用的重要环节。常见破乳方法包括物理破乳、化学破乳、酶法破乳及复合破乳。
超声破乳主要利用其机械作用、空化效应及热效应改变蛋白质的结构特性，导致蛋白与油脂的相互作用及结合能力发生变化，从而降低乳液稳定性、促进油滴聚结。Lu等发现异丙醇联合超声预处理不仅有效将乳化液形成率由5.3%降至2.03%，还显著将油脂回收率由45.62%提升至52.48%。
超声水酶法乳液破乳过程中，超声功率、超声温度及超声时间均影响植物油产率。Li等首次采用乙醇结合超声对乳液进行破乳，优化超声工艺后大豆油回收率可达92.6% ± 3.4%。Hu与Huang等发现，当乳液体积分率为60%、超声功率400 W、温度40 °C、时间30 s时，破乳率由83.93% ± 2.23%提升至96.30% ± 1.20%。同时研究表明，超声-微波辅助破乳效果随乳液体积分率增加而显著提高，体积分率达60%时最高，继续增加则破乳效果降低。
超声技术在水酶法破乳中具有潜在应用价值，但破乳效果取决于超声参数临界值的精确控制。低于临界值时，超声强度增加有利于乳液破乳；高于临界值时，乳液乳化程度加深，降低提油率。目前研究多集中于实验室规模，实验室与大规模生产在反应体积、物料流动及传热传质方面存在显著差异。超声辅助采油技术是利用高频声波（通常>20 kHz）改善油层渗流条件、提高采收率的物理方法，属于三次采油范畴。该技术通过机械振动及空化效应、热作用实现解堵、降黏、防蜡及防垢效果，具有绿色、低能耗及不损伤地层等优势。因此，研究者采用响应面法、人工神经网络等数学模型优化超声辅助提取工艺，可有效提高目标物提取效率并预测超声参数。根据油籽及酶的特性，收集超声破乳参数构建超声参数控制预测模型，以精确调控超声参数，确保工业应用中的最佳提取效果与产品品质。
**4 超声辅助水酶法提取植物油的品质分析**
**4.1 植物油理化特性分析**
油脂品质通常以酸值、过氧化值及皂化值进行评价。酸值与过氧化值越小、皂化值越大，油脂品质越高。超声辅助处理不仅能显著提高水酶法提取植物油的效率，还能改善油脂理化性质。研究者对超声辅助水酶法提取植物油的理化性质进行了研究。
作为预处理方法，超声用于水酶法提油过程对水酶法提取植物油的理化性质具有积极影响。Kumar等采用超声预处理辅助水酶法提取冻干沙棘果油，通过响应面法确定最优超声参数，发现该工艺制备的沙棘果油理化性质优于索氏提取所得油脂。Zhang Yana等对比了超声预处理、冷冻-微波解冻预处理辅助水酶法及压榨法提取芝麻油的品质，结果表明超声辅助水酶法提取芝麻油的酸值和过氧化值均低于另两种方法。虽然作者认为这与该工艺碱性酶解环境可在一定程度上中和游离脂肪酸有关，但后续研究在酸性及中性环境下进行酶解，结果同样表明超声制备的油脂品质良好，验证了超声预处理可改善水酶法提取油脂的理化性质。
此外，超声常作为同步处理方法辅助水酶法提取植物油。研究者对比研究了超声同步酶解与热压榨提取桐油的酸值、过氧化值、碘值及皂化值，发现超声辅助提取避免了高温提取环境，降低了油脂氧化及酸败程度，且油脂碘值和皂化值更高。Dong Yifan等发现，超声辅助酶法提取花生油的酸值和过氧化值高于水酶法提取油脂，推测是因为提取条件较水酶法更为温和，同时补充超声作用会产生瞬时高温促进油脂氧化。
**4.2 植物油组成特性分析**
脂肪酸是油脂的重要组分，也是评价植物油品质的重要指标。脂肪酸包括饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸，其中不饱和脂肪酸具有降血压、降血脂、预防心血管疾病及防癌等生理功能。
与水酶法、压榨法及溶剂法相比，超声辅助水酶法更加绿色高效，有助于保留油脂中多不饱和脂肪酸等敏感组分。Wang Yuhan等研究了超声辅助水酶法提取黑加仑籽油的品质，结果表明超声辅助水酶法提取的油脂反式脂肪酸及饱和脂肪较低，富含对人体有益的ω-3亚麻酸（33.38%）。Wei等对比分析了超声辅助水酶法及溶剂法萃取樟树籽油的脂肪酸组成，结果表明超声辅助水酶法提取的樟树籽油饱和脂肪酸含量较低、单不饱和脂肪酸含量较高。Long等也发现，超声辅助水酶法提取的亚麻籽油不饱和脂肪酸含量较有机溶剂提取法高1.5%。Wang Jin等对比了超声辅助水酶法、机械压榨及超临界流体萃取提取核桃油的差异，发现超声辅助酶法制备的油脂不饱和脂肪酸含量可达90%以上，显著高于另两种工艺。综上所述，超声辅助水酶法更有利于高品质植物油的提取，其脂肪酸组成及含量更符合人体需求。
**4.3 植物油生物活性成分分析**
植物油富含多种生物活性成分，如植物甾醇、生育酚、总酚及角鲨烯等，具有抗氧化、抗炎及增强免疫等作用。
研究者认为超声辅助水酶法提取条件温和，减少了油脂中生物活性成分的损失。同时，超声可降低生物活性物质与胞内蛋白质及多糖的络合程度，促进生物活性成分的释放。Li等采用超声预处理结合分步酶法提取栀子果油，不仅优化了酶解体系，而且所得油脂中生育酚及角鲨烯含量远高于传统溶剂萃取及压榨法。Liu等评价了机械压榨与超声辅助水酶法提取核桃油的品质，结果表明超声辅助水酶法提取的油脂总酚、角鲨烯及植物甾醇含量较高。部分研究者对比了超声辅助水酶法与传统水酶法提取的生物活性成分，同样发现超声辅助水酶法提取的抗氧化活性物质含量更高。Chen等的研究发现，超声辅助水酶法提取的椰子皮油总酚含量较高，表现出更好的抗氧化活性，证明这是由于超声有效破坏了椰子皮的细胞结构、促进了提取过程中细胞内容物的释放。此外，超声的热效应影响油脂品质，过强超声导致体系过热，造成油脂中生物活性物质损失。Moradi与Rahimi等对比分析了水酶法与超声辅助酶法提取葵花籽油的质量，发现超声辅助提取油脂氧化程度较高，生育酚含量显著降低，由553.1 mg kg
?1降至543.5 mg kg
?1。综上所述，超声辅助水酶法提取植物油既能促进油脂细胞中生物活性成分的释放，又能在温和提取条件下最大程度保留生物活性成分。实际应用中应综合考虑超声热效应及机械效应对反应体系的影响，避免因过度超声导致生物活性成分的损失。
**5 总结与展望**
超声辅助技术在水酶法提取植物油过程中的协同效应显著。超声可加速植物细胞壁结构的分解，促进胞内溶解物质的释放。超声作用强度对酶结构具有显著影响，适宜强度有利于维持或增强酶的活性，减少酶用量、缩短酶解时间，提高水酶法处理效率。同时，超声技术在水酶法破乳中具有潜在应用价值，空化效应可降低乳液稳定性、促进油滴聚结，有利于植物油提取，提高水酶法提取效率并有效维持油脂良好品质。
然而，超声辅助水酶法也存在限制其发展与推广的局限。由于超声过程中空化效应、机械效应及热效应的多样性，超声参数难以精确控制，若参数超过临界值将导致油脂降解或异构化，降低油产率及品质，且其机械效应会加剧料液乳化，导致后期破乳困难。此外，超声辅助水酶法所用超声设备成本高、处理量小，从实验室规模放大至工业规模时存在诸多技术问题：实验室规模确定的超声工艺参数在大规模生产中可能需重新优化调整；如何使超声能量在大规模反应体系中均匀分布，避免局部能量过高或过低影响酶解效果与产品品质；大规模生产所需设备投资成本高，增加了生产成本。为实现超声辅助水酶法提取植物油在实际生产中的应用，未来研究需进一步探索超声降解细胞壁、改善酶作用及促进乳液破乳的机理，同时可借助机器学习方法建立超声参数预测模型，根据植物油及酶的特性精确调控超声参数，以最大限度发挥超声在水酶法提取中的应用效果，促进大规模生产应用。
