稻米油分子蒸餾脫酸工藝優(yōu)化

姜紹通，牛春祥，龐 敏，孛瑞超

稻米油分子蒸餾脫酸工藝優(yōu)化

姜紹通，牛春祥，龐 敏，孛瑞超

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

采用分子蒸餾技術(shù)進(jìn)行稻米油脫酸研究。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考察溫度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度對(duì)酸值的影響，得到分子蒸餾脫酸最佳操作條件及二次響應(yīng)面模型，最佳工藝條件為溫度208℃、轉(zhuǎn)速183r/min、進(jìn)料速度2.05mL/min，此時(shí)所得酸值為1.01mg/g KOH。

稻米油；分子蒸餾；脫酸；響應(yīng)曲面法

稻米油(俗稱米糠油)是稻米米糠深加工的主要產(chǎn)品，其甘油三酯中脂肪酸組成約為40%～50%的油酸和30%～40%的亞油酸[1]。約含2%～3%谷維素以及豐富的植物甾醇成分，具有阻止體內(nèi)膽固醇合成、降低血清膽固醇濃度、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌等功能[2-4]。稻米油以其富含的人體必需脂肪酸、谷維素、植物甾醇、VE等純天然活性成分含量，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值超過豆油、菜籽油等，成為繼葵花籽油、玉米胚芽油之后又一新型營(yíng)養(yǎng)健康油，近年來得到國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的青睞。

稻米油在生產(chǎn)過程中由于米糠中脂肪酶活性高，導(dǎo)致毛油酸值較高。傳統(tǒng)稻米油的脫酸工藝采用堿煉脫酸法或普通物理精煉法，堿煉脫酸工藝酸堿消耗大、污染大，且成品油中谷維素及VE等活性物質(zhì)損失嚴(yán)重[5-9]，失去了稻米油特色營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，已逐步被淘汰；普通物理精煉法通常采用間歇式高溫長(zhǎng)時(shí)間水蒸氣蒸餾方法，能耗高、排污大[10-12]，同時(shí)成品油品質(zhì)大大降低，使得脫酸工藝仍是稻米油精煉過程中最重要的環(huán)節(jié)。分子蒸餾是近年來應(yīng)用于油脂脫酸工藝的一種新型清潔生產(chǎn)技術(shù)，其分離作用是根據(jù)不同種類液體分子受熱從液面逸出后，在氣相中其運(yùn)動(dòng)自由程不同這一性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。分子蒸餾是一種非平衡態(tài)下的非常規(guī)蒸餾，尤其是在油脂脫酸工藝上具有受熱時(shí)間短、對(duì)脂肪酸和原油破壞小以及脫出的脂肪酸純度、收率高等其他脫酸方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)，近年來得到了廣泛的開發(fā)與使用，王寶剛[13]利用分子蒸餾對(duì)蠶蛹油進(jìn)行了脫酸研究，取得了很好的效果；馬傳國(guó)[14]對(duì)花椒籽油進(jìn)行分子蒸餾脫酸研究，酸值達(dá)到4mg/g KOH以下。此外，分子蒸餾在國(guó)內(nèi)外也已被廣泛應(yīng)用于高附加值的VE、神經(jīng)酸等的精制工藝中[15-17]。

本實(shí)驗(yàn)采用分子蒸餾法進(jìn)行稻米油脫酸工藝研究，旨在為稻米油的脫酸提供一種環(huán)保高效的新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

毛稻米油(酸值為30.95mg/g KOH)由合肥金潤(rùn)米業(yè)有限公司提供，為正己烷浸出毛油。

95%乙醇、無水乙醚、氫氧化鉀均為分析純；10g/L酚酞指示劑溶液(由95%乙醇配制)；液氮 中國(guó)科技大學(xué)超低溫冷凍實(shí)驗(yàn)室提供；蒸餾水。

分子蒸餾儀(圖1) 德國(guó)UIC gmbh公司。

圖1 分子蒸餾儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of molecular distillation device

1.2 方法

1.2.1 稻米油脫酸

采用上述分子蒸餾儀進(jìn)行脫酸實(shí)驗(yàn)。首先在原料罐中加入原料油，然后進(jìn)行抽真空，待達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，進(jìn)行溫度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度等設(shè)定，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)收集50～60mL重相以進(jìn)行下一步檢測(cè)。分子蒸餾后得到重相和輕相兩部分，重相為脫除游離脂肪酸的油脂，輕相為脫出來的游離脂肪酸。取重相進(jìn)行酸值測(cè)定。

1.2.2 酸值的測(cè)定

參照GB/T 5530—2005《動(dòng)植物油脂：酸值和酸度測(cè)定》進(jìn)行。

1.2.3 分子蒸餾脫酸工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.3.1 單因素試驗(yàn)

在分子蒸餾轉(zhuǎn)速200r/min、進(jìn)料速度2.5mL/min和壓力1.0×10-7MPa條件下進(jìn)行不同溫度(120、150、180、210℃)的分子蒸餾實(shí)驗(yàn)；在分子蒸餾溫度165℃、進(jìn)料速度2.5mL/min和壓力1.0×10-7MPa條件下分別進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速(150、180、210、240r/min)的分子蒸餾實(shí)驗(yàn)；在分子蒸餾溫度165℃、分子蒸餾轉(zhuǎn)速200r/min和壓力1.0×10-7MPa條件下分別進(jìn)行不同進(jìn)料速度(2、3、4、5mL/min)的分子蒸餾實(shí)驗(yàn)。通過上述單因素試驗(yàn)確定后繼響應(yīng)面試驗(yàn)的因素和水平。

1.2.3.2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇合適的因素水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。響應(yīng)面分析法采用多元二次回歸方差擬合因素與響應(yīng)面之間的函數(shù)關(guān)系通過回歸方程分析尋找最佳的工藝參數(shù)。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素影響稻米油酸值的試驗(yàn)結(jié)果分析，選取對(duì)酸值有較顯著影響的3個(gè)因素即溫度、轉(zhuǎn)率、進(jìn)料速度，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)的方案。

試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and their levels used in Box-Behnken experimental design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 蒸餾溫度對(duì)酸值的影響

圖2 分子蒸餾溫度對(duì)酸值的影響Fig.2 Effect of distillation temperature on the acid value of rice bran oil

由圖2可知，在不同溫度的分子蒸餾條件下，稻米油的酸值隨蒸餾溫度的升高而降低，這是由于蒸發(fā)速度隨溫度的上升而上升，稻米油中游離脂肪酸蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致稻米油酸值降低。由于溫度過高會(huì)對(duì)油的品質(zhì)(色澤、稠度、VE等)產(chǎn)生影響，綜合考慮選擇165℃作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)分子蒸餾溫度的考察水平。

2.1.2 分子蒸餾轉(zhuǎn)速對(duì)酸值的影響

由圖3可知，酸值隨轉(zhuǎn)速的加快而降低，在180r/min前酸值隨轉(zhuǎn)速加快而迅速降低，180r/min后酸值隨轉(zhuǎn)速加快降低減緩。原因是在180r/min前，轉(zhuǎn)速越快，刮膜器轉(zhuǎn)速也越快，稻米油在蒸發(fā)面分布的越均勻，有利于蒸發(fā)，而180r/min后稻米油分布均勻程度基本達(dá)到飽和，所以酸值下降減緩。綜合考慮選擇200r/min作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的考察水平。

圖3 分子蒸餾轉(zhuǎn)速對(duì)酸值的影響Fig.3 Effect of rotation speed on the acid value of rice bran oil

2.1.3 進(jìn)料速度對(duì)酸值的影響

圖4 進(jìn)料速度對(duì)酸值的影響Fig.4 Effect of dripping speed on the acid value of rice bran oil

由圖4可知，進(jìn)料速度越快酸值越大，進(jìn)料速度越快，物料在蒸發(fā)面上分布越不均勻，從而導(dǎo)致蒸發(fā)速度降低，使得游離脂肪酸的蒸發(fā)量少，而進(jìn)料速度越慢，工作時(shí)間越長(zhǎng)，物料浪費(fèi)大，以單因素試驗(yàn)及前人實(shí)驗(yàn)[13-17]綜合考慮選擇2mL/min作為分子蒸餾脫酸進(jìn)料速度的考察水平。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 回歸模型的建立

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Box-Behnken experimental design arrangement and corresponding results

根據(jù)響應(yīng)面分析軟件提供的模型，設(shè)溫度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度三因素為自變量，以3次試驗(yàn)所得酸值的平均值為響應(yīng)值。響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。

利用Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)軟件通過逐步回歸對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的酸值對(duì)以上3個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型為：

2.2.2 酸值響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析

表3 響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

由該模型的方差分析表3可見：模型具有顯著性，失擬項(xiàng)不顯著以及RSN＝73.342遠(yuǎn)大于4和R2Adj＝0.9958，可知回歸方程擬合度和可信度均很高，實(shí)驗(yàn)誤差較小，故可用此模型對(duì)分子蒸餾脫酸的工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

圖5 各兩因素交互作用對(duì)酸值影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of three factors on the acid value of rice bran oil

根據(jù)二次回歸方程作響應(yīng)曲面圖，考察所擬合的響應(yīng)面的形狀，分析溫度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度對(duì)酸值的影響。響應(yīng)面和等高線如圖5所示，由圖5a可知，酸值隨著溫度和轉(zhuǎn)速的增加而降低，與單因素試驗(yàn)結(jié)論相符；由圖5b和圖7c可知，酸值隨著溫度和進(jìn)料速度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度的增加均降低，溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)酸值的影響與前面單因素試驗(yàn)結(jié)論相符，由表3方差分析表可知溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)酸值的影響大，因此酸值的變化趨勢(shì)主要由溫度和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，進(jìn)料速度的影響作用小，直觀上其影響作用被溫度和轉(zhuǎn)速對(duì)酸值影響所覆蓋。由圖5及表3可知：模型的一次項(xiàng)溫度x1、轉(zhuǎn)速x2和進(jìn)料速度x3都顯著；交互項(xiàng)也都極顯著；二次項(xiàng)溫度x12、進(jìn)料速度x32都極顯著，轉(zhuǎn)速x22不顯著，表明各影響因素對(duì)分子蒸餾脫酸后的酸值影響不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 19112—2003《米糠油》，三級(jí)油酸值達(dá)到1mg/g KOH，由此模型得到最佳的工藝參數(shù)為溫度208℃、轉(zhuǎn)速183r/min、進(jìn)料速度2.05mL/min，此時(shí)理論預(yù)測(cè)值酸值為1.00mg/g KOH。

為檢測(cè)該模型的可靠性，對(duì)最佳工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，3次平行實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的平均酸值為1.01(mg/g KOH)，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差為1%。因此，基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的最佳工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

以響應(yīng)曲面法對(duì)稻米油進(jìn)行分子蒸餾脫酸工藝優(yōu)化。首先，以單因素溫度、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度考察其對(duì)脫酸效果的影響；在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對(duì)影響分子蒸餾脫酸效果的溫度、轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度等因素進(jìn)行優(yōu)化，得到二次響應(yīng)曲面模型和最佳工藝參數(shù)為溫度208℃、轉(zhuǎn)速183r/min、進(jìn)料速度2.05mL/min，此時(shí)酸值為1.01mg/g KOH，并對(duì)此模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其有效。

本實(shí)驗(yàn)為高酸值稻米油脫酸煉制工藝提供參考，并且為分子蒸餾工藝應(yīng)用于其他油脂的脫酸精煉提供了參考。

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Optimization of Deacidification of Rice Bran Oil by Molecular Distillation

JIANG Shao-tong，NIU Chun-xiang，PANG Min，BO Rui-chao
(Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The deacidification of rice bran oil was studied using molecular distillation. Based on one-factor-at-a-time experiments, Box-Behnken experimental design and response surface methodology were applied to investigate the effects of temperature, rotation speed and dripping speed on the acid value of rice bran oil. A quadratic regression model was built. The optimal molecular distillation conditions were determined as 208 ℃ of distillation temperature, 183 r/min of rotation speed and 2.05 mL/min of dripping speed. After treatment under these conditions, the acid value of rice bran oil was 1.01 mg/g KOH.

rice bran oil；molecular distillation；deacidification；response surface methodology

TS224.6

A

1002-6630(2012)18-0001-05

2011-07-05

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD02B02)；國(guó)家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目(2011KJNZ1148)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11040604Q34)

姜紹通(1954—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：jiangshaotong@yahoo.com.cn