響應(yīng)面法優(yōu)化橄欖油飲液均質(zhì)條件的研究

龔 麗，車(chē)振明

（西華大學(xué)生物工程學(xué)院，成都610039）

橄欖油在地中海沿岸國(guó)家已有幾千年的歷史，在西方被譽(yù)為“液體黃金”，“植物油皇后”，“地中海甘露”[1]，是可以直接食用的植物油。本研究所開(kāi)發(fā)的橄欖油飲液是以橄欖油為原材料，輔以乳化穩(wěn)定劑，運(yùn)用均質(zhì)技術(shù)制作而成的，同時(shí)該橄欖油飲液保留了橄欖油的防癌[2]、預(yù)防心血管疾病[3]及美容[4]等保健功效。本研究旨在研究橄欖油飲液中所用的均質(zhì)技術(shù)對(duì)橄欖油飲液穩(wěn)定性的影響。均質(zhì)技術(shù)是運(yùn)用高剪切力的作用使兩種互不相容的液體均勻、穩(wěn)定地分散成一種液體[5]，而橄欖油飲液的均質(zhì)條件則對(duì)其乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響較大，直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，本研究以乳化穩(wěn)定系數(shù)為指標(biāo)，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)模型[6-7]進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，優(yōu)化該橄欖油飲液的均質(zhì)條件，以期為提高橄欖油飲液產(chǎn)品的穩(wěn)定性研究提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

橄欖油 食品級(jí)，廣元榮生源食品有限公司；蔗糖脂肪酸酯（SE，親水親油平衡值HLB=13） 食品級(jí)，乳化劑，杭州金鶴來(lái)食品添加劑有限公司；硬脂酰乳酸鈉、硬脂酰乳酸鈣、磷酸氫鈣 食品級(jí)穩(wěn)定劑，杭州金鶴來(lái)食品添加劑有限公司。

C25型高速剪切乳化均質(zhì)機(jī) 上海恒川機(jī)械有限公司；800型離心機(jī) 上?；C(jī)械廠；BS110S型電子天平 福州科錫儀器設(shè)備有限公司；UV-2600型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 橄欖油飲液制備工藝 將橄欖油與水按1∶9（V/V）混合，再加入0.9%（m/m）的蔗糖脂肪酸酯以及0.25%（m/m）混合穩(wěn)定劑（硬脂酰乳酸鈣與硬脂酰乳酸鈉的質(zhì)量比為1∶5），將各種原料攪拌均勻，再經(jīng)均質(zhì)和殺菌處理后，裝罐即得成品，工藝流程如圖1所示。

圖1 橄欖油飲液的制備工藝流程圖Fig.1 Flow-chart diagram of the preparation for olive oil drinking liquid

1.2.2 橄欖油飲液均質(zhì)工藝單因素實(shí)驗(yàn) 以乳化穩(wěn)定系數(shù)為指標(biāo)，在均質(zhì)轉(zhuǎn)速為10000r/m in、均質(zhì)時(shí)間為5m in條件下，分別考查均質(zhì)溫度為20、30、40、50、60℃時(shí)對(duì)橄欖油飲液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響；同理在均質(zhì)溫度為50℃，均質(zhì)轉(zhuǎn)速為10000r/m in條件下，分別考查均質(zhì)時(shí)間為6、8、10、12、14min時(shí)對(duì)橄欖油飲液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響；在均質(zhì)溫度為50℃、均質(zhì)時(shí)間為12min條件下，分別考查均質(zhì)轉(zhuǎn)速為10000、13000、16000r/m in時(shí)對(duì)橄欖油飲液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響。

1.2.3 橄欖油飲液均質(zhì)工藝最優(yōu)參數(shù)的確定 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取均質(zhì)溫度、均質(zhì)時(shí)間以及均質(zhì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.4 乳化穩(wěn)定系數(shù)的測(cè)定 測(cè)定橄欖油飲液離心前吸光度A1。將橄欖油飲液樣品于3000r/m in下離心10m in，棄去上層油脂，取中層清液稀釋100倍后，用分光光度計(jì)在210nm波長(zhǎng)下，測(cè)定其吸光度A2。A2與A1的比值即為乳化穩(wěn)定性系數(shù)R，R值越大（極限為1），懸浮粒子在飲液中沉降速度越小，飲料越穩(wěn)定，保存性越好，同時(shí)說(shuō)明配方中物料匹配合理，工藝可行。

2 結(jié)果與分析

2.1 橄欖油飲液均質(zhì)工藝單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 均質(zhì)溫度對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響 由圖2可知，隨著均質(zhì)溫度的升高，橄欖油飲液的乳化穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大；這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)纳郎?，減小了料液顆粒間的阻力，有利于顆粒間的混合乳化，所以乳化穩(wěn)定性提升[8]。而當(dāng)均質(zhì)溫度超過(guò)50℃時(shí)，乳化穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)；根據(jù)斯托克斯公式，顆粒沉降速度與粘度成反比，粘度越小，沉降速度越大，即乳化液越容易分層。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，乳化液粘度降低，影響乳化穩(wěn)定性[8]。另一方面，隨著溫度升高，乳狀顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，相互碰撞的機(jī)會(huì)增加，被破壞的可能性增加，乳化穩(wěn)定性則下降[9]。故當(dāng)均質(zhì)溫度為50℃左右時(shí)，可獲得較高的乳化穩(wěn)定系數(shù)。

圖2 均質(zhì)溫度對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響Fig.2 The influence of homogeneous temperature on homogenizing effect of olive oil drinking liquid

2.1.2 均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響 由圖3可知，當(dāng)均質(zhì)時(shí)間在6～12m in時(shí)，隨著均質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，乳化穩(wěn)定系數(shù)呈明顯增大的趨勢(shì)；這是因?yàn)樵谝欢ǖ木|(zhì)時(shí)間內(nèi)，隨著均質(zhì)時(shí)間的增長(zhǎng)，乳化液顆粒變小，油滴表面積增大，單位質(zhì)量的油滴可以和更多的乳化劑接觸，所以乳化穩(wěn)定性顯著提升[10]。當(dāng)均質(zhì)時(shí)間超過(guò)12m in后，繼續(xù)延長(zhǎng)乳化時(shí)間，乳化穩(wěn)定性呈緩慢下降的趨勢(shì)；這是因?yàn)楫?dāng)顆粒達(dá)到一定粘度，再延長(zhǎng)均質(zhì)時(shí)間，粘度也不會(huì)發(fā)生顯著變化，即乳化穩(wěn)定性不會(huì)再有提升，而只有耗能[8]。而另一方面，本實(shí)驗(yàn)由于采用高速的剪切來(lái)達(dá)到均質(zhì)效果，所以隨著均質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，料液溫度會(huì)不斷上升。當(dāng)均質(zhì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度過(guò)高（70℃左右）時(shí)，乳化液顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，相互碰撞機(jī)會(huì)增加，被破壞的可能性增加，乳化穩(wěn)定性也就隨之降低[9]。故當(dāng)均質(zhì)時(shí)間達(dá)到12min左右時(shí)，可獲得較高的乳化穩(wěn)定系數(shù)。

圖3 均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響Fig.3 The influence of homogeneous time on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.1.3 均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響[11]由圖4可知，當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速在10000～13000r/m in時(shí)，隨著均質(zhì)轉(zhuǎn)速的增大，乳化穩(wěn)定系數(shù)呈增大的趨勢(shì)，且當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速為13000r/m in時(shí)，乳化穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最大值；這是因?yàn)樵谝欢ǖ木|(zhì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，乳狀液顆粒變得更小。而乳狀液顆粒的減小，會(huì)增大乳化液的粘度，提升乳化效率，從而使乳化液變得更加穩(wěn)定[10]。而當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速在13000～16000r/m in時(shí)，隨著均質(zhì)轉(zhuǎn)速的增大，乳化穩(wěn)定系數(shù)呈緩慢減小的趨勢(shì)，且下降幅度也較小。分析此現(xiàn)象，主要有兩方面的原因：一是均質(zhì)轉(zhuǎn)速過(guò)大帶來(lái)發(fā)泡問(wèn)題。過(guò)多的氣泡進(jìn)入乳化液，使乳化液成為三相體系，這不僅影響乳化效率，同時(shí)使乳化液變得不穩(wěn)定；二是過(guò)大的均質(zhì)轉(zhuǎn)速會(huì)帶來(lái)均質(zhì)后期乳化液溫度過(guò)高，這同樣會(huì)降低乳化穩(wěn)定性。故當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速為13000r/m in左右時(shí)，可獲得較高的乳化穩(wěn)定系數(shù)。

圖4 均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)橄欖油飲液均質(zhì)效果的影響Fig.4 The influence of homogeneous speed on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化橄欖油飲液均質(zhì)工藝條件

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果[12-13]在綜合分析單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken[10]中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取均質(zhì)溫度、均質(zhì)時(shí)間、均質(zhì)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)了3因素3水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Design and results of Box-Behnken

利用Design Expert 7.0軟件，以均質(zhì)時(shí)間（A）、均值溫度（B）、均質(zhì)轉(zhuǎn)速（C）為相應(yīng)變量，以乳化穩(wěn)定系數(shù)為響應(yīng)值對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表3回歸方程方差分析表，利用軟件進(jìn)行非線性回歸的二次多項(xiàng)式擬合，得到預(yù)測(cè)模型如下：Y=98.62-0.49A+0.41B+0.28C+0.16AB+0.010AC+1.26BC+0.45A2-1.06B2-2.19C2。

表3 回歸方程方差分析表Table3 Analysis results of regression and variance

從表3可知，實(shí)驗(yàn)所選用模型p值為0.0022，顯著（p＜0.05）。R2越接近1，說(shuō)明模型越能預(yù)測(cè)其響應(yīng)值，此模型的決定系數(shù)R2=0.9350；變異系數(shù)越高，模型的可靠性越低，此模型變異系數(shù)C.V.%=0.62較低。綜上，該模型能很好地解釋響應(yīng)面的變化。

由F值可知各因素對(duì)橄欖油飲液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響程度大小順序?yàn)椋壕|(zhì)時(shí)間＞均質(zhì)溫度＞均質(zhì)轉(zhuǎn)速。二次項(xiàng)B2（均質(zhì)溫度）、C2（均質(zhì)轉(zhuǎn)速）對(duì)響應(yīng)值的影響極顯著（p＜0.01），交互項(xiàng)BC（均質(zhì)溫度和均質(zhì)轉(zhuǎn)速）的影響極顯著（p＜0.01）。

2.2.2 各因素之間的交互作用 圖5顯示當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速為16000r/min時(shí)，均質(zhì)時(shí)間和均質(zhì)溫度對(duì)乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響效應(yīng)。由圖5可知，均質(zhì)時(shí)間和均質(zhì)溫度對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響效應(yīng)的交互效應(yīng)不顯著。當(dāng)均質(zhì)時(shí)間一定時(shí)，隨著均質(zhì)溫度的增加，乳化穩(wěn)定性先上升后下降；當(dāng)均質(zhì)溫度一定時(shí)，隨著均質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，乳化穩(wěn)定性呈緩慢下降后緩慢上升的趨勢(shì)。

圖5 均質(zhì)時(shí)間與均質(zhì)溫度對(duì)乳化穩(wěn)定系數(shù)影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface of homogeneous time and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

圖6顯示當(dāng)均質(zhì)溫度為50℃時(shí)，均質(zhì)時(shí)間和均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響效應(yīng)。由圖6可知，均質(zhì)時(shí)間和均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響效應(yīng)的交互效應(yīng)不顯著，均質(zhì)時(shí)間對(duì)乳化穩(wěn)定性影響不大，在圖中表現(xiàn)為一條平滑的下凹曲線。而均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響較為顯著，圖中曲線先上升后下降，且彎曲幅度較大。

圖6 均質(zhì)時(shí)間與均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of homogeneous time and homogeneous speed on the emulsion stability coefficient

圖7顯示當(dāng)均質(zhì)時(shí)間為12m in時(shí)，均質(zhì)溫度和均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響效應(yīng)。由圖7可知，均質(zhì)溫度和均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響效應(yīng)的交互效應(yīng)顯著。均質(zhì)轉(zhuǎn)速的影響表現(xiàn)為一條先平穩(wěn)上升后急速下降的曲線。而均質(zhì)溫度對(duì)乳化穩(wěn)定性的影響為先上升后下降。

圖7 均質(zhì)轉(zhuǎn)速與均質(zhì)溫度對(duì)乳化穩(wěn)定性影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface of homogeneous speed and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為進(jìn)一步確定橄欖油飲液最佳均質(zhì)工藝參數(shù)，對(duì)所得方程進(jìn)行逐步回歸，可得最優(yōu)工藝參數(shù)：均質(zhì)時(shí)間11.00min，均質(zhì)溫度50.91℃，均質(zhì)轉(zhuǎn)速16342.42r/m in。在此工藝參數(shù)下，乳化穩(wěn)定性理論值可達(dá)99.60%。

為檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化均質(zhì)工藝參數(shù)進(jìn)行橄欖油的乳化，考慮到實(shí)驗(yàn)條件的限制和實(shí)際操作的便利，將均質(zhì)工藝參數(shù)修正為：均質(zhì)時(shí)間11min，均質(zhì)溫度51℃，均質(zhì)轉(zhuǎn)速16000r/m in，在此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，得實(shí)際乳化穩(wěn)定性平均值為98.56%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差為1.04%。說(shuō)明基于響應(yīng)面法所得的優(yōu)化均質(zhì)工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)及響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，擬合均質(zhì)時(shí)間、均值溫度、均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)提高橄欖油飲液乳化穩(wěn)定性[14]的回歸模型，經(jīng)檢驗(yàn)證明該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理可靠，能較好地預(yù)測(cè)橄欖油飲液的乳化穩(wěn)定系數(shù)。因素的主效應(yīng)關(guān)系為：均質(zhì)時(shí)間＞均質(zhì)溫度＞均質(zhì)轉(zhuǎn)速；最優(yōu)工藝條件為：均質(zhì)時(shí)間11m in，均質(zhì)溫度51℃，均質(zhì)轉(zhuǎn)速16000r/m in。在此條件下得實(shí)際乳化穩(wěn)定系數(shù)平均值為98.56%。

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