活性白土在單色光條件下對(duì)大豆油脫色特性的研究

劉 鑫，宋 鵬，李萬振，張春艷，宋云花，于殿宇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

油脂脫色的目的并非理論性地脫盡所有色素，而在于油脂色澤的改善和為油脂脫臭提供合格的原料油品［1-3］。油脂中的色素主要是類胡蘿卜素(其中胡蘿卜素使油脂呈紅色，吸收400～500nm波長范圍的光)，個(gè)別油脂中，還有特殊色素，如棉酚(使油呈深褐色)［4-6］，這些色素都能通過脫色除去，這主要是因?yàn)樗鼈兊姆肿硬粌H有較高的疏水性，而且其環(huán)狀結(jié)構(gòu)能以 π鍵與吸附劑上的某些基團(tuán)相結(jié)合［7-9］。然而目前，絕大多數(shù)植物油加工廠的油脂脫色工藝通常采用吸附脫色法，即利用活性白土具有較強(qiáng)選擇吸附性的特點(diǎn)，吸附油脂中的色素和雜質(zhì)，從而達(dá)到植物油食用的色澤指標(biāo)［10］。然而，脫色過程中會(huì)有少量活性白土殘留于油脂中，影響油脂品質(zhì)［11］。脫色過程的機(jī)理，W iedermann［12］和 Frankel［13］認(rèn)為，活性白土對(duì)色素物質(zhì)的吸附是物理吸附過程，但在實(shí)際使用活性白土脫色過程中，油品經(jīng)脫色后常有異味，習(xí)慣上稱“白土味［14］，影響油脂品質(zhì)，并且脫色后的活性白土中油脂含量高達(dá)30%～35%，回收利用不完全，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。天然日光是很好的自然資源，并且具有一定的能量，在一定的條件下可以破壞類胡蘿卜素的脫色基團(tuán)，達(dá)到降低油脂色澤的目的，而且在生產(chǎn)加工中不會(huì)產(chǎn)生能源與資源的浪費(fèi)，不會(huì)使油脂帶有其他味道，達(dá)到脫色的目的，是理想中的脫色原料。本實(shí)驗(yàn)是采用VIS-450可見光與活性白土協(xié)同作用對(duì)油脂進(jìn)行照射，VIS-450光(波長為450nm的可見光)破壞油脂中有色基團(tuán)而降低油脂的色澤［15］，不但減少活性白土對(duì)油脂的污染，而且節(jié)約資源與能源。本研究在該波長可見光下研究了脫色溫度、時(shí)間、電流強(qiáng)度和攪拌速度等不同脫色條件對(duì)三級(jí)大豆油脫色效率的影響，得到了最佳脫色條件，并采用中心組合設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

大豆油 九三油脂;活性白土 信陽光大;其他化學(xué)試劑 均為分析純。

氙燈光源 北京中教金源科技有限公司;羅維朋比色儀 上海物理光學(xué)儀器廠;離心分離機(jī) 漢謨機(jī)械(上海有限公司)。

1.2 工藝流程

將油重0.5%的活性白土加入到大豆油中，用VIS-450光對(duì)其進(jìn)行照射，待照射完成后，離心分離，取離心后油脂進(jìn)行測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

精確量取50g油樣于24個(gè)100m L燒杯中，分別加入0.5%的活性白土，分成四組，第一組在不同溫度、第二組在不同時(shí)間、第三組在不同電流強(qiáng)度、第四組在不同攪拌速度條件下用VIS-450波長可見光對(duì)油脂進(jìn)行避光照射，然后離心取上清液，采用國標(biāo)GB/T 22460-2008、GBT 5538測(cè)定油脂色澤、過氧化值，平均測(cè)定3組，取平均值。并取已脫色好的150m L大豆油，分別裝入5個(gè)50m L小燒杯中，分別放在不同條件下儲(chǔ)藏210d，另取30m L國家三級(jí)油放在正常儲(chǔ)藏條件下(無光照低溫儲(chǔ)藏)。

脫色率(%)=(C0-C1)/C0×100

式中:C0-脫色前紅值;C1-脫色后紅值。

返色率(%)=(C2-C3)/C3×100

式中:C2-返色后紅值;C3-返色前紅值。

2 結(jié)果與討論

2.1 光照脫色溫度對(duì)油脂品質(zhì)的影響

采用VIS-450、活性白土添加量為0.5%，時(shí)間為25m in分別在不同溫度下對(duì)大豆油進(jìn)行照射，脫色率與過氧化值測(cè)定結(jié)果如圖1所示。

圖1 光照溫度對(duì)油脂色澤及品質(zhì)的影響Fig.1 The impact of temperature on the oil color and quality

由圖1可知，隨著溫度的升高，脫色率逐漸增大，當(dāng)溫度為80℃時(shí)過氧化值達(dá)到最大，之后過氧化值開始逐漸下降。這主要是因?yàn)闇囟饶芗涌旎钚园淄僚c油脂中有色物質(zhì)接觸，進(jìn)而加速對(duì)油脂的脫色，但是如果溫度過高，油脂氧化速度加快，導(dǎo)致色澤加深，對(duì)油脂品質(zhì)造成較大影響，因此，選取80℃為最適溫度。

2.2 光照脫色時(shí)間對(duì)油脂品質(zhì)的影響

采用VIS-450、活性白土添加量為5%，溫度為80℃時(shí)，分別選取不同時(shí)間對(duì)油脂進(jìn)行照射，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著時(shí)間的延長，脫色率逐漸升高。這主要是隨著時(shí)間的延長，大豆油與脫色劑充分接觸，脫色率提高明顯;而20min以后，脫色率、過氧化值的上升趨勢(shì)變緩，說明脫色劑的吸附能力逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，且由于強(qiáng)光照射的存在，脫色過程始終伴隨著油脂的氧化，導(dǎo)致油脂過氧化值升高，并且時(shí)間過長反而對(duì)油脂品質(zhì)影響較大。在20m in時(shí)脫色率已經(jīng)達(dá)到理想脫色的指標(biāo)。因此，為了保證油脂的品質(zhì)，應(yīng)選取20m in為脫色時(shí)間。

圖2 光照脫色時(shí)間對(duì)油脂色澤及品質(zhì)的影響Fig.2 The impact of light time on the oil color and quality

2.3 光照脫色電流強(qiáng)度對(duì)油脂品質(zhì)的影響

采用VIS-450、活性白土添加量為5%，溫度為80℃，時(shí)間為20m in時(shí)，分別選取不同電流強(qiáng)度對(duì)油脂進(jìn)行照射，結(jié)果如圖3所示。

圖3 光照脫色電流強(qiáng)度對(duì)油脂色澤及品質(zhì)的影響Fig.3 The impact of the current intensity on the oil color and quality

由圖3可知，隨著電流強(qiáng)度的增加，脫色率逐漸增大，當(dāng)電流強(qiáng)度為21A與25A時(shí)的脫色率幾乎相同，但是電流強(qiáng)度25A時(shí)油脂品質(zhì)較差。這是因?yàn)橛椭杏猩镔|(zhì)類胡蘿卜素多為異戊二烯單體的共軛烴鏈，在脫色過程中能吸收光的能量，使雙鍵氧化，發(fā)色基團(tuán)結(jié)構(gòu)被破壞從而使油脂色澤下降，但是光照也會(huì)使油脂進(jìn)一步氧化酸敗，導(dǎo)致油脂過氧化值的升高，因此綜合考慮，選取的最適電流強(qiáng)度為21A。

2.4 光照脫色攪拌速度對(duì)油脂品質(zhì)的影響

采用VIS-450、活性白土添加量為5%，溫度為80℃，時(shí)間為20min，電流強(qiáng)度為21A時(shí)，分別選取不同攪拌速度對(duì)油脂進(jìn)行光照脫色，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著攪拌速度的增大，脫色率逐漸增加，并且80 r/m in后脫色率逐漸平緩，這主要是因?yàn)榛钚园淄廖搅擞椭械挠猩镔|(zhì)，隨著攪拌速度的增加，有色物質(zhì)與活性白土的接觸時(shí)間越長，越能較好的達(dá)到脫色的目的，但是攪拌速度過高時(shí)，吸附劑的吸附能力逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，脫色率只能依靠光照緩慢的增加。并且在80 r/m in的轉(zhuǎn)速下，脫色率已經(jīng)達(dá)到了脫色要求，為了降低能源的消耗，轉(zhuǎn)速以80 r/m in最為適宜。

圖4 光照脫色攪拌速度對(duì)油脂色澤及品質(zhì)的影響Fig.4 The impact of stirring speed on the oil color and quality

2.5 不同條件下大豆油返色情況

由圖5可知，處于白熾光下儲(chǔ)存的大豆油色澤變化最大，且與國家三級(jí)油變化程度較接近，由此可知，VIS-450日光與活性白土協(xié)同作用下對(duì)大豆油進(jìn)行脫色后油脂色澤較為穩(wěn)定。

圖5 大豆油不同儲(chǔ)存條件下的返色率Fig.5 Color reversion rate of soybean oil under different storage

2.6 回歸方程的建立與分析

由單因素實(shí)驗(yàn)可以看出在脫色過程中，照射電流強(qiáng)度、溫度、時(shí)間對(duì)油脂脫色效果影響較大，而攪拌速度對(duì)脫色效果影響不大，因此確定電流強(qiáng)度21A，溫度為80℃，時(shí)間為20m in，在此基礎(chǔ)上采用中心組合設(shè)計(jì)(Box-Benhnken)［16］，以電流強(qiáng)度(A)、溫度(B)和時(shí)間(C)為自變量，脫色率(R1)為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。自變量水平編碼見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表1 因素水平編碼表Table1 Code of factors and levels

利用Design Expert 7.0.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3(p＜0.05為顯著)。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到脫色率(R1)對(duì)自變量電流強(qiáng)度(A)、溫度(B)和時(shí)間(C)的回歸方程為:

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Design proposal and experiment result of response surface

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型回歸顯著(p＜0.0001)失擬項(xiàng)不顯著(p＞0.05)，并且該模型 R2=99.75%，R= 99.44%，說明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好，僅有約0.25%的響應(yīng)值的總變異不能用該模型表示。由表3還可以看出，脫色過程中的A2、B2和C2為顯著影響因素。圖6～圖8分別給出了反應(yīng)的電流強(qiáng)度與溫度、反應(yīng)的電流強(qiáng)度與時(shí)間和時(shí)間與溫度的交互作用對(duì)脫色率的響應(yīng)曲面圖。

圖6 電流強(qiáng)度與溫度交互影響對(duì)脫色率的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plots showing the interactive effects of current intensity and temperature on decolorization rate

由圖6可知，脫色率的極值出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在電流強(qiáng)度為20～23A，溫度約為80℃時(shí)，酶活力在97.8%以上。

由圖7可知，脫色率的極值出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在電流強(qiáng)度為20～23A，時(shí)間約為20m in時(shí)，脫色率在97.8%以上。

由圖8以看出，脫色率的極值出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在溫度為75～85℃，時(shí)間為20min時(shí)，脫色率在98%以上。

表3 方差分析結(jié)果Table3 The test results of variance analysis

圖7 電流強(qiáng)度與時(shí)間交互影響脫色率的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plots showing the interactive effects of current intensity and time on decolorization rate

圖8 溫度與時(shí)間交互影響脫色率的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface plots showing the interactive effects of temperature and time on decolorization rate

應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化分析方法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)響應(yīng)結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面尋優(yōu)結(jié)果Table4 Results of response surface optimization

為檢驗(yàn)響應(yīng)面方法所得結(jié)果的可靠性，按照上述整理值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的脫色率為97.8%。預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的良好擬合性證實(shí)了模型的有效性。表明所得出的回歸方程可以很好地反映電流強(qiáng)度、溫度和時(shí)間與脫色率的關(guān)系。因此響應(yīng)面分析法所得到的脫色率條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，在實(shí)踐中具有可行性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在活性白土添加量為0.5%條件下，以VIS-450日光與活性白土協(xié)同作用對(duì)大豆油進(jìn)行脫色研究。由單因素及響應(yīng)面分析得最佳的脫色條件為:電流強(qiáng)度21.3A，溫度78.8℃，時(shí)間18.7min，攪拌速度80 r/m in，得到脫色率為97.8%，經(jīng)測(cè)定僅用白土脫色時(shí)白土中油脂的含量23.7%，而與光協(xié)同作用脫色時(shí)白土中的油脂含量為4.28%，并且脫色后的油脂油色穩(wěn)定，放置時(shí)間長，不易返色。

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