響應(yīng)面法優(yōu)化山杏仁脫苦工藝的研究

張喬會(huì)，李 軍，逄錦慧，崔 潔，王建中，*

(1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，林業(yè)食品加工與安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，林木生物質(zhì)化學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

苦杏仁為薔薇科杏屬Armeniaca植物帶苦味種子或種仁的統(tǒng)稱，廣義而言包括西伯利亞杏 A.sibirica、毛杏 A.sibirica var.pubescens、杏 A.vulgalis、野杏A.vulgalis var.ansu、東北杏A.mandshurica及光葉東北杏A.mandshurica var.glabra等。我國的苦杏仁產(chǎn)量全世界首屈一指，在國際堅(jiān)果市場(chǎng)中占有重要的地位［1］?？嘈尤薁I養(yǎng)價(jià)值豐富，含有多種營養(yǎng)成分如蛋白、油脂、無機(jī)元素等［2-7］。

苦杏仁中的苦味主要來自它所含的苦杏仁苷，脫苦是苦杏仁加工生產(chǎn)中必須的工藝流程［8-9］，苦杏仁傳統(tǒng)脫苦常用冷水拔苦法、去皮冷水拔苦法［10］、酸處理法［11-12］、堿處理法［10］、清水熱燙法等方法。傳統(tǒng)脫苦方法具有能耗水耗大，或脫苦時(shí)間長，或環(huán)境污染重等缺陷。減壓輔助脫苦對(duì)苦杏仁脫苦來說是一個(gè)全新的方法，和傳統(tǒng)工藝操作方法上具有顯著的不同，但都是將苦味物質(zhì)苦杏仁苷分解以去除苦味［13］。利用該方法可以大幅度地加速苦杏仁苷的分解，同時(shí)可以回收得到苦杏仁香精。我國苦杏仁資源量極大，年產(chǎn)杏核20余萬t［1］，研究苦杏仁脫苦，對(duì)苦杏仁深加工，如制作杏仁露、杏仁粉等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

苦杏仁 購自河北承德地區(qū)的山杏仁，經(jīng)鑒定為西伯利亞杏Armeniaca sibirica的種子，娃哈哈純凈水，色譜純甲醇，色譜純苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品。

SHZ-88A水浴鍋 太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;RE-5203旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;METTLER TOLEDO電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;島津DGU-20A3高效液相色譜 日本島津公司;臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;冷凍干燥機(jī)FD-1 北京德天佑科技發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 減壓脫苦工藝流程 將苦杏仁置于約2倍重量的沸水中漂燙1～2min，撈出后去除種皮，然后按料液比1∶8-1∶16(W/V)的比例加入純凈水，置于膠體磨中打漿7min;取180mL的漿液置于1000mL的帶水浴的旋蒸瓶中，設(shè)置水浴鍋溫度和真空度，開始真空減壓旋蒸脫苦。

1.2.2 脫苦所得漿液感官評(píng)價(jià) 對(duì)旋蒸所得漿液進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，每隔一段時(shí)間品嘗一次，直至無苦味，以此找出不同溫度、不同真空度、不同料液比下的最短旋蒸時(shí)間。各處理隨即編號(hào)后由十名經(jīng)過良好培訓(xùn)的感官評(píng)判人員來評(píng)定打分，然后計(jì)算平均值。口感苦味等級(jí)分為極苦:分值為0～25(D級(jí))、苦:分值為25～50(C 級(jí))、微苦:分值為50～75(B 級(jí))、無苦味:分值為75～100(A級(jí))四個(gè)級(jí)別。

1.2.2.1 樣品苦杏仁苷含量的測(cè)定 利用高效液相色譜對(duì)未脫苦的漿液和脫苦評(píng)分后所得A、B、C、D級(jí)樣品分別測(cè)定其中苦杏仁苷的含量，操作流程為:取適量真空濃縮處理后和未處理的打漿液置于培養(yǎng)皿中，經(jīng)真空冷凍干燥得干粉，脫脂。精確稱取脫脂干粉10g，150mL乙醇回流30min，離心，取上清液減壓抽濾，揮發(fā)至干，甲醇溶解定容至50mL容量瓶中。取2mL定容溶液過0.2μL微孔濾膜入式樣瓶，通過高效液相色譜手動(dòng)進(jìn)樣檢測(cè)。

1.2.2.2 高效液相色譜標(biāo)準(zhǔn)曲線 精密稱取苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品100mg，甲醇溶解，50mL容量瓶定容，濃度為 2.0mg/mL。依次稀釋得到 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8mg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)溶液，微孔濾膜過濾。用高效液相色譜檢測(cè)，得到樣品含量和峰面積之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，濃度與峰面積成線性關(guān)系。色譜條件為，C18柱(4.6mm ×150mm);流動(dòng)相:甲醇∶水(20∶80);檢測(cè)波長 210nm;流速:1mL/min;柱溫:室溫;進(jìn)樣量:10μL。

1.2.2.3 樣品中苦杏仁含量的計(jì)算 樣品中苦杏仁苷的含量=50x0/10000×100%，x0為液相色譜檢測(cè)所得的樣品對(duì)應(yīng)的苦杏仁苷的濃度。

1.2.3 脫苦預(yù)實(shí)驗(yàn) 由于苦杏仁減壓法脫苦鮮見報(bào)道，而據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，溫度是影響脫苦效果極為重要的因素，所以在較大的溫度范圍內(nèi)，即從30℃到90℃每隔15℃為一梯度差做了脫苦預(yù)實(shí)驗(yàn)，并設(shè)定常壓、-0.05MPa、-0.09MPa作對(duì)照進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。其他條件設(shè)定為料液比1∶10，真空度為-0.09MPa，脫苦時(shí)間為無苦味時(shí)所需的時(shí)間，30、45、60、75℃脫苦時(shí)平均每10min檢測(cè)一次苦味的變化;90℃下2min檢測(cè)一次。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 選擇脫苦時(shí)間、液料比、添加檸檬酸的濃度、真空度為單因素變量，分別確定各因素的最佳水平，為響應(yīng)面設(shè)計(jì)確定因素水平提供支持。

從字形特征與書寫風(fēng)格來看，郭店楚簡(jiǎn)的內(nèi)容不是單一的，而是雜糅了不同地域特征的文獻(xiàn)。周鳳五先生曾從字體的角度將郭店楚簡(jiǎn)的內(nèi)容分為四類，明確指出第四類與齊國文字的特征最為吻合[7]。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，郭店簡(jiǎn)中《語叢一》、《語叢二》、《語叢三》以及《唐虞之道》、《忠信之道》較多地保留了齊魯文字的特征。

1.2.4.1 脫苦時(shí)間 設(shè)置減壓脫苦的溫度為80℃，檸檬酸濃度為0.2g/L，真空度為-0.09MPa，取200mL打漿苦杏仁液，置于1000mL旋蒸瓶中，選擇脫苦時(shí)間為 25、20、15、10、5min，真空濃縮所得脫苦杏仁漿液由評(píng)判人員感官評(píng)價(jià)，確定級(jí)別和分值。

1.2.4.2 液料比 設(shè)置真空濃縮的溫度為80℃，真空度為-0.09MPa，脫苦時(shí)間為15min，檸檬酸濃度為0.2g/L，取200mL與水以不同的液料比打漿苦杏仁液置于 1000mL旋蒸瓶中，選擇液料比 6、8、10、12、14(mL/g)進(jìn)行真空濃縮，所得脫苦杏仁漿液由評(píng)判人員感官評(píng)價(jià)，確定級(jí)別和分值。

1.2.4.3 檸檬酸濃度 設(shè)置真空濃縮的真空度為-0.09MPa，脫苦時(shí)間為15min，取200mL打漿苦杏仁液，置于1000mL旋蒸瓶中，選擇添加的檸檬酸濃度分別為0.05、0.08、0.1、0.2、0.3g/L 進(jìn)行真空濃縮，所得脫苦杏仁漿液由評(píng)判人員感官評(píng)價(jià)，確定級(jí)別和分值。

1.2.4.4 脫苦溫度 設(shè)置真空濃縮的真空度為-0.09MPa，脫苦時(shí)間為15min，檸檬酸濃度為0.2g/L，取200mL與水以液料比10(mL/g)的比例打漿苦杏仁液，置于1000mL旋蒸瓶中，選擇脫苦溫度為70、75、80、85、90℃進(jìn)行真空濃縮，所得脫苦杏仁漿液由評(píng)判人員感官評(píng)價(jià)，確定級(jí)別和分值。

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 選擇濃縮時(shí)間、液料比、檸檬酸濃度和真空度為四個(gè)因素，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)［14-18］，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)水平值。

表1 響應(yīng)面分析因素水平表Table1 Analytical factors and levels for RSA

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel 2007軟件及Box-Behnken軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品苦杏仁苷含量的測(cè)定

結(jié)果表明，苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品在0.02～0.1mg/mL范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的峰面積與苦杏仁苷濃度成線性關(guān)系，得到的回歸方程為:

y=1E+0.7x-319893 R2=0.9995

式中:y-苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品在高相液相色譜中的峰面積;x-苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品的濃度，mg/mL。

圖1 苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of Laetrile

經(jīng)檢測(cè)，苦杏仁中苦杏仁苷的含量為4.45%;評(píng)分D級(jí)的樣品中苦杏仁苷的含量為4.45%～3.16%;評(píng)分C級(jí)的樣品中苦杏仁苷的含量為3.16%～1.57%;評(píng)分B級(jí)的樣品中苦杏仁苷的含量為1.57%～0.43%;評(píng)分A級(jí)的樣品中苦杏仁苷的含量為0.43%～0。經(jīng)過對(duì)評(píng)分后的樣品進(jìn)行液相檢測(cè)可知，對(duì)脫苦產(chǎn)品的苦味評(píng)分符合實(shí)際，具有可操作性，可以作為評(píng)判依據(jù)。

圖2 苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品液相色譜圖Fig.2 Liquid chromatogram of standard Laetrile sample

圖3 樣品液相色譜圖Fig.3 Liquid chromatogram of sample

2.2 減壓脫苦預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

初步減壓脫苦實(shí)驗(yàn)表明，與常壓脫苦相比，減壓脫苦明顯縮短脫苦時(shí)間;在真空度維持在-0.09MPa的情況下，隨著溫度的上升，脫苦時(shí)間明顯縮短。

表2 減壓脫苦預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of preliminary test for reduced pressure debittering

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 確定最佳的脫苦時(shí)間 圖4表明，脫苦效果隨著時(shí)間的增加而提高，當(dāng)時(shí)間為15min時(shí)評(píng)分為85.8，已經(jīng)達(dá)到無苦(A等級(jí))的要求了，且變化趨于平緩，20min評(píng)分86.3和25min評(píng)分86.9和15min時(shí)相差不大，推測(cè)可能是因?yàn)榭嘈尤手械目嘈尤受栈痉纸馔戤?。根?jù)節(jié)約能耗和縮短時(shí)間的要求，選擇15min為最佳的脫苦時(shí)間。

2.3.2 確定最佳的液料比 圖5表明，在液料比6至10時(shí)，脫苦效果隨著液料比的增加而提高，隨后開始下降，當(dāng)液料比為16時(shí)脫苦評(píng)分88，與液料比為10時(shí)脫苦評(píng)分87.3，相差不大。液料比為6時(shí)評(píng)分為74分，基本無苦了，說明液料比對(duì)脫苦效果影響不大。且液料比為10時(shí)已經(jīng)滿足需求了，所以選擇液料比10為最佳的液料比。

圖4 時(shí)間對(duì)脫苦效果的影響Fig.4 Effect of time on removal of bitterness

圖5 液料比對(duì)脫苦效果的影響Fig.5 Effect of ratio liquid to material on removal of bitterness

2.3.3 確定最佳的檸檬酸濃度 圖6表明，在0.05～0.2g/L之間，隨著檸檬酸的濃度增大，脫苦效果逐步提高，當(dāng)檸檬酸濃度為0.2g/L時(shí)已經(jīng)達(dá)到無苦味的效果，且趨于平緩，0.3g/L和0.2g/L差別很小。推測(cè)可能是因?yàn)楫?dāng)檸檬酸在0.2g/L時(shí)，已經(jīng)能夠滿足酸催化苦杏仁苷分解的反應(yīng)要求，所以選擇0.2g/L作為最佳的檸檬酸濃度。

圖6 檸檬酸濃度對(duì)脫苦效果的影響Fig.6 Effect of citric acid concentration on removal of bitterness

2.3.4 確定最佳的脫苦溫度 圖7表明，在70～85℃時(shí)，隨著溫度的增高脫苦效果逐步提高，在80℃后脫苦效果趨于平緩，提高不大。70～75℃時(shí)脫苦評(píng)分從55.7提高到63.3，75～80℃時(shí)脫苦評(píng)分從63.3提高到84，80～85℃時(shí)，脫苦評(píng)分由84 分提高到85.5，90℃時(shí)為85.2，80℃已能滿足要求。為節(jié)約能源，選擇80℃為最佳的脫苦溫度。

圖7 溫度對(duì)脫苦效果的影響Fig.7 Effect of temperature on removal of bitterness

2.4 響應(yīng)面分析結(jié)果討論

2.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 以脫苦時(shí)間(X1)、液料比(X2)、檸檬酸濃度(X3)和脫苦溫度(X4)為自變量，脫苦后評(píng)分(Y)為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 3 Program and experimental results of RSA

利用Design-Expert7.1.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，得到擬合回歸方程為:

Y=87.12+10.44X1-0.41X2+4.38X3+9.96X4+0.13X1X2+0.075X1X3-4.07X1X4+0.075X2X3+0.87X2X4+0.57X3X4-5.06X12-2.51X22+5.46X32-8.31X42。決定系數(shù)R2=0.9204，說明該回歸模擬實(shí)驗(yàn)的擬合情況良好，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值比較接近，通過方差分析及相關(guān)的系數(shù)考察模型的可靠性。

2.4.2 方差分析 由方差分析可知，模型在p≤0.01時(shí)水平差異顯著，因變量與自變量之間的線性關(guān)系顯著(R2=0.9204)，較好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表4可以看出，X1、X3、X4、X42為極顯著影響因素，X12、X32、X1X4項(xiàng)為顯著影響因素。通過對(duì)Y的回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可知，各因素對(duì)脫苦效果影響的大小順序?yàn)?脫苦時(shí)間(X1)＞脫苦溫度(X4)＞檸檬酸濃度(X3)＞料液比(X2)。

2.4.3 響應(yīng)面分析 根據(jù)擬合函數(shù)，每兩個(gè)因素對(duì)應(yīng)的評(píng)分值畫出響應(yīng)面和等高線圖，考慮到定性分析各因素對(duì)評(píng)分的關(guān)系，固定另兩個(gè)因素時(shí)，均做“0”水平處理。

圖 8 Y=f(X1，X2)的響應(yīng)面Fig.8 Responsive surfaces graph of Y=f(X1，X2)

圖 9 Y=f(X1，X3)的響應(yīng)面Fig.9 Responsive surfaces graph of Y=f(X1，X3)

圖8～圖13比較直觀的反映了每兩個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響。其中溫度和時(shí)間這兩個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響大，實(shí)際生產(chǎn)中要考慮節(jié)能和省時(shí)間，在保證無苦味的基礎(chǔ)上，要降低這兩個(gè)值。經(jīng)過軟件優(yōu)化得到的工藝為，脫苦時(shí)間20min，液料比為10∶1，檸檬酸濃度為 0.24g/L，脫苦溫度為 82℃，真空度為-0.09MPa，優(yōu)化預(yù)測(cè)值為94.6。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，此時(shí)得到的脫苦漿液實(shí)際評(píng)分為95，完全無苦味，與理論預(yù)測(cè)值接近，證明該回歸模型具有可靠性。

3 結(jié)論

建立了真空濃縮新工藝，突破了傳統(tǒng)工藝先脫苦后打漿的思路，探索了先打漿后脫苦，優(yōu)化工藝為脫a:*為5%顯著水平，b:＊＊為1%顯著水平苦時(shí)間20min，液料比為10，檸檬酸濃度為0.24g/L，脫苦溫度為82℃，真空度為-0.09MPa，與傳統(tǒng)工藝(80℃熱水一般浸泡3～4h)相比，時(shí)間縮短了9～12倍，大幅節(jié)省了時(shí)間。對(duì)于樣品中的氰化物，可以通過濃縮后繼續(xù)加水來降低濃度，對(duì)于餾出液和真空泵中的水要進(jìn)行脫毒處理，可以用堿液吸收。工廠的實(shí)際生產(chǎn)中，要特別重視真空濃縮設(shè)備的設(shè)計(jì)，嚴(yán)防氰化物揮發(fā)造成人員中毒。

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance table

圖 10 Y=f(X1，X4)的響應(yīng)面Fig.10 Responsive surfaces graph of Y=f(X1，X4)

圖 11 Y=f(X2，X3)的響應(yīng)面Fig.11 Responsive surfaces graph of Y=f(X2，X3)

圖 12 Y=f(X2，X4)的響應(yīng)面Fig.12 Responsive surfaces graph of Y=f(X2，X4)

圖 13 Y=f(X3，X4)的響應(yīng)面Fig.13 Responsive surfaces graph of Y=f(X3，X4)

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