響應(yīng)面優(yōu)化苦杏仁油堿煉脫酸工藝的研究

薛 菁，張海生，薛婉瑞，薛煥煥，趙鑫帥，孫鈺涵

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，西安 710119)

苦杏仁，薔薇科植物，廣泛分布于河北、遼寧、甘肅、陜西等地[1]?？嘈尤室蚝刑赜谐煞挚嘈尤受?，味苦，其還含有多種營養(yǎng)成分，如必需氨基酸、礦質(zhì)元素等。因此，苦杏仁具有很好的開發(fā)潛力。苦杏仁油是淺黃色油脂，有潤腸通便的作用，臨床醫(yī)學(xué)認(rèn)為：苦杏仁油富含豐富的不飽和脂肪酸[2]，能起到預(yù)防心臟病、降低血脂等功效[3-5]。

脫酸是油脂精煉過程中關(guān)鍵的一步。從杏仁中提取的粗杏仁油中含有較多的雜質(zhì)，如膠質(zhì)、游離脂肪酸[6]等，必須通過精煉技術(shù)除雜，才能獲得味道、顏色都絕佳的精煉油[7]。在加熱、水分或脂肪酶的作用下，油脂易水解酸敗生成游離脂肪酸[8-10]。這些游離脂肪酸進(jìn)一步反應(yīng)，產(chǎn)生脂類氧化物，因此應(yīng)盡可能減少油脂中的游離脂肪酸[11]。目前脫酸包括堿煉脫酸和膜脫酸等方法，而堿煉脫酸是應(yīng)用最廣泛的一種脫酸方法[12]。

本文以苦杏仁脫膠油為原料，對其進(jìn)行堿煉脫酸。通過單因素實驗和響應(yīng)面實驗，得到最佳脫酸條件，同時探討了脫酸前后苦杏仁油的脂肪酸組成變化情況，以期為苦杏仁油的精煉及利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

苦杏仁，購于西安雨潤中藥材市場,經(jīng)粉碎、溶劑浸提得到毛油，再經(jīng)水化脫膠制得苦杏仁脫膠油。

石油醚、乙醚、異丙醇、甲醇、14%三氟化硼-甲醇、氯化鈉、酚酞、氫氧化鈉，均為分析純；正己烷，色譜純。

電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海福瑪實驗設(shè)備公司；HH-S4電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興公司；85-2控溫磁力攪拌器，江蘇金怡公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮儀器廠；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)公司；BS224S電子天平，上海賽多利斯公司；FW400A高速萬能粉碎機，北京科偉永興公司；臺式低速大容量離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠；QP-2010Ultra單四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀，日本島津。

1.2 實驗方法

1.2.1 苦杏仁脫膠油堿煉脫酸

稱取適量苦杏仁脫膠油，加熱至40℃左右，調(diào)節(jié)攪拌速度至50～60 r/min，滴入一定量的NaOH溶液，控制終溫60℃，恒溫攪拌一段時間后，產(chǎn)生皂粒，降低攪拌速度繼續(xù)攪拌，使皂粒絮凝，然后4 000 r/min離心分離20 min，得到脫酸油。NaOH溶液加入量由理論堿量和超堿量兩部分組成，超堿量是為了彌補理論堿量引起的消耗，理論堿量根據(jù)油脂的酸價計算。

1.2.2 酸價的測定

參考GB 5009.229—2016進(jìn)行測定。

1.2.3 加堿量和脫酸率計算

(1)加堿量=理論堿量+超堿量。理論堿量=(7.14×m×AV)/(10 000c)，超堿量=m×w,式中：m為苦杏仁脫膠油的質(zhì)量，g；AV為脫膠油的酸價(KOH)，mg/g；w為超量堿液占苦杏仁油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c為NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)脫酸率=(苦杏仁脫膠油酸價-苦杏仁脫酸油酸價)/苦杏仁脫膠油酸價×100%。

1.2.4 苦杏仁油脂肪酸組成GC-MS分析

甲酯化：參考寇秀穎等[13]甲酯化方法以及GB/T 17376—2008 脂肪酸的測定中三氟化硼甲酯化法。吸取80～200 mg脫酸前后的苦杏仁油，加入5 mL 0.5 mol/L氫氧化鈉-甲醇溶液，70℃皂化15 min，緩慢搖動，升溫使之沸騰后，加入5 mL 14%三氟化硼-甲醇溶液，繼續(xù)煮沸30 min，加入2 mL正己烷，結(jié)束水浴后，立即加入10 mL飽和NaCl溶液，塞蓋后猛烈搖晃至少15 s，靜置分層，取上清液進(jìn)行GC-MS分析。

GC-MS分析條件： 接口溫度250℃，以4℃/min 的升溫速率由80℃升溫至290℃,以氦氣為載氣，恒溫30 min，流速1.5 mL/min，進(jìn)樣量0.2 μL，分流比100∶1；離子源為EI，離子源溫度230℃，電子能量70 eV。

各樣品經(jīng)GC-MS測定后，得到物質(zhì)的總離子流圖，所得數(shù)據(jù)根據(jù)其保留時間、保留系數(shù)、匹配系數(shù)等指標(biāo)，利用NIST14標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索，并結(jié)合人工譜圖解析，參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定脂肪酸組成，并利用峰面積歸一化法計算各組分相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 苦杏仁油堿煉脫酸單因素實驗

2.1.1 脫酸時間對脫酸率的影響

在脫酸溫度60℃、超堿量0.15%、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的條件下，研究脫酸時間對苦杏仁油脫酸率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 脫酸時間對脫酸率的影響

從圖1可以看出，隨著脫酸時間的延長，苦杏仁油的脫酸率先升高后略降低。當(dāng)脫酸時間短于30 min時，脫酸率隨脫酸時間延長呈上升趨勢，30 min時脫酸率達(dá)到最高(87.98%)，繼續(xù)延長脫酸時間，脫酸率反而緩慢降低。其原因可能是隨著苦杏仁脫膠油和堿液接觸時間延長，部分中性油被水解和皂化，使得苦杏仁油的酸價升高，脫酸率降低。故選取適宜脫酸時間為30 min。

2.1.2 超堿量對脫酸率的影響

在脫酸溫度60℃、脫酸時間30 min、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的條件下，研究超堿量對苦杏仁油脫酸率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超堿量對脫酸率的影響

從圖2可以看出，隨著超堿量的增加，苦杏仁油的脫酸率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)超堿量低于0.25%時，脫酸率隨超堿量的增加而增大，當(dāng)超堿量為0.25%時脫酸率達(dá)到最高(92.31%)，繼續(xù)增加超堿量，脫酸率緩慢降低。這可能是因為隨著超堿量的增加，一些中性油會發(fā)生皂化反應(yīng)，形成了皂膜，影響堿液繼續(xù)與脂肪酸反應(yīng)，使得脫酸率降低。因此，選取適宜超堿量為0.25%。

2.1.3 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫酸率的影響

在脫酸溫度60℃、脫酸時間30 min、超堿量0.15%的條件下，研究NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對苦杏仁油脫酸率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫酸率的影響

從圖3可以看出，隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，苦杏仁油的脫酸率也隨著增大，當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，苦杏仁油的脫酸率達(dá)到最大(89.74%)，但當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后，苦杏仁油的脫酸率反而下降，可能是由于堿液濃度過高時，中性油容易皂化，苦杏仁油的酸價升高，使得脫酸率降低。故選取適宜NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化苦杏仁油堿煉脫酸工藝條件

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，運用Design-Expert 8.0軟件，以苦杏仁油脫酸率為響應(yīng)值，以脫酸時間、超堿量、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為因變量，進(jìn)行Box-Behnken三因素三水平響應(yīng)面實驗設(shè)計，對苦杏仁油堿煉脫酸工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，響應(yīng)面實驗因素與水平見表1，響應(yīng)面實驗設(shè)計方案與結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計方案與結(jié)果

2.2.1 回歸模型建立及方差分析

采用Design-Expert 8.0軟件，對表2所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果

對各因素回歸擬合，得到回歸方程：Y=89.55-0.24A-0.059B-0.57C-1.14AB-1.18AC+7.500E-003BC-1.52A2-0.97B2-1.49C2。由表3可知，二次回歸模型P<0.05，表明該模型達(dá)到顯著水平；失擬項P=0.222 3>0.05，說明失擬項差異不顯著，能較好反映實際情況，回歸模型是適合的。實驗?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)R2=0.883 8，即88.38%的數(shù)據(jù)可用此方程解釋。觀察回歸模型方差分析的P值，可以看出：A2、C2對苦杏仁油的脫酸率影響極顯著，AB、AC的交互作用對苦杏仁油的脫酸率影響顯著。3個因素對苦杏仁油脫酸率影響的主次順序為C>A>B；交互相對苦杏仁油脫酸率影響的主次順序為AC>AB>BC。

2.2.2 響應(yīng)面分析

如圖4～圖6所示，通過Box-Behnken實驗得到了多元二次回歸模型所作的響應(yīng)面圖及其等高線圖，能夠較為直觀地反映各影響因素之間的相互作用對苦杏仁油堿煉脫酸率響應(yīng)值的影響。仔細(xì)觀察各圖形，均為向下開口的凸形曲面，在等高線圖中，中心點的位置處在因素水平范圍內(nèi)，說明苦杏仁油的脫酸率在此范圍內(nèi)存在最大值。3個因素交互作用的等高線圖為橢圓形狀，隨著各因素水平變化，響應(yīng)值脫酸率變化趨勢明顯。由圖4可以看出，隨著脫酸時間與超堿量的增加，脫酸率先增大后減小，說明適當(dāng)?shù)匮娱L脫酸時間并增大超堿量，有利于提高脫酸率，但是持續(xù)增加兩個因素，會使得苦杏仁油脫酸率下降，此結(jié)果與單因素實驗結(jié)果較為一致。由圖5可以看出，隨著脫酸時間和NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，脫酸率也呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。說明適當(dāng)延長脫酸時間并且提高NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠加快游離脂肪酸產(chǎn)生皂化反應(yīng)，從而降低酸價提高脫酸率。由圖6可以看出，隨著超堿量和NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，脫酸率依然呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。

圖4 脫酸時間與超堿量交互作用對脫酸率的影響

利用響應(yīng)面實驗優(yōu)化所得的苦杏仁油堿煉脫酸最佳工藝條件為： 脫酸時間30.08 min，超堿量0.25%，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.61%。在最佳條件下，理論最大脫酸率為89.60%。

2.2.3 苦杏仁油堿煉脫酸最佳工藝條件驗證

根據(jù)實際情況，將響應(yīng)面實驗優(yōu)化的最佳脫酸工藝條件調(diào)整為：脫酸時間30 min，超堿量0.25%，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.5%。通過驗證實驗，此條件下苦杏仁油脫酸率實際值為89.42%，與實驗預(yù)測結(jié)果誤差較小，說明響應(yīng)面優(yōu)化所得的苦杏仁油脫酸工藝條件是可行的，并且具有可預(yù)測性。

2.3 脫酸前后苦杏仁油脂肪酸組成

對脫酸前后的苦杏仁油甲酯化后，用GC-MS進(jìn)行分析，脂肪酸組成及含量見表4。

表4 脫酸前后苦杏仁油脂肪酸組成及含量 %

從表4可以看出，苦杏仁油主要包含棕櫚油酸(C16∶1)、棕櫚酸(C16∶0)、亞油酸(C18∶2)、油酸(C18∶1)、硬脂酸(C18∶0)。脫酸前苦杏仁油中的不飽和脂肪酸含量為94.59%，脫酸后不飽和脂肪酸含量為95.18%，說明脫酸工藝對苦杏仁油脂肪酸組成影響不大。

3 結(jié) 論

通過單因素實驗結(jié)合響應(yīng)面分析法優(yōu)化苦杏仁油堿煉脫酸工藝條件，考察脫酸時間、超堿量和NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對苦杏仁油脫酸率的影響，優(yōu)化驗證得到的最佳脫酸工藝條件為：脫酸時間30 min，超堿量0.25%，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.5%。在最佳條件下，苦杏仁油脫酸率為89.42%。此外，苦杏仁油脫酸前后，主要都是由亞油酸、油酸等不飽和脂肪酸組成，含量約95%，說明脫酸工藝對其脂肪酸組成無影響。