棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑的制備

王冉冉，趙欣，邢亞閣，黎芳，魏洋，易若琨，牛躍庭

1(重慶第二師范學(xué)院，重慶市功能性食品協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶,400067) 2(重慶第二師范學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶,400067) 3(糧油與食品安全省級重點實驗室(西華大學(xué))，四川 成都,610039)4(大馬棕櫚液油技術(shù)研發(fā)(上海)有限公司/MPOB，上海，201108)

焙烤專用脫模劑是一種加工助劑，它主要由油脂、食用蠟、乳化劑以及水等制成。將它噴涂在烤盤表面，易于烘焙產(chǎn)品脫離烤盤。焙烤專用脫膜劑一般可分為含水乳化型脫模劑(其中包括水包油型(oil in water，O/W)和油包水型(water in oil，W/O))和無水天然脫模劑兩大類[1]。兩者均能提供理想的脫模效果，但含水乳化型脫模劑更優(yōu)。它們主要從國外進(jìn)口，而關(guān)于該領(lǐng)域的研究國內(nèi)尚處于起步階段[2]。預(yù)計到2020年，焙烤專用脫模劑用量將高達(dá)30萬噸左右[3]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的大部分焙烤專用脫模劑在噴涂使用前需進(jìn)行預(yù)處理，由于炭污垢殘留嚴(yán)重，無法滿足烘焙產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的需求[4-5]。

隨著國內(nèi)不斷重視食品安全，焙烤專用脫模劑的安全性必須嚴(yán)格把關(guān)。棕櫚液油具有產(chǎn)量高、價格低、強抗氧化性以及較強的耐高溫煎炸性能等優(yōu)點，可有效保障高溫烘焙過程中油脂品質(zhì)的安全性，延長烘焙食品的貨架期[6-7]。汪鴻[8]研發(fā)出脫模效果較佳的O/W型脫模劑。孫定紅等[9]研究顯示，提高界面膜的強度，降低體系界面張力，增加體系黏度，可有效提高脫模劑乳化體系的穩(wěn)定性。蜂蠟在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，較高的黏度、良好的脫膜特性和防氧化等特質(zhì)，可彌補棕櫚液油難掛壁等缺點，可顯著提升脫模劑的脫模特性[10-11]。

本研究以棕櫚液油(palm olein)作基料，輔以蜂蠟(bee wax)，添加水、乳化劑以及復(fù)合穩(wěn)定劑，經(jīng)乳化工藝制備O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑。基于單因素實驗[12]、Plackett-Burman(PB)試驗[13]、最陡爬坡試驗[14]和中心設(shè)計(central composite design，CCD)響應(yīng)面試驗優(yōu)化其制備工藝。進(jìn)一步實現(xiàn)焙烤專用脫模劑的噴涂使用，滿足國內(nèi)烘焙產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的多方位需求，同時拓展棕櫚油在食品行業(yè)中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

棕櫚液油，上海嘉里糧油工業(yè)公司；蜂蠟，鄭州裕達(dá)化工原料有限公司；大豆卵磷脂和單甘酯，美國唐瑞斯食品物料公司；聚甘油蓖麻醇酯(polyglycerol polyricinoleate，PGPR)、黃原膠、瓜爾豆膠和卡拉膠，天津市佰榮利凱生物科技有限公司；雙蒸水，實驗室自制；雞蛋、高筋面粉、玉米油、白砂糖、泡打粉和油菜籽購于當(dāng)?shù)爻小?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

KAO-1208康佳電烤箱，深圳市康佳智能電器科技有限公司；NDJ-4旋轉(zhuǎn)黏度測定儀，上海百典儀器設(shè)備有限公司；DT5-1B型低速離心機，北京時代北利離心機有限公司；FA40高剪切分散乳化劑，廣州深華科技工程公司；HH-4電熱恒溫水浴鍋，上海一科儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脫模劑的制備

水相制備：將親水性乳化劑(卡拉膠、黃原膠和瓜爾豆膠)按雙蒸水的總重量加入到指定添加量的雙蒸水中，并于65.0 ℃水浴中加熱，攪拌至均勻凝膠狀液體，保溫備用。油相制備：將蜂蠟和親油性乳化劑(大豆卵磷脂、PGPR和單甘酯)按水油混合物的總重量加入到指定添加量的棕櫚液油中，并于65.0 ℃水浴中加熱，攪拌至均勻凝膠狀液體，保溫備用。在65.0 ℃下，將保溫備用的水相和油相均質(zhì)乳化：將水相緩慢地勻速倒入油相中，均質(zhì)一定時間后放于流動的冷水中快速冷卻至室溫[3]。

1.3.2 單因素實驗

通過PB試驗[12]和最陡爬坡試驗[13]篩選影響該脫模劑制備工藝的因素，確定O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑初步制備工藝：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.00%的大豆卵磷脂、PGPR-單甘酯復(fù)配比2∶3、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的復(fù)合穩(wěn)定劑(卡拉膠∶黃原膠∶瓜爾豆膠為1∶1∶2.5)、乳化1.00 min、溫度65.0 ℃，均質(zhì)速率10 000 r/min。在該乳化體系條件下，采用單因素實驗探究添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.00%、4.00%、5.00%、6.00%和7.00%的蜂蠟，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.500%、1.00%、1.50%、2.00%和2.50%的PGPR-單甘酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.0%、60.0%、70.0%、80.0%和90.0%的水對黏度和乳化分層指數(shù)的影響。

1.3.3 CCD響應(yīng)面試驗設(shè)計

運用Design-Expert 8.0.0軟件設(shè)計以黏度和乳化分層指數(shù)為響應(yīng)值的CCD三因素三水平的響應(yīng)面試驗[15-16]，探究O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑最佳制備工藝。試驗因素及水平編碼如表1所示。

表1 CCD試驗因素及水平編碼

1.3.4 模型驗證試驗

依據(jù)ArcGIS Engine軟件應(yīng)用特點，批量處理后的地理空間數(shù)據(jù)會增加一個前綴，即分幅處理后成果格式均為*.img。據(jù)此，需采用批量名稱更改軟件，結(jié)合實際需要，對軟件圖幅名稱進(jìn)行統(tǒng)一處理。同時利用格式轉(zhuǎn)換軟件，如GlobalMapper軟件、Geospatial Data Abstraction Library軟件等，進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)圖幅批量格式更改。

利用優(yōu)化前和優(yōu)化后的脫模劑制備工藝分別制備脫模劑，并以乳化分層指數(shù)和黏度為測定指標(biāo)，驗證響應(yīng)面優(yōu)化模型的可行性和精準(zhǔn)性。

1.3.5 脫模劑添加量單因素實驗

采用優(yōu)化后的制備工藝，以蛋糕粘連率為測定指標(biāo)，通過單因素實驗，確定適宜的脫模劑添加量(0.150、0.250、0.350、0.450和0.550 g)。

1.3.6 黏度的測定

取200 mL脫模劑放于水平試驗臺上的250 mL燒杯中，在30.0 ℃水浴中穩(wěn)定30.0 min，旋轉(zhuǎn)黏度測定儀運行參數(shù)：2號轉(zhuǎn)子，60 r/min。每個樣品測定3次，求平均值[8]。

1.3.7 乳化分層指數(shù)的測定

脫模劑于70.0 ℃水浴中穩(wěn)定1 h，取30.0 g脫模劑于3 500 r/min離心10.0 min。每個樣品測定3次，求平均值。按公式(1)[17]計算：

(1)

1.3.8 蛋糕制作及蛋糕黏連率的測定

1.3.8.1 蛋糕制作

取雞蛋5個、白砂糖170 g于45.0 ℃水浴條件下手動攪拌，直至白砂糖溶解以及蛋液攪拌均勻，在打蛋機中高速檔位打發(fā)10.0 min。篩入面粉200 g(含泡打粉4.00 g)，用刮刀緩慢攪拌至均勻。倒入混合均勻后的50.0 g水和45.0 g玉米油，充分?jǐn)嚢韬蠹礊榈案庖?。在模具表面涂刷一定量的脫模劑，倒?/3模具體積的蛋糕液，于210 ℃烘焙20.0 min[4]。

1.3.8.2 蛋糕粘連率的測定

用油菜籽填滿潔凈的烤盤，油菜籽的總體積即為模具總體積；將蛋糕脫殼，再次用油菜籽填滿模具，兩體積差值即為殘留蛋糕體積。每個樣品測定3次，求平均值。如公式(2)[3]計算黏連率：

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.6作圖；采用SPSS 19軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，各項指標(biāo)結(jié)果以“平均數(shù)(n=3) ±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，采用S-N-K法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)，圖表中標(biāo)注不同字母的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蜂蠟添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

在單因素篩選實驗中，為盡可能增加脫模劑乳化體系穩(wěn)定性并顯著提升脫膜效果，需增大O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑的黏度，降低其乳化分層指數(shù)。另外，結(jié)合實際生產(chǎn)，優(yōu)選出適宜的脫模劑制備工藝。

圖1 不同蜂蠟添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

Fig.1 Effects of different concentrations of bee wax on the stability of the emulsion system of the releasing agent

隨著蜂蠟添加量的不斷增加，脫模劑的黏度不斷增加，而乳化分層指數(shù)則不斷減小。如圖1所示，當(dāng)蜂蠟添加量為5.00%時，脫模劑具有較大的黏度，為480 mPa·s；乳化分層指數(shù)較小，為2.18%；當(dāng)蜂蠟添加量大于5.00%時，脫模劑的黏度和乳化分層指數(shù)變化幅度均較為緩慢，且體系的乳化穩(wěn)定性較佳。一定添加量的蜂蠟具有良好的成膜、粘稠度和脫離性等特質(zhì)[18]。因此，適宜的蜂蠟添加量為5.00%。

2.2 不同PGPR-單甘酯添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

圖2 不同PGPR-單甘酯添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

Fig.2 Effects of different concentrations of PGPR-glyceryl monosterate on the stability of the emulsion system of the releasing agent

由圖2可知，黏度隨PGPR-單甘酯添加量的增加而增加，而乳化分層指數(shù)變化趨勢則相反。當(dāng)PGPR-單甘酯添加量為2.00%時，脫模劑的黏度和乳化分層指數(shù)分別為496 mPa·s和2.29%，體系的乳化穩(wěn)定性較高；而在其他范圍內(nèi)，脫模劑的黏度和乳化分層指數(shù)變化幅度均較為平緩。PGPR為親水性乳化劑，而單甘酯為親油性乳化劑，兩者結(jié)合可在油水界面上形成聚集膜，減少水油兩相中的液滴再次發(fā)生聚合現(xiàn)象[19-20]。因此，優(yōu)選出適宜的PGPR-單甘酯添加量為2.00%。

2.3 不同水添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

隨著水添加量不斷增加，黏度呈現(xiàn)出先明顯增加后明顯減小的趨勢，乳化分層指數(shù)則呈現(xiàn)出先明顯減小后明顯增加的趨勢。由圖3所示，當(dāng)水添加量為70.0%時，脫模劑的乳化體系穩(wěn)定性最佳，黏度和乳化分層指數(shù)均出現(xiàn)峰值，其值分別為485 mPa·s和1.28%。水添加量增加，水相的稀釋作用以及水油兩相再次聚合，造成乳化體系不穩(wěn)定性[8]。因此，為節(jié)約生產(chǎn)成本，優(yōu)選出適宜的水添加量為70.0%。

圖3 不同水添加量對脫模劑乳化穩(wěn)定性的影響

Fig.3 Effects of different amounts of water on the stability of the emulsion system of the releasing agent

2.4 CCD試驗設(shè)計及結(jié)果

基于單因素實驗[12]，PB試驗[13]和最陡爬坡試驗[14]，以蜂蠟添加量(A) 5.00%、PGPR-單甘酯添加量(B) 2.00%和水添加量(C)70.0%為中心點，以黏度和乳化分層指數(shù)為響應(yīng)值，進(jìn)行CCD響應(yīng)面優(yōu)化試驗。試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 CCD試驗設(shè)計及結(jié)果

續(xù)表2

試驗次數(shù)A B C 乳化分層指數(shù)/%黏度(mPa·s)12 0 1.682 01.9933913 0 0 -1.68246.437514 0 0 1.6829.1734615 0 0 02.5348316 0 0 02.2643917 0 0 02.3946018 0 0 02.0946819 0 0 02.4444920 0 0 02.15486

對表2中試驗的響應(yīng)值進(jìn)行二次回歸分析，分析結(jié)果如表3和表4所示。三個因素經(jīng)回歸擬合得到黏度(Y1)及乳化分層指數(shù)(Y2)的二次回歸方程：

Y1=465.03-4.46A-4.23B+5.70C-6.02AB-8.91AC-0.77BC-58.43A2-43.11B2-43.47C2

Y2=2.39-10.20A-3.51B-9.11C+0.14AB+4.34AC+2.65BC+5.74A2+1.80B2+8.52C2

分析表3和表4中的數(shù)據(jù)可知，回歸模型的P值均小于0.01，說明兩模型均極顯著(P<0.01)。失擬項P值分別為0.061 0和0.051 4，說明對響應(yīng)值的影響均不顯著。相關(guān)系數(shù)R2分別為0.848和0.981，表明回歸模型與實際實驗具有較高的擬合度。以上參數(shù)綜合表明，通過CCD響應(yīng)面設(shè)計試驗所建立的回歸模型具有較高的可行性和準(zhǔn)確性，可實現(xiàn)O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑制備工藝優(yōu)化試驗的理論預(yù)測。

表3 以黏度為響應(yīng)值的CCD試驗設(shè)計回歸分析表

注：“**”為極顯著(P<0.01)；“*”為顯著(P<0.05)；“-”為不顯著(P>0.05)。

表4 以乳化分層指數(shù)為響應(yīng)值的CCD試驗設(shè)計回歸分析表

注：“**”表示極顯著(P<0.01)；“*”表示顯著(P<0.05)；“-”表示不顯著(P>0.05)。

在Y1模型中，除方差來源模型、A2、B2和C2的P值小于0.01外，其他方差來源P值均大于0.05，表明A2、B2和C2對黏度的影響極顯著(P<0.01)。在Y2模型中，除方差來源AB的P值大于0.05外，其他方差來源P值均小于0.05，表明AB對乳化分層指數(shù)的影響以及A和B兩因素之間的交互作用不顯著(P>0.05)；其他方差來源對乳化分層指數(shù)的影響較為顯著(P<0.05)，并且A和C以及B和C兩兩之間的交互作用顯著(P<0.05)。

如圖4和圖5所示，A、B和C擬合而成的三維曲面圖的極值點是最小等值線中心點。等值線的形狀可直觀反映A、B和C兩兩因素間交互作用的顯著性，圓形表示兩因素間的交互作用不顯著，而橢圓形表示兩因素間交互作用顯著。由圖5可知，AB兩因素等值線近乎為圓形，因此AB兩因素間交互作用不顯著(P>0.05)。AC和BC兩兩因素等值線為橢圓形，說明AC和BC兩兩因素間交互作用顯著(P<0.05)。

圖4 A、B和C兩兩之間對黏度交互影響的三維曲面圖

Fig.4 3D surface diagrams of mutual-influence between any two of A, B and C on viscosity

圖5 A、B和C兩兩之間對乳化分層指數(shù)交互影響的三維曲面圖

Fig.5 3D surface diagrams of mutual-influence between any two of A, B and C on emulsification separation ratio

2.5 CCD試驗?zāi)Ｐ偷尿炞C

求導(dǎo)回歸方程(Y1)，得模型預(yù)測的最大黏度為496 mPa·s，蜂蠟添加量5.13%，PGPR-單甘酯添加量2.05%，水添加量69.5%。求導(dǎo)回歸方程(Y2)，得模型預(yù)測最小乳化分層指數(shù)為2.19%，蜂蠟添加量4.97%，PGPR-單甘酯添加量2.28%，水添加量71.9%。

對CCD試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗證，結(jié)合實際生產(chǎn)中節(jié)約生產(chǎn)成本環(huán)節(jié)，綜合兩模型優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后制備工藝：蜂蠟添加量5.05%，PGPR-單甘酯添加量2.16%，水添加量70.7%。采用優(yōu)化后的制備工藝，測得O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑黏度為482 mPa·s，與模型理論預(yù)測值偏差約為2.96%；乳化分層指數(shù)為2.39%，與模型理論預(yù)測值偏差約為4.82%。結(jié)果證明，以黏度和乳化分層指數(shù)為響應(yīng)面的回歸模型精確性以及可行性均較高。

2.6 O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑適宜添加量篩選以及脫模特性分析

如圖6和表5所示，蛋糕粘連率隨著脫模劑添加量增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，且減小的幅度不斷下降。當(dāng)脫模劑添加量為0.350 g時，蛋糕粘連率減小的幅度不明顯且其值較小，僅為0.427%。綜合實際生產(chǎn)，適宜的脫模劑添加量為0.350 g。優(yōu)化后，脫模劑的黏度和乳化分層指數(shù)分別比優(yōu)化前增加了19.3%，減少了37.8%。優(yōu)化后，其蛋糕粘連率為0.427%，脫模效果顯著提升。

圖6 不同O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑添加量對蛋糕粘連率的影響

Fig.6 Effect of different amounts of palm olein and bee wax based O/W baking special releasing agent on the cake adhesion rate

表5 O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑脫模特性

Table 5 Release characteristic and emulsion stability ofthe palm olein and bee wax based O/W bakingreleasing agent

脫模劑黏度(mPa·s)乳化分層指數(shù)/%蛋糕粘連率/%未添加——21.600±0.946 0a優(yōu)化前404±12.4a3.84±0.245a1.290±0.081 5b優(yōu)化后482±6.68b2.39±0.124b0.427±0.010 0b

注：在同一列中，具有不同字母后綴的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)間的差異具有顯著性(P<0.05)。

3 結(jié)論

本研究基于單因素實驗以及CCD響應(yīng)面設(shè)計法優(yōu)化O/W型棕櫚油和蜂蠟基焙烤專用脫模劑制備工藝。最終，得出最佳制備工藝為蜂蠟添加量5.05%，PGPR-單甘酯添加量2.16%以及水添加量70.7%。在該條件下制備的脫模劑黏度為482 mPa·s，比優(yōu)化前增加了19.3%，乳化分層指數(shù)為2.39%，比優(yōu)化前減少了37.8%；體系的乳化穩(wěn)定性顯著提升。脫模特性研究中，適宜的脫模劑添加量為0.350 g，該條件下測得蛋糕粘連率為0.427%；蛋糕粘連率隨脫模劑添加量的增加而不斷減小，脫模效果顯著。