響應(yīng)面法優(yōu)化青海胡麻籽油脫色工藝

韓玉澤，李 檸，萬松濤，王 瑩，王進(jìn)英，2

（1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

胡麻籽又稱亞麻籽，是亞麻科、亞麻屬的一年生或多年生草本植物亞麻的種子，為世界十大油料作物之一，我國亞麻籽年產(chǎn)量已達(dá)到50萬t，處于世界第二位[1-2]。亞麻籽油是α-亞麻酸含量最高的植物油之一，其脂肪酸組成合理，不飽和脂肪酸含量達(dá)到87%以上[3]。研究表明，由于亞麻籽油含豐富的α-亞麻酸，對人體有多種生理保健功能，長期食用富含亞油酸等不飽和脂肪酸的植物油可明顯降低乳腺癌的發(fā)病率。此外，不飽和脂肪酸還可降低血脂和膽固醇，預(yù)防心臟病、高血壓、高血脂、動(dòng)脈硬化、糖尿病等疾病[4]。胡麻籽油對人體健康十分有益，是一種具有較高食用和藥用價(jià)值的營養(yǎng)保健油，被國內(nèi)外營養(yǎng)學(xué)家譽(yù)為“陸地上的魚油”[5]。純凈的甘三酯液態(tài)時(shí)無色，固態(tài)時(shí)呈白色，直接從植物油料中獲得的毛油，因含不同種類和數(shù)量的色素而呈不同顏色[6]。除此之外，油料的降解產(chǎn)物和加工過程產(chǎn)生的色素也會(huì)使油脂的色澤發(fā)生變化[7-8]。油脂中的色素不僅會(huì)使植物油的顏色加深，影響其外觀，還會(huì)對成品油的最終品質(zhì)造成一定的危害，降低油脂的貯藏穩(wěn)定性[6]。脫色是植物油脂精煉加工的主要環(huán)節(jié)之一，也是保證植物油脂品質(zhì)的重要操作工序之一[6，9]。脫酸主要是為了除去油脂中的游離脂肪酸，因?yàn)橛椭械挠坞x脂肪酸會(huì)加速氫過氧化物的分解，加快油脂腐敗變質(zhì)[10]，因此必須將其含量降低至符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]。此外，油脂脫色處理還能吸附微量金屬元素、磷脂、皂化物及過氧化物等部分雜質(zhì)，甚至還可去除一些臭味物質(zhì)、多環(huán)芳烴、黃曲霉毒素及殘留農(nóng)藥等，對后續(xù)的脫臭過程和產(chǎn)品的質(zhì)量保證均具有重要意義[12-16]。

油脂脫色的方法很多，如吸附脫色法[17-18]、超聲波輔助脫色法[19-21]、膜脫色法[22]、光能脫色法[23]等。油脂脫色方法各有特色，效果都很明顯，但光能脫色法會(huì)使得油脂的品質(zhì)發(fā)生劣變，同時(shí)其操作參數(shù)太過嚴(yán)格，能耗大。吸附脫色和膜脫色法可用于工業(yè)加工，因?yàn)槲矫撋ú僮骱唵?、能耗低、脫色效果明顯，因此是當(dāng)前油脂企業(yè)加工中最常用的油脂脫色方法[24-25]。本文采用活性白土作為吸附劑對胡麻籽油的脫色工藝條件進(jìn)行研究，以期獲得良好的脫色效果，為胡麻籽油的精練提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 材料

胡麻籽油：機(jī)榨胡麻籽毛油，由青海西寧市油作坊提供。

1.1.2 試劑與設(shè)備

活性白土，食品級(jí)；HHS-4S型電熱恒溫水浴鍋：上海宜昌儀器紗篩長；JA1003型電子天平：上海良平儀器儀表有限公司；UV-1780型紫外分光光度計(jì)：島津儀器（蘇州）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 胡麻籽油脫色率測定方法

取50 g胡麻籽油樣品，在常壓、90 ℃下加熱30 min左右，進(jìn)行脫水干燥。脫水后添加吸附劑進(jìn)行加熱脫色，冷卻后進(jìn)行抽濾，分離胡麻籽油和廢棄脫色劑。對過濾好的胡麻籽油進(jìn)行色澤測定。采用分光光度計(jì)于波長665 nm處測定吸光值，計(jì)算脫色率，以蒸餾水做參照物。計(jì)算公式：

式中：X表示油脂脫色率；A0表示樣品脫色前的吸光值；A表示樣品脫色后的吸光值。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

確定脫色溫度：取胡麻籽油50 g，預(yù)熱至不同溫度后分批加入3%的活性白土，攪拌過濾后用分光光度計(jì)在665 nm處測定不同脫色溫度下的吸光度。設(shè)定脫色溫度分別為40、50、60、70、80和90 ℃。

確定脫色時(shí)間：取胡麻籽油50 g，設(shè)置脫色溫度為60 ℃，分批添加3%的活性白土，攪拌不同時(shí)間后過濾，待油溫冷卻至室溫后用分光光度計(jì)在665 nm處測定吸光度，研究脫色時(shí)間對脫色率的影響。設(shè)定脫色時(shí)間分別為10、15、20、25、30 min。

確定吸附劑添加量：設(shè)置吸附劑添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%，測定665 nm處的吸光度，研究不同吸附劑用量對胡麻籽油的脫色效果的影響。

1.2.3 脫色工藝響應(yīng)面優(yōu)化

為獲得最佳脫色工藝，在單因素的基礎(chǔ)上，以A（脫色溫度）、B(脫色時(shí)間)、C（吸附劑添加量）為自變量，利用Design-Expert 7.0軟件設(shè)計(jì)Box-Behnken三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，測定9組實(shí)驗(yàn)的脫色率，并進(jìn)行極差分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為三組平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大吸收波長確定

在不同波長下分別測定實(shí)驗(yàn)油樣的吸光度，胡麻籽油在可見光區(qū)最大吸收波長為665 nm，因此選擇此波長作為脫色率測定的最大吸收波長。

2.2 單因素結(jié)果分析

2.2.1 脫色溫度對胡麻籽油脫色率的影響

由圖1可知，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，脫色率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在70 ℃條件下脫色率最大，脫色效果最好。這是因?yàn)檫m當(dāng)提高溫度，會(huì)加劇分子運(yùn)動(dòng)，激活吸附劑表面的吸附點(diǎn)，從而提高吸附劑的吸附能力。當(dāng)溫度超過70 ℃時(shí)，胡麻籽油的脫色率下降。原因可能有：溫度升高，其化學(xué)作用增強(qiáng)，一些色素會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生共軛而穩(wěn)定在油脂中，使脫色率降低[29]；還有其他無色的色原體轉(zhuǎn)化為不易除去的有色色原體，加深油色[30]；溫度過高會(huì)使得吸附質(zhì)能量升高，加劇分子運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)大于兩者間的引力而降低吸附總量，降低脫色率[31]。因此為了避免油脂發(fā)生氧化反應(yīng)降低油脂品質(zhì)，脫色溫度范圍控制在60～80 ℃。

圖1 脫色溫度對脫色效果的影響

2.2.2 脫色時(shí)間對胡麻籽油脫色率的影響

脫色時(shí)間是影響胡麻籽油脫色率的重要因素。脫色時(shí)間短不利于胡麻籽油脫色完全；脫色時(shí)間過度延長，一方面會(huì)降低胡麻籽油脫色率，另一方面還會(huì)造成能源過度浪費(fèi)?？刂破渌撋珬l件不變，調(diào)節(jié)脫色時(shí)間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，在不同的脫色時(shí)間內(nèi)，脫色率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，脫色時(shí)間為20 min時(shí)，有最佳脫色效果達(dá)65.2%。時(shí)間過長時(shí)，脫色率下降，這可能是因?yàn)橛椭撋且粋€(gè)動(dòng)態(tài)吸附平衡過程，隨著時(shí)間的延長，吸附劑的吸附能力不斷提高，脫色率會(huì)不斷升高直到吸附劑發(fā)揮最大吸附能力為止；當(dāng)時(shí)間過度延長，吸附質(zhì)能量升高，克服兩者之間引力，破壞動(dòng)態(tài)平衡，降低平衡吸附量值，從而降低脫色率。另一可能的原因是物理吸附的同時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化作用等不良的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致酸價(jià)升高，從而使得油脂顏色加深（油脂返色）[28]。因此為了避免油脂品質(zhì)下降，其脫色時(shí)間控制在20 min到25 min之間為佳。

圖2 脫色時(shí)間對脫色效果的影響

2.2.3 活性白土添加量對胡麻籽油脫色率的影響

由圖3可知，隨著吸附劑添加量增加，胡麻籽油脫色率呈上升趨勢，當(dāng)活性白土用量達(dá)3%之后，繼續(xù)增大吸附劑添加量，脫色率變化不大。油脂脫色是一個(gè)吸附平衡的過程，隨著脫色劑的增加，其吸附程度會(huì)達(dá)到飽和。當(dāng)脫色劑飽和時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況[26]：第一，脫色劑發(fā)生絮結(jié)，減少了脫色接觸表面積，致使脫色不完全，降低脫色率；第二，由于脫色劑飽和會(huì)吸收部分油脂，使得油產(chǎn)率降低。故在脫色的過程中，脫色劑用量并非越多越好，相反脫色劑要適量[27]。同時(shí)為避免不必要的浪費(fèi)，脫色劑用量最佳范圍在4%左右。

圖3 吸附劑用量對脫色效果的影響

2.3 胡麻籽油脫色工藝響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果和分析

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過單因素實(shí)驗(yàn)分析，以A（脫色溫度）、B（脫色時(shí)間）、C（吸附劑添加量）3個(gè)因素為自變量，利用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken設(shè)計(jì)，因素水平表見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。

表1 因素水平表

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.3.2 建立模型和方差分析

采用軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到二次回歸模型為：

Y=75.78+0.26A+3.88B+4.04C+0.96AB+0.38AC+0.94BC-3.36A2-7.31B2-5.21C2

采用Design-Expert 7.0數(shù)據(jù)分析軟件對該回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知該模型P值＜0.000 1，達(dá)極顯著水平，同時(shí)失擬度P=0.082 2＞0.05，差異不顯著，說明該模型可行；由響應(yīng)面法的擬合計(jì)算得出該模型決定系數(shù)R2=0.989 4，R2Adj=0.975 9，表明該回歸方程的擬合度較高，可信程度高；觀察表中各因素P值，B、C、A2、B2、C2對胡麻籽油脫色率的影響均為極顯著；由表中F值可知，不同因素對脫色率影響的大小依次是：脫色溫度＜脫色時(shí)間＜吸附劑添加量。

表3 回歸方程模型及方差分析

2.3.3 各因素交互作用響應(yīng)曲面分析和等高線圖

由響應(yīng)面程序分析不同因素間交互作用，得到三維響應(yīng)曲面和等高線圖，AB、AC與BC之間的交互作用如圖4-a～c所示，響應(yīng)面圖的曲面越陡，交互作用越顯著，反之則越不顯著。觀察橢圓扁平程度可知因素交互作用影響順序?yàn)椋篊＞A＞B。圖4-a是脫色溫度與脫色時(shí)間交互作用對胡麻籽油脫色率的響應(yīng)面，隨著脫色溫度和脫色時(shí)間的增大，胡麻籽油的脫色率明顯升高，并且兩者交互作用會(huì)出現(xiàn)最大的響應(yīng)值。圖4-b是脫色溫度與脫色時(shí)間交互作用對胡麻籽油脫色率的響應(yīng)面，胡麻籽油脫色率會(huì)隨脫色溫度和吸附劑添加量增大而升高；在吸附劑量不變的時(shí)候，隨著溫度的升高，脫色率先升后降。在脫色溫度不變時(shí)，脫色率先出現(xiàn)明顯升高，而后會(huì)降低。這也證實(shí)了單因素實(shí)驗(yàn)猜想的合理性。圖4-c是脫色時(shí)間與吸附劑添加量交互作用對胡麻籽油脫色率的響應(yīng)面，隨著吸附劑添加量和脫色時(shí)間增大，其脫色率升高。

2.3.4 參數(shù)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在Design-Expert 7.0軟件優(yōu)化板塊中，當(dāng)響應(yīng)值取得最大值77.18%時(shí)，得出3個(gè)因素最佳條件：脫色溫度為71.33 ℃、脫色時(shí)間為23.09 min、吸附劑用量為4.34%。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測準(zhǔn)確性，對響應(yīng)面優(yōu)化工藝進(jìn)行驗(yàn)證，考慮到實(shí)際操作可行性，將最佳條件修改為：脫色溫度71 ℃、脫色時(shí)間23 min、吸附劑用量4.3%。在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得平均脫色率為77.59%，與理論預(yù)測值的誤差為0.41%，表明模型可靠。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)分析了脫色溫度、脫色時(shí)間、吸附劑添加量對胡麻籽油脫色效果的影響。單因素實(shí)驗(yàn)初步確定工藝條件的取值范圍，通過方差分析確定脫色率影響因素大小順序?yàn)椋好撋珳囟龋济撋珪r(shí)間＜吸附劑添加量。響應(yīng)面優(yōu)化建立的數(shù)學(xué)模型確定了優(yōu)化的工藝條件，在溫度為71 ℃、時(shí)間為23 min，活性白土添加量為4.3%的條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化工藝，測得平均脫色率為77.59%，與理論預(yù)測值誤差為0.41%，表明該數(shù)學(xué)模型可行。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為青海省胡麻籽油制取精煉工藝提供數(shù)據(jù)參考。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。