基于響應(yīng)面法的食品級大豆?jié)饪s磷脂制備工藝的優(yōu)化研究

崔晨陽 劉軒 沈華

[摘要]文章對以飼料級大豆?jié)饪s磷脂為試驗(yàn)原料，經(jīng)過溶解、離心、脫色、濃縮等制備食品級大豆?jié)饪s磷脂的工藝進(jìn)行研究，采用響應(yīng)面法對濃縮磷脂的丙酮不溶物含量進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)條件下，以轉(zhuǎn)速、料液比、時(shí)間為考察因素，依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，以濃縮磷脂中的丙酮不溶物含量為響應(yīng)值進(jìn)行分析，得到食品級大豆?jié)饪s磷脂的最佳制備工藝條件為轉(zhuǎn)速6 100r/min、料液比3.5∶1、時(shí)間9min，該工藝條件下大豆?jié)饪s磷脂的丙酮不溶物含量為67.45%。

[關(guān)鍵詞]大豆?jié)饪s磷脂;丙酮不溶物;正己烷不溶物;響應(yīng)面法

中圖分類號：TS214.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

濃縮大豆磷脂是由大豆水化磷脂經(jīng)真空脫水、濃縮、冷卻等工序制成的塑狀或黏稠狀產(chǎn)品[1]。濃縮磷脂不僅可以作為一種安全的純天然乳化劑、營養(yǎng)補(bǔ)劑，在食品、保健品和制藥方面也都有廣泛的用途[2]。商品化磷脂絕大多數(shù)來源于大豆，大豆磷脂約占磷脂總消費(fèi)量的90%[3]。由于我國大豆磷脂產(chǎn)業(yè)起步較晚，因此生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量雖然取得了可喜的進(jìn)步，但與國外相比，我國目前生產(chǎn)的大豆磷脂產(chǎn)品品種單一，并且存在產(chǎn)品純度不高、品質(zhì)較差、資源利用率低等問題。特別是高品質(zhì)的食品級濃縮磷脂仍需國外進(jìn)口，每年缺口達(dá)2萬t以上，落后的技術(shù)與巨大市場需求以及豐富的大豆磷脂資源形成鮮明反差。

此外，食品級濃縮磷脂的品質(zhì)在很大程度上是由色澤和風(fēng)味決定的，磷脂色澤能夠最為直觀地判斷其品質(zhì)的優(yōu)劣，國內(nèi)大部分濃縮磷脂產(chǎn)品雜質(zhì)含量多、色澤較深，只能用于飼料行業(yè)，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域中使用受到限制[4]。

本試驗(yàn)是利用飼料級大豆磷脂為原料，經(jīng)過溶解、離心、脫色、濃縮等工藝制備食品級大豆?jié)饪s磷脂。以丙酮不溶物為試驗(yàn)指標(biāo)，對離心時(shí)間、轉(zhuǎn)速、料液比3個(gè)因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)法對影響丙酮不溶物含量的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化，建立并驗(yàn)證相關(guān)的工藝數(shù)學(xué)模型，得到制備食品級濃縮磷脂的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

飼料級大豆?jié)饪s磷脂：中創(chuàng)科技有限公司;TBHQ：上海麥克林生化科技有限公司;正己烷、石油醚（60℃～90℃）、過氧化氫、硅藻土、活性炭、丙酮、硫代硫酸鈉、碘化鉀、氫氧化鈉、可溶性淀粉：上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

TG1650-WS離心機(jī)：上海盧湘儀離心機(jī)儀器公司;EYELA SB-1300旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：東京理化器械株式會社;SH2-D（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵：杭州明遠(yuǎn)儀器有限公司;DW-2005低溫冷卻液循環(huán)泵：杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司;07HWS-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器：杭州儀表電機(jī)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 食品級濃縮磷脂的制備工藝

大豆?jié)饪s磷脂：石油醚質(zhì)量1∶3（1∶1～1∶10），混合飼料級濃縮磷脂與石油醚。

加濃縮磷脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%（0.5%～1.5%）的過氧化氫、1%的硅藻土或活性炭、0.1%的TBHQ抗氧化劑[5]，攪拌混合，磁力攪拌器上脫色攪拌40min（20～60min）。

之后以5 000～9 000r/min的轉(zhuǎn)速離心5～13min。然后真空濃縮蒸發(fā)，先在50℃情況下蒸發(fā)80%溶劑，然后在60℃、0.098MPa真空度情況下濃縮至溶劑和水分蒸發(fā)完全。

1.2.2 指標(biāo)檢測方法

（1）丙酮不溶物的檢測方法：按照Acetone-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 4-46 Revised 2011）方法。

（2）正己烷不溶物的檢測方法：按照Hexane-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 3-87 Reapproved 2009）方法。

（3）過氧化值的檢測方法：按照Peroxide Value（AOCS Official Method Ja 8-87 Revised 2011）方法。

（4）酸價(jià)的檢測方法：按照Acid Value（AOCS Official Method Ja 6-55 Revised 2011）方法。

（5）水分的檢測方法：按照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》（GB 5009.3—2016）方法。

1.2.3 單因素試驗(yàn)對濃縮磷脂丙酮不溶物的影響

1.2.3.1 不同轉(zhuǎn)速對丙酮不溶物的影響

在溶劑比3∶1，離心時(shí)間為9min條件下，不同轉(zhuǎn)速5 000r/min、6 000r/min、7 000r/min、8 000r/min、9 000r/min對丙酮不溶物的影響。

1.2.3.2 不同料液比對丙酮不溶物的影響

在轉(zhuǎn)速7 000r/min，離心時(shí)間為9min條件下，不同溶劑比1∶1、2∶1、3∶1、5∶1、10∶1對丙酮不溶物的影響。

1.2.3.3 不同離心時(shí)間對丙酮不溶物的影響

在轉(zhuǎn)速7 000r/min，溶劑比3∶1條件下，不同時(shí)間5min、7min、9min、11min、13min對丙酮不溶物的影響。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化食品級濃縮磷脂制備工藝

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)食品級濃縮磷脂提取工藝的試驗(yàn)方案，以離心轉(zhuǎn)速、料液比、離心時(shí)間為考察因素，以丙酮不溶物為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)值，借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert，根據(jù)Box-benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用三因素三水平的試驗(yàn)方法來確定食品級濃縮磷脂制備最佳工藝參數(shù)[6]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼及水平如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 不同轉(zhuǎn)速對丙酮不溶物的影響

不同轉(zhuǎn)速對丙酮不溶物的影響如圖1所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，丙酮不溶物呈現(xiàn)不斷上升的整體趨勢。由圖1可知，在轉(zhuǎn)速為5 000r/min時(shí)，丙酮不溶物含量最低為62.1%，之后隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，丙酮不溶物含量也不斷增加，在轉(zhuǎn)速為9 000r/min時(shí)，丙酮不溶物含量達(dá)到了64.5%。這主要是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增高，濃縮磷脂中的無機(jī)雜質(zhì)含量不斷降低，從而導(dǎo)致濃縮磷脂中丙酮不溶物的含量升高。但是從工業(yè)化生產(chǎn)角度考慮，碟片式離心機(jī)的轉(zhuǎn)速較難達(dá)到很高的值，且轉(zhuǎn)速較高時(shí)功耗大、成本高，所以本研究選取5 000～7 000r/min作為轉(zhuǎn)速因素的水平范圍。

2.1.2 不同料液比對丙酮不溶物的影響

不同溶劑比對丙酮不溶物的影響如圖2所示，溶劑比從2∶1到10∶1，丙酮不溶物呈現(xiàn)先上升后下降的整體趨勢。在溶劑比為2∶1時(shí)，丙酮不溶物為63.9%，隨后在溶劑比為3∶1時(shí)上升到65.1%，到溶劑比為10∶1時(shí)，丙酮不溶物含量下降為62.6%。這主要是因?yàn)楫?dāng)石油醚比例升高時(shí)，磷脂和甘三酯分散程度加強(qiáng)，經(jīng)過離心等各種處理后，磷脂和甘三酯更易分離開來，這一結(jié)果與趙勇[7]的研究結(jié)果一致。因此，本研究選取溶劑比2∶1～5∶1作為溶劑比因素的水平范圍。

2.1.3 不同離心時(shí)間對丙酮不溶物的影響

不同時(shí)間對丙酮不溶物的影響如圖3所示，隨著離心時(shí)間的增加，丙酮不溶物的含量呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的整體趨勢。在5min時(shí)丙酮不溶物含量為65.6%，然后隨著離心時(shí)間的增加，丙酮不溶物含量增加，在9min時(shí)丙酮不溶物含量為66.8%，在這之后，離心時(shí)間的增加丙酮不溶物含量變化不大。這可能是因?yàn)樵陔x心時(shí)間達(dá)到一定程度后，濃縮磷脂的無機(jī)雜質(zhì)基本分離徹底，且磷脂和甘三酯的分散程度也達(dá)到了一個(gè)平衡值。因此，本研究選取7～11min作為時(shí)間因素的不同水平范圍。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示，方差分析如表3所示：F值為46.08，P值<0.000 1，表示該模型極顯著。測得的丙酮不溶物的含量對自變量轉(zhuǎn)速、料液比、時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程為Y=67.39+0.55A-0.33B+0.56C+0.70AB-0.29AC+0.19BC-1.52A2-0.81B2-1.17C2。方程中P<0.001的項(xiàng)代表極顯著項(xiàng)，失擬項(xiàng)P=0.320 1（0.320 1>0.05）不顯著，回歸決定系數(shù)R2=0.983 4，校正決定系數(shù)R2adj=0.962 1（0.962 1>0.8），表明該模型只有3.8%的變異。由此可見，該模型的擬合度較好，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[8-9]，可用該模型對食品級濃縮磷脂制備工藝研究進(jìn)行初步分析和檢測。

從試驗(yàn)方差分析表可知，響應(yīng)面因素轉(zhuǎn)速、料液比、時(shí)間的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)對丙酮不溶物的影響均極顯著（P<0.01），又從轉(zhuǎn)速、料液比、時(shí)間的F值對試驗(yàn)指標(biāo)的重要性成正比關(guān)系可知，各因素對丙酮不溶物的影響程度按大小排序?yàn)闀r(shí)間>轉(zhuǎn)速>料液比。

2.3 各因素交互作用分析

為了探討交互作用對丙酮不溶物的影響，以任意兩因素為考察對象，另外一個(gè)因素取值為響應(yīng)面設(shè)計(jì)中零水平所對應(yīng)的值，利用Design-Expert軟件對各因素之間的交互作用進(jìn)行分析，繪制響應(yīng)面3D曲線圖，如圖4所示。

由圖4可知，各圖代表轉(zhuǎn)速和料液比、時(shí)間和轉(zhuǎn)速、時(shí)間和料液比之間的交互影響效應(yīng)。由響應(yīng)面情況，結(jié)合方差分析表交互項(xiàng)AB的P值（0.000 8<0.01）、AC的P值（0.061 1>0.05）、BC的P值（0.169 6>0.05）可以看出，轉(zhuǎn)速和料液比的交互作用極顯著，而轉(zhuǎn)速和時(shí)間、料液比和時(shí)間的交互作用不顯著。

2.4 制備工藝條件優(yōu)化及模型驗(yàn)證試驗(yàn)

Design Expert軟件所提供的預(yù)測最優(yōu)提取工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速6 132r/min，料液比3.31 ∶ 1，時(shí)間9.429min，模型組預(yù)測最大丙酮不溶物含量為67.509%。但考慮到試驗(yàn)儀器實(shí)際情況，將試驗(yàn)條件調(diào)整為轉(zhuǎn)速6 100r/min、料液比3.5∶1、時(shí)間9min。在此條件下重復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，丙酮不溶物含量為67.45%。與預(yù)測值基本吻合，說明模型能夠?qū)Ρ蝗芪锖窟M(jìn)行較準(zhǔn)確的分析，該優(yōu)化工藝條件較為可靠。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)旨在制備食品級大豆?jié)饪s磷脂，以丙酮不溶物含量為響應(yīng)面響應(yīng)值，借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)法對影響大豆?jié)饪s磷脂丙酮不溶物含量的3個(gè)關(guān)鍵因素（轉(zhuǎn)速、料液比、時(shí)間）進(jìn)行優(yōu)化，得出食品級大豆?jié)饪s磷脂制備的最佳工藝條件為轉(zhuǎn)速6 100r/min、料液比3.5∶1、時(shí)間9min，在該工藝條件下，丙酮不溶物的含量為67.45%。

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