基于響應(yīng)面分析法優(yōu)化冷榨花生油酸法脫膠工藝

朱涵彬，李 靚，趙澤洋

河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院 (鄭州 450046)

花生因其富含大量油脂[1]，是一種很好的油料資源[2]?；ㄉ统噬铧S色或淺黃色，油中的脂肪酸含量很多，其中絕大多數(shù)是不飽和脂肪酸[3]。研究表明，多食用花生油可以明顯降低心腦血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[4]。并且花生油中的維生素E和膽堿可以減緩衰老，油中的微量元素硒和活性成分白藜蘆醇可以減少血小板的凝集，從而預(yù)防各類(lèi)血栓。冷榨花生油，是將花生仁低溫干燥后，通過(guò)物理壓榨的方法得到的花生油[5]。因其生產(chǎn)溫度不高于60 ℃，最大程度保留了熱敏性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以冷榨花生油更能滿足現(xiàn)今消費(fèi)者對(duì)天然健康食品的訴求。

為了獲得高質(zhì)量的冷榨花生油產(chǎn)品，要將其中的膠質(zhì)去除，如果脫膠不完全，當(dāng)油溫升高時(shí)，毛油中的磷脂會(huì)焦化發(fā)苦，導(dǎo)致油脂顏色加深且渾濁。所以在冷榨花生油的精煉工藝中脫膠就成了極其重要的一個(gè)步驟[6]。目前對(duì)于花生油脫膠工藝的研究較少。實(shí)驗(yàn)以冷榨花生油為原料，利用響應(yīng)面法優(yōu)化其酸法脫膠工藝條件，為冷榨花生油的工業(yè)化生產(chǎn)提供更多可利用的信息。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷榨花生油、毛油，河南南陽(yáng)市南召縣磨坊；丙酮，分析純，河南省新鄉(xiāng)市中原有機(jī)化工；檸檬酸，分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；磷酸，分析純，太倉(cāng)滬試試劑有限公司。

DHG-9140水浴鍋，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；DGG-9030A循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；FA224電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；TDZA-WS離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1冷榨花生油酸法脫膠實(shí)驗(yàn)操作

準(zhǔn)確稱取50 g冷榨花生油于250 mL錐形瓶中，于水浴中加熱至脫膠溫度，用玻璃棒邊快速攪拌，邊加入接近油溫的酸，注意酸要緩慢加入。攪拌一定時(shí)間后，緩慢加入溫度相似的蒸餾水，繼續(xù)攪拌至設(shè)定的脫膠時(shí)間，計(jì)算脫膠率。

1.2.2脫膠用酸的選擇

設(shè)定酸的添加量為油重的0.2%，水的添加量為油重的3%，脫膠時(shí)間20 min，脫膠溫度60 ℃，比較檸檬酸和磷酸這兩種酸，用于冷榨花生油酸法脫膠時(shí)的脫膠率高低。選擇脫膠率高的酸用于酸法脫膠實(shí)驗(yàn)。

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考察酸的添加量，水的添加量，脫膠溫度和脫膠時(shí)間這4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，對(duì)冷榨花生油酸法脫膠率的影響。對(duì)單一實(shí)驗(yàn)因素的不同水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每組做3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.2.3.1 酸的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

設(shè)定水的添加量為油重的3%，脫膠時(shí)間20 min，脫膠溫度60 ℃，分別以油重0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的添加量加入酸，進(jìn)行酸法脫膠實(shí)驗(yàn)。

1.2.3.2 水的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

設(shè)定酸的添加量為油重的0.2%，脫膠時(shí)間20 min，脫膠溫度60 ℃，分別加入油重1%、2%、3%、4%、5%的水進(jìn)行酸法脫膠實(shí)驗(yàn)。

1.2.3.3 脫膠溫度對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

設(shè)定酸的添加量為油重的0.2%，水的添加量為油重的3%，脫膠時(shí)間20 min，分別在50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃溫度下酸法脫膠。

1.2.3.4 脫膠時(shí)間對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

設(shè)定酸的添加量為油重的0.2%，水的添加量為油重的3%，脫膠溫度60℃，分別酸法脫膠10 min、20 min、30 min、40 min、50 min。

1.2.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用Design-Expert軟件，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以酸的添加量A，水的添加量B，脫膠溫度C，脫膠時(shí)間D這4個(gè)影響因素為實(shí)驗(yàn)因素，以冷榨花生油的酸法脫膠率Y為響應(yīng)值，各實(shí)驗(yàn)因素的不同水平分別用1、0、-1進(jìn)行編碼，從而獲得冷榨花生油酸法脫膠的最佳工藝條件。

1.2.5數(shù)據(jù)處理

冷榨花生油酸法脫膠率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W表示冷榨花生油的酸法脫膠率，%；m1表示毛油中磷脂的含量，mg/g；m2表示脫膠油中磷脂的含量，mg/g。

磷脂含量的測(cè)定參照GB/T 5537—2008[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫膠用酸的選擇

檸檬酸和磷酸的脫膠率如下面表1所示。

表1 檸檬酸和磷酸的脫膠率

由表1可知，在相同的脫膠實(shí)驗(yàn)條件下，用磷酸脫膠測(cè)得的脫膠率較高，所以實(shí)驗(yàn)選擇用磷酸作為冷榨花生油酸法脫膠用酸。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1酸的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

酸的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響見(jiàn)下圖1。

圖1 酸的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

由圖1可知，當(dāng)酸的添加量小于油重0.2%時(shí)，脫膠率隨著酸添加量的增加而升高。當(dāng)酸的添加量達(dá)到油重0.2%時(shí)，脫膠率最高。當(dāng)酸的添加量大于油重0.2%時(shí)，脫膠率隨著酸添加量的增加而降低。這是由于增加磷酸的量，可以使磷酸與磷脂的接觸幾率增大，水化磷脂的轉(zhuǎn)化率提高，從而脫膠率提高，若繼續(xù)增加磷酸，多余的游離磷酸可能會(huì)破壞已經(jīng)凝聚的磷脂膠體，使脫膠率降低。因此，選擇添加油重0.2%的磷酸比較合適[8]。

2.2.2水的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

水的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響見(jiàn)下圖2。

圖2 水的添加量對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

由圖2可以看出，當(dāng)水的添加量小于油重3%的時(shí)候，脫膠率隨著水添加量的增加而增加。當(dāng)水的添加量為油重3%時(shí)，脫膠率最高。當(dāng)水的添加量大于油重3%時(shí)，脫膠率隨著水添加量的增加而降低。這是因?yàn)榧尤脒m量的水，磷脂膠粒吸水膨脹易于凝聚，加水量不足，磷脂膠粒較細(xì)而難以凝聚，加入過(guò)多的水，會(huì)使油脂中含有游離水，使磷脂變?yōu)槿榛瘎?dǎo)致油樣乳化[9]，脫膠率下降。因此，選擇水的添加量為油重3%較合適。

2.2.3脫膠溫度對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

脫膠溫度對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響見(jiàn)下圖3。

圖3 脫膠溫度對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

由圖3可知，當(dāng)脫膠溫度小于60 ℃時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的增加脫膠率也增加。當(dāng)脫膠溫度為60 ℃時(shí)，脫膠率達(dá)到最大值。當(dāng)脫膠溫度大于60 ℃時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的增加脫膠率反而下降。這是因?yàn)檫m當(dāng)升高脫膠溫度，可降低油的粘度，使磷脂水合能力增強(qiáng)，易凝聚形成膠體，易于除去。但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致疏水性磷脂含量增加，使磷脂的親油性增大，親水性減少，不易與油分離，使得脫膠率降低。因此，選擇的最佳脫膠溫度是60 ℃。

2.2.4脫膠時(shí)間對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

脫膠時(shí)間對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響見(jiàn)下圖4。

圖4 脫膠時(shí)間對(duì)冷榨花生油脫膠率的影響

由圖4可知，當(dāng)脫膠時(shí)間小于20 min時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的延長(zhǎng)脫膠率增大。當(dāng)脫膠時(shí)間為20 min時(shí)，脫膠率達(dá)到最大值。當(dāng)脫膠時(shí)間大于20 min時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的增加，脫膠率逐漸降低。這是因?yàn)檫m當(dāng)增加脫膠時(shí)間可以使磷脂充分凝聚形成膠體，促進(jìn)脫膠正向進(jìn)行，若脫膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)發(fā)生逆反應(yīng)，使已經(jīng)凝聚的磷脂重新分散于水中，不但使脫膠率降低，還造成油脂的乳化[10]。所以選擇脫膠時(shí)間為20 min。

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

2.3.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

響應(yīng)面法在數(shù)據(jù)處理上已有廣泛的應(yīng)用[11-14]。根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，響應(yīng)面的因素水平見(jiàn)表2，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)Design-Expert軟件分析，得出冷榨花生油酸法脫膠率Y關(guān)于酸的添加量A，水的添加量B，脫膠溫度C和脫膠時(shí)間D的多元回歸方程如式(2)所示，方差分析見(jiàn)下表4。

脫膠率Y=85.98+7.51A+0.28B+0.26C-0.58D+0.61AB-0.028AC+1.39AD-0.065BC-0.28BD+0.063CD-23.17A2-3.59B2-1.73C2-3.46D2

(2)

表4 方差分析

由表4可知，模型的P值<0.001極顯著F值為242.80，表明該模型對(duì)冷榨花生油的酸法脫膠率影響極顯著。失擬F=5.33，P=0.060 4，結(jié)果不顯著，說(shuō)明方程的擬合度較高。

2.3.2響應(yīng)面因素分析

模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)下表5。

表5 模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

由表5可以看出，一次項(xiàng)A，二次項(xiàng)A2、B2和D2，P值<0.001極顯著，說(shuō)明對(duì)冷榨花生油的酸法脫膠率影響極顯著。二次項(xiàng)C2，P值<0.01高度顯著，說(shuō)明對(duì)冷榨花生油的酸法脫膠率影響高度顯著。二次項(xiàng)AD，P值<0.05顯著，說(shuō)明對(duì)冷榨花生油的酸法脫膠率影響顯著。

2.3.3二次交互分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，酸的添加量、水的添加量、脫膠溫度和脫膠時(shí)間這4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素之間兩兩相互作用對(duì)冷榨花生油的酸法脫膠率的影響情況，如圖5～圖10所示。

根據(jù)圖5～圖10可知，酸的添加量與脫膠時(shí)間之間的等高線圖，呈比較明顯的橢圓形，說(shuō)明它們的相互作用對(duì)冷榨花生油酸法脫膠率的影響較強(qiáng)，這與表5中的P值結(jié)果一致。而酸的添加量與水的添加量、酸的添加量與脫膠溫度、水的添加量與脫膠時(shí)間、水的添加量與脫膠溫度、脫膠時(shí)間與脫膠溫度之間的等高線圖，顯示為介于橢圓形與圓形之間，可知它們的相互作用較小，但是線性作用關(guān)系較強(qiáng)，對(duì)冷榨花生油酸法脫膠率產(chǎn)生一定影響。

2.3.4最佳工藝檢驗(yàn)

通過(guò)Box-Behnken軟件分析可以得出冷榨花生油酸法脫膠的最佳工藝條件：酸的添加量為油重0.2%、水的添加量為油重3%、脫膠溫度60 ℃、脫膠時(shí)間20 min，這時(shí)冷榨花生油的脫膠率最高為86.62%。經(jīng)過(guò)3次平行實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用上述最佳脫膠工藝條件，實(shí)際冷榨花生油的酸法脫膠率達(dá)到86.61%，與預(yù)測(cè)值接近，證明最佳工藝預(yù)測(cè)值較為準(zhǔn)確。

圖5 酸的添加量和水的添加量的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖6 酸的添加量與脫膠溫度的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖7 酸的添加量與脫膠時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖8 水的添加量與脫膠溫度的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖9 水的添加量與脫膠時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖10 脫膠溫度與脫膠時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

3 結(jié)論

選擇磷酸作為冷榨花生油酸法脫膠工藝用酸，利用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得出冷榨花生油酸法脫膠的最佳工藝條件：酸的添加量為油重0.2%，水的添加量為油重3%，脫膠溫度60℃，脫膠時(shí)間20 min，此時(shí)冷榨花生油的酸法脫膠率為86.61%。此工藝具有一定的參考價(jià)值。