冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠工藝優(yōu)化

朱涵彬，李 靚，郝修振，林志立

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

0 引言

胡蘿卜，又名甘荀，為一年或兩年生的草本植物[1]。原產(chǎn)于亞洲西南地區(qū)，適宜在砂質(zhì)土層中生長，在世界各地均有種植，我國對(duì)于胡蘿卜的種植歷史長達(dá)千年，且種植面積大，覆蓋廣。目前，胡蘿卜籽在我國除了做種子和藥材以外大部分沒有得到充分利用。對(duì)它的研究開發(fā)主要集中在醫(yī)療和香辛料的研究領(lǐng)域，以實(shí)驗(yàn)室小試為主，對(duì)其綜合開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的研究報(bào)道甚少。

胡蘿卜籽中含有黃酮，黃酮具有消除炎癥和預(yù)防腫瘤的作用，對(duì)治療動(dòng)脈粥樣硬化和心絞痛等疾病也非常有效[2]。除此之外，胡蘿卜籽中可分離出抗氧化肽，這種物質(zhì)可對(duì)人體內(nèi)的自由基進(jìn)行清除，并可防止脂類物質(zhì)的過度氧化，同時(shí)又起到為人體內(nèi)提供額外營養(yǎng)物質(zhì)的作用[3]。胡蘿卜籽油中不飽和脂肪酸含量豐富，且具有多種生理活性成分，可作為一種新的食用油脂加以推廣[4-7]。作為一種具有良好保健功能和食用價(jià)值的油脂，胡蘿卜籽油的開發(fā)研究對(duì)于提高胡蘿卜籽的利用率、拓寬我國食用油資源，滿足市場(chǎng)需求，減少我國對(duì)油料的進(jìn)口都有重要意義。

本文以冷榨胡蘿卜籽油為原料，優(yōu)化其酸法脫膠工藝，可為冷榨胡蘿卜籽油脫膠工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷榨胡蘿卜籽油，購于江西金源有限公司；丙酮，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；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，太倉滬試劑有限公司。

DHG-9140型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司)；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋(方科儀器有限公司)；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；TDZA-WS型離心機(jī)(上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；FA2104型分析天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 胡蘿卜籽油的酸法脫膠方法

參考孫辰茹[8]磷酸脫膠過程的操作，準(zhǔn)確稱取50 g胡蘿卜籽毛油置于250 mL錐形瓶中，置于水浴鍋中加熱，待加熱至脫膠溫度時(shí)，加入酸，并不斷攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，再加入與油溫相當(dāng)?shù)倪m量蒸餾水，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間后，靜置30 min，再用離心機(jī)3 000 r/min分離5 min，上層即為脫膠后的冷榨胡蘿卜籽油。

1.2.2 單因素試驗(yàn)方法

對(duì)冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。以酸的種類及添加量、水的添加量、脫膠時(shí)間和脫膠溫度為試驗(yàn)因素，以脫膠率為試驗(yàn)因素選取的依據(jù)，對(duì)單一因素的不同水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，計(jì)算冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠率，做3次平行試驗(yàn)，取平均值。

(1)酸的種類及添加量對(duì)脫膠率的影響。設(shè)置水的添加量為毛油的3%、反應(yīng)時(shí)間20 min、脫膠溫度60 ℃，分別考慮檸檬酸和磷酸這兩種酸的選擇以及它們的不同添加量對(duì)毛油脫膠率的影響，分別將毛油質(zhì)量0.10%、0.15%、0.20%、0.25%和0.30%的酸加入毛油中進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(2)水的添加量對(duì)脫膠率的影響。設(shè)置酸的添加量0.2%、脫膠溫度60 ℃、脫膠時(shí)間20 min，分別將毛油質(zhì)量1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%的水加入毛油中進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(3)溫度對(duì)脫膠率的影響。設(shè)置酸和水在油中的添加量分別為0.2%和3.0%、脫膠時(shí)間20 min，分別用40、50、60、70和80 ℃的溫度進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(4)時(shí)間對(duì)脫膠率的影響。設(shè)置酸和水在毛油中的添加量分別為0.2%和3.0%、脫膠溫度60 ℃，將脫膠過程中的反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)為10、20、30、40和50 min進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)方法

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取酸的添加量A、水的添加量B、脫膠時(shí)間C及脫膠溫度D這4個(gè)影響因素為試驗(yàn)因素。各個(gè)因素以不同的試驗(yàn)水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼，以脫膠率Y為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)4因素3水平試驗(yàn)，對(duì)冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

(1)冷榨胡蘿卜籽油脫膠率的測(cè)定。

(1)

式中Y——胡蘿卜籽油的脫膠率，%

m0——胡蘿卜籽毛油中磷脂的含量，g

m1——脫膠后的胡蘿卜籽油中磷脂的含量，g

(2)脫膠油中磷脂含量的測(cè)定。

磷脂含量測(cè)定按GB/T 5537—2008《糧油檢驗(yàn)磷脂含量的測(cè)定》方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 酸的種類及其添加量

由圖1可知，分別加入檸檬酸和磷酸脫膠，當(dāng)酸的添加量小于毛油質(zhì)量的0.25%時(shí)，隨著酸的不斷加入，毛油的脫膠效果均得到提高，原因可能是增大了酸的用量，從而增大了酸與非水化磷脂的接觸面積，轉(zhuǎn)化率隨之提高。當(dāng)酸在油中的占比為0.25%時(shí)，加入檸檬酸的脫膠率為64.15%，加入磷酸的脫膠率為61.08%，且均達(dá)到最大值。繼續(xù)增加酸的量，毛油的脫膠率并沒有提高，反而都下降了，原因可能是繼續(xù)增加酸破壞了凝聚的膠體。故而選擇加入毛油質(zhì)量0.25%的酸，進(jìn)行脫膠。

圖1 酸的種類及其添加量對(duì)脫膠率的影響

由圖1還可以看出，加入檸檬酸和磷酸脫膠時(shí)，兩者的脫膠率相似，但總體來說加入磷酸的脫膠率稍低于加入檸檬酸的脫膠率，另外，采用磷酸脫膠會(huì)使脫膠油的色澤受到影響，且由此得到的磷脂可能會(huì)出現(xiàn)變性，使油脂喪失部分營養(yǎng)特性[9]。因此，選擇用檸檬酸進(jìn)行脫膠。

2.1.2 水的添加量

由圖2可知，當(dāng)加入小于毛油質(zhì)量3%的水時(shí)，毛油的脫膠率隨著水在油中比例的增加而提高，說明水的加入量不足時(shí)，水與油脂不能充分接觸，此時(shí)膠粒與油脂分散開來有一定難度，隨著加水比例的不斷增大，毛油中的磷脂逐漸得到了充分的水化，所以毛油的脫膠率逐漸提高。當(dāng)水的加入量達(dá)到毛油質(zhì)量的3%時(shí)，毛油的脫膠率達(dá)到最高為66.97%，繼續(xù)增大加水量，毛油的脫膠率反而下降，圖2中加水量為毛油質(zhì)量的5%時(shí)，脫膠率降至42.51%。原因可能是水的加入量過大，游離的水會(huì)造成油脂的乳化，使得毛油的脫膠率降低[10]。因此，選擇加入毛油質(zhì)量3%的水，進(jìn)行脫膠。

圖2 水的添加量對(duì)脫膠率的影響

2.1.3 脫膠溫度

從圖3中可以看出，不同溫度對(duì)毛油脫膠率的影響差異不明顯，這與JIANG Xiaofei等[11]對(duì)菜籽毛油脫膠工藝的研究結(jié)果相似。當(dāng)脫膠溫度為60 ℃時(shí)，毛油的脫膠率高于其他溫度下的脫膠率，此時(shí)的脫膠率最高為61.97%。在試驗(yàn)過程中，脫膠溫度較低時(shí)檸檬酸不容易在油脂中溶解，增加了其與磷脂的反應(yīng)難度，而膠粒形成的過程是可逆的，如果脫膠溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)形成的膠體再次分散，從而導(dǎo)致脫膠率降低。雖然在試驗(yàn)中脫膠溫度的影響不大，但經(jīng)綜合考慮，最終選擇60 ℃為反應(yīng)溫度。

圖3 溫度對(duì)脫膠率的影響

2.1.4 脫膠時(shí)間

從圖4中可以看出，當(dāng)脫膠時(shí)間為10 min時(shí)，毛油的脫膠率為42.25%，脫膠效果不明顯。脫膠時(shí)間在10～30 min時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的不斷增加，脫膠率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)脫膠時(shí)間為30 min時(shí)，毛油的脫膠率最高，達(dá)到67.22%，這與沈淇元等[12]對(duì)牡丹籽油的精煉研究中的結(jié)果相似。說明磷脂需要一段時(shí)間才能達(dá)到水化的目的，凝聚為膠體，這時(shí)磷脂與檸檬酸的結(jié)合會(huì)達(dá)到一個(gè)較好的臨界狀態(tài)[13]。當(dāng)脫膠時(shí)間>30 min時(shí)，由于油脂與酸和水的作用時(shí)間過長，打破了反應(yīng)的最佳狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)逆反應(yīng)，使已經(jīng)凝聚成膠體的磷脂重新分散開來，毛油脫膠率也會(huì)因此降低[14]。所以，選擇30 min作為脫膠時(shí)間最好。

圖4 時(shí)間對(duì)脫膠率的影響

2.2 脫膠工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行回歸方程分析，響應(yīng)面因素水平如表1所示，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示，其方差分析結(jié)果如表3所示。

表1 響應(yīng)面因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸方程方差分析結(jié)果

使用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析，得出以冷榨胡蘿卜籽油脫膠率(Y)為響應(yīng)值的回歸方程，如式(2)所示。

脫膠率(Y)=70.61+1.47A+2.38B-0.50C-0.58D-0.33AB-1.51AC-0.30AD-0.75BC+0.53BD-0.28CD-3.69A2-9.05B2-3.94C2-3.24D2

式(2)

由表3還可以得出，一次項(xiàng)B，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2，P值<0.000 1，極顯著；一次項(xiàng)A，P值<0.01，高度顯著。通過響應(yīng)面分析得出4個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)冷榨胡蘿卜籽毛油脫膠效果的影響大小順序?yàn)锽>A>D>C。

2.2.2 響應(yīng)面各因素交互作用分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件，得到酸的添加量(A)、水的添加量(B)、脫膠時(shí)間(C)及脫膠溫度(D)這4個(gè)試驗(yàn)因素之間兩兩相互作用，對(duì)冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠率的影響情況，如圖5～10所示。

由圖5～10可以得出，當(dāng)其他因素取零水平時(shí)，冷榨胡蘿卜籽油的脫膠率隨著各因素的變化均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致。各因素間兩兩相互作用對(duì)毛油脫膠率有一定的影響，結(jié)合表3中P值的結(jié)果和響應(yīng)面圖中坡面陡峭程度得出各因素間兩兩相互作用對(duì)毛油脫膠率的影響順序?yàn)锳C>BC>BD>AB>AD>CD，即水的添加量與脫膠時(shí)間的交互作用較明顯，對(duì)毛油脫膠率的影響較大，而脫膠溫度與脫膠時(shí)間的交互作用，圖10中顯示的坡度最平緩，所以對(duì)冷榨胡蘿卜籽油的脫膠率影響最小。

圖5 水和酸添加量的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖6 酸的添加量和時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖7 酸的添加量和溫度的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖8 水的添加量和時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖9 水的添加量和溫度的交互作用對(duì)脫膠率的影響

圖10 溫度和時(shí)間的交互作用對(duì)脫膠率的影響

2.2.3 最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析得出最佳的脫膠工藝條件：檸檬酸的添加量為毛油質(zhì)量的0.25%，水的加入量為毛油質(zhì)量的3%，脫膠溫度為59 ℃，脫膠時(shí)間為29 min，此時(shí)毛油的脫膠率預(yù)測(cè)值為70.98%。在此條件下，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過3次平行試驗(yàn)，證明應(yīng)用上述最佳脫膠工藝條件，實(shí)際冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠率平均達(dá)到70.20%，與軟件模型預(yù)測(cè)值相近，表明此工藝較為可靠，有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

采用酸法脫膠工藝對(duì)冷榨胡蘿卜籽毛油進(jìn)行脫膠試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)，選取檸檬酸作為脫膠用酸，經(jīng)單因素和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出，影響酸法脫膠率的順序?yàn)樗奶砑恿?酸的添加量>脫膠溫度>脫膠時(shí)間。當(dāng)檸檬酸的添加量為毛油質(zhì)量的0.25%、水的添加量為毛油質(zhì)量的3%、脫膠溫度為59 ℃、脫膠時(shí)間為29 min時(shí)，毛油的脫膠率最高，此時(shí)冷榨胡蘿卜籽毛油的脫膠率為70.20%。

胡蘿卜籽油中主要是不飽和脂肪酸，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，可作為一種新的食用油脂，具有廣闊的發(fā)展前景，必將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。