響應(yīng)面法優(yōu)化全氫化棉籽油的制備工藝及產(chǎn)品表征

宋振佳,楊瑞楠，馬傳國，司天雷

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院,河南 鄭州 450001

植物油加氫是油脂化學(xué)工業(yè)中一項重要的改性技術(shù),氫化油的碘值≥5 g/100 g時被稱為部分氫化油[1]。良好的穩(wěn)定性和特殊的熔融性能使部分氫化油成為生產(chǎn)起酥油或人造黃油的普遍原料[2]。然而,部分氫化油是反式脂肪酸(trans fatty acids,TFAs)最主要的來源[3]。TFAs是包含有至少一個碳-碳反式雙鍵的單不飽和脂肪酸或多不飽和脂肪酸,研究發(fā)現(xiàn)膳食攝入TFAs會導(dǎo)致血液中低密度脂蛋白膽固醇的增加和高密度脂蛋白膽固醇的降低,從而提高心血管疾病的患病風(fēng)險[4-5]。因此在植物油氫化過程中降低TFAs含量對食品工業(yè)至關(guān)重要。

已知國標(biāo)對“零”TFAs標(biāo)簽的數(shù)據(jù)要求為每份食品樣品中TFAs含量≤ 0.3 g/100 g(相對TFAs含量≤ 0.3%)[6],滿足上述條件的同時其碘值≤ 5 g/100 g[1]則可稱“零”TFAs全氫化植物油。而目前關(guān)于植物油氫化的研究多集中在催化劑制備及其效果方面,涉及“零”TFAs全氫化植物油的研究較少。如楊希等[7]在傳統(tǒng)加氫工藝條件下使用1.79% Pt/ZrO2催化氫化大豆油,在氫化油樣碘值約為70 g/100 g時產(chǎn)生的反油酸含量為25.48 g/100 g。Iida等[8]利用自制的負(fù)載型催化劑TiO2(TiO-9)對大豆油進(jìn)行加氫處理,在800 mg/kg Ni、反應(yīng)溫度為413 K、氫氣壓力為0.5 MPa、攪拌速度為1 700 r/min下氫化大豆油的碘值為70 g/100 g,反油酸含量最低為15.7%[9]。杜晶等[10]在催化轉(zhuǎn)移加氫體系中利用自制的Pd/碳納米管為催化劑,在最優(yōu)工藝條件下得到的部分氫化大豆油中碘值為95.3 g/100 g,TFAs相對含量為10.2%。可見采用不同加氫條件及自制催化劑對植物油加氫所產(chǎn)生的TFAs含量雖然大幅降低,但對比國標(biāo)要求其含量依然較高。

我國是棉花生產(chǎn)和種植大國,2020—2021年度我國棉籽油產(chǎn)量達(dá)123.2萬t,約占世界總產(chǎn)量的23.8%[11-12]。棉籽油主要脂肪酸為棕櫚酸(18.30%～25.68%)、油酸(12.28%～18.50%)和亞油酸(51.99%～60.88%)[13],其結(jié)晶習(xí)性為β′型[14]。因此,來源廣泛且性質(zhì)優(yōu)良的棉籽油常被用作油脂氫化工業(yè)的原料。

鑒于目前關(guān)于植物油氫化研究中存在的TFAs含量較高的問題,為滿足國標(biāo)對“零”TFAs標(biāo)簽的數(shù)據(jù)要求,提升棉籽油的利用價值,作者以棉籽油為原料,探究棉籽油全氫化過程中鎳(Ni)載量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、攪拌速率對其碘值和TFAs相對含量的影響,并通過響應(yīng)面試驗優(yōu)化工藝條件制備出零反式脂肪酸全氫化棉籽油,對其物理性質(zhì)加以表征,為油脂氫化工藝提供參數(shù)依據(jù),對推動以全氫化棉籽油為原料生產(chǎn)載體基質(zhì)、塑性脂肪等高值化產(chǎn)品之相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

精煉棉籽油：碘值117.3 g/100 g,益海(昌吉)糧油工業(yè)有限公司提供。

鎳(Ni)催化劑： MONCATTM2021,鎳含量21%～23%,德國EVONIK INDUSTRIES;37種脂肪酸甲酯混合標(biāo)準(zhǔn)品、亞油酸甲酯順反異構(gòu)體混合標(biāo)準(zhǔn)品、亞麻酸甲酯8種順反異構(gòu)體混合標(biāo)準(zhǔn)品：美國Sigma-Aldrich公司; 高純H2(純度≥99.999%)： 河南源正特種氣體有限公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Parr 4760型非攪拌高壓反應(yīng)釜(300 mL)：美國Parr Instrument Company; RCT basic IKAMAG? safety control磁力攪拌器： 德國IKA集團(tuán); MiNispec20/100RTS脈沖核磁共振儀、D8 Advance X射線衍射儀：德國Bruker公司;SD制冷加熱循環(huán)水?。好绹鳳olyScience公司;ZEISS Axioscope 5偏光顯微鏡：德國Zeiss集團(tuán);氣相色譜儀：GC-2030 日本島津公司;TA-2000差示掃描量熱儀：德國 NETZSCH集團(tuán)。

1.3 方法

1.3.1 氫化試驗

準(zhǔn)確稱取10 g精煉棉籽油于20 mL玻璃小瓶中,加入一定量的催化劑Ni和轉(zhuǎn)子,旋緊瓶蓋。置于300 mL反應(yīng)釜內(nèi),重復(fù)3次排空氣。在一定的溫度、攪拌條件下,反應(yīng)一定時間。用預(yù)熱過的去頭注射器和0.8 μm有機濾膜將氫化油中的Ni濾除。

考察Ni載量(0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%),攪拌速率(500、600、700、800、900 r/min),溫度(100、120、140、160、180 ℃),時間(30、60、90、120、150 min)各個自變量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響。

依據(jù)單因素試驗結(jié)果,采用Design-Expert 13軟件進(jìn)行四因素三水平二響應(yīng)值的響應(yīng)面試驗。

1.3.2 碘值

原料油以及氫化棉籽油碘值的測定按照GB/T 5532—2008執(zhí)行。

1.3.3 熔點

氫化棉籽油的熔點按照GB/T 24892—2010進(jìn)行測定。

1.3.4 脂肪酸組成的測定

參照GB 5009.168—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》。采用三氟化硼甲酯化方法對棉籽油脂肪酸進(jìn)行甲酯化后,采用氣相色譜法對其脂肪酸組成進(jìn)行測定。通過對比標(biāo)準(zhǔn)品保留時間鑒定相應(yīng)脂肪酸,對峰面積進(jìn)行積分,采用面積歸一化法定量測定脂肪酸百分含量。其中,TFAs相對含量=TFAs峰面積之和/所有脂肪酸峰面積之和。試驗重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。

氣相色譜條件如下。Agilent HP-88石英毛細(xì)柱(100 m×0.25 mm,0.20 μm);進(jìn)樣口溫度：260 ℃;柱溫：140 ℃;火焰電離檢測器 (FID)溫度：260 ℃;分流比：50∶1;氮氣流速：24 mL/min;氫氣流速：32 mL/min;空氣流速：200 mL/min;進(jìn)樣量：1 μL。

1.3.5 固體脂肪含量(solid fat content,SFC)

使用布魯克MiNispec20/100RTS脈沖核磁共振儀測定樣品在0～70 ℃的固體脂肪含量。80 ℃熔化30 min,在0 ℃冷卻90 min,然后在每個測量溫度下保持30 min,5 ℃為間隔(55～65 ℃時的間隔為1 ℃)。重復(fù)試驗并計算平均值。

1.3.6 熔融和結(jié)晶行為

使用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)監(jiān)測樣品的熔融和結(jié)晶行為。具體方法參照郭姝婧等[15]的研究,測定峰值熔化/結(jié)晶溫度,熔化曲線的最后一個峰的頂點被認(rèn)為是樣品的熔點。重復(fù)試驗,結(jié)果取平均值。

1.3.7 晶體結(jié)構(gòu)

在D8 Advance X射線衍射儀上,使用銅X射線管(Cu-Kα,λ=1.541 8 ?,電壓40 kV,電流40 mA)測定樣品的多晶型。在0.5 °/min的掃描速度下,觀察10°～ 35°(2θ)的短間距。重復(fù)試驗并計算平均值。

1.3.8 微觀形態(tài)

使用配備18 MP 數(shù)碼相機(OMAX)的偏光顯微鏡觀察結(jié)晶樣品的形態(tài),放大倍數(shù)為20×10和50×10。將熔化的樣品放在預(yù)熱的載玻片上,并加蓋預(yù)熱的蓋玻片,在24 ℃下保持18 h。使用ImageJ.JS獲取樣本的數(shù)字圖像。分形維數(shù)(D)通過粒子計數(shù)算法確定,其中粒子數(shù)量在不同長度的盒子內(nèi)進(jìn)行計數(shù),在對數(shù)-對數(shù)圖上線性回歸的斜率對應(yīng)于D[16]。

1.4 統(tǒng)計分析

使用 IBM SPSS Statistics 26、Origin 2019b處理數(shù)據(jù)。采用Design-Expert 13軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析。根據(jù)Duncan′s多極差檢驗,認(rèn)為在P<0.05時差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 鎳載量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

工業(yè)常用加氫條件為溫度150～220 ℃,攪拌速率500～2 000 r/min,催化劑濃度0.02%～0.14%,氫氣壓0.2～0.6 MPa[17-18]。Parr反應(yīng)釜配置的SPAN壓力表最小示數(shù)為0.6 MPa,探索更低氫氣壓受限,因而固定氫氣壓為0.6 MPa。在氫化溫度140 ℃、攪拌速率700 r/min、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下考察鎳載量(0.02%～0.10%)對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響,結(jié)果如圖1所示。

注：不同小寫字母表示組間具有顯著性差異(P<0.05)。圖2—圖4同。圖1 鎳載量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.1 Effect of nickel loading on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

隨著鎳載量的增加,氫化棉籽油碘值以及TFAs相對含量快速下降。當(dāng)鎳載量為0.08%時,碘值為(0.58±0.12) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.17%±0.02%(<0.3%),油樣達(dá)到全氫化水平。繼續(xù)增加鎳載量,樣品碘值及TFAs水平不再明顯降低。上述現(xiàn)象可歸因于鎳含量的提高使更多的油被吸收到鎳表面上,鎳得到額外的活性位點,并隨后降低了氫原子在鎳表面的解吸速率,致使氫化水平升高,碘值及TFAs相對含量迅速降低[19]。但較高的鎳載量使其顆粒聚集度增加,有效表面積減小,可能導(dǎo)致反應(yīng)速率降低[10],因而碘值不再下降,TFAs水平略微提高?？紤]到成本及全氫化要求,故控制鎳載量為0.08%。

2.1.2 攪拌速率對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

在鎳載量0.08%、氫化溫度140 ℃、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下研究攪拌速率對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。由圖2可知,隨著攪拌速率的加快,碘值以及TFAs相對含量大幅降低,這可能是由于加快攪拌速率提高了非均相反應(yīng)中的傳質(zhì)速率,鎳表面氫氣濃度加大,反式異構(gòu)化程度銳減所致。在攪拌速率為700 r/min時碘值為(0.70±0.15 ) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.18%±0.01%(<0.3%),繼續(xù)提高攪拌速率,碘值和TFAs相對含量無顯著性變化,原因在于攪拌速率在達(dá)到可以消除擴散阻力后,使鎳表面氫氣濃度穩(wěn)定在一個較高的值,繼續(xù)升高攪拌速率對氫化反應(yīng)基本無明顯影響[20]。綜合上述分析,棉籽油全氫化的攪拌速率為700 r/min。

圖2 攪拌速率對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.2 Effect of stirring velocity on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.1.3 溫度對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

在鎳載量0.08%、攪拌速率700 r/min、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下研究溫度對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。如圖3所示,隨著溫度升高,氫化棉籽油碘值逐步下降,在140 ℃達(dá)到(0.60±0.12) g/100 g(<5 g/100 g),繼續(xù)升高溫度碘值無顯著性差異。這是由于提高溫度有利于更多的氫氣溶解于油中[17],加快了鎳表面活性位點與不飽和脂肪酸上雙鍵與氫原子的結(jié)合[21],油樣中C18∶1和C18∶0含量升高,C18∶2和C18∶3含量降低,油樣飽和度升高則碘值下降,油樣中脂肪酸不飽和鍵數(shù)量下降,并趨于穩(wěn)定,則碘值不再顯著變化。100 ℃ 時油樣TFAs相對含量極低,這是由于鎳作為催化劑在120 ℃ 以下活性較低,可能并未達(dá)到催化加氫反應(yīng)的活化能[22]。溫度在120 ℃ 時氫化油樣TFAs相對含量達(dá)到24% 左右,可能是在該溫度下異構(gòu)化選擇性上升所致。140～180 ℃ 條件下,TFAs相對含量基本穩(wěn)定在0.2% 以下,原因可能是溫度的升高使催化劑活性升高到一定浮動區(qū)間,高溫降低了油脂的黏度,體系流動性增強,從而促進(jìn)鎳更快地吸附氫原子,異構(gòu)化程度降低,從而獲得零TFAs氫化棉籽油。因此氫化溫度為140 ℃。

圖3 溫度對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.3 Effect of temperature on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.1.4 時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

鎳載量0.08%、攪拌速率700 r/min、溫度140 ℃、氫氣壓0.6 MPa條件下研究時間對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。如圖4所示,隨著時間的延長,氫化棉籽油碘值與TFAs相對含量迅速降低,最后逐漸平穩(wěn)。初始時棉籽油不飽和脂肪酸含量較高,反應(yīng)所需底物充足,因而加氫速率快,隨著氫化時間延長,不飽和脂肪酸濃度降低,可供異構(gòu)化的底物量變少,導(dǎo)致氫化速率減小[23]。90 min時,氫化油樣碘值為(0.60±0.17) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.17%±0.04%(<0.3%),繼續(xù)延長時間無顯著性差異。因此控制時間為90 min。

圖4 時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.4 Effect of time on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.2 響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken方法,以鎳載量(A)、攪拌速率(B)、溫度(C)、時間(D)為自變量,以氫化棉籽油碘值與TFAs相對含量為響應(yīng)值設(shè)計四因素三水平響應(yīng)面試驗。試驗設(shè)計因素與水平如表1所示。表2為響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果。

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface design

分別以碘值、TFA相對含量為響應(yīng)值,將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到各因素對兩個響應(yīng)值的回歸方程?；貧w方程分別為：

Y1=3.464-4.99A-7.25B-27.66C-11.93D+1.39AB+8.08AC+3.94AD+7.96BC+7.19BD+17.84CD-1.12A2+3.26B2+22.45C2+5.80D2;

Y2=2.95-2.15A-4.20B-13.88C-7.54D+1.30AB+2.31AC+1.83AD+3.93BC+6.30BD+9.81CD-0.673 2A2+1.71B2+9.80C2+2.94D2。式中Y1為碘值,Y2為TFAs相對含量。

2.2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果的方差及顯著性分析

為更立體地反映自變量間的交互作用對響應(yīng)值的影響,對3D響應(yīng)面圖進(jìn)行分析。如圖5(a)、(b)所示,隨著溫度的升高,鎳載量與攪拌速率、攪拌速率與時間使碘值先降低再升高,但升高幅度較小。由圖5(c)可知,隨著溫度升高、時間延長,碘值逐步下降至趨于零。結(jié)合表3中交互項F可知,各因素交互作用依次為CD>AC>BC。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface analysis

由圖6(a)、6(c)可知,隨著溫度的升高,TFAs相對含量先減小再增加,但增加的幅度偏小。由圖6(a)、6(b)可知,攪拌速率加快,TFAs相對含量逐步降低;由圖6(b)、6(c)可知,時間延長,TFAs相對含量先降低再升高,但升高幅度極小。結(jié)合表4中交互項F可知,各因素交互作用依次為CD>BD>BC。

表3 碘值回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of iodine value regression equation

圖5 交互作用對碘值影響的響應(yīng)面Fig.5 Response surface plots describing effects of interactions on iodine value

表4 反式脂肪酸含量回歸方程方差分析Table 4 Regression equation variance analysis of trans fatty acids content

圖6 交互作用對TFAs相對含量影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface plots describing effects of interactions on relative content of TFAs

經(jīng)Design-Expert 13軟件分析得到最佳工藝參數(shù)：鎳載量0.079%,攪拌速率617 r/min,溫度138 ℃,時間115 min,相應(yīng)模型預(yù)測碘值為3.60 g/100 g,TFAs相對含量為0.25%。在最佳工藝參數(shù)下進(jìn)行3次平行驗證試驗,氫化棉籽油的碘值為(2.40±0.62) g/100 g、TFAs相對含量0.19%±0.02%,與預(yù)測值相近。該模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測氫化油樣的碘值及TFAs相對含量,在該模型預(yù)測的最優(yōu)工藝下可以制備“零”反式酸全氫化棉籽油。

2.3 全氫化棉籽油表征

2.3.1 全氫化棉籽油的SFC

固體脂肪含量是在一定溫度下脂肪中固體的百分比,可對油脂的固相特性進(jìn)行量化的描述[17]。合適的SFC曲線在很大程度上決定了油脂的塑性行為。由圖7可知,在0～50 ℃范圍內(nèi)全氫化棉籽油的SFC在90%以上,且隨溫度升高基本不變;60～65 ℃范圍內(nèi),SFC由66.8%±0.5%降為3.6%±0.8%,說明在此階段大量脂肪由固脂熔化為液油。65～70 ℃,SFC逐漸趨于0%,因此可知全氫化棉籽油完全融化的溫度為65 ℃左右,與所測得的全氫化棉籽油熔點(63.5±0.5) ℃相近,55～65 ℃之間塑性范圍窄,可以作為原料參與酯交換以調(diào)整所需脂肪的塑性。

圖7 全氫化棉籽油的SFCFig.7 Solid fat content of fully hydrogenated cottonseed oil

2.3.2 差示掃描量熱圖譜及脂肪酸組成

全氫化棉籽油的DSC圖譜(圖8)顯示結(jié)晶曲線在46.3 ℃呈現(xiàn)單一放熱峰,融熔曲線在50.9 ℃、60.5 ℃處出現(xiàn)吸熱峰,中間出現(xiàn)放熱峰歸因于多晶型轉(zhuǎn)變過程中的重結(jié)晶[25],吸熱峰尾熔化終點為65.2 ℃,與65 ℃時的SFC相對應(yīng),說明樣品中甘三酯熔融范圍比較集中,組分較為單一[15]。如表5所示,全氫化棉籽油脂肪酸組成主要為棕櫚酸和硬脂酸,兩者含量可高達(dá)92%,大量的長鏈飽和脂肪酸使得全氫化棉籽油中存在高含量分子結(jié)構(gòu)類似的高熔點甘三酯;結(jié)晶峰(46.6 ℃處)溫度低于吸熱峰是由于甘三酯進(jìn)入晶格需要一定時間從而導(dǎo)致結(jié)晶出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象[26]。

2.3.3 X射線衍射圖譜

X射線衍射圖譜(圖9)顯示全氫化棉籽油在晶面短間距0.42 nm及0.38 nm處存在強衍射峰,在0.432 nm、0.406 nm處存在與強峰極近的較弱衍射峰。研究表明：短間距在0.46 nm的衍射峰為β型,在0.415 nm代表α型、β′型的兩個強短間距分別為0.38 nm和0.42 nm,以及其他弱間距分別為0.427 nm、0.405 nm、0.397 nm和0.371 nm[27-28]。根據(jù)對比分析可知全氫化棉籽油的晶型為β′。在人造黃油和起酥油的基料油配方中,適量加入以β′ 型為主的高熔點全氫化棉籽油可以賦予產(chǎn)品優(yōu)良的塑性、涂抹型及口感[29-30]。

表5 氫化試驗前后棉籽油脂肪酸組成Table 5 Fatty acid composition of cottonseed oil before and after hydrogenation experiment %

圖8 全氫化棉籽油的DSC圖譜Fig.8 DSC melting and crystallization curves of fully hydrogenated cottonseed oil

圖9 全氫化棉籽油的XRD圖譜Fig.9 XRD spectrum of fully hydrogenated cottonseed oil

2.3.4 全氫化棉籽油的微觀形態(tài)

如圖10所示,全氫化棉籽油晶體輪廓明顯,晶體形態(tài)呈發(fā)散針狀形并聚集形成晶簇,且晶簇分布緊密。通常情況下,較有序成核的晶體網(wǎng)絡(luò)具有較高的分形維數(shù),而較無序成核的晶體網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)較低[16]。通過應(yīng)用ImageJ.JS粒子計數(shù)算法算出全氫化棉籽油偏光圖分形維數(shù)D=1.60±0.02,此值與國外研究β′ 晶型圖中較高的D(1.45～1.76)近似[31],因此全氫化棉籽油具備較有序成核的晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),此有利于包裹液油,防止油脂在儲藏過程中因油脂遷移而產(chǎn)生起霜現(xiàn)象[1]。

圖10 全氫化棉籽油的偏光顯微圖Fig.10 Polarization micrograph of fully hydrogenated cottonseed oil

3 結(jié)論

通過單因素試驗考察了棉籽油氫化過程中鎳載量、攪拌速率、溫度、時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響,并利用響應(yīng)面法優(yōu)化了工藝條件,得到全氫化棉籽油最優(yōu)制備工藝條件為鎳載量0.079%、攪拌速率617 r/min、溫度138 ℃、時間115 min。此條件下氫化棉籽油碘值為(2.40±0.62) g/100 g、TFAs相對含量0.19%±0.02%,滿足了棉籽油零反式酸全氫化的要求。通過SFC、DSC、XRD以及偏光顯微鏡對全氫化棉籽油進(jìn)行分析表征,結(jié)果表明其熔點高、組分單一并呈現(xiàn)出β′ 晶型的特征,可用于復(fù)配液態(tài)油通過酯交換等方法制備寬塑性專用油脂基料油。