響應(yīng)面優(yōu)化冷榨胡蘿卜籽油吸附脫色工藝

符勝男，朱涵彬，李 靚，郝修振

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)

胡蘿卜，為傘形科草本植物，在我國(guó)分布面積遼闊，南北均有栽培[1]。胡蘿卜含有大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有清熱解毒等藥用價(jià)值，常被稱為“小人參”，其大量的生理活性成分，具有良好的保健功能[2]，在化痰止咳、消炎殺菌和美容養(yǎng)膚等醫(yī)療美容方面有很好的療效[3]。胡蘿卜籽油具有較濃的辛香和甜的辛辣味，油中不飽和脂肪酸含量豐富，且富含油酸和亞麻酸[4]，具有降低膽固醇、促進(jìn)人體生長(zhǎng)和提高免疫力等功效[5-6]，具有較高的醫(yī)用價(jià)值。胡蘿卜籽油不僅可以直接食用，還可以與其他油脂進(jìn)行調(diào)配，改善其它油脂的質(zhì)量[7]，是一種極具開發(fā)價(jià)值的食用油，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

油脂脫色常用的吸附劑有活性炭、凹凸棒土和活性白土?；钚园淄帘砻嬗休^大的孔隙度，吸附活性較高，且價(jià)格低廉，脫色效果理想[8-9]，本實(shí)驗(yàn)采用活性白土作為脫色劑對(duì)冷榨胡蘿卜籽油進(jìn)行吸附脫色，分析了活性白土添加量、脫色時(shí)間和脫色溫度這3個(gè)因素對(duì)脫色率的影響，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化了脫色工藝，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷榨胡蘿卜籽油，購(gòu)于江西金源有限公司；活性白土，純度98.12%，上海麥克林生化科技有限公司；正己烷，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

FA224型分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HH-S型單列雙孔電熱恒溫水浴鍋，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；BlueStarB型紫外、可見分光光度計(jì)，北京萊伯泰儀器股份有限公司；TDZ4-WS型離心機(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冷榨胡蘿卜籽油的脫色工藝

準(zhǔn)確稱取50 g冷榨胡蘿卜籽毛油，于250 mL錐形瓶中，在水浴鍋里加熱至一定溫度后，保持恒溫，加入一定量的活性白土，用玻璃棒不斷進(jìn)行攪拌。待活性白土發(fā)揮吸附作用后，停止攪拌，靜置。用離心機(jī)以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min，取出上層脫色后的冷榨胡蘿卜籽油。待其降至室溫后，測(cè)定脫色率[10-11]。

1.2.2單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 不同活性白土添加量對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

在脫色溫度70 ℃、脫色時(shí)間20 min條件下，分別加入油重1%、2%、3%、4%、5%、6%的活性白土，進(jìn)行吸附脫色，考察不同活性白土添加量對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響。

1.2.2.2 不同脫色時(shí)間對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

在脫色溫度70 ℃、活性白土添加量為油重3%的條件下，分別吸附脫色10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，考察不同脫色時(shí)間對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響。

1.2.2.3 不同脫色溫度對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

在脫色時(shí)間20 min、活性白土添加量為油重3%的條件下，分別用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃的溫度進(jìn)行吸附脫色，考察不同脫色溫度對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響。

1.2.3響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6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)。選擇活性白土添加量、脫色時(shí)間、脫色溫度作為響應(yīng)因素，以冷榨胡蘿卜籽油的脫色率Y為響應(yīng)值，對(duì)冷榨胡蘿卜籽油吸附脫色的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表，如表1所示。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

1.2.4脫色率的計(jì)算

采用分光光度法檢測(cè)油脂色澤的變化。以正己烷為溶劑和參比溶液，測(cè)定冷榨胡蘿卜籽油在305 nm波長(zhǎng)[12]處的吸光度值，脫色率計(jì)算公式如下。

式中：Y表示冷榨胡蘿卜籽油的脫色率，%；a表示脫色前冷榨胡蘿卜籽油的吸光度；b表示脫色后冷榨胡蘿卜籽油的吸光度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

單因素實(shí)驗(yàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn) 3 次重復(fù)，數(shù)據(jù)以平均值顯示，采用 Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并作圖。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素并作出平面等高線圖和 3D 曲面圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1不同活性白土添加量對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

由圖1可見，冷榨胡蘿卜籽油的脫色率整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)活性白土添加量小于油重的4%時(shí)，隨著白土添加量的增加，脫色率增加得很快。當(dāng)活性白土添加量為油重的4%時(shí)，脫色率達(dá)到最大，繼續(xù)增加活性白土的添加量，脫色率增加緩慢?；钚园淄恋挠昧坎⒎窃蕉嘣胶?，用量過高，導(dǎo)致油脂得率下降，造成油脂中白土味過重，影響油脂品質(zhì)，且增加脫色成本。因此，綜合脫色效果和脫色成本來(lái)看，活性白土最適添加量為油重的4%。

圖1 活性白土添加量對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

2.1.2不同脫色時(shí)間對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

由圖2可見，當(dāng)脫色時(shí)間小于30 min時(shí)，冷榨胡蘿卜籽油的脫色率隨脫色時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)脫色時(shí)間為30 min時(shí)，脫色率達(dá)到最大值。繼續(xù)增加脫色時(shí)間，脫色率反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是由于脫色時(shí)間過短，達(dá)不到吸附過程的平衡狀態(tài)，吸附劑活性白土不能完全發(fā)揮作用，而脫色時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使油脂中已經(jīng)吸附除去的色素重新解析出來(lái)，導(dǎo)致油脂顏色加深，脫色率下降[13]。因此，冷榨胡蘿卜籽油的最適脫色時(shí)間為30 min。

圖2 脫色時(shí)間對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色率的影響

2.1.3不同脫色溫度對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色效果的影響

由圖3可見，當(dāng)脫色溫度小于60 ℃時(shí)，冷榨胡蘿卜籽油的脫色率隨脫色溫度的升高而增加，當(dāng)脫色溫度為60 ℃時(shí)，脫色率達(dá)到最大值。脫色溫度繼續(xù)升高，脫色率反而逐漸減小?？赡苁怯捎诿撋珳囟冗^低，脫色進(jìn)行的不完全，導(dǎo)致脫色率較低，而脫色溫度過高，油脂中的色素不能被活性白土有效地吸附，從而造成了色素的固定，使得油脂顏色加深，對(duì)油脂品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響[14]。因此，冷榨胡蘿卜籽油的最適脫色溫度為60 ℃。

圖3 脫色溫度對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色率的影響

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果表

由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果數(shù)據(jù)分析，得到二次回歸方程模型和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析表3，如下：

脫色率Y=68.19+0.64A+0.33B+1.74C+2.500E-003AB+0.035AC-0.070BC-1.24A2-0.51B2-4.44C2

由表3可得，回歸模型的P值小于0.001，極顯著，失擬項(xiàng)P值為0.078 9大于0.05，差異不顯著，說明回歸模型可以擬合實(shí)際情況。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)R2為0.972 5，說明97.25%的數(shù)據(jù)都可以用此回歸方程解釋。因此，可以采用該模型進(jìn)行冷榨胡蘿卜籽油脫色工藝的理論預(yù)測(cè)。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析

由表3還可得，一次項(xiàng)C、二次項(xiàng)B2、C2的P值均小于0.001，極顯著。一次項(xiàng)B的P值小于0.01，高度顯著。通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果可以得出，對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色率影響的大小順序依次為：脫色溫度>脫色時(shí)間>活性白土添加量。

2.2.2各因素交互作用的響應(yīng)曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)二次回歸方程式分別作出各實(shí)驗(yàn)因素之間的交互作用平面等高線圖和曲面圖，見圖4～圖6。

圖4 脫色時(shí)間和脫色溫度交互作用對(duì)脫色率的影響

圖5 脫色時(shí)間和活性白土添加量交互作用對(duì)脫色率的影響

圖6 脫色溫度和活性白土添加量交互作用對(duì)脫色率的影響

由圖4～圖6可見，影響冷榨胡蘿卜籽油脫色率的實(shí)驗(yàn)因素大小順序?yàn)椋好撋珳囟?脫色時(shí)間>活性白土添加量。各實(shí)驗(yàn)因素之間交互作用均不顯著，這與響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果一致，但是線性作用關(guān)系較強(qiáng)，對(duì)脫色率產(chǎn)生一定影響。

2.3 最佳工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

參考回歸模型通過軟件分析，得出冷榨胡蘿卜籽油吸附脫色的工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)的最優(yōu)條件為：活性白土添加量4.31%，脫色時(shí)間32.62 min，脫色溫度61.94 ℃，理論最高脫色率為68.49%，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到：活性白土添加量4%，脫色時(shí)間33 min，脫色溫度62 ℃。為檢驗(yàn)分析結(jié)果的可靠性，在實(shí)際條件下做 3 次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)際平均脫色率為68.33%，相對(duì)誤差0.2%，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相近，驗(yàn)證了回歸模型的可靠性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以活性白土作為脫色劑，對(duì)冷榨胡蘿卜籽油進(jìn)行吸附脫色。利用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)冷榨胡蘿卜籽油脫色的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過分析得出，影響冷榨胡蘿卜籽油脫色率的實(shí)驗(yàn)因素大小順序?yàn)椋好撋珳囟?脫色時(shí)間>活性白土添加量，冷榨胡蘿卜籽油吸附脫色的最佳工藝條件為：活性白土添加量4%，脫色時(shí)間33 min，脫色溫度62 ℃。此時(shí)冷榨胡蘿卜籽油的脫色率為68.33%，與理論脫色率68.49%接近，脫色后的油脂澄清透亮，脫色效果良好。表明此工藝較為可靠，有一定的參考價(jià)值。