基于響應(yīng)面分析法優(yōu)化冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸工藝

朱涵彬，李靚，郝修振，靳欣

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，是野胡蘿卜的變種，也叫紅蘆菔、丁香蘿卜、紅蘿卜，屬傘形科，1年或2年生的草本植物，常被稱為“小人參”，在中國種植廣泛且價(jià)格低廉。所謂胡蘿卜籽就是成熟胡蘿卜的果實(shí)，胡蘿卜籽具有很高的藥用價(jià)值，記載于李時(shí)珍《本草綱目》中，是傳統(tǒng)中藥材，可祛痰、治療哮喘和救治痢疾[1-3]。胡蘿卜籽油顏色為淡黃色，帶有略甜的味道。胡蘿卜籽油中不飽和脂肪酸含量在90%以上，且構(gòu)成比例比較合理。胡蘿卜籽油中還含有較多的生理活性成分，其中最多的是胡蘿卜醇[2-6]。胡蘿卜籽作為油料資源，具有廣闊的市場前景。胡蘿卜籽油作為一種食用植物油具有極大的研究開發(fā)價(jià)值。

胡蘿卜籽油主要作為香精油開發(fā)應(yīng)用，將胡蘿卜籽油作為食用油脂并對其綜合開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的研究報(bào)道甚少。對于胡蘿卜籽油的脫酸精煉工藝處于研究階段，更多脫酸方法如酶催化酯化、超臨界流體萃取、分子蒸餾、膜分離等的應(yīng)用，尚需試驗(yàn)研究。

以冷榨胡蘿卜籽油為原料，優(yōu)化其堿煉脫酸工藝，可為冷榨胡蘿卜籽油的脫酸精煉提供參考依據(jù)，對拓寬中國食用油資源、滿足市場需求、減少中國對進(jìn)口油料的依賴有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷榨胡蘿卜籽油（毛油，江西金源有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；酚酞（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；鄰苯二甲酸氫鉀（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；乙醚（分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠）；異丙醇（分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠）。FA2104電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；JHH-6水浴鍋（常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 冷榨胡蘿卜籽油的脫酸試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取160 g冷榨胡蘿卜籽油于250 mL錐形瓶中，在恒溫水浴鍋中加熱到設(shè)定溫度后，將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿液緩慢加入，邊加入邊攪拌，恒溫一段時(shí)間后，停止攪拌，觀察油皂分離的情況，當(dāng)出現(xiàn)明顯分離時(shí)，恒溫靜置。收集上層的脫酸油，并稱重，測定脫酸油的酸價(jià)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算精煉率和堿煉脫酸率。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

以冷榨胡蘿卜籽油為原料，將精煉率和脫酸率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究堿煉溫度、堿煉時(shí)間、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個(gè)因素對冷榨胡蘿卜籽油精煉率和堿煉脫酸率的影響，對單一因素的各個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，做3次平行試驗(yàn)，取平均值。

1.2.2.1 堿煉溫度的影響

設(shè)定堿煉時(shí)間60 min，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%，分別在堿煉溫度30，40，50，60，70和80 ℃下對冷榨胡蘿卜籽油進(jìn)行堿煉脫酸。

1.2.2.2 堿煉時(shí)間的影響

設(shè)定堿煉溫度50 ℃，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%，冷榨胡蘿卜籽油分別堿煉脫酸15，30，45，60，75和90 min。

1.2.2.3 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

設(shè)定堿煉溫度70 ℃，堿煉時(shí)間60 min，分別加入堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，7%，10%，13%，16%和19%的NaOH溶液進(jìn)行堿煉脫酸。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，按照國標(biāo)GB 5009.229—2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7]，運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件，以冷榨胡蘿卜籽油的堿煉脫酸率Y為響應(yīng)值，以堿煉溫度（A）、堿煉時(shí)間（B）和堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）為變量，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)[8-10]，優(yōu)化冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸的工藝條件。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

冷榨胡蘿卜籽油精煉率和堿煉脫酸率的計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

式中：X為冷榨胡蘿卜籽油精煉率，%；m1為冷榨胡蘿卜籽脫酸油質(zhì)量，g；m2為冷榨胡蘿卜籽毛油質(zhì)量，g。

式中：Y為冷榨胡蘿卜籽油的堿煉脫酸率，%；a1為冷榨胡蘿卜籽油毛油酸價(jià)，mg/g；a2為冷榨胡蘿卜籽油脫酸油酸價(jià)，mg/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 堿煉溫度對精煉率和堿煉脫酸率的影響

由圖1可知，冷榨胡蘿卜籽油的精煉率隨堿煉溫度升高基本沒有變化，而堿煉脫酸率則呈現(xiàn)先升高后下降趨勢。堿煉溫度30～70 ℃時(shí)，堿煉脫酸率隨著堿煉溫度升高始終增加，堿煉溫度70 ℃時(shí)，堿煉脫酸率達(dá)到最高。堿煉溫度繼續(xù)升高，堿煉脫酸率反而降低。原因可能是隨著堿煉溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，冷榨胡蘿卜籽油中的脂肪酸與氫氧化鈉溶液反應(yīng)更徹底，但溫度過高，可能會(huì)造成溶劑揮發(fā)，試劑浪費(fèi)。所以，冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸溫度選擇70 ℃。

圖1 堿煉溫度對精煉率和堿煉脫酸率的影響

2.1.2 堿煉時(shí)間對精煉率和堿煉脫酸率的影響

由圖2可知，冷榨胡蘿卜籽油的精煉率隨堿煉時(shí)間延長變化不大，而堿煉脫酸率則呈現(xiàn)先下降后升高又下降趨勢。堿煉時(shí)間15～45 min時(shí)，堿煉脫酸率隨堿煉時(shí)間延長而降低，但堿煉時(shí)間延長至60 min時(shí)，堿煉脫酸率急升至最高值，繼續(xù)延長堿煉時(shí)間，雖然還有下降又上升趨勢，但堿煉脫酸率也不能達(dá)到最高值。所以，冷榨胡蘿卜籽油堿煉時(shí)間選擇60 min。

圖2 堿煉時(shí)間對精煉率和堿煉脫酸率的影響

2.1.3 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對精煉率和堿煉脫酸率的影響

由圖3可知，冷榨胡蘿卜籽油的精煉率隨堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加變化不大，而堿煉脫酸率則呈現(xiàn)先升高后下降趨勢。堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于13%時(shí)，堿煉脫酸率隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加始終上升，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%時(shí)，堿煉脫酸率最高。繼續(xù)增加堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，堿煉脫酸率開始降低。原因有可能是在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的時(shí)候脫酸反應(yīng)程度較低，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高后，酸堿中和反應(yīng)不徹底，導(dǎo)致堿煉脫酸率降低。所以，冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸用堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇13%。

圖3 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對精煉率和堿煉脫酸率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸工藝優(yōu)化的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平如表1所示，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案結(jié)果如表2所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

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

2.2.2 響應(yīng)面方差分析

根據(jù)冷榨胡蘿卜籽油單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件通過擬合的回歸圖形，得出冷榨胡蘿卜籽油脫酸率Y有關(guān)于堿煉溫度（A）、堿煉時(shí)間（B）、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）的多元回歸方程和回歸模型的方差分析，見表3。

提取率Y=82.99+0.89A-2.15B+1.79C+2.82AB+ 0.16AC+0.84BC-5.88A2-3.45B2+1.99C2。

由表3可以看出，回歸方程中A、B、C對Y影響的顯著性，從F值可以判定，模型中F=175.07，p＜ 0.001，極顯著，失擬項(xiàng)p值為0.0699＞0.05，不顯著，說明該模型選擇正確，擬合程度好，這個(gè)回歸模型的實(shí)際值與預(yù)測值可以較好地吻合，回歸方程是有意義的。

由表3可知，一次項(xiàng)A、B、C，二次項(xiàng)AB、A2、B2、C2的p值均小于0.001，極顯著，說明A、B、C、AB、A2、B2和C2均對堿煉脫酸率有極顯著影響。二次項(xiàng)BC的p值小于0.01，高度顯著，說明BC對堿煉脫酸率有高度顯著的影響。二次項(xiàng)AC的p值為0.4993＞0.05，不顯著，說明AC對堿煉脫酸率的影響不顯著。

由表3可知，B的F值為182.60，為一次項(xiàng)A、B、C中F值最大的，所以堿煉時(shí)間對堿煉脫酸率的影響最大，而A的F值是31.66，為一次項(xiàng)A、B、C中F值最小，所以堿煉溫度對堿煉脫酸率的影響最小，C的F值介于A和B兩者之間，所以堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對堿煉脫酸率的影響介于堿煉時(shí)間和堿煉溫度之間，可以得出堿煉溫度、堿煉時(shí)間和堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個(gè)試驗(yàn)因素對冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸率影響程度的大小順序依次是B＞C＞A。

表3 回歸模型的方差分析

2.2.3 二次交互作用的影響

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，堿煉時(shí)間、堿煉溫度和堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個(gè)試驗(yàn)因素之間兩兩相互作用對冷榨胡蘿卜籽油脫酸率的影響，如圖4～圖6所示。

根據(jù)圖4可得，堿煉溫度和堿煉時(shí)間的交互作用圖形在底面的投影圖呈橢圓形，說明兩者的交互作用對堿煉脫酸率的影響極為顯著。這與表3中二次項(xiàng)因素AB的p值結(jié)果一致，即堿煉溫度和堿煉時(shí)間的交互作用對冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸率的影響較強(qiáng)。

圖4 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%時(shí)，堿煉溫度與堿煉時(shí)間對脫酸率的影響

根據(jù)圖5可得，堿煉溫度與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用圖形在底面的投影圖沒有呈現(xiàn)出明顯的橢圓形，說明兩者的交互作用對堿煉脫酸率的影響效果不顯著。這與表3中的二次項(xiàng)因素AC的p值結(jié)果一致，即堿煉溫度與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸率的影響較小。

圖5 堿煉時(shí)間60 min時(shí)，堿煉溫度與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫酸率的影響

根據(jù)圖6可得，堿煉時(shí)間與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用的圖形呈馬鞍形，存在較強(qiáng)的交互作用，說明兩者的交互作用對脫酸率的影響極為顯著。這與表3中二次項(xiàng)因素BC的p值結(jié)果一致，即堿煉時(shí)間與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸率的影響較強(qiáng)。

圖6 堿煉溫度70 ℃時(shí)，堿煉時(shí)間與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫酸率的影響

2.2.4 最佳工藝檢驗(yàn)

通過軟件分析得到冷榨胡蘿卜籽油堿煉脫酸工藝的最佳條件：堿煉溫度70 ℃、堿煉時(shí)間57 min、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%。在此條件下，冷榨胡蘿卜籽油的堿煉脫酸率最高，脫酸率為86.91%。

經(jīng)過3次平行試驗(yàn)，證明應(yīng)用最佳堿煉脫酸工藝條件，實(shí)際冷榨胡蘿卜籽油的脫酸率平均達(dá)到86.91%，與軟件預(yù)測值一致，證明最佳工藝預(yù)測值準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

經(jīng)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)分析得出，對冷榨胡蘿卜籽油的脫酸率影響最大的是堿煉時(shí)間，其次是堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后是堿煉溫度。堿煉溫度70 ℃、堿煉時(shí)間57 min、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%時(shí)，冷榨胡蘿卜籽油的脫酸率最高，經(jīng)過3次平行試驗(yàn)，應(yīng)用最佳堿煉脫酸工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)，冷榨胡蘿卜籽油的脫酸率可達(dá)86.91%，與軟件預(yù)測值重合，證明最佳堿煉脫酸工藝預(yù)測值準(zhǔn)確。