響應(yīng)面法優(yōu)化三七紅籽油吸附脫色工藝

滕 娟，韋永貴，董卓婭，余興華，張曉磊，李玉祥，孟凡來(lái)，申世安

（文山壯族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 文山 663099）

0 引言

三七 （Panax notoginseng (Burk.)F.H. Chen） 為五加科人參屬植物，已有600 年以上的藥用歷史，主產(chǎn)區(qū)為云南，是我國(guó)名貴中藥材[1]。三七始載于《本草綱目》[2]，含三七多糖、三七皂苷、三七素、黃酮等多種有效成分，具有活血化瘀、補(bǔ)血養(yǎng)血、抗氧化、抗炎、提高免疫力、抗腫瘤等多種藥理活性[3]。三七紅籽為三七的種子，劉潤(rùn)民等人[4]對(duì)三七種仁油的脂肪酸組成進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三七種仁油油酸含量最高達(dá)到87.48%，但對(duì)于三七紅籽油脫色工藝方面的研究卻比較少見(jiàn)。因此，選用活性白土為吸附劑對(duì)三七紅籽油進(jìn)行脫色，結(jié)合單因素試驗(yàn)利用Box-behnken 響應(yīng)面法對(duì)三七紅籽油脫色工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 材料

挑選市售新鮮三七紅籽，清洗去皮，置于通風(fēng)處晾干。晾干后放入熱風(fēng)干燥箱中105 ℃下干燥至恒質(zhì)量。利用WOP-KP0202 型榨油機(jī)選擇熱榨模式得到三七紅籽油。

1.1.2 試劑與設(shè)備

活性白土，食品級(jí)。

WOP-KP0202 型榨油機(jī)，江門(mén)市西屋廚房小家電有限公司產(chǎn)品；SHZ-D(111)型不銹鋼型循環(huán)水真空泵，上海力辰邦西儀器科技有限公司產(chǎn)品；DHG-9055A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；UV-1100 型紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美普達(dá)儀器有限公司產(chǎn)品；BSAl24S-CW 型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；XMTD-7000 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，北京市光明醫(yī)療儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 三七紅籽油脫色率測(cè)定方法

稱(chēng)量30 g 三七紅籽油樣品，加入活性白土進(jìn)行加熱脫色，脫色完畢待油樣品溫度降至室溫，對(duì)其進(jìn)行抽濾。在波長(zhǎng)380 nm 處，對(duì)其測(cè)定吸光度，并計(jì)算脫色率，空白為蒸餾水。計(jì)算公式如下：

1.2.2 單因素試驗(yàn)測(cè)定方法

（1） 加熱溫度確定方法。稱(chēng)量30 g 三七紅籽油樣品15 份，分別在50，60，70，80，90 ℃的溫度下加熱，并加入油樣品質(zhì)量4%的活性白土，持續(xù)攪拌30 min，停止加熱。待油樣品溫度降至室溫進(jìn)行抽濾。于波長(zhǎng)380 nm 處測(cè)定不同加熱溫度下油樣品的吸光度。

（2） 持續(xù)時(shí)間確定方法。稱(chēng)量30 g 三七紅籽油樣品15 份，在80 ℃條件下加熱，并加入油樣品質(zhì)量4%的活性白土，持續(xù)攪拌時(shí)間分別為10，20，30，40，50 min 后停止加熱。待油樣品溫度降至室溫進(jìn)行抽濾。于波長(zhǎng)380 nm 處測(cè)定不同持續(xù)時(shí)間下油樣品的吸光度。

（3） 白土添加量確定方法。稱(chēng)量30 g 三七紅籽油樣品15 份，在溫度為80 ℃下加熱，并分別向油樣品中加入油質(zhì)量2%，3%，4%，5%，6%的活性白土，持續(xù)攪拌30 min 后停止加熱。待油樣品溫度降至室溫進(jìn)行抽濾。于波長(zhǎng)380 nm 處測(cè)定不同添加量下油樣品的吸光度。

1.2.3 脫色工藝響應(yīng)面優(yōu)化測(cè)定方法

為獲得最佳三七紅籽油脫色工藝，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以白土添加量（A），加熱溫度（B），持續(xù)時(shí)間（C） 為自變量，設(shè)計(jì)Box-behnken 三因素三水平進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，測(cè)定17 組試驗(yàn)的脫色率，并進(jìn)行方差分析。

響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用 Design Expert 12 和 Microsoft Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同白土添加量對(duì)三七紅籽油脫色效果的影響

白土添加量對(duì)脫色率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 白土添加量對(duì)脫色率的影響

由圖1 可知，當(dāng)加入白土量小于5%時(shí)，三七紅籽油脫色率隨著加入白土量的增加而增加；當(dāng)白土添加量為5%時(shí)，三七紅籽油脫色率達(dá)到最高為69.07%；當(dāng)白土添加量大于5%時(shí)，三七紅籽油脫色率表現(xiàn)為緩慢下降。韓玉澤等人[5]認(rèn)為油脂脫色是一個(gè)吸附平衡的過(guò)程，隨著脫色劑的增加，其吸附程度會(huì)達(dá)到飽和。薛菁等人[6]認(rèn)為可能原因是過(guò)量的活性白土加入后，會(huì)發(fā)生飽和，白土之間凝結(jié)，與油脂的脫色反應(yīng)不完全，脫色率不升高反而降低。因此，選擇白土添加量為4%～6%。

2.1.2 不同加熱溫度對(duì)三七紅籽油脫色效果的影響

加熱溫度對(duì)脫色率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 加熱溫度對(duì)脫色率的影響

由圖2 可知，當(dāng)加熱溫度小于80 ℃時(shí)，三七紅籽油脫色率隨著加熱溫度的增加而增加；當(dāng)加熱溫度為80 ℃時(shí)，三七紅籽油脫色率達(dá)到最高為67.40%；當(dāng)加熱溫度大于80 ℃時(shí)，三七紅籽油脫色率表現(xiàn)為下降。符勝男等人[7]認(rèn)為可能是由于脫色溫度過(guò)低，脫色進(jìn)行得不完全，導(dǎo)致脫色率較低，而脫色溫度過(guò)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。因此，選擇加熱溫度為70～90 ℃。

2.1.3 不同持續(xù)時(shí)間對(duì)三七紅籽油脫色效果的影響

持續(xù)時(shí)間對(duì)脫色率的影響見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，三七紅籽油脫色率隨著持續(xù)時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為30 min 時(shí)，脫色率最高為66.17%，時(shí)間繼續(xù)增加，脫色率呈現(xiàn)下降。葉展等人[8]認(rèn)為只要攪拌效果好，達(dá)到吸附平衡并不需要過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，盡管在一定范圍內(nèi)脫色程度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，但是過(guò)分延長(zhǎng)時(shí)間，脫色速率減緩，油脂發(fā)生催化氧化，導(dǎo)致油脂返色。因此，選擇持續(xù)時(shí)間為20～40 min。

圖3 持續(xù)時(shí)間對(duì)脫色率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選擇白土添加量（A），加熱溫度（B），持續(xù)時(shí)間（C） 作為考查因素，以脫色率（R） 為響應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行三因素三水平的Boxbehnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)，進(jìn)行17 次試驗(yàn)，優(yōu)化三七紅籽油最佳脫色條件。

響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析

根據(jù)表2 得到二次回歸模型為：

由表3 可知，回歸模型的p=0.000 1＜0.01，呈現(xiàn)差異極顯著，失擬項(xiàng)p=0.708＞0.05，呈現(xiàn)差異不顯著，說(shuō)明該模型可以擬合實(shí)際情況。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腞2=0.972，說(shuō)明97.2%的變化來(lái)自所選自變量，只有2.8%的變化沒(méi)有被模型描述。校正決定系數(shù)R2Adj=0.936＞0.80 和變異系數(shù)CV=1.06%＜15.0%，說(shuō)明93.6%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用該模型解釋。模型中的各因素A、B、C、AC、A2、B2呈現(xiàn)極顯著，BC 呈現(xiàn)顯著，AB、C2呈現(xiàn)不顯著；因?yàn)閜 值還被用作表示每個(gè)考查因素的顯著性和相互作用強(qiáng)度的工具[9]，所以各因素對(duì)脫色率的影響程度從強(qiáng)到弱順序?yàn)榧訜釡囟龋境掷m(xù)時(shí)間＞白土添加量。

2.2.2 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

通過(guò)Design Expert 12 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到響應(yīng)面圖。當(dāng)曲面越陡時(shí)，對(duì)響應(yīng)值的影響越大，曲面越平緩，對(duì)響應(yīng)值影響越小[5]。從等高線圖也可以直觀反映出兩因素交互作用的顯著程度，等高線形狀越接近橢圓形，交互作用越顯著，而圓形則與之相反[10-11]。同時(shí)，等高線的密集程度可判斷出兩交互因素中對(duì)響應(yīng)值影響較大的那個(gè)因素[12]。

白土添加量與加熱溫度的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析見(jiàn)圖4。

圖4 白土添加量與加熱溫度的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析

由圖4 可知，隨著白土添加量和加熱溫度的不斷增加，脫色率呈現(xiàn)先上升后降低趨勢(shì)，這說(shuō)明白土添加量和加熱溫度對(duì)脫色率有一定影響。由于加熱溫度上升幅度比白土添加量上升幅度更加陡峭，所以加熱溫度對(duì)脫色率影響更大。由于等高線圖近圓形，所以白土添加量與加熱溫度的交互作用不顯著，與方差分析結(jié)果一致。

白土添加量與持續(xù)時(shí)間的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析見(jiàn)圖5。

圖5 白土添加量與持續(xù)時(shí)間的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析

由圖5 可知，當(dāng)持續(xù)時(shí)間一定時(shí)，隨著白土添加量不斷增加，脫色率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)白土添加量一定時(shí)，隨著加熱溫度不斷增加，脫色率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，說(shuō)明白土添加量和持續(xù)時(shí)間對(duì)脫色率有一定影響。由于等高線圖呈現(xiàn)橢圓形，所以白土添加量與持續(xù)時(shí)間的交互作用顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

加熱溫度與持續(xù)時(shí)間的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析見(jiàn)圖6。

由圖6 可知，當(dāng)持續(xù)時(shí)間一定時(shí)，隨著加熱溫度不斷增加，脫色率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，隨著持續(xù)時(shí)間不斷增加，脫色率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，說(shuō)明加熱溫度和持續(xù)時(shí)間對(duì)脫色率有一定影響。由于加熱溫度等高線分布相比持續(xù)時(shí)間更為密集，所以加熱溫度對(duì)脫色率影響作用更大。由于等高線圖呈現(xiàn)橢圓形，所以加熱溫度與持續(xù)時(shí)間的交互作用顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖6 加熱溫度與持續(xù)時(shí)間的交互作用對(duì)脫色率響應(yīng)面分析

通過(guò)以上分析可知，影響三七紅籽油脫色率的試驗(yàn)因素強(qiáng)弱順序?yàn)榧訜釡囟龋境掷m(xù)時(shí)間＞白土添加量。各試驗(yàn)因素中白土添加量與持續(xù)時(shí)間、加熱溫度與持續(xù)時(shí)間的交互作用顯著，而白土添加量與加熱溫度的交互作用不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

參考回歸模型通過(guò)軟件分析，得出三七紅籽油脫色的工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)最優(yōu)條件為白土添加量4.84%，加熱溫度81.99 ℃，持續(xù)時(shí)間36.68 min，理論最高脫色率為70.05%，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到白土添加量5%，加熱溫度82 ℃，持續(xù)時(shí)間37 min。做3 次平行試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，得到實(shí)際脫色率為69.58%，相對(duì)誤差0.47%，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相接近，驗(yàn)證了回歸模型的可靠性。

3 結(jié)論

利用活性白土作為脫色劑，對(duì)三七紅籽油進(jìn)行吸附脫色。利用Box-behnken 響應(yīng)面法對(duì)三七紅籽油脫色的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，影響三七紅籽油脫色率的試驗(yàn)因素強(qiáng)弱順序?yàn)榧訜釡囟龋境掷m(xù)時(shí)間＞白土添加量，三七紅籽油吸附脫色的最佳工藝條件為白土添加量5%，加熱溫度82 ℃，持續(xù)時(shí)間37 min。此時(shí)三七紅籽油的脫色率為69.58%，與理論脫色率70.05%接近，證明此工藝較為可靠。