響應面法優化橄欖油飲液均質條件的研究

龔 麗，車振明

（西華大學生物工程學院，成都610039）

橄欖油在地中海沿岸國家已有幾千年的歷史，在西方被譽為“液體黃金”，“植物油皇后”，“地中海甘露”[1]，是可以直接食用的植物油。本研究所開發的橄欖油飲液是以橄欖油為原材料，輔以乳化穩定劑，運用均質技術制作而成的，同時該橄欖油飲液保留了橄欖油的防癌[2]、預防心血管疾病[3]及美容[4]等保健功效。本研究旨在研究橄欖油飲液中所用的均質技術對橄欖油飲液穩定性的影響。均質技術是運用高剪切力的作用使兩種互不相容的液體均勻、穩定地分散成一種液體[5]，而橄欖油飲液的均質條件則對其乳化穩定系數的影響較大，直接影響產品的品質。因此，本研究以乳化穩定系數為指標，采用Box-Behnken設計模型[6-7]進行響應曲面設計，優化該橄欖油飲液的均質條件，以期為提高橄欖油飲液產品的穩定性研究提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

橄欖油 食品級，廣元榮生源食品有限公司；蔗糖脂肪酸酯（SE，親水親油平衡值HLB=13） 食品級，乳化劑，杭州金鶴來食品添加劑有限公司；硬脂酰乳酸鈉、硬脂酰乳酸鈣、磷酸氫鈣 食品級穩定劑，杭州金鶴來食品添加劑有限公司。

C25型高速剪切乳化均質機 上海恒川機械有限公司；800型離心機 上海化工機械廠；BS110S型電子天平 福州科錫儀器設備有限公司；UV-2600型紫外可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 橄欖油飲液制備工藝 將橄欖油與水按1∶9（V/V）混合，再加入0.9%（m/m）的蔗糖脂肪酸酯以及0.25%（m/m）混合穩定劑（硬脂酰乳酸鈣與硬脂酰乳酸鈉的質量比為1∶5），將各種原料攪拌均勻，再經均質和殺菌處理后，裝罐即得成品，工藝流程如圖1所示。

圖1 橄欖油飲液的制備工藝流程圖Fig.1 Flow-chart diagram of the preparation for olive oil drinking liquid

1.2.2 橄欖油飲液均質工藝單因素實驗 以乳化穩定系數為指標，在均質轉速為10000r/m in、均質時間為5m in條件下，分別考查均質溫度為20、30、40、50、60℃時對橄欖油飲液乳化穩定系數的影響；同理在均質溫度為50℃，均質轉速為10000r/m in條件下，分別考查均質時間為6、8、10、12、14min時對橄欖油飲液乳化穩定系數的影響；在均質溫度為50℃、均質時間為12min條件下，分別考查均質轉速為10000、13000、16000r/m in時對橄欖油飲液乳化穩定系數的影響。

1.2.3 橄欖油飲液均質工藝最優參數的確定 在單因素實驗的基礎上，選取均質溫度、均質時間以及均質轉速進行3因素3水平響應面分析。實驗設計水平及編碼見表1。

表1 響應面實驗因素水平表Table1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.4 乳化穩定系數的測定 測定橄欖油飲液離心前吸光度A1。將橄欖油飲液樣品于3000r/m in下離心10m in，棄去上層油脂，取中層清液稀釋100倍后，用分光光度計在210nm波長下，測定其吸光度A2。A2與A1的比值即為乳化穩定性系數R，R值越大（極限為1），懸浮粒子在飲液中沉降速度越小，飲料越穩定，保存性越好，同時說明配方中物料匹配合理，工藝可行。

2 結果與分析

2.1 橄欖油飲液均質工藝單因素實驗

2.1.1 均質溫度對橄欖油飲液均質效果的影響 由圖2可知，隨著均質溫度的升高，橄欖油飲液的乳化穩定系數逐漸增大；這是因為適當的升溫，減小了料液顆粒間的阻力，有利于顆粒間的混合乳化，所以乳化穩定性提升[8]。而當均質溫度超過50℃時，乳化穩定系數呈現明顯減小的趨勢；根據斯托克斯公式，顆粒沉降速度與粘度成反比，粘度越小，沉降速度越大，即乳化液越容易分層。當溫度過高時，乳化液粘度降低，影響乳化穩定性[8]。另一方面，隨著溫度升高，乳狀顆粒運動加劇，相互碰撞的機會增加，被破壞的可能性增加，乳化穩定性則下降[9]。故當均質溫度為50℃左右時，可獲得較高的乳化穩定系數。

圖2 均質溫度對橄欖油飲液均質效果的影響Fig.2 The influence of homogeneous temperature on homogenizing effect of olive oil drinking liquid

2.1.2 均質時間對橄欖油飲液均質效果的影響 由圖3可知，當均質時間在6～12m in時，隨著均質時間的延長，乳化穩定系數呈明顯增大的趨勢；這是因為在一定的均質時間內，隨著均質時間的增長，乳化液顆粒變小，油滴表面積增大，單位質量的油滴可以和更多的乳化劑接觸，所以乳化穩定性顯著提升[10]。當均質時間超過12m in后，繼續延長乳化時間，乳化穩定性呈緩慢下降的趨勢；這是因為當顆粒達到一定粘度，再延長均質時間，粘度也不會發生顯著變化，即乳化穩定性不會再有提升，而只有耗能[8]。而另一方面，本實驗由于采用高速的剪切來達到均質效果，所以隨著均質時間的延長，料液溫度會不斷上升。當均質時間過長，溫度過高（70℃左右）時，乳化液顆粒運動加劇，相互碰撞機會增加，被破壞的可能性增加，乳化穩定性也就隨之降低[9]。故當均質時間達到12min左右時，可獲得較高的乳化穩定系數。

圖3 均質時間對橄欖油飲液均質效果的影響Fig.3 The influence of homogeneous time on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.1.3 均質轉速對橄欖油飲液均質效果的影響[11]由圖4可知，當均質轉速在10000～13000r/m in時，隨著均質轉速的增大，乳化穩定系數呈增大的趨勢，且當均質轉速為13000r/m in時，乳化穩定系數達到最大值；這是因為在一定的均質轉速范圍內，隨著轉速的增大，乳狀液顆粒變得更小。而乳狀液顆粒的減小，會增大乳化液的粘度，提升乳化效率，從而使乳化液變得更加穩定[10]。而當均質轉速在13000～16000r/m in時，隨著均質轉速的增大，乳化穩定系數呈緩慢減小的趨勢，且下降幅度也較小。分析此現象，主要有兩方面的原因：一是均質轉速過大帶來發泡問題。過多的氣泡進入乳化液，使乳化液成為三相體系，這不僅影響乳化效率，同時使乳化液變得不穩定；二是過大的均質轉速會帶來均質后期乳化液溫度過高，這同樣會降低乳化穩定性。故當均質轉速為13000r/m in左右時，可獲得較高的乳化穩定系數。

圖4 均質轉速對橄欖油飲液均質效果的影響Fig.4 The influence of homogeneous speed on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.2 響應曲面法優化橄欖油飲液均質工藝條件

2.2.1 響應面實驗設計及結果[12-13]在綜合分析單因素實驗的基礎上，根據Box-Behnken[10]中心組合實驗設計原理，選取均質溫度、均質時間、均質轉速設計了3因素3水平的響應面分析實驗。實驗結果見表2。

表2 Box-Behnken實驗設計及結果Table2 Design and results of Box-Behnken

利用Design Expert 7.0軟件，以均質時間（A）、均值溫度（B）、均質轉速（C）為相應變量，以乳化穩定系數為響應值對表2的數據進行處理，得到表3回歸方程方差分析表，利用軟件進行非線性回歸的二次多項式擬合，得到預測模型如下：Y=98.62-0.49A+0.41B+0.28C+0.16AB+0.010AC+1.26BC+0.45A2-1.06B2-2.19C2。

表3 回歸方程方差分析表Table3 Analysis results of regression and variance

從表3可知，實驗所選用模型p值為0.0022，顯著（p＜0.05）。R2越接近1，說明模型越能預測其響應值，此模型的決定系數R2=0.9350；變異系數越高，模型的可靠性越低，此模型變異系數C.V.%=0.62較低。綜上，該模型能很好地解釋響應面的變化。

由F值可知各因素對橄欖油飲液乳化穩定系數的影響程度大小順序為：均質時間＞均質溫度＞均質轉速。二次項B2（均質溫度）、C2（均質轉速）對響應值的影響極顯著（p＜0.01），交互項BC（均質溫度和均質轉速）的影響極顯著（p＜0.01）。

2.2.2 各因素之間的交互作用 圖5顯示當均質轉速為16000r/min時，均質時間和均質溫度對乳化穩定系數的影響效應。由圖5可知，均質時間和均質溫度對乳化穩定性的影響效應的交互效應不顯著。當均質時間一定時，隨著均質溫度的增加，乳化穩定性先上升后下降；當均質溫度一定時，隨著均質時間的延長，乳化穩定性呈緩慢下降后緩慢上升的趨勢。

圖5 均質時間與均質溫度對乳化穩定系數影響的響應面圖Fig.5 Response surface of homogeneous time and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

圖6顯示當均質溫度為50℃時，均質時間和均質轉速對乳化穩定性的影響效應。由圖6可知，均質時間和均質轉速對乳化穩定性的影響效應的交互效應不顯著，均質時間對乳化穩定性影響不大，在圖中表現為一條平滑的下凹曲線。而均質轉速對乳化穩定性的影響較為顯著，圖中曲線先上升后下降，且彎曲幅度較大。

圖6 均質時間與均質轉速對乳化穩定性影響的響應面圖Fig.6 Response surface of homogeneous time and homogeneous speed on the emulsion stability coefficient

圖7顯示當均質時間為12m in時，均質溫度和均質轉速對乳化穩定性的影響效應。由圖7可知，均質溫度和均質轉速對乳化穩定性的影響效應的交互效應顯著。均質轉速的影響表現為一條先平穩上升后急速下降的曲線。而均質溫度對乳化穩定性的影響為先上升后下降。

圖7 均質轉速與均質溫度對乳化穩定性影響的響應面圖Fig.7 Response surface of homogeneous speed and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

2.2.3 驗證實驗 為進一步確定橄欖油飲液最佳均質工藝參數，對所得方程進行逐步回歸，可得最優工藝參數：均質時間11.00min，均質溫度50.91℃，均質轉速16342.42r/m in。在此工藝參數下，乳化穩定性理論值可達99.60%。

為檢驗響應面法所得結果的可靠性，采用上述優化均質工藝參數進行橄欖油的乳化，考慮到實驗條件的限制和實際操作的便利，將均質工藝參數修正為：均質時間11min，均質溫度51℃，均質轉速16000r/m in，在此條件下重復實驗3次，得實際乳化穩定性平均值為98.56%，與理論預測值相比，其相對誤差為1.04%。說明基于響應面法所得的優化均質工藝參數準確可靠，具有實用價值。

3 結論

通過單因素實驗及響應面實驗對提取工藝進行優化，擬合均質時間、均值溫度、均質轉速對提高橄欖油飲液乳化穩定性[14]的回歸模型，經檢驗證明該實驗設計合理可靠，能較好地預測橄欖油飲液的乳化穩定系數。因素的主效應關系為：均質時間＞均質溫度＞均質轉速；最優工藝條件為：均質時間11m in，均質溫度51℃，均質轉速16000r/m in。在此條件下得實際乳化穩定系數平均值為98.56%。

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