響應面法優化米糠油草酸脫膠工藝的研究

那治國，馬永強，陳文紅，王鑫

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，哈爾濱 150076；2.黑龍江東方學院食品與環境工程學部，哈爾濱 150086）

響應面法優化米糠油草酸脫膠工藝的研究

那治國1，2，馬永強1＊，陳文紅1，王鑫1

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，哈爾濱 150076；2.黑龍江東方學院食品與環境工程學部，哈爾濱 150086）

采用草酸對米糠毛油進行脫膠，在單因素實驗基礎上，根據Box－Benhnken中心組合實驗設計原理，設計三因素三水平的響應面優化實驗。在分析各個因素的顯著性和交互作用后，得出米糠油草酸脫膠的最佳工藝條件：草酸添加量0.82%，加水量6.65%，反應時間31min，反應溫度50℃；模型預測脫膠米糠油磷脂含量為39.93mg／kg，實測值為40.22mg／kg。在此條件下，米糠油脫膠率達到94.3%，且經草酸脫膠的米糠油在高溫下色澤變化不大。

米糠油；草酸；脫膠；響應面法

米糠油屬于半干性植物油脂，來源于水稻制米的副產物米糠，原料豐富。米糠油中脂肪酸種類不僅合理且較為完全，不飽和脂肪酸約占80%，且必需脂肪酸含量高達45%以上［1］，其中油酸含量約40%～ 50%，亞油酸含量約29%～42%，接近1∶1的營養比例［2］。此外，米糠油中還含有豐富的生育酚、谷維素、植物甾醇等天然營養保健成分，因而，被譽為“健康營養油”［3］。米糠油除了與其他植物油一樣可直接用于食品烹調外，由于它還有類似于堅果的特殊風味，并且以良好的干態方式穩定存在，還可廣泛應用于復合調味醬、火鍋調料、油辣椒等調味品，在賦予其特殊風味的同時還可增加其營養保健功能，提高了這類調味品的附加值［4］。因而，米糠油具有廣闊的應用前景。

然而米糠油中存在大量的膠質物質，如不脫出將嚴重影響米糠油的應用及營養價值的發揮。米糠毛油中的膠質主要是指磷脂成分，因此脫膠也常被稱為脫磷［5］。磷脂中的非水化磷脂會引入較多金屬離子，易造成油脂酸敗和回色，對油脂精煉后續工藝造成影響，使中性油損失較大。因此，要改善精煉效果、提高精煉米糠油的品質，必須選擇合適的脫膠工藝方法將非水化磷脂轉化為水化磷脂。相比于一般的水化脫膠、磷酸法脫膠，草酸脫膠后米糠油中含磷量較低，既能有效脫除膠質，又能輔助降低油脂脫色難度，提高油脂穩定性，減緩酸值回升，保持油脂風味［6］。本實驗以磷脂含量為考察指標，采用草酸對米糠毛油進行脫膠，并通過響應面分析法優化得到最優脫膠工藝條件。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

米糠毛油（磷脂含量709.6mg／kg） 實驗室自制。鹽酸 天津市渤海化工有限公司；氧化鋅 天津市東麗區天大化學試劑廠；二水鉬酸鈉 天津市基準化學試劑有限公司；草酸 天津市博迪化工股份有限公司；氫氧化鉀 天津市大陸化學試劑廠。以上試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設備

BS224S型分析天平 賽多利斯科學儀器有限公司；SY－2－4系列恒溫水浴鍋 天津市歐諾儀器儀表有限公司；80－2型離心機 上海浦東物理光學儀器廠；2120UV型紫外可見分光光度計 韓國美卡希斯公司；Model F羅維朋比色計 英國羅維朋（Lovibond）公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 米糠毛油脫膠

稱取米糠毛油50.0g，置于250mL燒杯中，預熱至脫膠溫度，加入與油溫相近的草酸，快速攪拌均勻后加入與油溫相近的蒸餾水，繼續攪拌，待出現絮狀物后緩慢攪拌一定時間，絮狀物不再增加后靜置1h使膠沉降，4000r／min離心20min，去除油腳得到脫膠米糠油。

1.3.2 磷脂含量的測定

參照國家標準GB／T 5537－2008《糧油檢驗磷脂含量的測定》方法，選擇鉬蘭比色法測定米糠油中的磷脂［7］。計算公式如下：

式中：X為磷脂含量（mg／g）；P為標準曲線查得的被測液的含磷量（mg）；m為試樣質量（g）；V1為樣品稀釋體積（mL）；V2為比色時所取被測液體積（mL）；26.31為每1mg磷相對磷脂的毫克數。

1.3.3 米糠油脫膠工藝條件優化

1.3.3.1 單因素試驗

采用1.3.1方法對米糠毛油進行脫膠，以磷脂含量為考察指標，分別研究草酸添加量、加水量、脫膠溫度、反應時間對米糠毛油脫膠效果的影響。

1.3.3.2 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，根據響應面Box－Benhnken試驗設計原理，以草酸添加量、加水量、反應時間3個因素為響應因子，以脫膠米糠油中的磷脂含量（Y）為響應值，設計三因素三水平響應面分析試驗，確定最佳脫膠條件，因素與水平見表1。所得數據均為3次重復的平均值，數據統計分析采用SPSS 13.0軟件進行方差分析，響應面試驗所得數據使用Design Expert V8.0.6軟件進行數據分析。

表1 Box－Benhnken試驗因素與水平Table 1 Box－Benhnken factors and levels

1.3.4 加熱試驗

參照GB／T 5531－2008《糧油檢驗植物油脂加熱試驗》［8］。加熱脫膠油至280℃，觀察沉淀析出及油脂色澤的變化情況。

1.3.5 色澤檢測

參照GB／T 22460－2008《動植物油脂羅維朋色澤的測定》方法［9］。

2 結果與分析

2.1 磷含量標準曲線

磷含量標準曲線見圖1。

圖1 磷含量標準曲線Fig.1 Standard curve of phosphorus content

由圖1可知，磷含量的線性相關方程為Y＝6.46X－0.0228，線性回歸系數R2＝0.9981，吸光值與磷含量呈現良好的線性關系。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 草酸添加量對脫膠效果的影響

草酸添加量對脫膠效果的影響見圖2。

圖2 草酸添加量對脫膠效果的影響Fig.2 Effects of oxalic acid additive amount on degumming

由圖2可知，草酸添加量較低時，隨著其的增加，磷脂含量明顯下降；當添加量達到0.8%時，脫膠米糠油磷脂含量達到最低。之后隨著草酸添加量增加，油脂磷脂含量幾乎保持不變，為了避免草酸添加過多使油腳酸值升高及損壞功能因子，故試驗選擇添加0.8%草酸進行進一步研究。

2.2.2 加水量對脫膠效果的影響

加水量對脫膠效果的影響見圖3。

圖3 加水量對脫膠效果的影響Fig.3 Effects of water additive amount on degumming

由圖3可知，在一定范圍內，隨著加水量的增加，磷脂水化程度增加，有利于脫膠；而當體系中的水含量過多時，游離的水會使磷脂產生乳化效果，反而不利于油與磷脂的分離。因此要嚴格控制水含量，故試驗選擇加水量為6%進行進一步研究。

2.2.3 反應時間對脫膠效果的影響

3.1 護理質量管理的信息化 信息技術的使用是當前護理質量管理走向科學化的必由之路。通過充分整合搜索引擎技術、數據庫技術、分布存儲技術等，設計醫院護理質量信息化管理軟件，包括數據錄入、統計分析、實時反饋、重大案例分析、專家在線咨詢、工作提醒、危重癥護理實時監測、標準查詢等護理質量管理資源共享模塊，實現全市護理質量評價數據實時監測、動態評價、專家反饋以及護理質量改進的科學決策，研制開發護理風險危機管理系統，建立全市范圍的護理安全管理共享平臺，從而真正實現護理質量管理的自動化與智能化。

反應時間對脫膠效果的影響見圖4。

圖4 反應時間對脫膠效果的影響Fig.4 Effects of reaction time on degumming

由圖4可知，反應時間在30min以內，隨著時間延長，油脂中的磷含量迅速減少，在處理30min時脫膠效果達到最好。30min之后，隨著時間的延長，米糠油中的磷脂含量變化緩慢，略有上升，可能是由于聚集的膠團有稍許分散。因此，試驗選用反應時間為30min進行進一步研究。

2.2.4 反應溫度對脫膠效果的影響

反應溫度對脫膠效果的影響見圖5。

圖5 反應溫度對脫膠效果的影響Fig.5 Effects of reaction temperature on degumming

由圖5可知，在所取溫度范圍內，反應溫度對米糠油脫膠效果影響較小。溫度低會增加油脂粘度，不利于草酸與油脂的混合，溫度過高則會打破凝膠平衡，使膠團重新分散［10］。綜合考慮，選擇50℃作為草酸脫膠溫度。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 模型的建立及顯著性檢驗

根據響應面Box－Benhnken試驗設計，以磷脂含量為響應值，選擇草酸添加量、加水量和反應時間3個因素進行17組試驗，其中析因試驗12組，可得到析因點，表示自變量取值在3個不同水平下所構成的三維頂點；中心點重復試驗5組，可得到零點，5次重復用于估算試驗誤差。響應面分析方案與試驗結果見表2。

表2 響應面試驗設計方案及結果Table 2 Experimental scheme and results of response surface method

采用Design Expert 8.0.6軟件對表2中數據進行多元線性回歸擬合，可得出脫膠米糠油磷脂含量與各因素編碼值之間的多元二次回歸模型：Y（磷脂含量）＝40.54－1.16A－2.91B－1.38C＋0.20AB－0.37AC－1.18BC＋5.18A2＋4.68B2＋8.66C2。對模型方程進行顯著性檢驗，見表3。

表3 回歸方程的顯著性檢驗及方差分析Table 3Significance test of regression equationand variance analysis（ANOVA）

由表3可知，整體模型P＜0.0001，二次方程模型極顯著，且失擬項P＝0.9607＞0.05，不顯著，表明回歸方程對數據的擬合充分，R2＝0.9993，RAdj2＝ 0.9983，表明該方程的擬合度和可信度均很高，模型可靠，預測值與實驗值具有高度相關性，模型能很好地反映響應值的變化，可用該回歸方程代替實驗真實點對試驗結果進行分析和預測。

由表3可知，模型中全部的一次項和二次項對響應值Y（磷脂含量）的影響都極顯著（P＜0.01），交互項BC對響應值Y的影響極顯著（P＜0.01），AC對Y的影響顯著（P＜0.05），AB對Y的影響不顯著（P＞0.05）。由此可知，各實驗因素對響應值的影響具有交互作用，并非是簡單的線性關系。

2.3.2 各因素交互作用的響應曲面和等高線圖分析

通過Design Expert 8.0.6軟件對回歸方程進行擬合，得各因素間交互作用的響應曲面圖和等高線，見圖6～圖8。響應曲面圖中各因素對應曲線的陡峭程度與其對響應值影響程度呈正相關。

圖6 草酸添加量和加水量交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plot for interaction effect of oxalic acid and water additive amount

圖7 草酸添加量和反應時間交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plot for interaction effect of oxalic acid additive amount and reaction time

圖8 加水量和反應時間交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plot for interaction effect of water additive amount and reaction time

由圖6～圖8可知，3個因素對應的曲線均較陡峭，陡峭順序為加水量＞反應時間＞草酸添加量，并結合表3可知，3個因素對米糠毛油脫膠的影響均很顯著，影響程度依次為B加水量＞C反應時間＞A草酸添加量。

等高線的形狀可反映因素間交互作用對響應值的影響是否顯著，橢圓形為影響顯著，圓形為不顯著。由圖6～圖8可知，草酸添加量與反應時間、加水量與反應時間交互作用較強，對脫膠效果的影響顯著，草酸添加量與加水量的交互作用較弱，對脫膠效果的影響不顯著。且AC，BC每兩個因素的交互作用對脫膠米糠油磷脂含量的影響為先降低后升高，響應值呈倒拋物線趨勢，因此，回歸方程有極大值。

2.3.3 最優條件的確定及驗證

通過軟件分析得出米糠毛油草酸脫膠最佳工藝參數為：草酸添加量0.82%，加水量6.64%，反應時間31.04min，此條件下，模型預測的脫膠米糠油磷脂含量為39.93mg／kg。為方便實際操作，將最佳工藝參數調整為：草酸添加量0.82%，加水量6.65%，反應時間31min。在此條件下進行3次平行試驗，測定脫膠米糠油中磷脂平均含量為40.22mg／kg，與預測值相對誤差為0.72%，結果穩定，預測值可靠。因此，采用響應面Box－Benhnken試驗優化得到的米糠毛油草酸脫膠的工藝條件準確可靠，具有實用價值。

2.4 脫膠米糠油加熱試驗結果

將脫膠后的米糠毛油在280℃進行加熱試驗，結果油脂未發生較大變化，無析出物。羅維朋比色計色澤測定（比色槽25.4mm）變化結果見圖9。

圖9 脫膠油經280℃加熱后的色值變化圖Fig.9 Color value variation figure of degumming oil after heating at 280℃

由圖9可知，脫膠米糠油加熱前后，黃色色值未變為55，紅色色值略有上升3個點。紅色色值上升，可能是由于原料采用的米糠毛油游離脂肪酸含量偏高，在280℃高溫加熱條件下，游離脂肪酸的結構發生變化，生成部分順反異構體及位置異構體，導致顏色偏深。另外，由于米糠油中的維生素E，在280℃和有氧條件下，其氧化分解速度加快，生成生育醌、苯并二氫吡喃－5，6－醌等深紅色物質［11］。因此，脫膠米糠油在280℃加熱后色澤略有上升，但在合格范圍內。

3 結論

以米糠毛油為原料，采用草酸對其進行脫膠，研究了草酸添加量、加水量、反應溫度和反應時間對米糠毛油脫膠效果的影響，除了反應溫度對脫膠效果影響較小外，草酸添加量、加水量、反應時間對米糠毛油的草酸脫膠效果的影響均比較顯著，影響程度依次為加水量＞反應時間＞草酸添加量。響應面Box－Benhnken試驗得最佳磷酸化改性工藝條件為草酸添加量0.82%，加水量6.65%，反應時間31min，反應溫度50℃，此條件下，米糠毛油磷脂含量從709.6mg／kg降到40.22mg／kg，脫膠率達到94.3%。脫膠后的米糠油在280℃的高溫下色澤變化不大。

草酸用于米糠毛油的脫膠具有較好的效果，通過響應面分析獲得了米糠毛油草酸脫膠最佳工藝，為米糠油在調味品中的開發利用提供了重要的理論依據和實際價值。

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Research on Optimization of Oxalic Acid Degumming Process of Rice Bran Oil by Response Surface Method

NA Zhi－guo1，2，MA Yong－qiang1＊，CHEN Wen－hong1，WANG Xin1
（1.College of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China；2.Department of Food and Environmental Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150086，China）

The response surface method is designed according to the principle of Box－Benhnken central combination design based on the single factor experiments to optimize the oxalic acid degumming process of rice bran oil.The results show that the optimal conditions are obtained as follows：oxalic acid of 0.82%，water of 6.65%，reaction time of 31min，reaction temperature of 50℃.The predicted phospholipid content in rice bran oil is 39.93mg／kg and measured value is 40.22mg／kg.Under such conditions，the degumming rate reaches 94.3%，and the color of rice bran oil has little change during the heat.

rice bran oil；oxalic acid；degumming；response surface method

TS201.56

A

10.3969／j.issn.1000－9973.2017.04.009

1000－9973（2017）04－0036－06

2016－10－18 ＊通訊作者

黑龍江省科技攻關課題（GC12B403）

那治國（1980－），男，副教授，碩士，研究方向：食品化學。