響應面法優化青海胡麻籽油脫色工藝

韓玉澤，李 檸，萬松濤，王 瑩，王進英，2

（1.青海大學 農牧學院，青海 西寧 810016；2.三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

胡麻籽又稱亞麻籽，是亞麻科、亞麻屬的一年生或多年生草本植物亞麻的種子，為世界十大油料作物之一，我國亞麻籽年產量已達到50萬t，處于世界第二位[1-2]。亞麻籽油是α-亞麻酸含量最高的植物油之一，其脂肪酸組成合理，不飽和脂肪酸含量達到87%以上[3]。研究表明，由于亞麻籽油含豐富的α-亞麻酸，對人體有多種生理保健功能，長期食用富含亞油酸等不飽和脂肪酸的植物油可明顯降低乳腺癌的發病率。此外，不飽和脂肪酸還可降低血脂和膽固醇，預防心臟病、高血壓、高血脂、動脈硬化、糖尿病等疾病[4]。胡麻籽油對人體健康十分有益，是一種具有較高食用和藥用價值的營養保健油，被國內外營養學家譽為“陸地上的魚油”[5]。純凈的甘三酯液態時無色，固態時呈白色，直接從植物油料中獲得的毛油，因含不同種類和數量的色素而呈不同顏色[6]。除此之外，油料的降解產物和加工過程產生的色素也會使油脂的色澤發生變化[7-8]。油脂中的色素不僅會使植物油的顏色加深，影響其外觀，還會對成品油的最終品質造成一定的危害，降低油脂的貯藏穩定性[6]。脫色是植物油脂精煉加工的主要環節之一，也是保證植物油脂品質的重要操作工序之一[6，9]。脫酸主要是為了除去油脂中的游離脂肪酸，因為油脂中的游離脂肪酸會加速氫過氧化物的分解，加快油脂腐敗變質[10]，因此必須將其含量降低至符合相關標準[11]。此外，油脂脫色處理還能吸附微量金屬元素、磷脂、皂化物及過氧化物等部分雜質，甚至還可去除一些臭味物質、多環芳烴、黃曲霉毒素及殘留農藥等，對后續的脫臭過程和產品的質量保證均具有重要意義[12-16]。

油脂脫色的方法很多，如吸附脫色法[17-18]、超聲波輔助脫色法[19-21]、膜脫色法[22]、光能脫色法[23]等。油脂脫色方法各有特色，效果都很明顯，但光能脫色法會使得油脂的品質發生劣變，同時其操作參數太過嚴格，能耗大。吸附脫色和膜脫色法可用于工業加工，因為吸附脫色法操作簡單、能耗低、脫色效果明顯，因此是當前油脂企業加工中最常用的油脂脫色方法[24-25]。本文采用活性白土作為吸附劑對胡麻籽油的脫色工藝條件進行研究，以期獲得良好的脫色效果，為胡麻籽油的精練提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 材料

胡麻籽油：機榨胡麻籽毛油，由青海西寧市油作坊提供。

1.1.2 試劑與設備

活性白土，食品級；HHS-4S型電熱恒溫水浴鍋：上海宜昌儀器紗篩長；JA1003型電子天平：上海良平儀器儀表有限公司；UV-1780型紫外分光光度計：島津儀器（蘇州）有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 胡麻籽油脫色率測定方法

取50 g胡麻籽油樣品，在常壓、90 ℃下加熱30 min左右，進行脫水干燥。脫水后添加吸附劑進行加熱脫色，冷卻后進行抽濾，分離胡麻籽油和廢棄脫色劑。對過濾好的胡麻籽油進行色澤測定。采用分光光度計于波長665 nm處測定吸光值，計算脫色率，以蒸餾水做參照物。計算公式：

式中：X表示油脂脫色率；A0表示樣品脫色前的吸光值；A表示樣品脫色后的吸光值。

1.2.2 單因素實驗

確定脫色溫度：取胡麻籽油50 g，預熱至不同溫度后分批加入3%的活性白土，攪拌過濾后用分光光度計在665 nm處測定不同脫色溫度下的吸光度。設定脫色溫度分別為40、50、60、70、80和90 ℃。

確定脫色時間：取胡麻籽油50 g，設置脫色溫度為60 ℃，分批添加3%的活性白土，攪拌不同時間后過濾，待油溫冷卻至室溫后用分光光度計在665 nm處測定吸光度，研究脫色時間對脫色率的影響。設定脫色時間分別為10、15、20、25、30 min。

確定吸附劑添加量：設置吸附劑添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%，測定665 nm處的吸光度，研究不同吸附劑用量對胡麻籽油的脫色效果的影響。

1.2.3 脫色工藝響應面優化

為獲得最佳脫色工藝，在單因素的基礎上，以A（脫色溫度）、B(脫色時間)、C（吸附劑添加量）為自變量，利用Design-Expert 7.0軟件設計Box-Behnken三因素三水平響應面優化實驗，測定9組實驗的脫色率，并進行極差分析。

1.3 數據處理與分析

所有數據均為三組平行實驗結果的平均值，采用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 最大吸收波長確定

在不同波長下分別測定實驗油樣的吸光度，胡麻籽油在可見光區最大吸收波長為665 nm，因此選擇此波長作為脫色率測定的最大吸收波長。

2.2 單因素結果分析

2.2.1 脫色溫度對胡麻籽油脫色率的影響

由圖1可知，在一定溫度區間內，脫色率呈現先升高后下降的趨勢，在70 ℃條件下脫色率最大，脫色效果最好。這是因為適當提高溫度，會加劇分子運動，激活吸附劑表面的吸附點，從而提高吸附劑的吸附能力。當溫度超過70 ℃時，胡麻籽油的脫色率下降。原因可能有：溫度升高，其化學作用增強，一些色素會與其他物質發生共軛而穩定在油脂中，使脫色率降低[29]；還有其他無色的色原體轉化為不易除去的有色色原體，加深油色[30]；溫度過高會使得吸附質能量升高，加劇分子運動，這種運動大于兩者間的引力而降低吸附總量，降低脫色率[31]。因此為了避免油脂發生氧化反應降低油脂品質，脫色溫度范圍控制在60～80 ℃。

圖1 脫色溫度對脫色效果的影響

2.2.2 脫色時間對胡麻籽油脫色率的影響

脫色時間是影響胡麻籽油脫色率的重要因素。脫色時間短不利于胡麻籽油脫色完全；脫色時間過度延長，一方面會降低胡麻籽油脫色率，另一方面還會造成能源過度浪費。控制其他脫色條件不變，調節脫色時間進行單因素實驗。實驗結果見圖2。

由圖2可知，在不同的脫色時間內，脫色率呈現先升高后下降的趨勢，脫色時間為20 min時，有最佳脫色效果達65.2%。時間過長時，脫色率下降，這可能是因為油脂脫色是一個動態吸附平衡過程，隨著時間的延長，吸附劑的吸附能力不斷提高，脫色率會不斷升高直到吸附劑發揮最大吸附能力為止；當時間過度延長，吸附質能量升高，克服兩者之間引力，破壞動態平衡，降低平衡吸附量值，從而降低脫色率。另一可能的原因是物理吸附的同時，會發生氧化作用等不良的化學反應導致酸價升高，從而使得油脂顏色加深（油脂返色）[28]。因此為了避免油脂品質下降，其脫色時間控制在20 min到25 min之間為佳。

圖2 脫色時間對脫色效果的影響

2.2.3 活性白土添加量對胡麻籽油脫色率的影響

由圖3可知，隨著吸附劑添加量增加，胡麻籽油脫色率呈上升趨勢，當活性白土用量達3%之后，繼續增大吸附劑添加量，脫色率變化不大。油脂脫色是一個吸附平衡的過程，隨著脫色劑的增加，其吸附程度會達到飽和。當脫色劑飽和時會發生兩種情況[26]：第一，脫色劑發生絮結，減少了脫色接觸表面積，致使脫色不完全，降低脫色率；第二，由于脫色劑飽和會吸收部分油脂，使得油產率降低。故在脫色的過程中，脫色劑用量并非越多越好，相反脫色劑要適量[27]。同時為避免不必要的浪費，脫色劑用量最佳范圍在4%左右。

圖3 吸附劑用量對脫色效果的影響

2.3 胡麻籽油脫色工藝響應面優化結果和分析

2.3.1 響應面實驗結果

通過單因素實驗分析，以A（脫色溫度）、B（脫色時間）、C（吸附劑添加量）3個因素為自變量，利用Design-Expert 7.0軟件進行三因素三水平的Box-Behnken設計，因素水平表見表1，實驗設計與結果見表2。

表1 因素水平表

表2 Box-Behnken實驗設計及結果

2.3.2 建立模型和方差分析

采用軟件對實驗結果數據進行回歸分析，得到二次回歸模型為：

Y=75.78+0.26A+3.88B+4.04C+0.96AB+0.38AC+0.94BC-3.36A2-7.31B2-5.21C2

采用Design-Expert 7.0數據分析軟件對該回歸模型進行方差分析，結果見表3。由表3可知該模型P值＜0.000 1，達極顯著水平，同時失擬度P=0.082 2＞0.05，差異不顯著，說明該模型可行；由響應面法的擬合計算得出該模型決定系數R2=0.989 4，R2Adj=0.975 9，表明該回歸方程的擬合度較高，可信程度高；觀察表中各因素P值，B、C、A2、B2、C2對胡麻籽油脫色率的影響均為極顯著；由表中F值可知，不同因素對脫色率影響的大小依次是：脫色溫度＜脫色時間＜吸附劑添加量。

表3 回歸方程模型及方差分析

2.3.3 各因素交互作用響應曲面分析和等高線圖

由響應面程序分析不同因素間交互作用，得到三維響應曲面和等高線圖，AB、AC與BC之間的交互作用如圖4-a～c所示，響應面圖的曲面越陡，交互作用越顯著，反之則越不顯著。觀察橢圓扁平程度可知因素交互作用影響順序為：C＞A＞B。圖4-a是脫色溫度與脫色時間交互作用對胡麻籽油脫色率的響應面，隨著脫色溫度和脫色時間的增大，胡麻籽油的脫色率明顯升高，并且兩者交互作用會出現最大的響應值。圖4-b是脫色溫度與脫色時間交互作用對胡麻籽油脫色率的響應面，胡麻籽油脫色率會隨脫色溫度和吸附劑添加量增大而升高；在吸附劑量不變的時候，隨著溫度的升高，脫色率先升后降。在脫色溫度不變時，脫色率先出現明顯升高，而后會降低。這也證實了單因素實驗猜想的合理性。圖4-c是脫色時間與吸附劑添加量交互作用對胡麻籽油脫色率的響應面，隨著吸附劑添加量和脫色時間增大，其脫色率升高。

2.3.4 參數優化與實驗驗證

在Design-Expert 7.0軟件優化板塊中，當響應值取得最大值77.18%時，得出3個因素最佳條件：脫色溫度為71.33 ℃、脫色時間為23.09 min、吸附劑用量為4.34%。為檢驗模型預測準確性，對響應面優化工藝進行驗證，考慮到實際操作可行性，將最佳條件修改為：脫色溫度71 ℃、脫色時間23 min、吸附劑用量4.3%。在此條件下進行3次重復實驗，測得平均脫色率為77.59%，與理論預測值的誤差為0.41%，表明模型可靠。

3 結論

實驗分析了脫色溫度、脫色時間、吸附劑添加量對胡麻籽油脫色效果的影響。單因素實驗初步確定工藝條件的取值范圍，通過方差分析確定脫色率影響因素大小順序為：脫色溫度＜脫色時間＜吸附劑添加量。響應面優化建立的數學模型確定了優化的工藝條件，在溫度為71 ℃、時間為23 min，活性白土添加量為4.3%的條件下進行3次重復實驗驗證響應面優化工藝，測得平均脫色率為77.59%，與理論預測值誤差為0.41%，表明該數學模型可行。本實驗結果可以為青海省胡麻籽油制取精煉工藝提供數據參考。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。