基于響應面法的食品級大豆濃縮磷脂制備工藝的優化研究

崔晨陽 劉軒 沈華

[摘要]文章對以飼料級大豆濃縮磷脂為試驗原料，經過溶解、離心、脫色、濃縮等制備食品級大豆濃縮磷脂的工藝進行研究，采用響應面法對濃縮磷脂的丙酮不溶物含量進行優化。在單因素試驗條件下，以轉速、料液比、時間為考察因素，依據Box-Behnken中心組合設計，以濃縮磷脂中的丙酮不溶物含量為響應值進行分析，得到食品級大豆濃縮磷脂的最佳制備工藝條件為轉速6 100r/min、料液比3.5∶1、時間9min，該工藝條件下大豆濃縮磷脂的丙酮不溶物含量為67.45%。

[關鍵詞]大豆濃縮磷脂;丙酮不溶物;正己烷不溶物;響應面法

中圖分類號：TS214.2 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

濃縮大豆磷脂是由大豆水化磷脂經真空脫水、濃縮、冷卻等工序制成的塑狀或黏稠狀產品[1]。濃縮磷脂不僅可以作為一種安全的純天然乳化劑、營養補劑，在食品、保健品和制藥方面也都有廣泛的用途[2]。商品化磷脂絕大多數來源于大豆，大豆磷脂約占磷脂總消費量的90%[3]。由于我國大豆磷脂產業起步較晚，因此生產技術及產品質量雖然取得了可喜的進步，但與國外相比，我國目前生產的大豆磷脂產品品種單一，并且存在產品純度不高、品質較差、資源利用率低等問題。特別是高品質的食品級濃縮磷脂仍需國外進口，每年缺口達2萬t以上，落后的技術與巨大市場需求以及豐富的大豆磷脂資源形成鮮明反差。

此外，食品級濃縮磷脂的品質在很大程度上是由色澤和風味決定的，磷脂色澤能夠最為直觀地判斷其品質的優劣，國內大部分濃縮磷脂產品雜質含量多、色澤較深，只能用于飼料行業，在食品和醫藥領域中使用受到限制[4]。

本試驗是利用飼料級大豆磷脂為原料，經過溶解、離心、脫色、濃縮等工藝制備食品級大豆濃縮磷脂。以丙酮不溶物為試驗指標，對離心時間、轉速、料液比3個因素進行了單因素試驗。在單因素試驗的基礎上，借助試驗設計軟件Design Expert，采用Box-Behnken設計法對影響丙酮不溶物含量的關鍵因素進行優化，建立并驗證相關的工藝數學模型，得到制備食品級濃縮磷脂的最佳工藝參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

飼料級大豆濃縮磷脂：中創科技有限公司;TBHQ：上海麥克林生化科技有限公司;正己烷、石油醚（60℃～90℃）、過氧化氫、硅藻土、活性炭、丙酮、硫代硫酸鈉、碘化鉀、氫氧化鈉、可溶性淀粉：上海凌峰化學試劑有限公司。

TG1650-WS離心機：上海盧湘儀離心機儀器公司;EYELA SB-1300旋轉蒸發器：東京理化器械株式會社;SH2-D（Ⅲ）循環水式多用真空泵：杭州明遠儀器有限公司;DW-2005低溫冷卻液循環泵：杭州大衛科教儀器有限公司;07HWS-2數顯恒溫磁力攪拌器：杭州儀表電機有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 食品級濃縮磷脂的制備工藝

大豆濃縮磷脂：石油醚質量1∶3（1∶1～1∶10），混合飼料級濃縮磷脂與石油醚。

加濃縮磷脂質量分數1%（0.5%～1.5%）的過氧化氫、1%的硅藻土或活性炭、0.1%的TBHQ抗氧化劑[5]，攪拌混合，磁力攪拌器上脫色攪拌40min（20～60min）。

之后以5 000～9 000r/min的轉速離心5～13min。然后真空濃縮蒸發，先在50℃情況下蒸發80%溶劑，然后在60℃、0.098MPa真空度情況下濃縮至溶劑和水分蒸發完全。

1.2.2 指標檢測方法

（1）丙酮不溶物的檢測方法：按照Acetone-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 4-46 Revised 2011）方法。

（2）正己烷不溶物的檢測方法：按照Hexane-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 3-87 Reapproved 2009）方法。

（3）過氧化值的檢測方法：按照Peroxide Value（AOCS Official Method Ja 8-87 Revised 2011）方法。

（4）酸價的檢測方法：按照Acid Value（AOCS Official Method Ja 6-55 Revised 2011）方法。

（5）水分的檢測方法：按照《食品安全國家標準 食品中水分的測定》（GB 5009.3—2016）方法。

1.2.3 單因素試驗對濃縮磷脂丙酮不溶物的影響

1.2.3.1 不同轉速對丙酮不溶物的影響

在溶劑比3∶1，離心時間為9min條件下，不同轉速5 000r/min、6 000r/min、7 000r/min、8 000r/min、9 000r/min對丙酮不溶物的影響。

1.2.3.2 不同料液比對丙酮不溶物的影響

在轉速7 000r/min，離心時間為9min條件下，不同溶劑比1∶1、2∶1、3∶1、5∶1、10∶1對丙酮不溶物的影響。

1.2.3.3 不同離心時間對丙酮不溶物的影響

在轉速7 000r/min，溶劑比3∶1條件下，不同時間5min、7min、9min、11min、13min對丙酮不溶物的影響。

1.2.4 響應面優化食品級濃縮磷脂制備工藝

根據單因素試驗結果，利用響應面法設計食品級濃縮磷脂提取工藝的試驗方案，以離心轉速、料液比、離心時間為考察因素，以丙酮不溶物為試驗設計的響應值，借助試驗設計軟件Design Expert，根據Box-benhnken的中心組合試驗設計原理，運用三因素三水平的試驗方法來確定食品級濃縮磷脂制備最佳工藝參數[6]。試驗設計因素編碼及水平如表1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 不同轉速對丙酮不溶物的影響

不同轉速對丙酮不溶物的影響如圖1所示，隨著轉速的增加，丙酮不溶物呈現不斷上升的整體趨勢。由圖1可知，在轉速為5 000r/min時，丙酮不溶物含量最低為62.1%，之后隨著轉速的不斷升高，丙酮不溶物含量也不斷增加，在轉速為9 000r/min時，丙酮不溶物含量達到了64.5%。這主要是因為隨著轉速的增高，濃縮磷脂中的無機雜質含量不斷降低，從而導致濃縮磷脂中丙酮不溶物的含量升高。但是從工業化生產角度考慮，碟片式離心機的轉速較難達到很高的值，且轉速較高時功耗大、成本高，所以本研究選取5 000～7 000r/min作為轉速因素的水平范圍。

2.1.2 不同料液比對丙酮不溶物的影響

不同溶劑比對丙酮不溶物的影響如圖2所示，溶劑比從2∶1到10∶1，丙酮不溶物呈現先上升后下降的整體趨勢。在溶劑比為2∶1時，丙酮不溶物為63.9%，隨后在溶劑比為3∶1時上升到65.1%，到溶劑比為10∶1時，丙酮不溶物含量下降為62.6%。這主要是因為當石油醚比例升高時，磷脂和甘三酯分散程度加強，經過離心等各種處理后，磷脂和甘三酯更易分離開來，這一結果與趙勇[7]的研究結果一致。因此，本研究選取溶劑比2∶1～5∶1作為溶劑比因素的水平范圍。

2.1.3 不同離心時間對丙酮不溶物的影響

不同時間對丙酮不溶物的影響如圖3所示，隨著離心時間的增加，丙酮不溶物的含量呈現先上升后平穩的整體趨勢。在5min時丙酮不溶物含量為65.6%，然后隨著離心時間的增加，丙酮不溶物含量增加，在9min時丙酮不溶物含量為66.8%，在這之后，離心時間的增加丙酮不溶物含量變化不大。這可能是因為在離心時間達到一定程度后，濃縮磷脂的無機雜質基本分離徹底，且磷脂和甘三酯的分散程度也達到了一個平衡值。因此，本研究選取7～11min作為時間因素的不同水平范圍。

2.2 響應面法優化試驗結果

試驗設計與結果如表2所示，方差分析如表3所示：F值為46.08，P值<0.000 1，表示該模型極顯著。測得的丙酮不溶物的含量對自變量轉速、料液比、時間的二次多項回歸方程為Y=67.39+0.55A-0.33B+0.56C+0.70AB-0.29AC+0.19BC-1.52A2-0.81B2-1.17C2。方程中P<0.001的項代表極顯著項，失擬項P=0.320 1（0.320 1>0.05）不顯著，回歸決定系數R2=0.983 4，校正決定系數R2adj=0.962 1（0.962 1>0.8），表明該模型只有3.8%的變異。由此可見，該模型的擬合度較好，具有統計學意義[8-9]，可用該模型對食品級濃縮磷脂制備工藝研究進行初步分析和檢測。

從試驗方差分析表可知，響應面因素轉速、料液比、時間的一次項、二次項對丙酮不溶物的影響均極顯著（P<0.01），又從轉速、料液比、時間的F值對試驗指標的重要性成正比關系可知，各因素對丙酮不溶物的影響程度按大小排序為時間>轉速>料液比。

2.3 各因素交互作用分析

為了探討交互作用對丙酮不溶物的影響，以任意兩因素為考察對象，另外一個因素取值為響應面設計中零水平所對應的值，利用Design-Expert軟件對各因素之間的交互作用進行分析，繪制響應面3D曲線圖，如圖4所示。

由圖4可知，各圖代表轉速和料液比、時間和轉速、時間和料液比之間的交互影響效應。由響應面情況，結合方差分析表交互項AB的P值（0.000 8<0.01）、AC的P值（0.061 1>0.05）、BC的P值（0.169 6>0.05）可以看出，轉速和料液比的交互作用極顯著，而轉速和時間、料液比和時間的交互作用不顯著。

2.4 制備工藝條件優化及模型驗證試驗

Design Expert軟件所提供的預測最優提取工藝參數為轉速6 132r/min，料液比3.31 ∶ 1，時間9.429min，模型組預測最大丙酮不溶物含量為67.509%。但考慮到試驗儀器實際情況，將試驗條件調整為轉速6 100r/min、料液比3.5∶1、時間9min。在此條件下重復進行驗證試驗，丙酮不溶物含量為67.45%。與預測值基本吻合，說明模型能夠對丙酮不溶物含量進行較準確的分析，該優化工藝條件較為可靠。

3 結 論

本試驗旨在制備食品級大豆濃縮磷脂，以丙酮不溶物含量為響應面響應值，借助試驗設計軟件Design Expert，采用Box-Behnken設計法對影響大豆濃縮磷脂丙酮不溶物含量的3個關鍵因素（轉速、料液比、時間）進行優化，得出食品級大豆濃縮磷脂制備的最佳工藝條件為轉速6 100r/min、料液比3.5∶1、時間9min，在該工藝條件下，丙酮不溶物的含量為67.45%。

參考文獻

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[9]魏玲玲，黃愛平，陳競男.響應面法優化黑芝麻苗黃酮與多酚的提取工藝[J].糧食與油脂，2019（7）：95-100.