堿煉脫酸工藝對鐵核桃油不飽和脂肪酸的影響

劉亞娜，耿陽陽，王紀(jì)輝，胡伯凱，何佳麗，梁美

1. 貴州省核桃研究所（貴陽 550005）；2. 貴州省林業(yè)科學(xué)研究院（貴陽 550005）

鐵核桃（Juglans sigillataDode）為胡桃科（Juglandaceae）核桃屬（Juglans）植物，是原產(chǎn)于我國西南地區(qū)的核桃屬植物特有種[1]。云貴地區(qū)鐵核桃資源豐富，果仁含油率60%～70%，其中不飽和脂肪酸（UFA）以亞油酸、油酸、亞麻酸為主要組分[2-4]，且亞油酸、亞麻酸含量要高于一般食用油[5]，UFA在增強(qiáng)記憶力和預(yù)防心血管疾病方面具有重要的生理作用[6]。亞油酸、亞麻酸均為必需脂肪酸，現(xiàn)已成為衡量核桃油營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)參數(shù)[7]。鐵核桃油作為功能性植物油脂具有廣闊的發(fā)展前景。

采用壓榨、浸出等方式從鐵核桃中獲得的鐵核桃毛油含有一定數(shù)量的游離脂肪酸，它的存在會加速油脂氧化，產(chǎn)生刺激性氣味，從而影響油脂風(fēng)味[8]，因此鐵核桃原油脫酸處理后才可食用。堿煉是典型的化學(xué)脫酸方法，但在堿煉過程中存在不飽和脂肪酸自動氧化產(chǎn)生自由基，誘導(dǎo)油脂氧化劣變；發(fā)生脫羧反應(yīng)，生成烯烴等物質(zhì)，降低油脂營養(yǎng)價(jià)值；不切斷碳鏈而環(huán)氧化生成環(huán)氧化合物，對人體健康有害[9]。如何選取最佳工藝條件在去除有害成分的同時(shí)，最大程度地保留有益營養(yǎng)成分，是目前鐵核桃油加工中的一個(gè)難點(diǎn)。大多學(xué)者僅對鐵核桃油脫酸工藝進(jìn)行優(yōu)化[10-11]，卻鮮少探究其中有效成分的動態(tài)變異規(guī)律，尤其值得探究的是核桃油中富有人們膳食中極易缺乏的各類必需脂肪酸如亞油酸、亞麻酸[12]在堿煉過程中的存留。

研究采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面法優(yōu)化鐵核桃油的脫酸工藝，建立脫酸工藝參數(shù)與脫酸油品質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)跟蹤脫酸油中UFA含量變異，為鐵核桃油適度精煉奠定基礎(chǔ)，保障鐵核桃油加工成品的安全性和營養(yǎng)成分的完整性。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃：2017年9月采收于貴州省盤縣。

氫氧化鈉為食品級；異辛烷、冰乙酸、碘化鉀、氫氧化鉀、甲醇、硫酸氫鈉等均為分析純；脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品（美國Sigma公司）為色譜純試劑。

1.2 主要儀器

液壓榨油機(jī)（油博士YBS-YZ18，北京環(huán)球同創(chuàng)科技發(fā)展有限公司）；氣相色譜儀（GC9720，浙江福立分析儀器有限公司）；150型板框過濾機(jī)（PP濾膜）；數(shù)顯瓶口滴定器（Titrette，德國普蘭德BRAND公司）；電子天平（MS104TS，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；單道固定量程移液器（10 mL、1 mL）（Research plus，Eppendorf）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鐵核桃毛油的制備

選用肉質(zhì)飽滿、無蟲蛀、無霉變的鐵核桃仁，去除碎殼、隔膜等雜質(zhì)，含水量不超過10%。液壓榨油機(jī)在保壓50～60 MPa、25 ℃的條件下榨取得到鐵核桃毛油[9]，靜置，板框過濾后于4 ℃下冷藏待用。

1.3.2 鐵核桃油脫酸單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)：將鐵核桃油加熱升溫到60 ℃，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度設(shè)置為0%，0.1%，0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，5.0%和6.0%，按毛油質(zhì)量比的4%進(jìn)行添加，攪拌速率60 r/min，恒溫水浴0.5 h，以4 000 r/min離心10 min，取上油液測定。

堿液添加量：將鐵核桃油加熱升溫到60 ℃，選擇最優(yōu)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按毛油質(zhì)量比的0%，2%，4%，6%，8%，10%和12%進(jìn)行梯度添加，攪拌速率60 r/min，恒溫水浴0.5 h，以4 000 r/min離心10 min，取上油液測定。

脫酸時(shí)間：將鐵核桃油加熱升溫到60 ℃，選擇最優(yōu)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及堿液添加量，攪拌速率60 r/min，恒溫水浴，時(shí)間梯度為20，30，40，50，60，70和80 min，以4 000 r/min離心10 min，取上油液測定。

脫酸溫度：將鐵核桃油升溫，設(shè)置溫度梯度為20，30，40，50，60，70和80 ℃，選擇最優(yōu)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿液添加量及脫酸時(shí)間，攪拌速率60 r/min，以4 000 r/min離心10 min，取上油液測定。

1.3.3 核桃油脫酸工藝響應(yīng)面分析法優(yōu)化

在單因素的基礎(chǔ)上，選取堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿液添加量、脫酸溫度和脫酸時(shí)間4個(gè)因素，以UFA含量為響應(yīng)指標(biāo)，運(yùn)用Design-Expert.V 8.0.6.1軟件程序，根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素水平見表1。

表1 核桃油脫酸工藝響應(yīng)面分析法試驗(yàn)因素水平表

1.3.4 指標(biāo)測定

1.3.4.1 理化指標(biāo)的測定

酸價(jià)參照GB 5009.229—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中酸值的測定》；過氧化值參照GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》。

1.3.4.2 脂肪酸測定

1) 甲酯化：稱取約60 mg鐵核桃油至50 mL具塞比色管中，加入4 mL異辛烷，溶解后加入2%氫氧化鉀甲醇溶液200 μL，蓋上玻璃塞猛烈振搖30 s靜置至澄清，隨后定容至50 mL并搖勻備用。為避免甲酯化方法對測定結(jié)果的影響，采集油樣嚴(yán)格按照此步驟進(jìn)行甲酯化。

2) 色譜檢測條件：毛細(xì)管色譜柱CP-Sil 88（100 m×0.25 mm×0.20 μm）；程序升溫：初始溫度100 ℃（保持13 min），以10 ℃/min升溫至180 ℃（保持6min），以1 ℃/min升溫至200 ℃（保持20 min），再以4 ℃/min升溫至230 ℃（保持10.5 min），總運(yùn)行時(shí)間為85 min；樣品進(jìn)樣量1.0 μL；進(jìn)樣口溫度250 ℃；載氣為高純氮，載氣流量1.0 mL/min，隔墊吹掃3 mL/min，分流比為40∶1；檢測器溫度250 ℃，尾吹流量30 mL/min。

3) 檢測鑒定：通過脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)品在同一條件下的分析結(jié)果，按照出峰時(shí)間判定脂肪酸類型，通過峰面積計(jì)算鐵核桃油中各脂肪酸含量（計(jì)算方法依據(jù)GB 5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》中的外標(biāo)法）。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。采用Design-Expert.V 8.0.6.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面回歸方程的建立，以及對回歸方程各項(xiàng)的方差進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵核桃脫酸油單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵核桃脫酸油品質(zhì)的影響

適宜的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是堿煉獲得較好效果的重要因素之一。由圖1可知，在0.0～3.0%區(qū)間，鐵核桃油UFA含量隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐步呈上升趨勢，其中油酸和α-亞麻酸在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%時(shí)有回落。堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%時(shí)，UFA及各組分含量均有降低，之后又持續(xù)增加，說明適宜的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對保留UFA組分有較為積極的作用。由圖2可知，隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵核桃油酸價(jià)呈下降趨勢，在1.0%～6.0%區(qū)間，酸價(jià)基本維持不變。過氧化值先升高后降低，但數(shù)值變化不顯著。為保證鐵核桃油較低酸價(jià)和過氧化值，充分保留UFA各組分，試驗(yàn)擬選1.0%～3.0%區(qū)間以優(yōu)選最適宜的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵核桃脫酸油不飽和脂肪酸的影響

圖2 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵核桃脫酸油酸價(jià)和過氧化值的影響

2.1.2 堿液添加量對鐵核桃脫酸油品質(zhì)的影響

由于試驗(yàn)的鐵核桃毛油初始酸價(jià)較低，理論堿添加量較少，超堿量的確定直接影響堿煉效果，因此，試驗(yàn)將理論堿和超堿量作為一個(gè)整體因素進(jìn)行堿液添加量研究。由圖3可知，鐵核桃油UFA及各組分含量均隨著堿液添加量增加呈現(xiàn)先升高，再降低，再升高的趨勢。由圖4可知，0～4%區(qū)間，隨著堿液添加量的增加，鐵核桃油酸價(jià)急速下降；在4%～12%區(qū)間，酸價(jià)基本處于低水平且保持穩(wěn)定。堿液添加量對過氧化值的影響較小。為減少堿煉過程中中性油的皂化損失[9]，試驗(yàn)堿液添加量擬選2%～6%進(jìn)行后序優(yōu)選。

2.1.3 脫酸溫度對鐵核桃脫酸油品質(zhì)的影響

由于堿煉脫酸的過程是一個(gè)酸堿中和反應(yīng)，為了避免水/油型乳濁液轉(zhuǎn)化為油/水型乳濁液以致形成油-皂不易分離的現(xiàn)象，反應(yīng)過程中溫度必須保持穩(wěn)定和均勻[8]。由圖5可知，鐵核桃油UFA及各組分含量在30～70 ℃區(qū)間無顯著差異，80 ℃時(shí)有所降低，說明較低溫度堿煉對UFA含量影響較小，溫度高于80 ℃時(shí)，UFA含量降低。由圖6可知，隨著脫酸溫度遞增，酸價(jià)逐漸降低，過氧化值逐漸升高。綜合鐵核桃脫酸油酸價(jià)、過氧化值及UFA含量變異規(guī)律，擬選30～50 ℃進(jìn)行脫酸溫度優(yōu)選。

圖3 堿液添加量對鐵核桃脫酸油不飽和脂肪酸的影響

圖4 堿液添加量對鐵核桃脫酸油酸價(jià)和過氧化值的影響

圖5 脫酸溫度對鐵核桃脫酸油不飽和脂肪酸的影響

圖6 脫酸溫度對鐵核桃脫酸油酸價(jià)和過氧化值的影響

2.1.4 脫酸時(shí)間對鐵核桃脫酸油品質(zhì)的影響

脫酸時(shí)間對脫酸效果的影響主要體現(xiàn)在中性油皂化損失和綜合脫雜效果上。當(dāng)其他操作條件相同時(shí)，油、堿接觸時(shí)間越長，中性油被皂化的幾率越大。在綜合平衡中性油皂化損失的前提下，適當(dāng)?shù)匮娱L脫酸時(shí)間，有利于其他雜質(zhì)的脫除和油色的改善[8]。由圖7可知，脫酸時(shí)間在20～60 min范圍內(nèi)，鐵核桃油UFA及各組分含量差異較小，70 min時(shí)開始降低。由圖8可知，隨著脫酸時(shí)間延長，酸價(jià)總體呈降低趨勢，過氧化值逐漸升高。綜合鐵核桃脫酸油酸價(jià)、過氧化值及UFA含量變異規(guī)律，擬選20～40 min區(qū)間進(jìn)行脫酸時(shí)間優(yōu)選。

2.2 響應(yīng)面分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，對鐵核桃油脫酸工藝進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

由響應(yīng)面分析結(jié)果對各因素?cái)M合所得回歸方程為

圖7 脫酸時(shí)間對鐵核桃脫酸油不飽和脂肪酸的影響

圖8 脫酸時(shí)間對鐵核桃脫酸油酸價(jià)和過氧化值的影響

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.2.2 回歸模型的方差分析

對回歸方程各項(xiàng)的方差進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，對UFA含量建立的二次回歸模型顯著，由噪音而發(fā)生的可能性只有0.60%，失擬項(xiàng)不顯著，表明試驗(yàn)結(jié)果和模型擬合度良好，真實(shí)誤差較小。R2為0.787 7，說明UFA含量有78.77%的變化來自所選的自變量，該模型擬合度良好。信噪比為6.562，大于4，表明該模型信號很強(qiáng)。故本試驗(yàn)方法為鐵核桃油脫酸工藝保留UFA營養(yǎng)成分提供了一個(gè)良好的模型。模型中一次項(xiàng)B影響顯著，由F值可知，UFA含量的影響因素主次順序?yàn)閴A液添加量＞堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞脫酸時(shí)間＞脫酸溫度。

表3 回歸方程的方差分析

2.2.3 最佳脫酸工藝條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)二次線性回歸方程分析結(jié)果，鐵核桃油脫酸的最佳工藝條件為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.83%、堿液添加量為2.19%、脫酸溫度為46.82 ℃、脫酸時(shí)間為38.79min，由此條件制得的鐵核桃脫酸油UFA含量為64.485 g/100 g。在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到操作性的簡便性，將鐵核桃油脫酸工藝修正為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、堿液添加量為2%、脫酸溫度為45 ℃、脫酸時(shí)間為40 min。采用上述條件，重復(fù)3組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到鐵核桃脫酸油的UFA含量約為76.46 g/100 g，稍高于預(yù)期值，此條件下得到鐵核桃脫酸油的酸價(jià)約為0.078 0 mg KOH/g、過氧化值約為0.068 9 g/100 g，均符合核桃油國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)以冷榨鐵核桃油為原料，跟蹤不飽和脂肪酸（UFA）含量的變異，并以酸價(jià)和過氧化值為油品質(zhì)量評定指標(biāo)，對鐵核桃油脫酸工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到鐵核桃油脫酸時(shí)最大程度保留UFA的最佳工藝條件為：堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、堿液添加量為2%、脫酸溫度為45 ℃、脫酸時(shí)間為40 min，由此條件制得的鐵核桃脫酸油UFA含量約為76.46 g/100 g，其中油酸約為13.53 g/100 g，亞油酸約為55.24 g/100 g，α-亞麻酸約為6.90 g/100 g。該堿煉工藝是一種低溫淡堿的脫酸方式，在保證堿煉效率的同時(shí)，可最大程度保留鐵核桃油中不飽和脂肪酸成分。

在堿煉工藝中，鐵核桃油的酸價(jià)先降低，最終保持不變，這與油脂中游離脂肪酸含量降低息息相關(guān)。過氧化值隨溫度、時(shí)間因素逐漸增高，油脂氧化程度愈強(qiáng)，故在堿煉的過程中應(yīng)盡量選擇低溫短時(shí)間工藝條件。經(jīng)過堿煉的脫酸油一般還要進(jìn)行脫色、脫臭，尤其脫臭溫度較高，易造成大量營養(yǎng)物質(zhì)的流失，不飽和脂肪酸組分如何變異，以及由不飽和脂肪酸異構(gòu)化產(chǎn)生反式脂肪酸的風(fēng)險(xiǎn)等將還要經(jīng)過不斷地探索和研究。