響應面法優(yōu)化生產(chǎn)高不飽和脂肪酸大豆油脂*

于 鵬，常云鶴，宋云花，劉 鑫，王 ，于殿宇**

（1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省糧食職業(yè)學院，哈爾濱 150080）

脂肪酸作為重要的工業(yè)原料和油脂化工的基礎原料，按其結構的不同可分為兩大類：一類是飽和脂肪酸，另一類是不飽和脂肪酸。飽和脂肪酸主要應用于乳液聚合和作為橡膠添加劑，在塑料工業(yè)中作穩(wěn)定劑、增塑劑和潤滑劑[1]。由于不飽和脂肪酸中的亞油酸、α-亞麻酸、花生四烯酸等具有降低血液中的膽固醇水平、提高機體免疫力的生理功能，所以多用于營養(yǎng)強化劑及食品添加劑、食用油產(chǎn)品系列、功能保健食品中[2]。鑒于天然脂肪酸中的兩類脂肪酸，尤其是不飽和脂肪酸有著很高的生理活性和利用價值，因此有必要對其進行分離、富集。

不飽和脂肪酸在脂肪中主要以甘油酯的形式存在。獲取脂肪酸的途徑有甘油三酯直接分離，轉換成低碳數(shù)的酯后分離和脂肪酸分離3種方式。不飽和脂肪酸分離制備多建立在適合于脂肪酸這一大類的通用分離方法之上。不飽和脂肪酸是油脂中眾多復雜成分中的一組特殊成分，具有較強的熱敏性，在分離、純化過程中，容易受到光照、加熱、氧化等條件的影響而發(fā)生氧化、異構化、聚合、降解而降低產(chǎn)品得率[3,4]。目前，對從油脂中得到的混合脂肪酸進行分離的方法有：冷凍壓榨分離法、有機溶劑分離法、表面活性劑分離法、精餾分離法、尿素配合分離法等[4]。但這幾種方法在分離過程中存在著飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸分離不完全、不飽和脂肪酸損失大、不穩(wěn)定、分離困難、純度低等問題。針對這些問題，我們自制了一種結晶器并總結了上述方法的優(yōu)點，采用響應面分析法，建立了生產(chǎn)高不飽和脂肪酸大豆油脂的二次多項數(shù)學模型，優(yōu)化出最優(yōu)的生產(chǎn)高不飽和脂肪酸的條件，對大豆油中的不飽和脂肪酸進行了很好的分離與富集。

1 結晶罐的結構及其工藝流程

1.1 結晶罐結構

如圖1為結晶罐結構，該結晶罐的主要特點是可以根據(jù)油脂中高不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例調節(jié)濾網(wǎng)高度，實現(xiàn)富含高不飽和脂肪酸油脂的工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 結晶罐結構

1.2 操作流程

大豆一級油由注油口進入罐體，根據(jù)大豆油中飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的比值調節(jié)分層盤中濾網(wǎng)高度，電機帶動攪拌軸及多對攪拌葉片將一級大豆油攪拌均勻，利用鼠籠式冷卻設備調節(jié)溫度，以一定的速度降溫至一定溫度，靜置數(shù)小時后，快開門打開下部罐體取出分層盤，分離濾網(wǎng)和分層盤收集高不飽和脂肪酸大豆油脂。

1.3 測定方法

碘值的測定：韋氏溶液法[5]。

氣相色譜分析法：采用CP-Sil-88強極性毛細管氣相色譜柱（100m×0.25n m×0.2μm），F(xiàn)ID檢測器，色譜條件：載氣為N2，燃燒氣H2和空氣；進樣口溫度260℃，柱溫60℃保留4min，以13℃/min的速度升溫至175℃保留24min，以4℃/min的速度升溫至230℃保留10min，后運行260℃,3min；檢測溫度300℃，柱流速2m L/min；H2流速40m L/min，空氣流速400m L/min，進樣量2μL，分流比11003d120。

14種脂肪酸混合標樣由sigma公司提供，其主要成分：辛酸（C81003d10），癸酸（C101003d10），月桂酸（C121003d10），豆蔻酸（C141003d10），棕櫚酸（C161003d10），棕櫚油酸（C161003d11），硬脂酸（C181003d10），油酸（C181003d11），亞油酸（C181003d12），花生酸（C201003d10），亞麻酸（C181003d13），二十二烷酸（C221003d10），芥酸（C221003d11），木臘酸（C241003d10）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用試驗設計軟件DesignExpert 7.1.4進行數(shù)據(jù)分析[6]。

2 結果與分析

2.1 響應面實驗

高不飽和脂肪酸油脂因素水平和試驗方案根據(jù)Bo x-Behnken中心組合試驗設計原理，綜合單因素試驗所得結果，以降溫速度、結晶時間、結晶溫度3個因素為自變量，分別以x1、x2、x3表示，按方程Xi=（xi-x0）/Δx對自變量進行編碼（Xi為自變量的編碼值，xi為自變量的真實值，x0為試驗中心點處自變量的真實值，Δx為自變量的變化步長），并以自變量的編碼值+1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平。生產(chǎn)高不飽和脂肪酸的含量Y為響應值，試驗因素水平編碼見表1，正交組合實驗結果見表2。

表1 因素水平編碼

經(jīng)過分析后得出，生產(chǎn)高不飽和脂肪酸的回歸方程為：

回歸方程的方差分析見表3。

表3中Pr=0.0002<0.05，表明回歸方程差異顯著，回歸方程擬合較好。

2.2 響應面分析與優(yōu)化

由圖2、圖3可知，高不飽和脂肪酸的含量隨降溫速度和結晶時間的增加，呈現(xiàn)先明顯增大、后緩慢下降的趨勢；隨著回調溫度的增加出油率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。等高線的形狀可反映出交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反[7]。

表2 三因素二次旋轉正交組合實驗結果

由圖2、圖3、圖4等高線可以直觀地看出，X2X3、X1X3、X1X2之間的交互作用顯著，等高線呈橢圓形。

由綜合試驗可知，降溫速度達到5℃/h時含量較高，而后隨著降溫速度的提高，產(chǎn)品的含量始終下降。急劇降溫容易形成無法分離的玻璃質體，因此緩慢降溫才能獲得穩(wěn)定的晶型[6]。大豆油最穩(wěn)定結晶型態(tài)是β型[7]，當α→β′→β的相轉移完成后，β型晶體也就形成了，且易于分離。因此最適宜的降溫速度為5℃/h。分離溫度低時，不飽和脂肪酸得率較高，分離溫度太低，液體不飽和脂肪酸的黏度增大，分離困難，因此溫度控制是關鍵[8]。

由圖4可知，在-15～0℃范圍內，隨著溫度的降低，含量呈升高趨勢。當溫度降到-20℃時，含量急劇降低，因為溫度過低，不飽和脂肪酸的黏度變大，造成兩相油脂難以分離。

表3 回歸方程的方差分析

2.3 攪拌速度對分離效果的影響

晶核的生長速率與油脂的黏度成反比，黏度越大，傳質就越困難，晶體生長也就越緩慢。同時黏度過大使熱量的傳遞受阻，造成降溫時間的延長。因此，結晶過程中應進行適度攪拌。如若攪拌力度小，將產(chǎn)生局部晶核；而攪拌過于劇烈，會使結晶撕碎，致使分離困難[9,10]。因此，轉速應控制在20r p m。

2.4 富含高不飽和脂肪酸大豆油脂氣相色譜圖

對制得的成品按1.3所述進行氣相色譜分析，所得結果如圖5。

由圖5可知，富集后大豆油脂高不飽和脂肪酸有明顯升高，高不飽和脂肪酸中豆蔻酸含量為0.445%，棕櫚酸含量為10.432%，硬脂酸含量為3.158%，油酸含量為21.226%，亞油酸含量為55.108%，亞麻酸含量為9.631%，不飽和脂肪酸的峰面積達到86.41%，比實驗大豆油（高不飽和脂肪酸含量80.9%，取樣于九三糧油集團）高出5.51%，且其中各主要成分組成并沒有變化，由此得出生產(chǎn)高不飽和脂肪酸大豆油脂的最優(yōu)條件。

圖5 富集后高不飽和脂肪酸大豆油氣相色譜圖

3 結論

利用模型的響應面及等高線，對影響富集高不飽和脂肪酸出油率的關鍵因素及其相互作用進行探討，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)以大豆一級油為原料，利用生產(chǎn)高不飽和脂肪酸的結晶器結合溫度回調、梯度降溫、等溫靜止等方法對大豆油中的高不飽和脂肪酸進行富集分離。實驗證明：該設備使用方便，效果明顯，富集率高；最佳參數(shù)為：降溫速度5℃/h，結晶溫度-15℃，結晶時間24h，攪拌速度20r p m，回調溫度-5℃。整個過程未添加任何化學試劑，沒有反式脂肪酸生成，產(chǎn)品碘值達到148.2g I2/100g，最終得到高不飽和脂肪酸含量86.41%的大豆油脂。

［1］王淑云,陳仲祥.飽和-不飽和脂肪酸π絡合分離技術研究[J].河北化工,2008,31(5):16-17.

［2］程朝暉,金波,華文俊.不飽和脂肪酸的分離及應用進展[J].食品工業(yè)科技,2004,25(5):143-144.

［3］徐文暉,王俊儒,梁宗鎖.不飽和脂肪酸分離技術研究概況[J].食品研究與開發(fā),2007,128(8):153-156.

［4］M J S S A.Identification of fatty acids in gas chromatogra?phy by application of differentempe rature and pressure programs on a single capillary column[J].Journal of Chro?matography A,2003,1015(12):151-161.

［5］后藤直宏,渡邊浩幸,西出勤,等.通用的食用油組成[P].中國專利,97120619.8.1998-05-13.

［6］張峰,仇農(nóng)學.響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取辣椒籽油及脂肪酸組成分析[J].中國油脂,2008,33(11):38-43.

［7］Nissim Garti,Kiyotaka Ssto.Crystallization and polymor?phism of fats and fatty acids[M].New York:Marcel Dekker INC,1988.

［8］袁曉艷,邵華岳.亞麻油中分離不飽和脂肪酸方法的研究[J].遼寧科技學院學報,2005,7(4):12-13.

［9］馮緒勝,劉洪國,郝京誠等編著.膠體化學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:204-208.

［10］董明,王玉章,王子軍.脫蠟油黏度對蠟結晶的影響[J].石油學報(石油加工),2010,26(1):21-26.