響應(yīng)面法優(yōu)化鴨油超聲波提取工藝

寧俊麗，龍霞，黃先智，丁曉雯*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，重慶，400716) 2(西南大學(xué)科技處，重慶，400716)

近年來，肉鴨的飼養(yǎng)量在我國得到了極大的發(fā)展。據(jù)有關(guān)報道，我國商品肉鴨出欄量33億只，占世界總出欄量的80%以上，是世界最大的肉鴨養(yǎng)殖國[1]。肉鴨的大部分脂肪組織連帶有蛋白質(zhì)和水，因此需要進(jìn)行油脂提取[2]。鴨油膽固醇含量較低，單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸的含量高且比例較好，接近維持人類健康的理想值，是一種有待于開發(fā)的良好油脂[3-4]。現(xiàn)階段動物油脂常用的提取方法主要包括干法熬制、濕法熬制、超聲提取法[5-7]等。不同的提取方法，出油率不同，對油脂的酸價、過氧化值也有較大影響[8-10]。目前，在禽類油脂中，對鵝油、雞油的提取工藝研究較多，如李朝陽等[11]采用單因素及響應(yīng)面法研究超聲提取獅白鵝腹部脂肪的工藝，得到最佳工藝參數(shù)為液料比 6.3∶1(mL∶g)、超聲功率299 W、提取溫度 26.4 ℃、提取時間 24.5 min，得到的最大提取率為(90.21±0.13)%。但對鴨油提取工藝的研究報道較少，限制了鴨油的加工利用。

本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)，干法、濕法熬制處理鴨脂肪，不僅出油率較低，而且所得鴨油的酸價、過氧化值均超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限量值，表明干法、濕法不適合鴨油的提取。因此，本實驗以鴨體內(nèi)脂肪為實驗材料，研究了超聲波提取法處理對出油率、鴨油酸價、過氧化值的影響，并用響應(yīng)面法優(yōu)化提取條件，以期為生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鴨油提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鴨脂肪組織，重慶市梁平謝鴨子食品有限公司提供；石油醚、乙醚、異丙醇、三氯甲烷、冰乙酸均為分析純，購自重慶川東化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TUC-300超聲清潔儀，深圳市歌能清洗設(shè)備有限公司；RE52CS-1旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；DB-4A電熱板，金壇市城西崢嶸實驗儀器廠；a808絞肉機；上海九陽股份有限公司。

1.3 實驗方法

將鴨脂肪組織洗凈，用絞肉機攪碎，冷藏保存用于超聲提取法相關(guān)研究。

1.3.1 鴨油質(zhì)量指標(biāo)的測定

1.3.1.1 酸價

按照國標(biāo)GB5009.229[12]第一法，以乙醚-異丙醇混合鴨油，以KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。根據(jù)消耗KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積計算鴨油酸價。

1.3.1.2過氧化值

按照國標(biāo)GB5009.227[13]第一法，以三氯甲烷-冰乙酸混合鴨油，以Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，根據(jù)消耗Na2S2O3計算鴨油過氧化值。

1.3.1.3 鴨油出油率的測定[14]

鴨油出油率按公式(1)計算。

(1)

1.3.2 超聲波法提取鴨油

1.3.2.1 單因素試驗

(1)熬制時間對鴨油的影響。稱取洗凈的鴨脂肪組織50 g，用絞肉機攪碎，采用沸程60～90 ℃的石油醚作為提取劑，液料比2∶1(mL∶g)，將鴨脂肪組織與石油醚混合均勻，在提取溫度40 ℃，提取功率480 W的條件下，分別提取20、30、40、50、60 min，過濾油渣、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)石油醚得到鴨油。測定鴨油出油率、酸價、過氧化值。

(2)熬制溫度對鴨油的影響。稱取洗凈的鴨脂肪組織50 g，用絞肉機攪碎，采用沸程60～90 ℃的石油醚作為提取劑，液料比2∶1(mL∶g)，將鴨脂肪組織與石油醚混合均勻，在提取時間為40 min，提取功率為480 W， 在提取溫度分別為20、25、30、35、40 ℃的條件下提取，過濾油渣、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)石油醚得到鴨油。測定所得鴨油的出油率、酸價、過氧化值。

(3)料液比對鴨油的影響。稱取洗凈的鴨脂肪組織50 g，用絞肉機攪碎，采用沸程為60～90 ℃的石油醚作為提取劑，提取液料比分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、 6∶1，將鴨脂肪組織與石油醚混合均勻，提取時間為40 min，提取溫度40 ℃提取，提取功率480 W進(jìn)行超聲提取，過濾油渣、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)石油醚得到鴨油。測定所得鴨油出油率、酸價、過氧化值。

(4)超聲功率對鴨油的影響。稱取洗凈的鴨脂肪組織50 g，用絞肉機攪碎，采用沸程為60～90 ℃石油醚作為提取劑，液料比2∶1，將鴨脂肪組織與石油醚混合均勻，提取功率分別為120、240、360、480、600 W的條件下進(jìn)行超聲提取，提取時間為40 min，提取溫度40 ℃，過濾油渣、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)石油醚得到鴨油。測定鴨油的出油率、酸價、過氧化值。

1.3.2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取鴨油的條件

以出油率為評價指標(biāo)，在單因素實驗的基礎(chǔ)上根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，采用4因素3水平響應(yīng)面分析法進(jìn)行實驗設(shè)計[15-19]，確定超聲提取鴨油的最佳工藝條件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 鴨脂肪組織酸價、過氧化值

鴨脂肪組織中不飽和脂肪酸較多，易發(fā)生氧化，因此選擇酸價、過氧化值作為評價鴨脂肪氧化程度的指標(biāo)[20-21]。

測得實驗用鴨脂肪組織的酸價為(1.09±0.03) mg/g，過氧化值為(0.09±0.01) g/100 g，符合GB10146—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食用動物油脂》[22]規(guī)定的酸價≤ 2.5 mg/g，過氧化值≤ 0.20 g/100 g標(biāo)準(zhǔn)，可以用作熬制鴨油的原料。

2.2 超聲波提取法對鴨油的影響

與傳統(tǒng)的油脂提取方法相比，超聲波提取法具有提取時間短、提取效率高、能耗低等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用[23]。油脂能較好地溶于石油醚等有機溶劑中，而石油醚具有易揮發(fā)、易回收等優(yōu)點，常作為油脂提取劑[24-25]。本研究以石油醚作為鴨油提取劑，就超聲波提取鴨油的主要影響因素時間、溫度、超聲功率、料液比進(jìn)行了研究。

2.2.1 超聲時間對提取鴨油的影響

石油醚為提取劑，設(shè)超聲功率480 W，液料比為2∶1，提取溫度為40 ℃，分別提取20、30、40、50、60 min。超聲時間對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響結(jié)果見圖1。

A-出油率；B-酸價和過氧化值圖1 超聲時間對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響Fig.1 Influence of ultrasonic time on oil yield, acid value and peroxide value of duck oil

由圖1可以看到，在溫度為40 ℃、超聲功率為480 W、液料比2∶1條件下，提取時間20～50 min時，隨著時間的增加鴨油出油率不斷增加，50 min后出油率趨于平穩(wěn)。與王麗娟等[26]的實驗結(jié)果一致。所得鴨油的酸價、過氧化值均在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量范圍內(nèi)。實驗得到提取鴨油較優(yōu)時間為50 min,為下面響應(yīng)面的參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.2.2 超聲溫度對提取鴨油的影響

以石油醚為提取劑，設(shè)超聲功率480 W，料液比1∶2，在20、25、30、35、40、45 ℃分別熬制30 min得到超聲溫度對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響見圖2。

A-出油率；B-酸價和過氧化值圖2 超聲溫度對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響Fig.2 Influence of ultrasonic temperature on oil yield, acid value and peroxide value of white duck oil

由圖2可以看出，在液料比2∶1、功率為480 W、時間30 min條件下，在20～30 ℃，出油率不斷增加，30 ℃后呈下降趨勢。與胡愛軍等[27]的研究結(jié)果一致。所得鴨油過氧化值、酸價均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。實驗得到提取鴨油的較優(yōu)溫度為30 ℃，為下面響應(yīng)面的參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.2.3 液料比對提取鴨油的影響

以石油醚為提取劑，液料比分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、 6∶1，在超聲功率480 W，超聲溫度40 ℃，超聲處理30 min，得到液料比對鴨油出油率、酸價、過氧化值影響見圖3。

A-出油率；B-酸價和過氧化值圖3 超聲處理的液料比對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響Fig.3 Effect of ultrasonic liquid ratio on oil yield, acid value and peroxide value of duck oil

由圖3可以看到，在超聲功率為480 W、時間30 min、溫度為40 ℃的條件下，液料比在2∶1～5∶1時隨著液料比的增加，出油率不斷增加；在液料比為5∶1后出油率趨于平穩(wěn)。與李朝陽等[11]研究結(jié)果一致。所得鴨油的酸價、過氧化值均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。實驗得到提取鴨油的較優(yōu)液料比為5∶1，為下面響應(yīng)面的參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.2.4 超聲功率對提取鴨油的影響

以石油醚為提取劑，液料比為2∶1，溫度40 ℃，選擇超聲功率分別為120、240、360、480、600 W提取30 min，得到超聲功率對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響見圖4。

A-出油率；B-酸價和過氧化值圖4 超聲功率對鴨油出油率、酸價、過氧化值的影響Fig.4 Influence of ultrasonic power on oil yield, acid value and peroxide value of white duck oil

由圖4可以看到，在溫度為40 ℃、時間30 min、液料比2∶1條件下，超聲功率在240～360 W時，鴨油出油率呈現(xiàn)上升趨勢；當(dāng)超聲功率在360 W時鴨油出油率最高為78.03%，超過360 W后出油率呈現(xiàn)下降趨勢，與畢艷紅等[28]研究結(jié)果一致。所得鴨油的過氧化值、酸價均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。實驗得到提取鴨油的較優(yōu)提取功率為360 W，為下面響應(yīng)面的參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.3 用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取鴨油的條件

為了得到超聲波處理提取鴨油的最佳條件，根據(jù)上述單因素實驗得到的較優(yōu)提出條件，用響應(yīng)面法對超聲功率、超聲時間、超聲溫度、液料比進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，試驗因素水平編碼表見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平編碼表Table 1 Response surface test factor level coding table

通過超聲波提取單因素實驗得到的鴨油，酸價、過氧化值均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)。所以本試驗主要以出油率作為考察指標(biāo)。結(jié)果見表2。

測定了以上29組實驗所得鴨油的酸價、過氧化值，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

通過Design Expert 11對試驗結(jié)果進(jìn)行分析后得出其回歸方程如下∶Y=87.96-0.051×B+0.000 2×C-0.000 2×D-0.000 5×AB+0.000 3×AC-0.000 6×AD-0.000 2×BC+0.000 3×BD-0.000 2×CD-3.97×A2-8.97×B2-3.97×C2-3.97×D2

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 2 response surface test results

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 analysis of variance of regression equation.

式中：A表示時間；B表示溫度；C表示功率；D表示料液比。對上述響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。

2.3.1 響應(yīng)面回歸模型的建立與分析

由表3可以看出，回歸模型極顯著(模型的P<0.000 1)，失擬項P=0.531 5(>0.05)，無顯著性影響，說明殘差均由隨機誤差引起，模型規(guī)定適當(dāng)，可用回歸方程代替試驗真實點對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，其校正決定系數(shù)為0.997 3，有99.73%的試驗數(shù)據(jù)的變異性可用此回歸模型來解釋。因此，回歸方程能較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，各具體試驗因子對響應(yīng)面值的影響不是簡單的線性關(guān)系。4因素中有A、AD、A2、B2、C2、D2對試驗結(jié)果有極顯著的影響(P<0.000 1),C、D、AB、AC、BD對試驗結(jié)果有顯著的影響(P<0.05)。4因素對出油率影響的大小順序是B>D>C>A，即溫度>液料比>功率>時間。

2.3.2 兩因素交互作用分析

4個因素兩兩交互作用的三維響應(yīng)面圖，如圖5所示。

a-溫度和時間；b-料液比和時間；c-功率和時間；d-功率和溫度；e-料液比和溫度；f-料液比和功率圖5 各因素對鴨油出油率影響響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of the influence of various factors on duck oil yield

依據(jù)響應(yīng)面的等高線的形狀越接近橢圓形和曲面傾斜度越陡，響應(yīng)值對于處理條件改變的敏感程度越大，因素間交互作用越顯著，反之則交互作用不顯著。由圖5可看出，4個因素對出油率的影響都是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖5-a、圖5-b、圖5-c、圖5-e的響應(yīng)面圖坡度很陡，表明溫度和時間、液料比和時間、功率和時間、液料比和溫度的交互作用極顯著；圖5-d、圖5-f的響應(yīng)面圖坡度較平，表明功率與液料比、溫度與功率沒有顯著的交互作用。

2.3.3 最佳工藝參數(shù)的確定

使用Design Expert 11軟件處理、分析數(shù)據(jù)，鴨油提取最佳條件為時間43.61 min，溫度30.47 ℃，功率為360 W，液料比5.14∶1。此條件下預(yù)測的出油率為87.02%。考慮提取條件的可操作性，將所得條件進(jìn)行適當(dāng)修正，設(shè)定時間43 min、溫度30 ℃、超聲功率360 W、液料比5∶1。在此條件下重復(fù)實驗5次，得到出油率為(86.83±0.40)%，與理論值的相對誤差為0.22%，表明修正后的鴨油提取最佳條件與理論值差異不顯著是可行的。

對該最佳提取條件進(jìn)行擴大實驗。取500 g鴨脂肪，在時間43 min、溫度30 ℃、超聲功率360 W，石油醚為提取劑，液料比5∶1的條件下重復(fù)提取5次，得到出油率為(86.08±0.24)%，與理論值的相對誤差為0.11%，表明該最佳提取工藝參數(shù)可運用于實際工業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，超聲波處理鴨脂肪提取鴨油是比較恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ摲椒ㄗ罴烟崛l件為時間43 min、溫度30 ℃、功率360 W、液料比5∶1，出油率達(dá)到86%以上，鴨油的酸價、過氧化值均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 討論

通過實驗發(fā)現(xiàn)溫度是提取過程的最主要因素，隨著溫度的不斷升高，鴨油提取率不斷上升，這是因為隨著溫度升高溶劑溶解能力不斷提高，分子運動不斷加速，使得鴨油擴散到溶劑更快速充分，但是當(dāng)溫度超過某個值時提取率下降，這時可能因為隨著溫度的升高溶劑揮發(fā)速度不斷加快，從而影響出油率[27]。

提取時間作為提取過程的重要因素，隨著時間的延長鴨油的提取率不斷上升，一定時間后趨于平穩(wěn)。這是由于在超聲處理初期提取液中滲透壓較大，隨著時間的延長鴨油在溶劑中得到充分的擴散，因此提取率相應(yīng)上升。某段時間后溶液中滲透壓逐漸達(dá)到平衡，提取率也相應(yīng)趨于平穩(wěn)[26]。

提取功率是提取過程的重要因素，隨著提取功率增大，所產(chǎn)生的機械效應(yīng)和空化效應(yīng)越強烈，鴨脂肪的釋放和擴散速度也就越快，因此鴨油的提取率也會隨之上升。但是當(dāng)提取功率達(dá)到一定值以后，鴨油的提取率也相應(yīng)趨于平穩(wěn)甚至下降，首先這是因為鴨油內(nèi)外的滲透壓已經(jīng)趨于平衡，提高功率對鴨油的滲出作用不大。其次，隨著功率的增大，體系的溫度也會在一定的范圍內(nèi)升高，造成溶劑的揮發(fā)，同時提取功率過大會引起鴨脂肪內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，造成提取率下降[28]。

液料比是提取過程的重要因素，隨著溶劑用量的增加，鴨油的提取率上升，這是由于溶劑增加，有利于油脂的滲出，同時增加了鴨脂肪與溶劑的接觸面積。但當(dāng)料液比達(dá)到一定數(shù)值后鴨油提取率趨于穩(wěn)定，這是因為溶液體系中的滲透壓已經(jīng)趨于平衡，大部分的鴨油已經(jīng)滲出，溶劑的增加對提取率影響不大[29]。

鴨油由13種脂肪酸組成，不飽和脂肪酸含量可達(dá)70.3%[30]，因此易發(fā)生氧化。通過本研究發(fā)現(xiàn)，用超聲波提取法獲得的鴨油，酸價、過氧化值雖然未超過國家標(biāo)準(zhǔn)的限量值，但相比較于鴨脂肪還是發(fā)生了一定程度的氧化。為了提升所得鴨油的品質(zhì)，需進(jìn)一步研究、選擇合適的抗氧化劑在鴨油生產(chǎn)過程中使用，已獲得更優(yōu)品質(zhì)的鴨油。