冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠工藝優(yōu)化

朱涵彬，李 靚，郝修振，林志立

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

胡蘿卜，又名甘荀，為一年或兩年生的草本植物[1]。原產(chǎn)于亞洲西南地區(qū)，適宜在砂質(zhì)土層中生長，在世界各地均有種植，我國對于胡蘿卜的種植歷史長達(dá)千年，且種植面積大，覆蓋廣。目前，胡蘿卜籽在我國除了做種子和藥材以外大部分沒有得到充分利用。對它的研究開發(fā)主要集中在醫(yī)療和香辛料的研究領(lǐng)域，以實(shí)驗(yàn)室小試為主，對其綜合開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的研究報(bào)道甚少。

胡蘿卜籽中含有黃酮，黃酮具有消除炎癥和預(yù)防腫瘤的作用，對治療動(dòng)脈粥樣硬化和心絞痛等疾病也非常有效[2]。除此之外，胡蘿卜籽中可分離出抗氧化肽，這種物質(zhì)可對人體內(nèi)的自由基進(jìn)行清除，并可防止脂類物質(zhì)的過度氧化，同時(shí)又起到為人體內(nèi)提供額外營養(yǎng)物質(zhì)的作用[3]。胡蘿卜籽油中不飽和脂肪酸含量豐富，且具有多種生理活性成分，可作為一種新的食用油脂加以推廣[4-7]。作為一種具有良好保健功能和食用價(jià)值的油脂，胡蘿卜籽油的開發(fā)研究對于提高胡蘿卜籽的利用率、拓寬我國食用油資源，滿足市場需求，減少我國對油料的進(jìn)口都有重要意義。

本文以冷榨胡蘿卜籽油為原料，優(yōu)化其酸法脫膠工藝，可為冷榨胡蘿卜籽油脫膠工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷榨胡蘿卜籽油，購于江西金源有限公司；丙酮，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；磷酸，分析純，太倉滬試劑有限公司。

DHG-9140型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司)；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋(方科儀器有限公司)；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；TDZA-WS型離心機(jī)(上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；FA2104型分析天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 胡蘿卜籽油的酸法脫膠方法

參考孫辰茹[8]磷酸脫膠過程的操作，準(zhǔn)確稱取50 g胡蘿卜籽毛油置于250 mL錐形瓶中，置于水浴鍋中加熱，待加熱至脫膠溫度時(shí)，加入酸，并不斷攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，再加入與油溫相當(dāng)?shù)倪m量蒸餾水，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間后，靜置30 min，再用離心機(jī)3 000 r/min分離5 min，上層即為脫膠后的冷榨胡蘿卜籽油。

1.2.2 單因素試驗(yàn)方法

對冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。以酸的種類及添加量、水的添加量、脫膠時(shí)間和脫膠溫度為試驗(yàn)因素，以脫膠率為試驗(yàn)因素選取的依據(jù)，對單一因素的不同水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，計(jì)算冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠率，做3次平行試驗(yàn)，取平均值。

(1)酸的種類及添加量對脫膠率的影響。設(shè)置水的添加量為毛油的3%、反應(yīng)時(shí)間20 min、脫膠溫度60 ℃，分別考慮檸檬酸和磷酸這兩種酸的選擇以及它們的不同添加量對毛油脫膠率的影響，分別將毛油質(zhì)量0.10%、0.15%、0.20%、0.25%和0.30%的酸加入毛油中進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(2)水的添加量對脫膠率的影響。設(shè)置酸的添加量0.2%、脫膠溫度60 ℃、脫膠時(shí)間20 min，分別將毛油質(zhì)量1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0%的水加入毛油中進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(3)溫度對脫膠率的影響。設(shè)置酸和水在油中的添加量分別為0.2%和3.0%、脫膠時(shí)間20 min，分別用40、50、60、70和80 ℃的溫度進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

(4)時(shí)間對脫膠率的影響。設(shè)置酸和水在毛油中的添加量分別為0.2%和3.0%、脫膠溫度60 ℃，將脫膠過程中的反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)為10、20、30、40和50 min進(jìn)行脫膠反應(yīng)。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)方法

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取酸的添加量A、水的添加量B、脫膠時(shí)間C及脫膠溫度D這4個(gè)影響因素為試驗(yàn)因素。各個(gè)因素以不同的試驗(yàn)水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼，以脫膠率Y為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)4因素3水平試驗(yàn)，對冷榨胡蘿卜籽毛油的酸法脫膠工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

(1)冷榨胡蘿卜籽油脫膠率的測定。

(1)

式中Y——胡蘿卜籽油的脫膠率，%

m0——胡蘿卜籽毛油中磷脂的含量，g

m1——脫膠后的胡蘿卜籽油中磷脂的含量，g

(2)脫膠油中磷脂含量的測定。

磷脂含量測定按GB/T 5537—2008《糧油檢驗(yàn)磷脂含量的測定》方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 酸的種類及其添加量

由圖1可知，分別加入檸檬酸和磷酸脫膠，當(dāng)酸的添加量小于毛油質(zhì)量的0.25%時(shí)，隨著酸的不斷加入，毛油的脫膠效果均得到提高，原因可能是增大了酸的用量，從而增大了酸與非水化磷脂的接觸面積，轉(zhuǎn)化率隨之提高。當(dāng)酸在油中的占比為0.25%時(shí)，加入檸檬酸的脫膠率為64.15%，加入磷酸的脫膠率為61.08%，且均達(dá)到最大值。繼續(xù)增加酸的量，毛油的脫膠率并沒有提高，反而都下降了，原因可能是繼續(xù)增加酸破壞了凝聚的膠體。故而選擇加入毛油質(zhì)量0.25%的酸，進(jìn)行脫膠。

圖1 酸的種類及其添加量對脫膠率的影響

由圖1還可以看出，加入檸檬酸和磷酸脫膠時(shí)，兩者的脫膠率相似，但總體來說加入磷酸的脫膠率稍低于加入檸檬酸的脫膠率，另外，采用磷酸脫膠會(huì)使脫膠油的色澤受到影響，且由此得到的磷脂可能會(huì)出現(xiàn)變性，使油脂喪失部分營養(yǎng)特性[9]。因此，選擇用檸檬酸進(jìn)行脫膠。

2.1.2 水的添加量

由圖2可知，當(dāng)加入小于毛油質(zhì)量3%的水時(shí)，毛油的脫膠率隨著水在油中比例的增加而提高，說明水的加入量不足時(shí)，水與油脂不能充分接觸，此時(shí)膠粒與油脂分散開來有一定難度，隨著加水比例的不斷增大，毛油中的磷脂逐漸得到了充分的水化，所以毛油的脫膠率逐漸提高。當(dāng)水的加入量達(dá)到毛油質(zhì)量的3%時(shí)，毛油的脫膠率達(dá)到最高為66.97%，繼續(xù)增大加水量，毛油的脫膠率反而下降，圖2中加水量為毛油質(zhì)量的5%時(shí)，脫膠率降至42.51%。原因可能是水的加入量過大，游離的水會(huì)造成油脂的乳化，使得毛油的脫膠率降低[10]。因此，選擇加入毛油質(zhì)量3%的水，進(jìn)行脫膠。

圖2 水的添加量對脫膠率的影響

2.1.3 脫膠溫度

從圖3中可以看出，不同溫度對毛油脫膠率的影響差異不明顯，這與JIANG Xiaofei等[11]對菜籽毛油脫膠工藝的研究結(jié)果相似。當(dāng)脫膠溫度為60 ℃時(shí)，毛油的脫膠率高于其他溫度下的脫膠率，此時(shí)的脫膠率最高為61.97%。在試驗(yàn)過程中，脫膠溫度較低時(shí)檸檬酸不容易在油脂中溶解，增加了其與磷脂的反應(yīng)難度，而膠粒形成的過程是可逆的，如果脫膠溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)形成的膠體再次分散，從而導(dǎo)致脫膠率降低。雖然在試驗(yàn)中脫膠溫度的影響不大，但經(jīng)綜合考慮，最終選擇60 ℃為反應(yīng)溫度。

圖3 溫度對脫膠率的影響

2.1.4 脫膠時(shí)間

從圖4中可以看出，當(dāng)脫膠時(shí)間為10 min時(shí)，毛油的脫膠率為42.25%，脫膠效果不明顯。脫膠時(shí)間在10～30 min時(shí)，隨著脫膠時(shí)間的不斷增加，脫膠率呈上升趨勢，當(dāng)脫膠時(shí)間為30 min時(shí)，毛油的脫膠率最高，達(dá)到67.22%，這與沈淇元等[12]對牡丹籽油的精煉研究中的結(jié)果相似。說明磷脂需要一段時(shí)間才能達(dá)到水化的目的，凝聚為膠體，這時(shí)磷脂與檸檬酸的結(jié)合會(huì)達(dá)到一個(gè)較好的臨界狀態(tài)[13]。當(dāng)脫膠時(shí)間>30 min時(shí)，由于油脂與酸和水的作用時(shí)間過長，打破了反應(yīng)的最佳狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)逆反應(yīng)，使已經(jīng)凝聚成膠體的磷脂重新分散開來，毛油脫膠率也會(huì)因此降低[14]。所以，選擇30 min作為脫膠時(shí)間最好。

圖4 時(shí)間對脫膠率的影響

2.2 脫膠工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行回歸方程分析，響應(yīng)面因素水平如表1所示，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示，其方差分析結(jié)果如表3所示。

表1 響應(yīng)面因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸方程方差分析結(jié)果

使用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)進(jìn)行分析，得出以冷榨胡蘿卜籽油脫膠率(Y)為響應(yīng)值的回歸方程，如式(2)所示。

脫膠率(Y)=70.61+1.47A+2.38B-0.50C-0.58D-0.33AB-1.51AC-0.30AD-0.75BC+0.53BD-0.28CD-3.69A2-9.05B2-3.94C2-3.24D2

式(2)

由表3還可以得出，一次項(xiàng)B，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2，P值<0.000 1，極顯著；一次項(xiàng)A，P值<0.01，高度顯著。通過響應(yīng)面分析得出4個(gè)試驗(yàn)因素對冷榨胡蘿卜籽毛油脫膠效果的影響大小順序?yàn)锽>A>D>C。

2.2.2 響應(yīng)面各因素交互作用分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件，得到酸的添加量(A)、水的添加量(B)、脫膠時(shí)間(C)及脫膠溫度(D)這4個(gè)試驗(yàn)因素之間兩兩相互作用，對冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠率的影響情況，如圖5～10所示。

由圖5～10可以得出，當(dāng)其他因素取零水平時(shí)，冷榨胡蘿卜籽油的脫膠率隨著各因素的變化均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致。各因素間兩兩相互作用對毛油脫膠率有一定的影響，結(jié)合表3中P值的結(jié)果和響應(yīng)面圖中坡面陡峭程度得出各因素間兩兩相互作用對毛油脫膠率的影響順序?yàn)锳C>BC>BD>AB>AD>CD，即水的添加量與脫膠時(shí)間的交互作用較明顯，對毛油脫膠率的影響較大，而脫膠溫度與脫膠時(shí)間的交互作用，圖10中顯示的坡度最平緩，所以對冷榨胡蘿卜籽油的脫膠率影響最小。

圖5 水和酸添加量的交互作用對脫膠率的影響

圖6 酸的添加量和時(shí)間的交互作用對脫膠率的影響

圖7 酸的添加量和溫度的交互作用對脫膠率的影響

圖8 水的添加量和時(shí)間的交互作用對脫膠率的影響

圖9 水的添加量和溫度的交互作用對脫膠率的影響

圖10 溫度和時(shí)間的交互作用對脫膠率的影響

2.2.3 最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析得出最佳的脫膠工藝條件：檸檬酸的添加量為毛油質(zhì)量的0.25%，水的加入量為毛油質(zhì)量的3%，脫膠溫度為59 ℃，脫膠時(shí)間為29 min，此時(shí)毛油的脫膠率預(yù)測值為70.98%。在此條件下，對預(yù)測值進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過3次平行試驗(yàn)，證明應(yīng)用上述最佳脫膠工藝條件，實(shí)際冷榨胡蘿卜籽油酸法脫膠率平均達(dá)到70.20%，與軟件模型預(yù)測值相近，表明此工藝較為可靠，有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

采用酸法脫膠工藝對冷榨胡蘿卜籽毛油進(jìn)行脫膠試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)，選取檸檬酸作為脫膠用酸，經(jīng)單因素和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出，影響酸法脫膠率的順序?yàn)樗奶砑恿?酸的添加量>脫膠溫度>脫膠時(shí)間。當(dāng)檸檬酸的添加量為毛油質(zhì)量的0.25%、水的添加量為毛油質(zhì)量的3%、脫膠溫度為59 ℃、脫膠時(shí)間為29 min時(shí)，毛油的脫膠率最高，此時(shí)冷榨胡蘿卜籽毛油的脫膠率為70.20%。

胡蘿卜籽油中主要是不飽和脂肪酸，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，可作為一種新的食用油脂，具有廣闊的發(fā)展前景，必將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。