响应面法优化生产高不饱和脂肪酸大豆油脂*

于 鹏，常云鹤，宋云花，刘 鑫，王 ，于殿宇**

（1.东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省粮食职业学院，哈尔滨 150080）

脂肪酸作为重要的工业原料和油脂化工的基础原料，按其结构的不同可分为两大类：一类是饱和脂肪酸，另一类是不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸主要应用于乳液聚合和作为橡胶添加剂，在塑料工业中作稳定剂、增塑剂和润滑剂[1]。由于不饱和脂肪酸中的亚油酸、α-亚麻酸、花生四烯酸等具有降低血液中的胆固醇水平、提高机体免疫力的生理功能，所以多用于营养强化剂及食品添加剂、食用油产品系列、功能保健食品中[2]。鉴于天然脂肪酸中的两类脂肪酸，尤其是不饱和脂肪酸有着很高的生理活性和利用价值，因此有必要对其进行分离、富集。

不饱和脂肪酸在脂肪中主要以甘油酯的形式存在。获取脂肪酸的途径有甘油三酯直接分离，转换成低碳数的酯后分离和脂肪酸分离3种方式。不饱和脂肪酸分离制备多建立在适合于脂肪酸这一大类的通用分离方法之上。不饱和脂肪酸是油脂中众多复杂成分中的一组特殊成分，具有较强的热敏性，在分离、纯化过程中，容易受到光照、加热、氧化等条件的影响而发生氧化、异构化、聚合、降解而降低产品得率[3,4]。目前，对从油脂中得到的混合脂肪酸进行分离的方法有：冷冻压榨分离法、有机溶剂分离法、表面活性剂分离法、精馏分离法、尿素配合分离法等[4]。但这几种方法在分离过程中存在着饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸分离不完全、不饱和脂肪酸损失大、不稳定、分离困难、纯度低等问题。针对这些问题，我们自制了一种结晶器并总结了上述方法的优点，采用响应面分析法，建立了生产高不饱和脂肪酸大豆油脂的二次多项数学模型，优化出最优的生产高不饱和脂肪酸的条件，对大豆油中的不饱和脂肪酸进行了很好的分离与富集。

1 结晶罐的结构及其工艺流程

1.1 结晶罐结构

如图1为结晶罐结构，该结晶罐的主要特点是可以根据油脂中高不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例调节滤网高度，实现富含高不饱和脂肪酸油脂的工业化生产。

图1 结晶罐结构

1.2 操作流程

大豆一级油由注油口进入罐体，根据大豆油中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值调节分层盘中滤网高度，电机带动搅拌轴及多对搅拌叶片将一级大豆油搅拌均匀，利用鼠笼式冷却设备调节温度，以一定的速度降温至一定温度，静置数小时后，快开门打开下部罐体取出分层盘，分离滤网和分层盘收集高不饱和脂肪酸大豆油脂。

1.3 测定方法

碘值的测定：韦氏溶液法[5]。

气相色谱分析法：采用CP-Sil-88强极性毛细管气相色谱柱（100m×0.25n m×0.2μm），FID检测器，色谱条件：载气为N2，燃烧气H2和空气；进样口温度260℃，柱温60℃保留4min，以13℃/min的速度升温至175℃保留24min，以4℃/min的速度升温至230℃保留10min，后运行260℃,3min；检测温度300℃，柱流速2m L/min；H2流速40m L/min，空气流速400m L/min，进样量2μL，分流比11003d120。

14种脂肪酸混合标样由sigma公司提供，其主要成分：辛酸（C81003d10），癸酸（C101003d10），月桂酸（C121003d10），豆蔻酸（C141003d10），棕榈酸（C161003d10），棕榈油酸（C161003d11），硬脂酸（C181003d10），油酸（C181003d11），亚油酸（C181003d12），花生酸（C201003d10），亚麻酸（C181003d13），二十二烷酸（C221003d10），芥酸（C221003d11），木腊酸（C241003d10）。

1.4 数据处理

采用试验设计软件DesignExpert 7.1.4进行数据分析[6]。

2 结果与分析

2.1 响应面实验

高不饱和脂肪酸油脂因素水平和试验方案根据Bo x-Behnken中心组合试验设计原理，综合单因素试验所得结果，以降温速度、结晶时间、结晶温度3个因素为自变量，分别以x1、x2、x3表示，按方程Xi=（xi-x0）/Δx对自变量进行编码（Xi为自变量的编码值，xi为自变量的真实值，x0为试验中心点处自变量的真实值，Δx为自变量的变化步长），并以自变量的编码值+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平。生产高不饱和脂肪酸的含量Y为响应值，试验因素水平编码见表1，正交组合实验结果见表2。

表1 因素水平编码

经过分析后得出，生产高不饱和脂肪酸的回归方程为：

回归方程的方差分析见表3。

表3中Pr=0.0002<0.05，表明回归方程差异显著，回归方程拟合较好。

2.2 响应面分析与优化

由图2、图3可知，高不饱和脂肪酸的含量随降温速度和结晶时间的增加，呈现先明显增大、后缓慢下降的趋势；随着回调温度的增加出油率呈现先增大后减小的趋势。等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[7]。

表2 三因素二次旋转正交组合实验结果

由图2、图3、图4等高线可以直观地看出，X2X3、X1X3、X1X2之间的交互作用显著，等高线呈椭圆形。

由综合试验可知，降温速度达到5℃/h时含量较高，而后随着降温速度的提高，产品的含量始终下降。急剧降温容易形成无法分离的玻璃质体，因此缓慢降温才能获得稳定的晶型[6]。大豆油最稳定结晶型态是β型[7]，当α→β′→β的相转移完成后，β型晶体也就形成了，且易于分离。因此最适宜的降温速度为5℃/h。分离温度低时，不饱和脂肪酸得率较高，分离温度太低，液体不饱和脂肪酸的黏度增大，分离困难，因此温度控制是关键[8]。

由图4可知，在-15～0℃范围内，随着温度的降低，含量呈升高趋势。当温度降到-20℃时，含量急剧降低，因为温度过低，不饱和脂肪酸的黏度变大，造成两相油脂难以分离。

表3 回归方程的方差分析

2.3 搅拌速度对分离效果的影响

晶核的生长速率与油脂的黏度成反比，黏度越大，传质就越困难，晶体生长也就越缓慢。同时黏度过大使热量的传递受阻，造成降温时间的延长。因此，结晶过程中应进行适度搅拌。如若搅拌力度小，将产生局部晶核；而搅拌过于剧烈，会使结晶撕碎，致使分离困难[9,10]。因此，转速应控制在20r p m。

2.4 富含高不饱和脂肪酸大豆油脂气相色谱图

对制得的成品按1.3所述进行气相色谱分析，所得结果如图5。

由图5可知，富集后大豆油脂高不饱和脂肪酸有明显升高，高不饱和脂肪酸中豆蔻酸含量为0.445%，棕榈酸含量为10.432%，硬脂酸含量为3.158%，油酸含量为21.226%，亚油酸含量为55.108%，亚麻酸含量为9.631%，不饱和脂肪酸的峰面积达到86.41%，比实验大豆油（高不饱和脂肪酸含量80.9%，取样于九三粮油集团）高出5.51%，且其中各主要成分组成并没有变化，由此得出生产高不饱和脂肪酸大豆油脂的最优条件。

图5 富集后高不饱和脂肪酸大豆油气相色谱图

3 结论

利用模型的响应面及等高线，对影响富集高不饱和脂肪酸出油率的关键因素及其相互作用进行探讨，得到的优化工艺参数以大豆一级油为原料，利用生产高不饱和脂肪酸的结晶器结合温度回调、梯度降温、等温静止等方法对大豆油中的高不饱和脂肪酸进行富集分离。实验证明：该设备使用方便，效果明显，富集率高；最佳参数为：降温速度5℃/h，结晶温度-15℃，结晶时间24h，搅拌速度20r p m，回调温度-5℃。整个过程未添加任何化学试剂，没有反式脂肪酸生成，产品碘值达到148.2g I2/100g，最终得到高不饱和脂肪酸含量86.41%的大豆油脂。

［1］王淑云,陈仲祥.饱和-不饱和脂肪酸π络合分离技术研究[J].河北化工,2008,31(5):16-17.

［2］程朝晖,金波,华文俊.不饱和脂肪酸的分离及应用进展[J].食品工业科技,2004,25(5):143-144.

［3］徐文晖,王俊儒,梁宗锁.不饱和脂肪酸分离技术研究概况[J].食品研究与开发,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,渡边浩幸,西出勤,等.通用的食用油组成[P].中国专利,97120619.8.1998-05-13.

［6］张峰,仇农学.响应面法优化超声波辅助提取辣椒籽油及脂肪酸组成分析[J].中国油脂,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］袁晓艳,邵华岳.亚麻油中分离不饱和脂肪酸方法的研究[J].辽宁科技学院学报,2005,7(4):12-13.

［9］冯绪胜,刘洪国,郝京诚等编著.胶体化学[M].北京:化学工业出版社,2005:204-208.

［10］董明,王玉章,王子军.脱蜡油黏度对蜡结晶的影响[J].石油学报(石油加工),2010,26(1):21-26.