响应面法优化文冠果油脱色工艺的研究

吴丛梅,赵先花,杨 爽,高 冷

(长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春130012)

响应面法优化文冠果油脱色工艺的研究

吴丛梅,赵先花,杨 爽,高 冷

(长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春130012)

探讨了文冠果油用复合脱色剂(活性白土/活性炭)脱色的工艺条件。在单因素实验的基础上,以脱色温度、脱色时间、脱色剂用量和搅拌速率为自变量,脱色率为响应值,采用Box-Behnken实验设计方法,考察各变量及其交互作用对脱色率的影响,利用Design Expert软件模拟得到回归方程的预测模型。确定文冠果油的最佳脱色条件为:脱色温度50℃、脱色时间31 min、脱色剂用量4%、搅拌速率19 r·min-1,在此条件下,脱色率为90.38%。

文冠果油;脱色;响应面法

文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bunge)是无患子科文冠果属,属落叶乔木或大灌木。该植物是我国北方地区有很大发展前景的木本油料作物和水土保持树种,亦是优良的园林绿化的观赏树种[1-3]。油脂中色素的存在会妨碍油脂的深加工,并影响油品的稳定[4]。因此色泽是油脂重要的质量指标之一,也是油脂分级作价和消费者选购时的可靠外观依据[5]。作者选用复合脱色剂(活性白土/活性炭)对文冠果油进行脱色处理,确定了合理的文冠果油脱色工艺,以期为新的木本粮油资源——文冠果的进一步开发与利用提供借鉴。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

文冠果毛油(超临界CO2萃取,经脱胶、脱酸处理);活性炭、活性白土,天津福晨化学试剂厂。

UV-25型紫外可见分光光度计,美国Perkin Elmer仪器公司;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器,上海豫康科教仪器设备有限公司。

1.2 方法

1.2.1 脱色剂的活化

将脱色剂置于坩埚中,于130℃恒温干燥箱中活化2.5 h,活化后的脱色剂存于干燥器中待用[6]。

1.2.2 脱色工艺

将一定量的文冠果毛油加入烧杯中,加热到一定温度,然后再加入一定量活化的脱色剂,在一定的脱色温度下以一定的速率搅拌一定时间,脱色结束后,在4000 r·min-1下离心15 min,上层即为脱色文冠果油。

以不同脱色温度、脱色时间、脱色剂用量和搅拌速率为考察因素,以脱色率为考核指标,进行单因素实验确定显著水平,在此基础上,采用Design Expert统计分析软件的响应面分析法设计实验,以获取最佳工艺参数。

1.2.3 文冠果油脱色率的测定

用石油醚将文冠果油稀释到一定比例,以石油醚为参比,采用分光光度法在最大吸收波长处测定吸光度。文冠果油脱色率[7]按下式计算:

式中:A0、A分别为文冠果油脱色前、后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 最大吸收波长的确定

用石油醚将文冠果毛油稀释成体积分数为4.00%的溶液,以石油醚作参比,在紫外可见分光光度计上用1 cm石英比色皿在300～800 nm范围内扫描,结果见图1。

由图1可见,通过Origin7.5软件标出最高峰对应的波长为441 nm,即为文冠果油最大吸光度所对应的波长。因此,确定文冠果油的最大吸收波长为441 nm。

图1 文冠果油紫外全波长扫描Fig.1 The UV wavelength scanning of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

2.1.2 脱色温度对文冠果油脱色率的影响

分别以活性白土和活性炭作为脱色剂,其用量为4%,考察脱色温度对文冠果油脱色率的影响,结果如图2所示。

图2 脱色温度对文冠果油脱色率的影响Fig.2 The effect of decolorizing temperature on the decolorizing rate of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

由图2可知,当脱色温度为40～50℃时,活性白土达到最佳脱色效果;温度为60～70℃时,活性炭达到最佳脱色效果。但由于吸附脱色属于放热反应,温度过高会引起油脂氧化,同时会造成吸附的色素解吸。

2.1.3 脱色时间对文冠果油脱色率的影响

分别以活性白土和活性炭作为脱色剂,其用量为4%,考察脱色时间对文冠果油脱色率的影响,结果如图3所示。

脱色时间对脱色效果影响显著。脱色时间足够,则吸附达到饱和;但脱色时间过长,脱色率提高有限,甚至有所下降。由图3可知,吸附脱色前30 min,脱色率上升较快;30 min后,脱色率变化缓慢甚至下降,表明在吸附时间为30 min时,吸附体系基本到达吸附平衡状态。

图3 脱色时间对文冠果油脱色率的影响Fig.3 The effect of decolorizing time on decolorizing rate of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

2.1.4 脱色剂用量对文冠果油脱色率的影响

在50℃搅拌脱色30 min,考察脱色剂用量对文冠果油脱色率的影响,结果如图4所示。

图4 脱色剂用量对文冠果油脱色率的影响Fig.4 The effect of decolorizing gent dosage on decolorizing rate of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

在文冠果油脱色过程中,如果脱色剂用量太少,不能达到脱色的理想要求;如果脱色剂用量过多,一方面造成脱色剂的浪费,另一方面增加了油的损耗,因此确定合适的脱色剂用量是油脂脱色工艺的要点之一。由图4可知,脱色剂用量超过4%以后,脱色率反而有所下降。

2.1.5 复合脱色剂配比对文冠果油脱色率的影响

活性白土吸附能力较强,但脱色后的油脂带有白土味,食用前必须脱臭;活性炭对去除油中红色素非常有效,脱色后油脂不带异味,但由于其多孔性会加速酚类物质的氧化反应[8],导致油脂色泽加深、过滤速度减慢,另外其价格昂贵,吸油率也较高,损失较大。为了脱除各种色素,同时减轻后续工艺的负担,选择将活性白土与活性炭复合使用。

确定复合脱色剂的用量为4%,在50℃下搅拌脱色30 min,考察复合脱色剂配比(活性白土与活性炭的质量比,下同)对文冠果油脱色率的影响,结果如图5所示。

图5 复合脱色剂配比对文冠果油脱色率的影响Fig.5 The effect of composite decolorizing agent ratio on the decolorizing rate of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

由图5可知,复合脱色剂配比在(7～11)∶1范围内,脱色效果较好。选择最佳复合脱色剂配比为9∶1。

2.1.6 搅拌速率对文冠果油脱色率的影响确定复合脱色剂用量为4%,50℃下脱色25 min,考察搅拌速率对文冠果油脱色率的影响,结果如图6所示。

图6 搅拌速率对文冠果油脱色率的影响Fig.6 The effect of stirring speed on the decolorizing rate of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil

适当的搅拌有利于文冠果油的脱色,主要是因为良好的搅拌能使油脂与吸附剂接触均匀,有利于建立吸附平衡,避免局部长时间接触而引起的油脂劣变;但搅拌速率过快时引入空气而使油脂氧化,色泽加深,脱色率反而下降。由图6可知,搅拌速率为15 r·min-1时脱色率最高。

2.2 响应面法优化实验结果及分析

在单因素实验基础上采用响应面法进一步优化以活性白土/活性炭为脱色剂时文冠果油的脱色条件。依据Design Expert软件(Static Made Easy,Minneapolis,MN,USA.version),采用Central Composite Design建立数学模型[9],以脱色温度(A)、脱色时间(B)、脱色剂用量(C)、搅拌速率(D)为自变量,以1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平。响应面法设计的因素与水平见表1,实验结果见表2,回归模型方差分析见表3。

表1 响应面法设计的因素和水平Tab.1 Levels and factors of response surface design

表2 响应面法实验设计及结果Tab.2 Design and results of response surface experiment

利用Design Expert软件对表2的数据进行回归分析,拟合后得到A、B、C、D的二次多项回归模型为:

脱色率=-10.60467+1.21242×A+2.81097×B +9.27350×C+1.24990×D-1.20000E-003×AB-4.25000E-003×AC-6.50000E-004×AD-0.022500× BC-3.00000E-003×BD+0.020500×CD-0.011453× A2-0.043463×B2-1.08658×C2-0.039913×D2

表3 回归模型方差分析Tab.3 Variance analysis of regression model

由表3可知,上述模型的二次项A2、B2、C2、D2极为显著。模型的F值为116.51,整体模型的显著水平P＜ 0.0001,表明该模型显著。模型的R2为0.9511,R2(Adj)为0.9830,说明回归方程的拟合程度良好,失拟较小,可以用该方程代替真实实验点进行分析。按照得到的数学模型绘制响应面图,见图7。

图7 各因素交互作用对文冠果油脱色率影响的响应面图Fig.7 The response surface chart of the effect of interaction on decolorizing rate of Xanthocerassorbifolia Bunge seeds oil

利用响应面软件对边界值和求得的极值进行分析,得到文冠果油最佳脱色条件为:A=49.82℃,B= 30.88 min,C=3.85%,D=18.63 r·min-1。考虑到实际操作的便利,将最佳脱色条件修正为:A=50℃,B=31 min,C=4%,D=19 r·min-1,按此条件进行验证实验,重复3次,脱色率为90.38%,高于响应面实验最优值。

3 结论

在单因素实验的基础上,根据中心组合设计原理,采用4因素3水平的响应面分析,确定脱色剂为活性白土/活性炭时,文冠果油最佳脱色条件为:脱色温度50℃、脱色时间31 min、脱色剂用量4%、搅拌速率19 r·min-1,在此条件下的脱色率为90.38%。

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Study on Decolorization Technology for Xanthoceras Sorbifolia Bunge Seeds Oil by Response Surface Methodology

WU Cong-mei,ZHAO Xian-hua,YANG Shuang,GAO Leng
(School of Chemistry and Life Science,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

Activated clay and activated carbon were applied to decolorization of Xanthocerassorbifolia Bunge seeds oil.The conditions such as decolorizing temperature,decolorizing time,decoloring agent dosage and stirring speed had been investigated.On the basis of single factor experiment,the method of response surface analysis(RSA)with four factors and three levels was adopted and the factors influencing the decolorization effect were determined by means of regression analysis.The results showed that the optimum decolorizing conditions of Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil by activated clay-activated carbon were as follows:decolorizing temperature of 50℃,decolorizing time of 31 min,decolorizing agent dosage of 4%and stirring speed of 19 r· min-1.Under above conditions,the decolorizing rate reached 90.38%.

Xanthoceras sorbifolia Bunge seeds oil;decolorization;response surface methodology

TQ 642

A

1672-5425(2013)01-0079-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.01.21

2012-10-12

吴丛梅(1971-),女,吉林长春人,博士,教授,研究方向:细胞生物学;通讯作者:高冷,副教授,E-mail:497842791@qq. com。