响应面法优化棕榈油基焙烤专用脱模剂制备工艺及其脱模特性

,,,,,,, ,*

(1.西华大学食品与生物工程学院粮油与食品安全省级重点实验室,四川成都 610039; 2.大马棕榈液油技术研发(上海)有限公司/MPOB,上海 201108; 3.漯河职业技术学院,河南漯河 462002)



响应面法优化棕榈油基焙烤专用脱模剂制备工艺及其脱模特性

王冉冉1,蒋子敬1,谢凌宇1,车振明1,邢亚阁1,牛跃庭2,韩文凤3,罗静1,*

(1.西华大学食品与生物工程学院粮油与食品安全省级重点实验室,四川成都 610039; 2.大马棕榈液油技术研发(上海)有限公司/MPOB,上海 201108; 3.漯河职业技术学院,河南漯河 462002)

选用棕榈液油(Palm olein)作基料,巴西棕榈蜡(Carnauba Wax)做辅料,添加各种乳化剂,制备棕榈油基焙烤专用脱模剂。通过单因素实验和Central Composite Design(CCD)响应面实验,建立棕榈油基焙烤专用脱模剂乳化分层指数和黏度的多元回归模型,确定棕榈油基焙烤专用脱模剂最佳配方及乳化工艺为:棕榈蜡添加量5.03%、大豆卵磷脂添加量2.0%、聚甘油蓖麻醇酯(PGPR)-单甘酯复配比例2∶3、PGPR-单甘酯复配添加量1.0%、复合稳定剂(黄原胶-瓜尔豆胶-卡拉胶)复配比例1∶2.5∶1、复合稳定剂添加量0.30%、乳化温度90 ℃、超声时间19.75 min和超声功率110 W。所得脱模剂的乳化分层指数为2.15%,黏度为419.6 mPa·s,蛋糕粘连率为0.367%。脱模特性研究中,蛋糕粘连率随着脱模剂量的增加而不断减小,脱模效果显著。

脱模剂,棕榈液油,巴西棕榈蜡,乳化剂,乳化分层指数,黏度,响应面分析

表1 CCD实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of the variables tested in the CCD

焙烤专用脱模剂是一种将焙烤产品与模具隔离,并实现食品在烘焙后易与模具脱离效果的加工助剂,主要是基于油脂添加水以及一些乳化剂等制成的乳状液,分为水包油型(O/W)、油包水型(W/O)以及纯油型[1]。随着焙烤行业的快速发展,到2020年,焙烤专用脱模剂的用量会上升至30万吨左右[2]。目前,国内外关于脱模剂的研究主要集中于混凝土、塑料、金属及各种合金类脱模等方面[3-12],对焙烤专用脱模剂的研究和开发还处于起步阶段。我国市场上出现的烤盘用油脂大部分残留炭污垢,污染操作环境,分层率较高,脱模效果不及国外烤盘油等[13]。然而适宜喷涂的脱模剂多为O/W型,其中含2/3体积的水,为运输和储藏带来不便。孙定红[14]探讨了焙烤W/O型脱模油的稳定性;仅汪鸿[15]研发出乳化稳定性和脱模特性良好的O/W型和W/O型脱模剂。

随着人们对生活品质要求越来越高,焙烤脱模剂的健康、安全性必须得到保证。棕榈液油价格低廉,具有的强抗氧化性表现出极强的耐高温性能,能有效抑制油脂中的酸价、过氧化值等理化指标的升高,延长油脂的烘焙寿命及烘焙食品的货架期[2]。巴西棕榈蜡具有良好的乳化性、附着性、离型性及对黏度的调整性,含有的大量硬脂酸使其具有强抗氧化性及耐煎炸性[16],可弥补棕榈液油黏度低、难挂壁等缺陷,大幅度地提升脱模效果。

本研究采用基料棕榈液油、辅料棕榈蜡,添加各种乳化剂制备棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂,通过单因素实验和CCD响应面实验对影响脱模剂配方及乳化工艺的各因素进行优化,并研究其脱模特性,弥补国内外关于焙烤专用纯油型脱模剂研究的空白,满足市场对焙烤专用纯油型脱模剂的需求,以扩大棕榈液油在食品行业的应用范围。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

棕榈液油 天津龙威粮油工业有限公司;巴西棕榈蜡 上海易巴化工原料有限公司;大豆卵磷脂和聚甘油蓖麻醇酯(PGPR) 河南巧手食品添加剂公司;单甘酯、黄原胶、瓜尔豆胶和卡拉胶 郑州天顺食品添加剂有限公司;鸡蛋、面粉、泡打粉、蛋糕油、白砂糖等 购于当地超市。

NDJ-5S旋转粘度计 上海精析仪器制造有限公司;YQ-320DY型超声仪 上海易净超声波仪器有限公司;TDZ5-WS离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;600型三用电热恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司;DL-K33B多功能烤箱 广东东菱电器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 脱模剂的制备 将棕榈液油、巴西棕榈蜡(按棕榈液油重量加入)放于烧杯中,在90 ℃的水浴锅中加热直至巴西棕榈蜡完全溶解,然后再加入亲油性乳化剂(大豆卵磷脂、PGPR和单甘酯,按棕榈液油重量加入)、复合稳定剂(黄原胶、瓜尔豆胶和卡拉胶,按棕榈液油重量加入),充分搅拌混匀,直至溶液透明无杂质。在90 ℃条件下,放入110 W超声仪中超声20 min,然后迅速在冰浴中冷却至室温[17]。

1.2.2 单因素实验 控制乳化体系的条件为:大豆卵磷脂添加量2.0%、PGPR-单甘酯复配比例2∶3、PGPR-单甘酯复配添加量1.0%、复合稳定剂复配比例1∶2.5∶1、乳化温度90 ℃和超声功率110 W,研究棕榈蜡添加量(3%、4%、5%、6%和7%)、复合稳定剂添加量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%)和超声时间(5、10、15、20和25 min)对乳化分层指数及黏度的影响。

1.2.3 CCD实验设计 在单因素实验的基础上,应用Design-Expert 7.0.0软件,采用CCD的中心组合实验设计3因素3水平的CCD实验[18-19],以乳化分层指数和黏度为评价指标,确定棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂配方及乳化工艺最优条件,实验因素及水平编码如表1所示。

1.2.4 模型的验证实验 由模型得到的最佳条件和初始条件分别制备脱模剂,将乳化分层指数和黏度作为响应值,测定三次,取平均值,以验证响应面优化模型的有效性和精确性。

1.2.5 脱模剂添加量的确定 在以上实验结果的基础上,研究不同脱模剂添加量(0.15、0.25、0.35、0.45和0.55 g)对蛋糕粘连率的影响

1.2.6 黏度的测定 取200 mL样品于烧杯(底径为60 mm)中,在30 ℃水浴中稳定30 min,使用NDJ-5S旋转黏度计,2号转子,60 r/min测定其黏度(mPa·s),测定三次,取平均值[15]。

1.2.7 乳化分层指数的测定 取30 g脱模剂于50 mL的具塞磨口离心管中,在70 ℃水浴中稳定1 h,在3500 r/min条件下离心10 min。测定三次,取平均值。乳化分层指数计算公式[20]为:

乳化分层指数(%)=离心管中下层清液高度/离心管中液体总高度×100

1.2.8 蛋糕的制作及蛋糕粘连率测定

1.2.8.1 蛋糕的制作 取5个鸡蛋打碎放于打蛋机容器内，加入170 g白砂糖后，于温水浴中将蛋液与白砂糖搅拌融化，然后在打蛋机中快速打发10 min。将50 g水与45 g花生油充分搅拌混合备用，将200 g面粉和4 g泡打粉筛入鸡蛋糊中，用刮刀慢慢搅拌均匀后，倒入水和花生油混合物并充分搅拌。然后将蛋糕液倒入模具中，放于210 ℃烤箱中烘焙20 min即可。

1.2.8.2 蛋糕粘连率测定 参照马传国等[13]研究，将直径为1～2 mm油菜籽放入清洁的焙烤模具中，将其填满，然后量取菜籽总体积；烘焙后将产品取出，再将菜籽放置于焙烤模具中，将其填满，剩余的菜籽体积即为残留的产品体积。粘连率计算公式为：

粘连率(%)=残留产品体积/装满模具的菜籽体积×100

1.3数据处理

采用Origin 8.6作图;采用SPSS 19软件对数据进行整理统计分析,各项指标结果以“平均数(n=3)±标准偏差”表示。

2 结果与分析

2.1不同棕榈蜡添加量对脱模剂体系稳定性的影响

为获得较高乳化稳定性及优良脱模特性的脱模剂,需要尽可能减少乳化分层指数和增大黏度。以乳化分层指数和黏度为指标,研究适宜的棕榈蜡添加量,结果见图1。

图1 不同棕榈蜡添加量对脱模剂体系稳定性的影响Fig.1 Effects of different adding concentration of palm wax on system of release agent

由图1可知,随着棕榈蜡添加量的不断增加,乳化分层指数呈现出先减少后增加的趋势,棕榈蜡添加量为5%时,乳化分层指数最小;而黏度不断增加,当增加到5%时,黏度增加的幅度较为缓慢。当棕榈蜡添加量为5%时,脱模剂具有最小乳化分层指数,黏度较大,分别为2.01%和415.13 mPa·s,体系的稳定性较好,说明巴西棕榈蜡具有良好的乳化性、离型性及对黏度的调整性[16]。因此,综合实际生产,确定棕榈蜡添加量为5%。

2.2不同复合稳定剂添加量对脱模剂体系稳定性的影响

由图2可知,随着复合稳定剂添加量的增加,脱模剂的乳化分层指数不断减小,黏度不断增加。当复合稳定剂添加量在0.2%～0.3%内时,乳化分层指数减小幅度较大,黏度上升趋势也较大;当大于0.3%时,乳化分层指数减小和黏度增大的趋势均较为缓慢;且当复合稳定剂的添加量为0.3%时,乳化分层指数和黏度分别为2.44%和418.67 mPa·s。与Kim J[21]等人研究结果一致,随着复合稳定剂添加量的增加,脱模剂乳化体系稳定性不断增加。稳定剂可以减小液滴直径并降低絮凝作用,形成三维网络结构,使乳化液保持稳定[22]。因此,结合实际生产,确定复合稳定剂添加量为0.3%。

图2 不同复合稳定剂添加量对脱模剂体系稳定性的影响Fig.2 Effects of different dose of composite stabilizer on system of release agent

2.3不同超声时间对脱模剂体系稳定性的影响

由图3可知,随着超声时间的不断增加,乳化分层指数不断减小,黏度不断增加。当超声时间小于20 min时,脱模剂乳化分层指数和黏度减小和增大的幅度较为明显;在超声时间大于20 min时,乳化分层指数和黏度减小和增大的幅度缓慢。超声时间为20 min时,乳化分层指数和黏度值分别为2.39%和418.77 mPa·s。这与檀付瑞[17]等人的研究一致,超声作用可提高分子的分散度,增加溶液的黏度以及稳定性。因此,结合实际生产,确定超声时间为20 min。

图3 不同超声时间对脱模剂体系稳定性的影响Fig.3 Effects of different ultrasonic time on system of release agent

2.4 CCD实验设计

在单因素实验基础上,采用CCD实验设计,以棕榈蜡添加量(A)5%、复合稳定剂添加量(B)0.3%和超声时间(C)20 min为中心点,以乳化分层指数和黏度为响应值,进行响应面优化分析实验。实验设计及结果见表2。

对20组实验的响应值进行二次回归分析,回归方差分析见表2。三个因素经过回归拟合分别得到乳化分层指数(Y1)及黏度(Y2)为目标函数的二次回归方程:

Y1=2.42-5.24A-0.71B-1.50C+1.02AB+0.69AC+0.33BC+3.34A2+2.65B2+0.74C2

表2 CCD实验设计及结果Table 2 Experimental design and results of the CCD

Y2=418.95+8.18A+9.88B+10.68C+1.41AB+2.61AC+8.21BC-13.30A2-14.24B2-11.21C2

由回归模型方差分析可知,回归模型p值均小于等于0.0001,达到了极显著水平,说明该模型极显著,方程能够正确反映乳化分层指数及黏度与各因素之间的关系。模型的失拟项p值分别为0.0513和0.2275,均大于0.05,对黏度影响不显著,说明回归模型与实际实验拟合较好,实验误差小,可用于模型分析。关系数R2分别为0.9319和0.9589,表明采用响应面法设计所得的回归模型有效,适用于棕榈油基烘焙专用纯油型脱模剂配方及乳化工艺实验的理论预测。

表3 CCD实验设计的回归分析表Table 3 Regression results from the bata of CCD experiments

以乳化分层指数(Y1)为响应值的模型中,因素A、A2和B2的p值均小于0.01,表明其对乳化分层指数影响显著极显著;因素C的p值小于0.05,表明其影响显著;因素B、AB、AC、BC和C2的p值均大于0.05,表明其对乳化分层指数影响不显著。以黏度(Y2)为响应值的模型中,除AB和AC的p值大于0.05外,其他因素的p值均小于0.01,表明对黏度影响极显著。

续表

注:“**”为极显著;“*”为显著;“-”为不显著。从图4～图5响应曲面的最高点可以看出,在所选范围内存在极值,既是响应面的最高点,同时也是等值线最小椭圆的中心点,同时也直观反映了棕榈蜡添加量、复合稳定剂添加量及超声时间之间的交互作用。由图4～图5可知,等高线沿A、B轴变化密集,曲面较陡,等高线沿C轴变化稀疏,曲面平缓,说明A和B因素对乳化分层指数和黏度的影响较显著(p<0.05),C因素对两者影响不显著(p<0.05)。

图4 ABC两两之间对乳化分层指数交互影响的三维曲面图Fig.4 Surface of mutual-influence for between any two of A，B and C on the emulsification separation ratio

图5 A、B和C两两之间对黏度交互影响的三维曲面图Fig.5 Surface of mutual-influence for between any two of A，B and C on the viscosity

2.5 CCD实验模型的验证

通过对方程(Y1)求导可得模型预测的最小乳化分层指数为2.01%,此时棕榈蜡添加量为4.98%,复合稳定剂添加量为0.31%,超声时间为20.17 min。通过对方程(Y2)进行计算求导可以得到模型预测的最大黏度为420.7 mPa·s,此时棕榈蜡添加量为5.08%,复合稳定剂添加量为0.28%,超声时间19.32 min。

表4 棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂脱模特性Table 4 Release characteristic and emulsion stability of palm olein based special baking release agent(pure oil)

注:数据为平均值±标准偏差(n=3);在同一列中,具有不同字母后缀的数据表示数据间具有显著性差异(p<0.05)。

对最佳脱模剂配方及乳化工艺进行验证实验,结合实际生产,综合考虑乳化分层指数和黏度指标,将预测条件校正为棕榈蜡添加量为5.03%,复合稳定剂添加量为0.30%,超声时间为19.75 min。根据最优化的工艺参数,测得脱模剂乳化分层指数为2.15%,黏度为419.6 mPa·s,与模型理论预测值偏差分别约为6.97%和0.26%,说明该响应面回归模型具有可行性。

2.6棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂脱模特性分析

由图6所示,随着脱模剂添加量的不断增加,蛋糕粘连率不断减少,且当脱模剂添加量大于0.35 g时,蛋糕粘连率减小的幅度较为缓慢。当脱模剂添加量为0.35 g时,蛋糕粘连率为0.367%,综合实际生产,选定0.35 g作为脱模剂的添加量(烘焙模具规格为Φ50 mm×40 mm)。表4所示,优化后棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂蛋糕粘连率为0.367%。由此说明,优化后蛋糕粘连率明显减小,与空白组相比,脱模效果显著(p<0.05)提升。

图6 优化后棕榈油基烘焙专用纯油型脱模剂添加量对蛋糕粘连率的影响Fig.6 The effect of amount of palm olein based special baking release agent(pure oil) on cake adhesion rate after optimization

3 结论

在单因素实验的基础上,应用CCD响应面设计法对棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂配方及乳化工艺进行优化,乳化体系条件控制在大豆卵磷脂添加量2.0%、PGPR-单甘酯复配比例2∶3、PGPR-单甘酯复配添加量1.0%、复合稳定剂复配比例1∶2.5∶1、乳化温度90 ℃和超声功率110 W,得出最佳棕榈油基焙烤专用纯油型脱模剂配方及乳化工艺条件为:棕榈蜡添加量为5.03%,复合稳定剂添加量为0.30%以及超声时间为19.75 min。在此优化条件下,棕榈油基焙烤专用脱模剂乳化分层指数为2.15%,黏度为419.6 mPa·s,乳化稳定性明显提升。脱模特性研究中,蛋糕粘连率为0.367%;蛋糕粘连率随着脱模剂量的增加而不断减小,脱模效果显著。

[1]Seid Mahdi Jafari,Yinghe He,Bhesh Bhandari. Effectiveness of encapsulating biopolymers to produce sub-micron emulsions by high energy emulsification techniques[J]. Food Research International,2007,40(7):862-873.

[2]马来西亚棕搁油总署. 棕搁油应用手册[M]. 6版. 吉隆坡-马来西亚棕榈液油总署出版社,2009,2(6):3-22.

[3]雷映平,周光,周小渝. 高效水溶性混凝土模板脱模剂的研究[J]. 混凝土,2002,7(9):40-41.

[4]赵云,王琪敏,王友斌. 脱模剂配方优化解决塑封粘模问题[J]. 中国集成电路,2016,25(10):72-78.

[5]邹海峰,万里,向立,等. 铝合金压铸用粉状脱模剂的开发与应用[J]. 特种铸造及有色合金,2007,27(11):850-852.

[6]Brown M D. Mold release agent and method of application for die casting-US,US20050167071[P]. 2005.

[7]Ohashi T. Adashi c/o Covalent Materials Corporation Core Technology Center30. Crucible for melting silicon and release agent used to the same-US,EP2116637[P]. 2009.

[8]Lefevre J M,Mcconville P J,Chappell J M,et al. Release agent composition for tandem solid inkjet imaging systems having improved wettability[J]. United states patent application,2016,7(3):21-29.

[9]Dumond J J,Hong Y L,Lee H P,et al. Multi-functional Silicone Stamps for Reactive Release Agent Transfer in UV Roll-to-Roll Nanoimprinting[J]. Mater Horiz,2016,3(2):152-160.

[10]Chen J H,Pavlisko J A,Lancaster R A,et al. Release agent donor member having fluorocarbon thermoplastic random copolymer overcoat-US,US 6721529 B2[P]. 2004.

[11]Choquette S J,Ramos B L. Fabrication of embossed diffractive optics with reusable release agent-US,US6245412[P].2001.

[12]Jennings D R. Release agent and method for use in baking applications-US,7494682B2[P]. 2009.

[13]马传国,汪鸿,刘会娟,等. O/W型焙烤专用脱模剂的特性研究[J]. 中国油脂,2013,38(4):48-52.

[14]孙定红,唐洪权. 焙烤脱模油油包水型乳状液稳定性探讨[J].中国食品添加剂,2008,17(6):84-87.

[15]汪鸿. 焙烤专用脱模剂的制备及特性研究[D]. 郑州：河南工业大学,2012.

[16]李芳芳,段玉丰. 相反转工艺制备巴西棕榈蜡乳液的粒径调控[J]. 涂料工业,2015,45(2):35-40.

[17]檀付瑞,李洪波,桂慧,等. 超声分散对单壁碳纳米管分离的影响[J]. 物理化学学报,2012,28(7):1790-1796.

[18]张杰,葛武鹏,陈瑛,等. 纳豆激酶高产菌株的选育及固态发酵技术[J]. 食品科学,2016,37(3):151-156.

[19]Bi X,Yang J,Yu J,et al. Optimization on Preparation of Ethanolamine Hydroxyl Platinum(Ⅳ)by Response Surface Methodology[J]. Rare Metal Materials & Engineering,2016,45(8):2176-2181.

[20]Kinoshita K,Parra E,Hussein A,et al. From Single Microparticles to Microfluidic Emulsification-Fundamental Properties(Solubility,Density,Phase Separation)from Micropipette Manipulation of Solvent,Drug and Polymer Microspheres[J]. 2016,4(4):49.

[21]Kim J,Hwang J,Seo Y,et al. Engineered chitosan-xanthan gum biopolymers effectively adhere to cells and readily release incorporated antiseptic molecules in a sustained manner[J]. Journal of Industrial & Engineering Chemistry,2017,46:68-79.

[22]Krstonosic V,L Dokic,P Dokic,et al. Effects of xanthan gum on physicochemical properties and stability of corn oil-in-water emulsions stabilized by polyoxyethylene(20)sorbitanmonooleate[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(8):2212-2218.

Optimizationforpreparationprocessofpalmolein-basedspecialbakingreleaseagentbyresponsesurfacemethodologyanditsmoldreleaseactivity

WANGRan-ran1,JIANGZi-jing1,XIELing-yu1,CHEZhen-ming1,XINGYa-ge1,NIUYue-ting2,HANWen-feng3,LUOJing1,*

(1.Provincial Key Laboratory of Grain,Oil and Food Safety,College of Food and Bioengineering,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.Palm Oil Research and Technical Service Institute of MPOB(PORTSIM),Shanghai 201108,China; 3.Luohe Vocational Technology College,Luohe 462002,China)

The experiment prepared palm olein-based special baking release agent,using the palm olein as base material and Carnauba Wax as auxiliary material and stabilizing with various additives. By single factor experiment and central composite design response surface methodology,the multiple regression models of emulsification separation ratio and the viscosity of palm olein-based special baking release agent were established to conduct the optimal preparation conditions for the release agent. The results showed that the best conditions were the content of palm wax 5.03%,the dose of lecithin high potency 2.0%,the proportion of PGPR-(Glyceryl Monosterate)2∶3,the content of PGPR-(Glyceryl Monosterate)1.0%,the proportion of composite stabilizer(Xanthan gum,Guar gum and Carrageenan)1∶2.5∶1,the dose of composite stabilizer 0.30%,temperature 90 ℃,ultrasonic time 19.75 min and ultrasonic power 110 W,respectively. The emulsification separation ratio and the viscosity of this baking mold release agent were 2.15% and 419.6 mPa·s,respectively,the cake adhesion rate was 0.367%. In the study of mold release activity,the cake adhesion rate reduced with the increase of the concentration of release agent. The effect of mold release was remarkable.

mold release agent;palm olein;Carnauba Wax;emulsifier;emulsification separation ratio;viscosity;response surface methodology

2017-01-05

王冉冉(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：果蔬保鲜与加工技术，E-mail:1241255282@qq.com。

*通讯作者:罗静(1985-)，女，硕士研究生，实验师，研究方向：食品加工技术，E-mail:195398398@qq.com。

西华大学粮油工程与食品安全省级高校重点实验室项目(szjj2015-005)。

TS224

:B

:1002-0306(2017)12-0207-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.038