基于响应面法的食品级大豆浓缩磷脂制备工艺的优化研究

崔晨阳 刘轩 沈华

[摘要]文章对以饲料级大豆浓缩磷脂为试验原料，经过溶解、离心、脱色、浓缩等制备食品级大豆浓缩磷脂的工艺进行研究，采用响应面法对浓缩磷脂的丙酮不溶物含量进行优化。在单因素试验条件下，以转速、料液比、时间为考察因素，依据Box-Behnken中心组合设计，以浓缩磷脂中的丙酮不溶物含量为响应值进行分析，得到食品级大豆浓缩磷脂的最佳制备工艺条件为转速6 100r/min、料液比3.5∶1、时间9min，该工艺条件下大豆浓缩磷脂的丙酮不溶物含量为67.45%。

[关键词]大豆浓缩磷脂;丙酮不溶物;正己烷不溶物;响应面法

中图分类号：TS214.2 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

浓缩大豆磷脂是由大豆水化磷脂经真空脱水、浓缩、冷却等工序制成的塑状或黏稠状产品[1]。浓缩磷脂不仅可以作为一种安全的纯天然乳化剂、营养补剂，在食品、保健品和制药方面也都有广泛的用途[2]。商品化磷脂绝大多数来源于大豆，大豆磷脂约占磷脂总消费量的90%[3]。由于我国大豆磷脂产业起步较晚，因此生产技术及产品质量虽然取得了可喜的进步，但与国外相比，我国目前生产的大豆磷脂产品品种单一，并且存在产品纯度不高、品质较差、资源利用率低等问题。特别是高品质的食品级浓缩磷脂仍需国外进口，每年缺口达2万t以上，落后的技术与巨大市场需求以及丰富的大豆磷脂资源形成鲜明反差。

此外，食品级浓缩磷脂的品质在很大程度上是由色泽和风味决定的，磷脂色泽能够最为直观地判断其品质的优劣，国内大部分浓缩磷脂产品杂质含量多、色泽较深，只能用于饲料行业，在食品和医药领域中使用受到限制[4]。

本试验是利用饲料级大豆磷脂为原料，经过溶解、离心、脱色、浓缩等工艺制备食品级大豆浓缩磷脂。以丙酮不溶物为试验指标，对离心时间、转速、料液比3个因素进行了单因素试验。在单因素试验的基础上，借助试验设计软件Design Expert，采用Box-Behnken设计法对影响丙酮不溶物含量的关键因素进行优化，建立并验证相关的工艺数学模型，得到制备食品级浓缩磷脂的最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

饲料级大豆浓缩磷脂：中创科技有限公司;TBHQ：上海麦克林生化科技有限公司;正己烷、石油醚（60℃～90℃）、过氧化氢、硅藻土、活性炭、丙酮、硫代硫酸钠、碘化钾、氢氧化钠、可溶性淀粉：上海凌峰化学试剂有限公司。

TG1650-WS离心机：上海卢湘仪离心机仪器公司;EYELA SB-1300旋转蒸发器：东京理化器械株式会社;SH2-D（Ⅲ）循环水式多用真空泵：杭州明远仪器有限公司;DW-2005低温冷却液循环泵：杭州大衛科教仪器有限公司;07HWS-2数显恒温磁力搅拌器：杭州仪表电机有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 食品级浓缩磷脂的制备工艺

大豆浓缩磷脂：石油醚质量1∶3（1∶1～1∶10），混合饲料级浓缩磷脂与石油醚。

加浓缩磷脂质量分数1%（0.5%～1.5%）的过氧化氢、1%的硅藻土或活性炭、0.1%的TBHQ抗氧化剂[5]，搅拌混合，磁力搅拌器上脱色搅拌40min（20～60min）。

之后以5 000～9 000r/min的转速离心5～13min。然后真空浓缩蒸发，先在50℃情况下蒸发80%溶剂，然后在60℃、0.098MPa真空度情况下浓缩至溶剂和水分蒸发完全。

1.2.2 指标检测方法

（1）丙酮不溶物的检测方法：按照Acetone-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 4-46 Revised 2011）方法。

（2）正己烷不溶物的检测方法：按照Hexane-Insoluble Matter（AOCS Official Method Ja 3-87 Reapproved 2009）方法。

（3）过氧化值的检测方法：按照Peroxide Value（AOCS Official Method Ja 8-87 Revised 2011）方法。

（4）酸价的检测方法：按照Acid Value（AOCS Official Method Ja 6-55 Revised 2011）方法。

（5）水分的检测方法：按照《食品安全国家标准 食品中水分的测定》（GB 5009.3—2016）方法。

1.2.3 单因素试验对浓缩磷脂丙酮不溶物的影响

1.2.3.1 不同转速对丙酮不溶物的影响

在溶剂比3∶1，离心时间为9min条件下，不同转速5 000r/min、6 000r/min、7 000r/min、8 000r/min、9 000r/min对丙酮不溶物的影响。

1.2.3.2 不同料液比对丙酮不溶物的影响

在转速7 000r/min，离心时间为9min条件下，不同溶剂比1∶1、2∶1、3∶1、5∶1、10∶1对丙酮不溶物的影响。

1.2.3.3 不同离心时间对丙酮不溶物的影响

在转速7 000r/min，溶剂比3∶1条件下，不同时间5min、7min、9min、11min、13min对丙酮不溶物的影响。

1.2.4 响应面优化食品级浓缩磷脂制备工艺

根据单因素试验结果，利用响应面法设计食品级浓缩磷脂提取工艺的试验方案，以离心转速、料液比、离心时间为考察因素，以丙酮不溶物为试验设计的响应值，借助试验设计软件Design Expert，根据Box-benhnken的中心组合试验设计原理，运用三因素三水平的试验方法来确定食品级浓缩磷脂制备最佳工艺参数[6]。试验设计因素编码及水平如表1所示。

2 试验结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 不同转速对丙酮不溶物的影响

不同转速对丙酮不溶物的影响如图1所示，随着转速的增加，丙酮不溶物呈现不断上升的整体趋势。由图1可知，在转速为5 000r/min时，丙酮不溶物含量最低为62.1%，之后随着转速的不断升高，丙酮不溶物含量也不断增加，在转速为9 000r/min时，丙酮不溶物含量达到了64.5%。这主要是因为随着转速的增高，浓缩磷脂中的无机杂质含量不断降低，从而导致浓缩磷脂中丙酮不溶物的含量升高。但是从工业化生产角度考虑，碟片式离心机的转速较难达到很高的值，且转速较高时功耗大、成本高，所以本研究选取5 000～7 000r/min作为转速因素的水平范围。

2.1.2 不同料液比对丙酮不溶物的影响

不同溶剂比对丙酮不溶物的影响如图2所示，溶剂比从2∶1到10∶1，丙酮不溶物呈现先上升后下降的整体趋势。在溶剂比为2∶1时，丙酮不溶物为63.9%，随后在溶剂比为3∶1时上升到65.1%，到溶剂比为10∶1时，丙酮不溶物含量下降为62.6%。这主要是因为当石油醚比例升高时，磷脂和甘三酯分散程度加强，经过离心等各种处理后，磷脂和甘三酯更易分离开来，这一结果与赵勇[7]的研究结果一致。因此，本研究选取溶剂比2∶1～5∶1作为溶剂比因素的水平范围。

2.1.3 不同离心时间对丙酮不溶物的影响

不同时间对丙酮不溶物的影响如图3所示，随着离心时间的增加，丙酮不溶物的含量呈现先上升后平稳的整体趋势。在5min时丙酮不溶物含量为65.6%，然后随着离心时间的增加，丙酮不溶物含量增加，在9min时丙酮不溶物含量为66.8%，在这之后，离心时间的增加丙酮不溶物含量变化不大。这可能是因为在离心时间达到一定程度后，浓缩磷脂的无机杂质基本分离彻底，且磷脂和甘三酯的分散程度也达到了一个平衡值。因此，本研究选取7～11min作为时间因素的不同水平范围。

2.2 响应面法优化试验结果

试验设计与结果如表2所示，方差分析如表3所示：F值为46.08，P值<0.000 1，表示该模型极显著。测得的丙酮不溶物的含量对自变量转速、料液比、时间的二次多项回归方程为Y=67.39+0.55A-0.33B+0.56C+0.70AB-0.29AC+0.19BC-1.52A2-0.81B2-1.17C2。方程中P<0.001的项代表极显著项，失拟项P=0.320 1（0.320 1>0.05）不显著，回归决定系数R2=0.983 4，校正决定系数R2adj=0.962 1（0.962 1>0.8），表明该模型只有3.8%的变异。由此可见，该模型的拟合度较好，具有统计学意义[8-9]，可用该模型对食品级浓缩磷脂制备工艺研究进行初步分析和检测。

从试验方差分析表可知，响应面因素转速、料液比、时间的一次项、二次项对丙酮不溶物的影响均極显著（P<0.01），又从转速、料液比、时间的F值对试验指标的重要性成正比关系可知，各因素对丙酮不溶物的影响程度按大小排序为时间>转速>料液比。

2.3 各因素交互作用分析

为了探讨交互作用对丙酮不溶物的影响，以任意两因素为考察对象，另外一个因素取值为响应面设计中零水平所对应的值，利用Design-Expert软件对各因素之间的交互作用进行分析，绘制响应面3D曲线图，如图4所示。

由图4可知，各图代表转速和料液比、时间和转速、时间和料液比之间的交互影响效应。由响应面情况，结合方差分析表交互项AB的P值（0.000 8<0.01）、AC的P值（0.061 1>0.05）、BC的P值（0.169 6>0.05）可以看出，转速和料液比的交互作用极显著，而转速和时间、料液比和时间的交互作用不显著。

2.4 制备工艺条件优化及模型验证试验

Design Expert软件所提供的预测最优提取工艺参数为转速6 132r/min，料液比3.31 ∶ 1，时间9.429min，模型组预测最大丙酮不溶物含量为67.509%。但考虑到试验仪器实际情况，将试验条件调整为转速6 100r/min、料液比3.5∶1、时间9min。在此条件下重复进行验证试验，丙酮不溶物含量为67.45%。与预测值基本吻合，说明模型能够对丙酮不溶物含量进行较准确的分析，该优化工艺条件较为可靠。

3 结 论

本试验旨在制备食品级大豆浓缩磷脂，以丙酮不溶物含量为响应面响应值，借助试验设计软件Design Expert，采用Box-Behnken设计法对影响大豆浓缩磷脂丙酮不溶物含量的3个关键因素（转速、料液比、时间）进行优化，得出食品级大豆浓缩磷脂制备的最佳工艺条件为转速6 100r/min、料液比3.5∶1、时间9min，在该工艺条件下，丙酮不溶物的含量为67.45%。

参考文献

[1]LST 3219—2017，大豆磷脂行业标准[S].

[2]陆文达，李剑英，陈光华.优质大豆粉末磷脂制备方法研究[J].粮食与油脂，2002（5）：7-9.

[3]汪勇，王兴国.大豆磷脂风味和色泽物质的分析[J].中国油脂，2002，27（6）：65-67.

[4]Szuhaj B F.Lecithin production and utilization[J].Journal of the American Oil ChemistsSociety，1983，60（2）：306-309.

[5]齐继成.国内外大豆磷脂生产和开发应用概况（上）[J].中国制药信息，2000，16（3）：4-6.

[6]汪勇，肖陈贵，薛枫.改善大豆浓缩磷脂色泽的研究[J].食品研究与开发，2006，27（4）：32-34.

[7]赵勇.膜过滤制备粉末磷脂的研究[D].无锡：江南大学，2007.

[8]刘自琴，黄惠华.响应面法优化脂肪酶的固定化条件及其水解橄榄油的特性研究[J].食品科学，2012（3）：190-195.

[9]魏玲玲，黄爱平，陈竞男.响应面法优化黑芝麻苗黄酮与多酚的提取工艺[J].粮食与油脂，2019（7）：95-100.