响应面法优化棕榈油基花椒调味油的生产工艺及其贮藏稳定性研究

彭彰智，彭超，潘军辉*，胡明明,3，张国文

(1.昆明学院，昆明 650201；2.南昌大学食品学院，南昌 330047；3.大马棕榈油技术研发(上海)有限公司/MPOB，上海 201108)

花椒(Zanthoxylumbungeanum)系芸香科花椒属植物，可分为青花椒(ZanthoxylumschinifoliumSieb. et Zucc.)和红花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)两大类，主要分布于我国的西北及西南各省[1-2]。花椒是我国传统的食用香辛料，它不仅给菜品带来麻香风味，而且可去除各种肉类本身带有的腥气，此外，还可以促进人体唾液分泌，增加食欲[3-4]。花椒调味油是指以花椒为主要原料，用有机溶剂萃取、超临界CO2萃取等方法制得的花椒油树脂与适量食用油混合或者直接用食用油浸泡花椒所制成的具有麻味与香味的调味油[5]。花椒调味油因具有香味物质不易挥发、使用方便及储存时间长等优点深受消费者欢迎[6-7]。目前，花椒调味油在加工时通常采用菜籽油或大豆油等植物油浸提法[8-9]。然而，大豆油由于加工原料为转基因大豆而受到很多消费者的质疑和非议；菜籽油的价格相对较高，增加了生产成本，且含有对人体健康不利的芥子酸。此外，大豆油、菜籽油等植物油因为不饱和脂肪酸含量高，长时间储存容易氧化酸败，对花椒调味油的风味影响较大[10]。

棕榈油是一种热带木本植物油，是世界上产量最大的植物油。据统计，2018年棕榈油全球年产量高达7439万吨[11]。棕榈油是从棕榈果肉中榨取出来的纯天然油脂，含有均衡的饱和与不饱和脂肪酸，且含有丰富的类胡萝卜素和维生素E(尤其是生育三烯酚)，不含胆固醇。棕榈油因具有不易氧化、价格低廉等优势，被广泛应用于餐饮、食品及油脂加工等行业[12]。本研究以棕榈油代替菜籽油为基础油生产花椒调味油，通过响应面法对花椒调味油的生产工艺进行优化，并对其贮藏稳定性进行研究，旨在获得最佳的工艺参数，为降低工厂生产成本、提高产品质量提供了科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

棕榈油：由天津龙威粮油工业有限公司提供；市售一级菜籽油：益海嘉里食品有限公司；干花椒：购于四川九龙县农贸市场。

油炸锅 浙江瑞安市食品机械总厂；DFT-200高速中药粉碎机 温州市大德中药机械有限公司；BSA224S型电子天平 赛多利斯(上海)贸易有限公司；DK-S12恒温水浴锅、DGG-9240AD型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 棕榈油基花椒调味油的生产工艺

准确称取已除杂质的干花椒100 g，用粉碎机粉碎后过筛，然后按一定料液比称取植物油，加热至所需要的浸提温度，再将粉碎好的花椒粉末倒入加热好的植物油，不时翻炒，浸提一定的时间，过滤，冷却至室温，即得花椒调味油。

1.2.2 单因素实验

本实验主要研究不同熔点的棕榈油、棕榈油的用量、花椒粉碎粒度、熬制温度、熬制时间和料液比对花椒调味油感官评分的影响。固定花椒粉碎粒度20目，料液比1∶10，熬制时间10 min，熬制温度80 ℃，考察不同熔点(5，18，24，42 ℃)的棕榈油对花椒调味油感官品质的影响；固定花椒粉碎粒度20目，料液比1∶10，熬制时间10 min，熬制温度80 ℃，考察5 ℃棕榈油占调配油(棕榈油和菜籽油的调和油)中的比例(0%、20%、40%、60%、80%、100%)对花椒调味油感官品质的影响；固定以100%的5 ℃棕榈油熬制花椒调味油，料液比1∶10，熬制时间10 min，熬制温度80 ℃，考察花椒不同粉碎粒度(未粉碎、20，40，60，80，100目)对花椒调味油感官品质的影响；固定花椒粉碎粒度60目，以100%的5 ℃棕榈油熬制花椒调味油，料液比1∶10，熬制时间10 min，考察不同熬制温度(60，70，80，90，100，110 ℃)对花椒调味油感官品质的影响；固定花椒粉碎粒度60目，以100%的5 ℃棕榈油熬制花椒调味油，料液比1∶10，熬制温度90 ℃，考察不同熬制时间(10，20，30，40，50，60 min)对花椒调味油感官品质的影响；固定花椒粉碎粒度60目，以100%的5 ℃棕榈油熬制花椒调味油，熬制时间20 min，熬制温度90 ℃，考察不同料液比(1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12)对花椒调味油感官品质的影响。

1.2.3 响应面分析

根据Box-Benhnken实验设计原理[13]，结合单因素实验结果，选取料液比、花椒粉碎粒度和熬制温度3个对花椒调味油感官评分影响显著的因素，采用三因素三水平的响应面分析法进一步优化花椒调味油的生产工艺。

1.2.4 花椒调味油加速贮藏稳定性的测定

将制备好的花椒调味油成品进行加速贮藏稳定性实验。以市售花椒调味油样品A(菜籽油基花椒油)和B(菜籽油基花椒油)为对照，将花椒油调味油成品置于40 ℃恒温烘箱中贮藏90 d，每隔15 d取样测定酸价及过氧化值，并对其进行感官评价。

1.2.5 指标测定1.2.5.1 酸价的测定

参照GB 5009.229-2016[14]中的“冷溶剂指示剂滴定法”。

1.2.5.2 过氧化值的测定

参照GB 5009.227-2016[15]中的“滴定法”。

1.2.6 感官评定

感官评价参考张凤芳[16]的方法。由20位专业人员组成品评小组对制作的花椒调味油进行感官评价，评定的内容为花椒调味油的香气、色泽和口感，三者权重分别为0.5，0.2，0.3，最后得到样品的综合感官评分，具体感官评价标准见表1。

表1 花椒调味油的感官评价标准Table 1 The sensory evaluation criteria of Zanthoxylum flavoring oil

1.2.7 数据分析

采用IBM SPSS Statistics 20.0进行数据统计分析。所有实验做3次平行，结果以平均值±标准差表示。用Design-Expert 8.05b软件进行实验设计和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 不同熔点的棕榈油对花椒调味油感官品质的影响

由图1可知，不同熔点的棕榈油对花椒调味油感官品质的影响不同，随着棕榈油熔点的升高，花椒调味油的感官评分反而降低。这可能是因为棕榈油本身的物理特性，高熔点的棕榈油在低温下会逐渐产生结晶，出现发蒙或凝固的现象，且棕榈油的熔点越高，这种现象越明显，越能影响花椒调味油的色泽，考虑到冬天环境较低，故选择5 ℃棕榈油进行后续研究。

图1 不同棕榈油熔点对花椒调味油感官品质的影响Fig.1 Effect of palm oil with different melting points on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.1.2 5 ℃棕榈油与菜籽油不同复配比对花椒调味油感官品质的影响

由图2可知，5 ℃棕榈油与菜籽油的复配中，随着5 ℃棕榈油比例的增加，花椒调味油的感官评分先略为增加而后逐渐降低，但是并没有显著性差异(P>0.05)，考虑到生产成本，故选择100% 5 ℃棕榈油进行后续研究。

图2 棕榈油的比例对花椒调味油感官品质的影响Fig.2 Effect of proportion of palm oil on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.1.3 花椒不同粉碎粒度对花椒调味油感官品质的影响

由图3可知，花椒调味油的感官评分随着花椒粉碎粒度的增加而逐渐提高，并在花椒粉碎粒度达到60目时达到最高，此后当增加花椒粉碎粒度时，花椒调味油的感官评分又明显下降。这可能是由于花椒未粉碎时，植物油中溶出的花椒麻味与香味物质较少，随着花椒粉碎粒度的增加，花椒中风味物质的溶出速率增加，但花椒粉碎粒度超过60目后，在花椒调味油熬制过程中，花椒组织因粉碎过细容易在短时间内出现煎炸过度，导致焦化的现象，从而使花椒的感官评分明显下降[17]。因此，花椒的粉碎粒度以60目左右为宜。

图3 花椒粉碎粒度对花椒调味油感官品质的影响Fig.3 Effect of grinding particle size of Zanthoxylum powder on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.1.4 不同熬制温度对花椒调味油感官品质的影响

由图4可知，随着熬制温度的提高，花椒调味油的感官评分逐渐升高，并在熬制温度为90 ℃时达到最高，之后随着熬制温度的升高反而下降。这可能是由于提高熬制温度会使花椒中的麻味和香味物质的溶解度增加及传质速率加快，从而有利于提高花椒调味油的气味和口感，但熬制温度超过90 ℃后，随着熬制温度升高，花椒调味油的感官评分反而降低，这可能是由于花椒风味物质不稳定，高温下容易发生分解与挥发，使得风味物质含量降低，进而影响花椒调味油的气味和口感评分。因此，熬制温度以90 ℃左右为宜。

图4 熬制温度对花椒调味油感官品质的影响Fig.4 Effect of boiling temperature on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.1.5 不同熬制时间对花椒调味油感官品质的影响

由图5可知，随着熬制时间的延长，花椒调味油的感官评分先明显提高，当熬制时间超过20 min后花椒调味油的感官评分提高幅度下降，而超过30 min后，花椒调味油的感官评分趋于平缓。这可能是由于熬制时间太短时，花椒的麻味和香味物质不能充分溶出，而熬制时间过长时，花椒的风味物质又容易挥发。结合实验结果，熬制10 min和20 min时对花椒调味油的感官评分存在显著性差异(P<0.05)，而熬制20 min和30 min时对花椒调味油的感官评分差异不显著(P>0.05)，因此选择熬制时间为20 min左右。

图5 熬制时间对花椒调味油感官品质的影响Fig.5 Effect of boiling time on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.1.6 不同料液比对花椒调味油感官品质的影响

由图6可知，当料液比为1∶2时，花椒调味油的感官评分较低，随着料液比的增加，花椒粉末和植物油的接触面积逐渐增大，并在料液比为1∶8时达到最大，之后继续增加料液比，花椒调味油的感官评分增加趋势不明显，反而略有降低，此外，过量的料液比还会导致生产时能耗和成本的增加，因此选择料液比为1∶8左右。

图6 料液比对花椒调味油感官品质的影响Fig.6 Effect of the ratio of solid to liquid on sensory score of Zanthoxylum flavoring oil

2.2 响应面优化实验结果

采用Design-Expert 8.05b软件设计组合，在单因素实验的基础上，选取对花椒油的口感和风味影响较大的3个因素(料液比、花椒粉碎粒度和熬制温度)作为主要的考察因子，以花椒调味油的感官评分为响应值，根据Box-Benhnken中心组合设计原理，设计三因素三水平的响应面实验，响应面设计及实验结果分别见表2和表3。

表2 实验因素水平及编码Table 2 The factors and levels of response surface experiment

表3 响应面设计与实验结果Table 3 The experimental results of response surface design

续 表

2.2.1 模型的建立

利用Design-Expert 8.05b软件对表3中的实验数据进行多元回归拟合，得到料液比(X1)、花椒粉碎粒度(X2)和熬制温度(X3)与花椒调味油感官评分(Y)之间的二次多项回归方程：Y=93.90+0.31X1+0.61X2+0.42X3+0.025X1X2+0.050X2X3-0.56X12-1.41X22-2.29X32。

2.2.2 方差分析

对表3中花椒调味油感官评分数据进行多元回归分析，分析结果见表4。

表4 回归方程的方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equation

由表4对所得模型的方差分析及显著性检验可知，模型的显著水平P<0.0001，远小于0.01，表明所选用的二次多项模型是极显著的，该实验方法是可靠的。该模型的决定系数R2=0.9983，RAdj2=0.9961，说明此模型与实际实验拟合较好，实验误差小，因此可用该回归方程代替真实实验点预测分析不同条件下花椒调味油的感官评分。同时，回归方程各项的方差分析结果还表明方程中的一次项中X1、X2、X3是极显著的(P<0.01)，二次项X12、X22、X32的影响都是极显著的(P<0.01)，交互项X1X3的影响是显著的(P<0.05)。

2.2.3 响应面分析

料液比、花椒粉碎粒度和熬制温度3个因素两两交互作用对花椒调味油感官评分影响的响应曲面图和等高线图见图7～图9。

图7 花椒粉碎粒度与料液比的响应面和等高线图Fig.7 Response surface plot and contour plot of the effect of grinding particle size of Zanthoxylum powder and ratio of solid to liquid on the sensory score of product

图8 熬制温度与料液比的响应面和等高线图Fig.8 Response surface plot and contour plot of the effect of boiling temperature and ratio of solid to liquid on the sensory score of product

图9 熬制温度与花椒粉碎粒度的响应面和等高线图Fig.9 Response surface plot and contour plot of the effect of boiling temperature and grinding particle size of Zanthoxylum powder on the sensory score of product

通过响应曲面坡度的陡峭程度及等高线椭圆形状可以看出因素间交互效应的强弱趋势，响应曲面坡度陡峭说明响应值对因素变化敏感，反之亦然。同时，椭圆形等高线说明因素间交互作用显著，而圆形等高线则与之相反[18]。由图7～图9可知，相对料液比和花椒粉碎粒度、料液比和熬制温度交互作用的响应面和等高线，花椒粉碎粒度和熬制温度交互作用的响应面更陡峭，等高线更密集，所以花椒粉碎粒度和熬制温度对花椒调味油感官评分的影响较大。

2.2.4 确定最优条件及验证实验

根据模型推测出花椒调味油生产工艺的最优条件为：料液比1∶8.54、花椒粉碎粒度55.8目、熬制温度90.9 ℃，此时模型预测花椒调味油感官评分为94.03。考虑到实际操作的局限性，经修正，优化为料液比1∶8.5、花椒粉碎粒度56目、熬制温度91 ℃。在此修正条件下进行了3次平行验证实验，结果见表5。花椒调味油的感官评分平均值为93.87，3次实验的相对误差都在0.53%以内，误差较小，模型可靠。因此，利用响应面法优化得到的花椒调味油生产工艺参数准确可靠，具有使用价值。

表5 验证实验结果Table 5 The results of verification test

2.3 花椒调味油的贮藏稳定性

2.3.1 花椒调味油贮藏时酸价的变化

由图10可知，在40 ℃加速贮藏过程中，3种花椒调味油的酸价随着贮藏时间的延长而逐渐升高，但都低于四川花椒油地方标准DB51/T 493-2005中规定的4 mg KOH/g，虽然棕榈油基花椒调味油的初始酸价略高于其他两种市售花椒油样，但是在90 d的贮藏期结束后，棕榈油基花椒调味油的酸价反而略低于市售花椒油样A，且明显低于市售花椒油样B，这可能是由于其他两种菜籽油基花椒油较棕榈油基花椒调味油样品更容易氧化酸败所致。

图10 花椒调味油样品在40 ℃，90 d贮藏期内酸价的变化Fig.10 The AV changes of Zanthoxylum flavoring oil products during storage at 40 ℃ for 90 days

2.3.2 花椒调味油贮藏时过氧化值的变化

由图11可知，在40 ℃加速贮藏过程中，3种花椒调味油的过氧化值随着贮藏时间的延长而逐渐升高，在90 d的贮藏期结束后，棕榈油基花椒调味油的过氧化值显著低于市售花椒油样A和B(P<0.05)，这可能是由于两种市售花椒油所用菜籽油较棕榈油含有更多的不饱和脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪酸，更容易发生氧化反应，使过氧化值升高。

图11 花椒调味油样品在40 ℃，90 d贮藏期内过氧化值的变化Fig.11 The PV changes of Zanthoxylum flavoring oil products during storage at 40 ℃ for 90 days

2.3.3 花椒调味油贮藏时感官品质的变化

由图12可知，在40 ℃加速贮藏过程中，3种花椒调味油的感官评分随着贮藏时间的延长而逐渐降低，这可能是由于花椒油中主要麻味物质为链状多不饱和脂肪酸酰胺类物质，其极不稳定，室温即可氧化生成稳定的衍生物，导致麻味物质减少。3种花椒调味油贮藏期内感官评分的变化规律同杨瑞丽等[19]的研究结果一致。此外，棕榈油基花椒调味油的初始感官评分和市售花椒油样A相当，明显高于市售花椒油样B，在90 d的贮藏期结束后，棕榈油基花椒调味油的感官评分显著高于市售花椒油样A和B(P<0.05)，这可能是由于棕榈油较菜籽油含有更多天然抗氧化剂生育三烯酚[20]，杨瑞丽等研究表明抗氧化剂可减少麻味物质的氧化，显著减少花椒油贮藏过程中麻味物质的损失。

图12 花椒调味油样品在40 ℃，90 d贮藏期内感官评分的变化Fig.12 The sensory scoring changes of Zanthoxylum flavoring oil products during storage at 40 ℃ for 90 days

3 结论

本研究以棕榈油为油基生产花椒调味油，在单因素实验的基础上用响应面法对花椒调味油的生产工艺条件进行了优化。结果表明，花椒调味油的最佳生产工艺条件为：料液比1∶8.5、花椒粉碎粒度56目、熬制温度91 ℃。对在此条件下生产的花椒调味油进行验证得到的花椒调味油香气浓郁，无异味，颜色较深且透明无杂质，麻味较强烈，且在口中持续时间较长，验证得到感官评分为93.87分，与理论值(94.03分)基本吻合。对制得的棕榈油基花椒调味油在40 ℃下加速贮藏90 d，贮藏期后，相比市售菜籽油基花椒油，棕榈油基花椒调味油酸价及过氧化值更低，麻味物质的损失更少，感官评分更高。棕榈油基花椒调味油克服了以菜籽油等植物油为油基的花椒调味油在长期储存过程中氧化稳定性差及易回味的缺点，并在保证产品质量的同时降低了工厂生产成本，具有明显的经济意义。