山毛豆油磷酸輔助脫膠工藝條件優(yōu)化

胡林子，李新華，馬永全，于 新,*

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州 510225)

山毛豆油磷酸輔助脫膠工藝條件優(yōu)化

胡林子1,2，李新華1，馬永全2，于 新2,*

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州 510225)

目的：研究酸種類、酸添加量、加水量、脫膠溫度、攪拌時(shí)間對(duì)山毛豆毛油脫膠率的影響。方法：在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法對(duì)山毛豆毛油脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果：得到山毛豆酸輔助脫膠最佳工藝條件為磷酸添加量2.47g/kg、加水量4.1%、脫膠溫度62℃、攪拌時(shí)間45min。該條件下山毛豆毛油脫膠率為92.48%，與模型預(yù)測(cè)值91.5256%接近，脫膠山毛豆油中磷脂含量為0.095%。結(jié)論：磷酸輔助脫膠技術(shù)可對(duì)山毛豆毛油中的磷脂進(jìn)行有效脫除。

非洲山毛豆；磷酸；脫膠；響應(yīng)面法

非洲山毛豆(Tephrosia vogelii Hook f.)又稱福氏灰毛豆、窩氏灰葉，屬豆科，蝶形花亞科，灰葉屬，多年生灌木，是一種優(yōu)良的水土保持、荒坡綠化、土壤改良植物[1-2]。非洲山毛豆種子含有粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.47%，其中，不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)66.94%，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)38.73%，是潛在的食品與飼料優(yōu)質(zhì)資源[3]。有報(bào)道指出，豐富的不可耕山地資源為開發(fā)木本糧油產(chǎn)品提供了廣闊的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)木本油料進(jìn)行了大量的研究[4]，但非洲山毛豆作為新的野生木本糧油資源尚未得到開發(fā)利用。

脫膠是植物油精制重要步驟。脫膠處理是油脂精煉工藝中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)脫膠可以除去毛油中所含的磷脂、蛋白質(zhì)等膠質(zhì)，特別是磷脂，故又稱脫磷。毛油中膠質(zhì)的存在不僅降低油脂使用價(jià)值和儲(chǔ)藏穩(wěn)定性，而且影響后續(xù)的精煉工序和油脂的深加工[5]。目前，大多采用水化、磷酸化及檸檬酸等脫膠方法，其原理是利用膠溶性雜質(zhì)親水性和在介質(zhì)作用下使非水化膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為可水化膠質(zhì)原理，使膠溶性雜質(zhì)吸水膨脹，凝聚并分離而出。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)山毛豆毛油的脫膠工藝進(jìn)行研究，以期為非洲山毛豆作為新的木本糧油資源相關(guān)開發(fā)利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

成熟非洲山毛豆種子，2010年4月采自肇慶市高要市蛟塘鎮(zhèn)(北緯22°53'，東經(jīng)112°36')；山毛豆毛油采用溶劑浸提法制得，提取溶劑為石油醚。

85%磷酸、草酸、酒石酸、氫氧化鉀、檸檬酸、石油醚、乙醇等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

MJ-176NR型多功能粉碎機(jī) 日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社；DHG-9140A型電熱恒溫干燥箱 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；R系列旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀 無(wú)錫星海生化設(shè)備有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 于華儀器有限責(zé)任公司；HH數(shù)顯恒溫水浴鍋 金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；Sxcl-3型數(shù)顯加熱磁力攪拌器 英峪予華儀器廠；GL-20全自動(dòng)高速冷凍離心機(jī) 湘西儀器儀表總廠機(jī)械儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 山毛豆油脂中水化磷脂(hydratable phospholipids，HP)與非水化磷脂(nonhydratable phospholipids，NHP)的含量測(cè)定

采用GB5537—1985《植物油脂檢驗(yàn)：磷脂測(cè)定法》測(cè)定磷脂含量[6]。

包括山毛豆毛油的磷脂含量P1(即油樣的總磷脂含量)和脫水后的脫膠油樣磷脂含量P2(即油樣中非水化磷脂含量)測(cè)定。山毛豆油脂中水化磷脂的脫除：稱取油樣約25g，加熱至80～90℃，邊攪拌邊緩慢加入約2.5mL 90℃的熱蒸餾水，在磁力攪拌器上保溫至80～90℃，中速攪拌15min，再低速攪拌20min，然后靜置3～8h，以增進(jìn)膠質(zhì)的水化使膠團(tuán)充分絮凝、趨于穩(wěn)定，更易與油脂分離。將上層油樣離心分離，90℃下真空脫水。

1.3.2 酸法脫膠工藝流程[7]

工藝要點(diǎn)：將毛油預(yù)熱到脫膠溫度，在快速攪拌下(60r/min)緩慢加入脫膠劑和軟水，其溫度與油溫相近，加水后保溫繼續(xù)慢速攪拌30min，然后靜置3～8h。采用離心法分離油腳，水化凈油在絕對(duì)壓強(qiáng)8kPa、溫度90℃下真空脫水，即得脫膠油[8]。

1.3.3 脫膠率計(jì)算

1.3.4 響應(yīng)面分析法試驗(yàn)

以不同脫膠劑添加量、脫膠溫度、加水量、攪拌時(shí)間為因素，以脫膠率為指標(biāo)，根據(jù)單因素確定最佳脫膠劑以及顯著水平，采用Design Expert7.0統(tǒng)計(jì)分析軟件的響應(yīng)面分析法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以獲取最適工藝參數(shù)[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 山毛豆油中水化磷脂與非水化磷脂的含量

表1 山毛豆油中水化磷脂與非水化磷脂的含量Table 1 HP and NHP contents in T.vogelii Hook f. seed oil

由表1可知，在山毛豆毛油中，非水化磷脂含量較水化磷脂含量要小，但仍占有不可忽略的比例。

2.2 山毛豆油脫膠單因素試驗(yàn)

2.2.1 脫膠劑的確定

采用酸法輔助脫膠，酸脫膠的實(shí)質(zhì)是脫除非水化磷脂中的磷酸肌醇脂和β-磷脂等。在強(qiáng)酸作用下，非親水性的β-磷脂分解并合成親水型的α-磷脂，同時(shí)，磷脂金屬?gòu)?fù)合物也必須用酸處理方法除去[10]。在脫除β-磷脂時(shí)，硫酸、硝酸、磷酸、檸檬酸、草酸等效果都不錯(cuò)。但從食用角度和腐蝕性及成本的角度上考慮，選擇磷酸、檸檬酸、草酸、酒石酸作為脫膠劑，比較4種酸的脫膠效果。經(jīng)測(cè)定脫膠前山毛豆毛油的磷脂含量為1.257%，將毛油加熱到70℃，將4種酸分別按照2.1、2.31、2.52、2.73、2.94、3.15、3.36、3.57g/kg的量添加到油中(由于市購(gòu)的磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，添加時(shí)經(jīng)過(guò)折算)，加水量為體積分?jǐn)?shù)4%，攪拌30min，計(jì)算脫膠率。

圖1 不同脫膠劑的脫膠效果Fig.1 Effect of different acids on degumming rate

由圖1可知，在較低添加量時(shí)，磷酸的脫膠率最大，其次檸檬酸，當(dāng)酒石酸、草酸添加量分別為3.0g/kg和3.4g/kg時(shí)脫膠率最大。較低的酸添加量條件下，要想達(dá)到理想的脫膠效果，選擇添加磷酸和檸檬酸較合適。

2.2.2 脫膠溫度對(duì)脫膠效果的影響

由于磷酸比檸檬酸價(jià)格便宜，從生產(chǎn)成本上考慮，選定磷酸為脫膠劑，添加量為2.5g/kg，加水量為體積分?jǐn)?shù)4%，分別設(shè)在40、50、60、70、80、90℃下攪拌30min，計(jì)算脫膠率。

圖2 脫膠溫度對(duì)脫膠效果的影響Fig.2 Effects of temperature on degumming rate

由圖2可知，在40～60℃之間，脫膠率隨溫度的升高而升高；溫度超過(guò)60℃后，脫膠率有所降低。其原因可能是粗油膠粒凝聚的過(guò)程是可逆的，已凝聚的膠粒在水化溫度高于臨界溫度時(shí)重新分散，不利于磷脂的沉降。

2.2.3 加水量對(duì)脫膠效果的影響

加水量對(duì)脫膠效果亦有一定影響，確定磷酸添加量為2.5g/kg，加水量分別為體積分?jǐn)?shù)2%、3%、4%、5%、6%、7%在60℃下攪拌30min，計(jì)算脫膠率。

圖3 加水量對(duì)脫膠效果的影響Fig.3 Effects of water amount on degumming rate

從圖3可得出，加水量在1%～4%之間，脫膠率隨加水量的升高而增大；加水量超過(guò)4%后，脫膠率有所降低。這主要是因?yàn)榧铀可?，則形成的磷脂顆粒比較細(xì)小，不易與油分離，而過(guò)量的游離水使磷脂成為乳化劑而造成油脂的乳化，使磷脂分離困難。

2.2.4 攪拌時(shí)間對(duì)脫膠效果的影響

確定磷酸添加量2.5g/kg，加水量4%，在60℃條件下分別攪拌10、20、30、40、50、60min，計(jì)算脫膠率。

黔東南州在鼓勵(lì)民間資本參與水土保持種植業(yè)建設(shè)的同時(shí)，發(fā)展茶葉、藍(lán)莓、太子參等相關(guān)產(chǎn)品深加工及衍生產(chǎn)業(yè)，盡量延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈條，較好地解決了大規(guī)模發(fā)展單一產(chǎn)業(yè)可能出現(xiàn)的產(chǎn)銷過(guò)剩和價(jià)格暴跌問(wèn)題，降低了投資風(fēng)險(xiǎn)。截至2012年，該州各縣已引進(jìn)深加工企業(yè)100多個(gè)，建成加工廠80多個(gè)。

在其他條件相同的情況下，當(dāng)脫膠攪拌時(shí)間少于20min時(shí)，脫膠效果隨時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯增強(qiáng)。當(dāng)攪拌時(shí)間大于50min時(shí)，脫膠效果隨時(shí)間的延長(zhǎng)而略有降低。因此，選取40min為山毛豆油的最佳脫膠時(shí)間。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模型分析

依據(jù)Design Expert7.0軟件，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型[11]，以磷酸添加量(X1)、加水量(X2)、脫膠溫度(X3)、攪拌時(shí)間(X4)值為自變量，以＋1、0、－1分別代表自變量的高、中、低水平，按方程xi=(Xi－X0)/ΔX對(duì)自變量進(jìn)行編碼。其中，xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實(shí)值，X0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值，ΔX為自變量的變化步長(zhǎng)，因素編碼及水平見(jiàn)表2。

表2 山毛豆毛油酸法脫膠工藝響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels in response surface design

試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均脫膠率為響應(yīng)值(Y)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。依據(jù)Design Expert 7.0軟件中的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中各組山毛豆毛油的脫膠效果進(jìn)行回歸分析，得回歸方程為：

式中：Y為脫膠率的預(yù)測(cè)值；x1～x4分別為上述4個(gè)自變量的編碼值。對(duì)模型進(jìn)行方差分析(表4)、模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)(表5)。

由表4可知，本試驗(yàn)所選模型不同處理間差異極顯著(P＜0.0001)，說(shuō)明回歸方程應(yīng)變量與全體自變量之間的相關(guān)關(guān)系是顯著的，即這種試驗(yàn)方法是可靠的；失擬項(xiàng)P=0.0536＞0.05，失擬項(xiàng)差異不顯著，表明該方程對(duì)試驗(yàn)擬合情況好，試驗(yàn)誤差小，可以用該方程對(duì)不同條件下的脫膠效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。本試驗(yàn)中，變異系數(shù)較低(0.93%)，說(shuō)明了試驗(yàn)可靠性強(qiáng)；模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.9831，說(shuō)明回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系。該模型的信噪比(RSN)為36.804，遠(yuǎn)大于4，可知回歸方程擬合度和可信度均很高，能夠很好地對(duì)脫膠率進(jìn)行預(yù)測(cè)?？梢杂么四Ｐ蛯?duì)山毛豆毛油的脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)。

表3 山毛豆毛油酸法脫膠工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Scheme and experimental results of response surface design

表4 回歸模型方差分析表Table 4 ANOVA for the established quadratic model for degumming rate

由表5可知，模型一次項(xiàng)、二次項(xiàng)差異極顯著；交互項(xiàng)x1x3(P=0.1094)差異不顯著，x2x3(P=0.0230)差異顯著，其他項(xiàng)差異極顯著。x1、x2、x3、x4系數(shù)估計(jì)值分別為：－0.64、1.42、2.70、1.74，影響因素主次順序?yàn)槊撃z溫度＞攪拌時(shí)間＞加水量＞磷酸添加量。

表5 回歸方程模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance test of each regression coefficient of the established quadratic model for degumming rate

2.3.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

選擇影響較大的交互項(xiàng)作響應(yīng)面圖[12-13]見(jiàn)圖5。由圖5可知，加水量和時(shí)間變化對(duì)脫膠率影響的交互作用相對(duì)其他因素之間的交互作用最大，而磷酸添加量和溫度之間的交互作用最小。

圖5 兩因素對(duì)脫膠率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Three-dimensional plot for the effects of any two factors on degumming rate

由圖5C可看出，隨著加水量和攪拌時(shí)間的增加，山毛豆油的脫膠率先快速增大隨后緩慢減小。可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)脑龃蠹铀坎⒑侠淼难娱L(zhǎng)攪拌時(shí)間，有利于山毛豆油脂中磷脂的脫除，但加水量與攪拌時(shí)間超過(guò)一定范圍，山毛豆油脂的脫膠率反而減小。優(yōu)化試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致，原因可能是過(guò)多的加水量和過(guò)長(zhǎng)的攪拌時(shí)間，致使磷脂顆粒被打碎，使其在油脂中重新分散，促進(jìn)了磷脂與油脂的乳化，不利于磷脂最終分離，影響了山毛豆油的脫膠率。

山毛豆油的脫膠響應(yīng)面呈拋物線趨勢(shì)，用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行典型性分析，以獲得脫膠率最大的優(yōu)化提取條件。經(jīng)分析，X1、X2、X3、X4最適值分別為2.47g/kg、4.07%、62.29℃、45.18min，理論脫膠率為91.5256%。

2.4 最優(yōu)條件的驗(yàn)證

將提取條件修正為磷酸添加量2.47g/kg，加水量4.1%、脫膠溫度62℃、攪拌時(shí)間45min，以驗(yàn)證響應(yīng)面法優(yōu)化條件的可靠性。在優(yōu)化條件下，重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，取平均值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得脫膠率為92.48%，與模型預(yù)測(cè)值相差1.04%。證明該模型具有一定的可靠性。

3 結(jié) 論

采用酸法輔助脫膠技術(shù)對(duì)山毛豆毛油中的磷脂進(jìn)行脫除，通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)分析對(duì)脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合實(shí)際可操作性得出較優(yōu)工藝條件為：磷酸添加量2.47g/kg，加水量為4.1%、脫膠溫度62℃、攪拌時(shí)間45min。該條件下的山毛豆毛油脫膠率92.48%，脫膠山毛豆油中磷脂含量0.095%。與模型預(yù)測(cè)值接近。

[1] MANSON A. The action of certain assamese plant as larvicides[J].Journal of the Malaria Institute of India, 1939, 2(1): 85-93.

[2] KWESIGA F, AKINNIFESI F K, MAFONGOYA P L, et al. Agroforestry research and development in southern Africa during the 1990s: Review and challenges ahead[J]. Agroforestry Systems, 2003, 59(3): 173-186.

[3] 于新, 嚴(yán)卓勤, 李小華, 等. 非洲山毛豆種子物理特征、成分分析與油脂組成的研究[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 48(1): 37-41.

[4] MARTIN-CARRATALA M L. Comparative study on the triglyceride composition of almonds kemel oil. A new basis for cultivar chemometric characterization[J]. Journal of Agric Food Chem, 2000(9): 3688-3692.

[5] 倪培德. 油脂深加工[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007: 306-307.

[6] GB/T 5537—1985 植物油脂檢驗(yàn): 磷脂測(cè)定法[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1985.

[7] 劉玉蘭. 植物油脂生產(chǎn)與綜合利用[M]. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社,1999: 140-145.

[8] 李星, 徐遠(yuǎn)明. 脫膠和脫色工序?qū)γ卓酚途珶挼挠绊慬J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào), 2007, 22(1): 79-82.

[9] 郭宇星, 潘道東. 超聲波破碎法提取瑞士乳桿菌氨肽酶條件的優(yōu)化[J]. 食品科學(xué), 2008, 29(8): 140-144.

[10] 劉大川, 蘇望懿. 食用植物油與植物蛋白[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001: 100-108.

[11] AHMADI M, VAHABZADEH F, BONAKDARPOUR B, et al. Application of the central composite design and response surface methodology to the advanced treatment of olive oil processing wastewater using Fenton's peroxidation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2005, 123(1/3): 187-195.

[12] 鄧紅, 仇農(nóng)學(xué), 孫俊, 等. 超聲波輔助提取文冠果籽油的工藝條件優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007, 23(11): 249-253.

[13] 易建華, 李靜娟, 朱振寶, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果籽油脫酸工藝研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2009, 35(1): 111-115.

Optimizing Process Conditions for Phosphoric Acid-assisted Degumming of Tephrosia vogelii Hook f. Seed Oil

HU Lin-zi1,2，LI Xin-hua1，MA Yong-quan2，YU Xin2,*
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2. College of Light Industry and Food Science, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Objective: To optimize process conditions for the degumming of Tephrosia.vogelii Hook f. seed oil such as acid kind and amount, water amount, temperature and stirring time for maximizing degumming rate. Methods: On the basis of single factor experiments, phosphoric acid amount, water amount, temperature and stirring time were optimized by response surface analysis. Results: Phosphoric acid was found to be the best degumming agent for T.vogelii Hook f. seed oil. The optimum degumming conditions were determined as follows: stirring at 62 ℃ for 45 min in the presence of 2.47 g/kg phosphoric acid and 4.1% water. Under these conditions, the actual degumming rate was 92.48 % (the degummed oil contained 0.095% phosphatide),close to the predicted value of 91.5256%. Conclusion: The phosphoric acid aided degumming process can effectively remove phospholipid from T.vogelii Hook f. seed oil.

Tephrosia vogelii Hook f. seed；phosphoric acid；degumming；response surface methodology

TS224.6

A

1002-6630(2011)08-0083-05

2010-06-30

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008B030302001)

胡林子(1985—)，女，碩士，研究方向?yàn)榧Z食油脂及植物蛋白質(zhì)工程。E-mail：hulinzi-lny@163.com.cn*通信作者：于新(1959—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與儲(chǔ)藏。E-mail：yuxin1959@yahoo.com.cn