稻米油分子蒸馏脱酸工艺优化

姜绍通，牛春祥，庞 敏，孛瑞超

稻米油分子蒸馏脱酸工艺优化

姜绍通，牛春祥，庞 敏，孛瑞超

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽省农产品精深加工重点实验室，安徽 合肥 230009)

采用分子蒸馏技术进行稻米油脱酸研究。在单因素试验的基础上进行Box-Behnken响应曲面试验设计，重点考察温度、转速和进料速度对酸值的影响，得到分子蒸馏脱酸最佳操作条件及二次响应面模型，最佳工艺条件为温度208℃、转速183r/min、进料速度2.05mL/min，此时所得酸值为1.01mg/g KOH。

稻米油；分子蒸馏；脱酸；响应曲面法

稻米油(俗称米糠油)是稻米米糠深加工的主要产品，其甘油三酯中脂肪酸组成约为40%～50%的油酸和30%～40%的亚油酸[1]。约含2%～3%谷维素以及丰富的植物甾醇成分，具有阻止体内胆固醇合成、降低血清胆固醇浓度、调节内分泌等功能[2-4]。稻米油以其富含的人体必需脂肪酸、谷维素、植物甾醇、VE等纯天然活性成分含量，营养价值超过豆油、菜籽油等，成为继葵花籽油、玉米胚芽油之后又一新型营养健康油，近年来得到国内外消费者的青睐。

稻米油在生产过程中由于米糠中脂肪酶活性高，导致毛油酸值较高。传统稻米油的脱酸工艺采用碱炼脱酸法或普通物理精炼法，碱炼脱酸工艺酸碱消耗大、污染大，且成品油中谷维素及VE等活性物质损失严重[5-9]，失去了稻米油特色营养价值，已逐步被淘汰；普通物理精炼法通常采用间歇式高温长时间水蒸气蒸馏方法，能耗高、排污大[10-12]，同时成品油品质大大降低，使得脱酸工艺仍是稻米油精炼过程中最重要的环节。分子蒸馏是近年来应用于油脂脱酸工艺的一种新型清洁生产技术，其分离作用是根据不同种类液体分子受热从液面逸出后，在气相中其运动自由程不同这一性质来实现的。分子蒸馏是一种非平衡态下的非常规蒸馏，尤其是在油脂脱酸工艺上具有受热时间短、对脂肪酸和原油破坏小以及脱出的脂肪酸纯度、收率高等其他脱酸方法无可比拟的优势，近年来得到了广泛的开发与使用，王宝刚[13]利用分子蒸馏对蚕蛹油进行了脱酸研究，取得了很好的效果；马传国[14]对花椒籽油进行分子蒸馏脱酸研究，酸值达到4mg/g KOH以下。此外，分子蒸馏在国内外也已被广泛应用于高附加值的VE、神经酸等的精制工艺中[15-17]。

本实验采用分子蒸馏法进行稻米油脱酸工艺研究，旨在为稻米油的脱酸提供一种环保高效的新技术。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

毛稻米油(酸值为30.95mg/g KOH)由合肥金润米业有限公司提供，为正己烷浸出毛油。

95%乙醇、无水乙醚、氢氧化钾均为分析纯；10g/L酚酞指示剂溶液(由95%乙醇配制)；液氮 中国科技大学超低温冷冻实验室提供；蒸馏水。

分子蒸馏仪(图1) 德国UIC gmbh公司。

图1 分子蒸馏仪示意图Fig.1 Schematic diagram of molecular distillation device

1.2 方法

1.2.1 稻米油脱酸

采用上述分子蒸馏仪进行脱酸实验。首先在原料罐中加入原料油，然后进行抽真空，待达到预设压力后，进行温度、转速和进料速度等设定，进行实验。每次实验收集50～60mL重相以进行下一步检测。分子蒸馏后得到重相和轻相两部分，重相为脱除游离脂肪酸的油脂，轻相为脱出来的游离脂肪酸。取重相进行酸值测定。

1.2.2 酸值的测定

参照GB/T 5530—2005《动植物油脂：酸值和酸度测定》进行。

1.2.3 分子蒸馏脱酸工艺优化设计

1.2.3.1 单因素试验

在分子蒸馏转速200r/min、进料速度2.5mL/min和压力1.0×10-7MPa条件下进行不同温度(120、150、180、210℃)的分子蒸馏实验；在分子蒸馏温度165℃、进料速度2.5mL/min和压力1.0×10-7MPa条件下分别进行不同转速(150、180、210、240r/min)的分子蒸馏实验；在分子蒸馏温度165℃、分子蒸馏转速200r/min和压力1.0×10-7MPa条件下分别进行不同进料速度(2、3、4、5mL/min)的分子蒸馏实验。通过上述单因素试验确定后继响应面试验的因素和水平。

1.2.3.2 Box-Behnken试验设计

在单因素试验基础上，选择合适的因素水平进行响应面试验设计。响应面分析法采用多元二次回归方差拟合因素与响应面之间的函数关系通过回归方程分析寻找最佳的工艺参数。根据Box-Behnken试验设计原理，综合单因素影响稻米油酸值的试验结果分析，选取对酸值有较显著影响的3个因素即温度、转率、进料速度，在单因素试验的基础上设计3因素3水平响应面分析试验的方案。

试验因素与水平设计见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平表Table 1 Factors and their levels used in Box-Behnken experimental design

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 蒸馏温度对酸值的影响

图2 分子蒸馏温度对酸值的影响Fig.2 Effect of distillation temperature on the acid value of rice bran oil

由图2可知，在不同温度的分子蒸馏条件下，稻米油的酸值随蒸馏温度的升高而降低，这是由于蒸发速度随温度的上升而上升，稻米油中游离脂肪酸蒸发量增加，导致稻米油酸值降低。由于温度过高会对油的品质(色泽、稠度、VE等)产生影响，综合考虑选择165℃作为后续实验分子蒸馏温度的考察水平。

2.1.2 分子蒸馏转速对酸值的影响

由图3可知，酸值随转速的加快而降低，在180r/min前酸值随转速加快而迅速降低，180r/min后酸值随转速加快降低减缓。原因是在180r/min前，转速越快，刮膜器转速也越快，稻米油在蒸发面分布的越均匀，有利于蒸发，而180r/min后稻米油分布均匀程度基本达到饱和，所以酸值下降减缓。综合考虑选择200r/min作为后续实验转速的考察水平。

图3 分子蒸馏转速对酸值的影响Fig.3 Effect of rotation speed on the acid value of rice bran oil

2.1.3 进料速度对酸值的影响

图4 进料速度对酸值的影响Fig.4 Effect of dripping speed on the acid value of rice bran oil

由图4可知，进料速度越快酸值越大，进料速度越快，物料在蒸发面上分布越不均匀，从而导致蒸发速度降低，使得游离脂肪酸的蒸发量少，而进料速度越慢，工作时间越长，物料浪费大，以单因素试验及前人实验[13-17]综合考虑选择2mL/min作为分子蒸馏脱酸进料速度的考察水平。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 回归模型的建立

表2 Box-Behnken试验设计与结果Table 2 Box-Behnken experimental design arrangement and corresponding results

根据响应面分析软件提供的模型，设温度、转速和进料速度三因素为自变量，以3次试验所得酸值的平均值为响应值。响应面分析试验设计与结果见表2。

利用Design-Expert 8.0统计软件通过逐步回归对表2实验数据进行回归拟合，得到的酸值对以上3个因素的二次多项回归模型为：

2.2.2 酸值响应曲面二次回归方程模型方差分析

表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

由该模型的方差分析表3可见：模型具有显著性，失拟项不显著以及RSN＝73.342远大于4和R2Adj＝0.9958，可知回归方程拟合度和可信度均很高，实验误差较小，故可用此模型对分子蒸馏脱酸的工艺结果进行分析和预测。

2.2.3 响应曲面分析与优化

图5 各两因素交互作用对酸值影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of three factors on the acid value of rice bran oil

根据二次回归方程作响应曲面图，考察所拟合的响应面的形状，分析温度、转速和进料速度对酸值的影响。响应面和等高线如图5所示，由图5a可知，酸值随着温度和转速的增加而降低，与单因素试验结论相符；由图5b和图7c可知，酸值随着温度和进料速度、转速和进料速度的增加均降低，温度和转速对酸值的影响与前面单因素试验结论相符，由表3方差分析表可知温度和转速对酸值的影响大，因此酸值的变化趋势主要由温度和转速决定，进料速度的影响作用小，直观上其影响作用被温度和转速对酸值影响所覆盖。由图5及表3可知：模型的一次项温度x1、转速x2和进料速度x3都显著；交互项也都极显著；二次项温度x12、进料速度x32都极显著，转速x22不显著，表明各影响因素对分子蒸馏脱酸后的酸值影响不是简单线性关系。

根据国标GB 19112—2003《米糠油》，三级油酸值达到1mg/g KOH，由此模型得到最佳的工艺参数为温度208℃、转速183r/min、进料速度2.05mL/min，此时理论预测值酸值为1.00mg/g KOH。

为检测该模型的可靠性，对最佳工艺参数进行验证实验，3次平行实验实际测得的平均酸值为1.01(mg/g KOH)，与理论预测值相比，其相对误差为1%。因此，基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠，具有实用价值。

3 结 论

以响应曲面法对稻米油进行分子蒸馏脱酸工艺优化。首先，以单因素温度、转速、进料速度考察其对脱酸效果的影响；在此基础上，采用响应曲面法对影响分子蒸馏脱酸效果的温度、转速和进料速度等因素进行优化，得到二次响应曲面模型和最佳工艺参数为温度208℃、转速183r/min、进料速度2.05mL/min，此时酸值为1.01mg/g KOH，并对此模型进行了验证，证明其有效。

本实验为高酸值稻米油脱酸炼制工艺提供参考，并且为分子蒸馏工艺应用于其他油脂的脱酸精炼提供了参考。

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Optimization of Deacidification of Rice Bran Oil by Molecular Distillation

JIANG Shao-tong，NIU Chun-xiang，PANG Min，BO Rui-chao
(Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The deacidification of rice bran oil was studied using molecular distillation. Based on one-factor-at-a-time experiments, Box-Behnken experimental design and response surface methodology were applied to investigate the effects of temperature, rotation speed and dripping speed on the acid value of rice bran oil. A quadratic regression model was built. The optimal molecular distillation conditions were determined as 208 ℃ of distillation temperature, 183 r/min of rotation speed and 2.05 mL/min of dripping speed. After treatment under these conditions, the acid value of rice bran oil was 1.01 mg/g KOH.

rice bran oil；molecular distillation；deacidification；response surface methodology

TS224.6

A

1002-6630(2012)18-0001-05

2011-07-05

“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD02B02)；国家农业成果转化基金项目(2011KJNZ1148)；安徽省自然科学基金项目(11040604Q34)

姜绍通(1954—)，男，教授，博士，研究方向为食品科学。E-mail：jiangshaotong@yahoo.com.cn