响应面法优化橄榄油饮液均质条件的研究

龚 丽，车振明

（西华大学生物工程学院，成都610039）

橄榄油在地中海沿岸国家已有几千年的历史，在西方被誉为“液体黄金”，“植物油皇后”，“地中海甘露”[1]，是可以直接食用的植物油。本研究所开发的橄榄油饮液是以橄榄油为原材料，辅以乳化稳定剂，运用均质技术制作而成的，同时该橄榄油饮液保留了橄榄油的防癌[2]、预防心血管疾病[3]及美容[4]等保健功效。本研究旨在研究橄榄油饮液中所用的均质技术对橄榄油饮液稳定性的影响。均质技术是运用高剪切力的作用使两种互不相容的液体均匀、稳定地分散成一种液体[5]，而橄榄油饮液的均质条件则对其乳化稳定系数的影响较大，直接影响产品的品质。因此，本研究以乳化稳定系数为指标，采用Box-Behnken设计模型[6-7]进行响应曲面设计，优化该橄榄油饮液的均质条件，以期为提高橄榄油饮液产品的稳定性研究提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

橄榄油 食品级，广元荣生源食品有限公司；蔗糖脂肪酸酯（SE，亲水亲油平衡值HLB=13） 食品级，乳化剂，杭州金鹤来食品添加剂有限公司；硬脂酰乳酸钠、硬脂酰乳酸钙、磷酸氢钙 食品级稳定剂，杭州金鹤来食品添加剂有限公司。

C25型高速剪切乳化均质机 上海恒川机械有限公司；800型离心机 上海化工机械厂；BS110S型电子天平 福州科锡仪器设备有限公司；UV-2600型紫外可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 橄榄油饮液制备工艺 将橄榄油与水按1∶9（V/V）混合，再加入0.9%（m/m）的蔗糖脂肪酸酯以及0.25%（m/m）混合稳定剂（硬脂酰乳酸钙与硬脂酰乳酸钠的质量比为1∶5），将各种原料搅拌均匀，再经均质和杀菌处理后，装罐即得成品，工艺流程如图1所示。

图1 橄榄油饮液的制备工艺流程图Fig.1 Flow-chart diagram of the preparation for olive oil drinking liquid

1.2.2 橄榄油饮液均质工艺单因素实验 以乳化稳定系数为指标，在均质转速为10000r/m in、均质时间为5m in条件下，分别考查均质温度为20、30、40、50、60℃时对橄榄油饮液乳化稳定系数的影响；同理在均质温度为50℃，均质转速为10000r/m in条件下，分别考查均质时间为6、8、10、12、14min时对橄榄油饮液乳化稳定系数的影响；在均质温度为50℃、均质时间为12min条件下，分别考查均质转速为10000、13000、16000r/m in时对橄榄油饮液乳化稳定系数的影响。

1.2.3 橄榄油饮液均质工艺最优参数的确定 在单因素实验的基础上，选取均质温度、均质时间以及均质转速进行3因素3水平响应面分析。实验设计水平及编码见表1。

表1 响应面实验因素水平表Table1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.4 乳化稳定系数的测定 测定橄榄油饮液离心前吸光度A1。将橄榄油饮液样品于3000r/m in下离心10m in，弃去上层油脂，取中层清液稀释100倍后，用分光光度计在210nm波长下，测定其吸光度A2。A2与A1的比值即为乳化稳定性系数R，R值越大（极限为1），悬浮粒子在饮液中沉降速度越小，饮料越稳定，保存性越好，同时说明配方中物料匹配合理，工艺可行。

2 结果与分析

2.1 橄榄油饮液均质工艺单因素实验

2.1.1 均质温度对橄榄油饮液均质效果的影响 由图2可知，随着均质温度的升高，橄榄油饮液的乳化稳定系数逐渐增大；这是因为适当的升温，减小了料液颗粒间的阻力，有利于颗粒间的混合乳化，所以乳化稳定性提升[8]。而当均质温度超过50℃时，乳化稳定系数呈现明显减小的趋势；根据斯托克斯公式，颗粒沉降速度与粘度成反比，粘度越小，沉降速度越大，即乳化液越容易分层。当温度过高时，乳化液粘度降低，影响乳化稳定性[8]。另一方面，随着温度升高，乳状颗粒运动加剧，相互碰撞的机会增加，被破坏的可能性增加，乳化稳定性则下降[9]。故当均质温度为50℃左右时，可获得较高的乳化稳定系数。

图2 均质温度对橄榄油饮液均质效果的影响Fig.2 The influence of homogeneous temperature on homogenizing effect of olive oil drinking liquid

2.1.2 均质时间对橄榄油饮液均质效果的影响 由图3可知，当均质时间在6～12m in时，随着均质时间的延长，乳化稳定系数呈明显增大的趋势；这是因为在一定的均质时间内，随着均质时间的增长，乳化液颗粒变小，油滴表面积增大，单位质量的油滴可以和更多的乳化剂接触，所以乳化稳定性显著提升[10]。当均质时间超过12m in后，继续延长乳化时间，乳化稳定性呈缓慢下降的趋势；这是因为当颗粒达到一定粘度，再延长均质时间，粘度也不会发生显著变化，即乳化稳定性不会再有提升，而只有耗能[8]。而另一方面，本实验由于采用高速的剪切来达到均质效果，所以随着均质时间的延长，料液温度会不断上升。当均质时间过长，温度过高（70℃左右）时，乳化液颗粒运动加剧，相互碰撞机会增加，被破坏的可能性增加，乳化稳定性也就随之降低[9]。故当均质时间达到12min左右时，可获得较高的乳化稳定系数。

图3 均质时间对橄榄油饮液均质效果的影响Fig.3 The influence of homogeneous time on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.1.3 均质转速对橄榄油饮液均质效果的影响[11]由图4可知，当均质转速在10000～13000r/m in时，随着均质转速的增大，乳化稳定系数呈增大的趋势，且当均质转速为13000r/m in时，乳化稳定系数达到最大值；这是因为在一定的均质转速范围内，随着转速的增大，乳状液颗粒变得更小。而乳状液颗粒的减小，会增大乳化液的粘度，提升乳化效率，从而使乳化液变得更加稳定[10]。而当均质转速在13000～16000r/m in时，随着均质转速的增大，乳化稳定系数呈缓慢减小的趋势，且下降幅度也较小。分析此现象，主要有两方面的原因：一是均质转速过大带来发泡问题。过多的气泡进入乳化液，使乳化液成为三相体系，这不仅影响乳化效率，同时使乳化液变得不稳定；二是过大的均质转速会带来均质后期乳化液温度过高，这同样会降低乳化稳定性。故当均质转速为13000r/m in左右时，可获得较高的乳化稳定系数。

图4 均质转速对橄榄油饮液均质效果的影响Fig.4 The influence of homogeneous speed on homogenizing effectof olive oil drinking liquid

2.2 响应曲面法优化橄榄油饮液均质工艺条件

2.2.1 响应面实验设计及结果[12-13]在综合分析单因素实验的基础上，根据Box-Behnken[10]中心组合实验设计原理，选取均质温度、均质时间、均质转速设计了3因素3水平的响应面分析实验。实验结果见表2。

表2 Box-Behnken实验设计及结果Table2 Design and results of Box-Behnken

利用Design Expert 7.0软件，以均质时间（A）、均值温度（B）、均质转速（C）为相应变量，以乳化稳定系数为响应值对表2的数据进行处理，得到表3回归方程方差分析表，利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合，得到预测模型如下：Y=98.62-0.49A+0.41B+0.28C+0.16AB+0.010AC+1.26BC+0.45A2-1.06B2-2.19C2。

表3 回归方程方差分析表Table3 Analysis results of regression and variance

从表3可知，实验所选用模型p值为0.0022，显著（p＜0.05）。R2越接近1，说明模型越能预测其响应值，此模型的决定系数R2=0.9350；变异系数越高，模型的可靠性越低，此模型变异系数C.V.%=0.62较低。综上，该模型能很好地解释响应面的变化。

由F值可知各因素对橄榄油饮液乳化稳定系数的影响程度大小顺序为：均质时间＞均质温度＞均质转速。二次项B2（均质温度）、C2（均质转速）对响应值的影响极显著（p＜0.01），交互项BC（均质温度和均质转速）的影响极显著（p＜0.01）。

2.2.2 各因素之间的交互作用 图5显示当均质转速为16000r/min时，均质时间和均质温度对乳化稳定系数的影响效应。由图5可知，均质时间和均质温度对乳化稳定性的影响效应的交互效应不显著。当均质时间一定时，随着均质温度的增加，乳化稳定性先上升后下降；当均质温度一定时，随着均质时间的延长，乳化稳定性呈缓慢下降后缓慢上升的趋势。

图5 均质时间与均质温度对乳化稳定系数影响的响应面图Fig.5 Response surface of homogeneous time and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

图6显示当均质温度为50℃时，均质时间和均质转速对乳化稳定性的影响效应。由图6可知，均质时间和均质转速对乳化稳定性的影响效应的交互效应不显著，均质时间对乳化稳定性影响不大，在图中表现为一条平滑的下凹曲线。而均质转速对乳化稳定性的影响较为显著，图中曲线先上升后下降，且弯曲幅度较大。

图6 均质时间与均质转速对乳化稳定性影响的响应面图Fig.6 Response surface of homogeneous time and homogeneous speed on the emulsion stability coefficient

图7显示当均质时间为12m in时，均质温度和均质转速对乳化稳定性的影响效应。由图7可知，均质温度和均质转速对乳化稳定性的影响效应的交互效应显著。均质转速的影响表现为一条先平稳上升后急速下降的曲线。而均质温度对乳化稳定性的影响为先上升后下降。

图7 均质转速与均质温度对乳化稳定性影响的响应面图Fig.7 Response surface of homogeneous speed and homogeneous temperature on the emulsion stability coefficient

2.2.3 验证实验 为进一步确定橄榄油饮液最佳均质工艺参数，对所得方程进行逐步回归，可得最优工艺参数：均质时间11.00min，均质温度50.91℃，均质转速16342.42r/m in。在此工艺参数下，乳化稳定性理论值可达99.60%。

为检验响应面法所得结果的可靠性，采用上述优化均质工艺参数进行橄榄油的乳化，考虑到实验条件的限制和实际操作的便利，将均质工艺参数修正为：均质时间11min，均质温度51℃，均质转速16000r/m in，在此条件下重复实验3次，得实际乳化稳定性平均值为98.56%，与理论预测值相比，其相对误差为1.04%。说明基于响应面法所得的优化均质工艺参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

通过单因素实验及响应面实验对提取工艺进行优化，拟合均质时间、均值温度、均质转速对提高橄榄油饮液乳化稳定性[14]的回归模型，经检验证明该实验设计合理可靠，能较好地预测橄榄油饮液的乳化稳定系数。因素的主效应关系为：均质时间＞均质温度＞均质转速；最优工艺条件为：均质时间11m in，均质温度51℃，均质转速16000r/m in。在此条件下得实际乳化稳定系数平均值为98.56%。

[1]李勇.橄榄油—食用油中的多面手[J].中国食品，2011，20：74-75.

[2]白满英，张金诚，崔育京.橄榄油的开发应用[J].粮油食品科技，2003，11（2）：1-2.

[3]王卫斌.橄榄油的保健与疾病预防功效研究[J].林业调查规划，2008，33（6）：40-42.

[4]于长春.橄榄油的化学组成及对人体的营养价值[J].食品科技，2000（2）：58-60.

[5]夏福生.蜂蜜的乳化特性及乳化蜂蜜的工艺研究[D].合肥：合肥工业大学，2004：18-32.

[6]Raymond HMyers.Response SurfaceMethodlogy[M].America：Wiley，2009：1-704.

[7]慕运动.相应面方法及其在食品工业中的应用[J].郑州工程学院学报，2001，22（3）：92.

[8]赵欣.乳化条件对大豆粉末油脂乳化稳定性的影响[J].大豆科学，2005，24（3）：236-239.

[9]郭兴凤，阮诗丰.影响大豆分离蛋白乳化稳定性测定的几种因素研究[J].食品研究与开发，2006，27（6）：59-61.

[10]BOXG E P，BEHNKEN DW.Some new three level designs for the study of quantitative variables[J].Technometrics，1960（2）：455-475.

[11]郭延娜，吴菊清，周光宏.匀浆机转速、pH和肌原纤维蛋白质浓度对肌原纤维蛋白质乳化特性的影响[J].江苏农业学报，2010，26（6）：1371-1377.

[12]GUPTA S，MANOHAR C S.An improved response surface method for the determination of failure probability and importance measures[J].Structural Safety，2004，26：123-139.

[13]毛婷，董静，龚丽，等.响应曲面法优化微波辅助萃取橙皮精油的工艺研究[J].现代食品科技，2011，27（1）：84-86.

[14]吴怡海.胡萝卜、杏复合汁饮料加工工艺及悬浮稳定性研究[D].雅安：四川农业大学，2006.