米糠油中不同抗氧化剂配比的RSM优化设计

2021-06-24黄军熊国锋

江西农业 2021年8期

黄军, 熊国锋

（1.江西省靖安粮食保障服务中心，江西靖安 330600；2.江西省粮食与物资储备局，江西南昌 330046）

米糠油是粮食加工过程中碾米副产物的油糠经压榨或溶剂浸出并通过油脂精炼得到的植物性油脂[1-2]，是WTO推荐的健康营养食用油，其中不饱和脂肪酸含量高到80%以上，谷维素和VE的含量也非常丰富，分别为1.0%～3.0%，41 mg/100 g～250 mg/100 g，还含有角鲨烯、活性脂肪酶及固形植物素等成分，这些活性物质可起到降血脂、防治心脑血管病的作用[3]。由于米糠油含有丰富的不饱和脂肪酸，和其他植物油一样，除非消除氧，否则在贮存过程中也会因氧化酸败而变质。目前油脂常用的抗氧化剂有BHT、TBHQ、BHA、PG、Vc棕榈酸酯等，单独使用时，往往效果较差，达不到最佳性能比，而复配抗氧化剂各种单体之间往往具有增效效应，使抗氧化功效更佳。

本文利用Schaal烘箱加速氧化法，以米糠油过氧化值（POV）和酸价（AV）首次超过GB2716相应规定值的时间为稳定值，研究不同BHT、TBHQ、BHA、PG、Vc棕榈酸酯及复配组合对米糠油贮藏稳定性的影响，以便为米糠油的实际生产及产品保质期的确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

米糠油（江西京创树脂有限公司）；TBHQ、PG（广东省食品工业研究所）；BHT、BHA（青岛恒瑞泰贸易有限公司）；Vc棕榈酸酯（北京国人逸康科技有限公司）；以上抗氧化剂均为市售食用级。邻苯二甲酸氢钾、氢氧化钾、五水硫代硫酸钠、重铬酸钾、丙酮、浓硫酸（96%）、氯仿、冰乙酸、乙醇、乙醚、碘化钾、酚酞指示剂（10 g/L）。

755B紫外可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）、MP2000电子天平（上海恒平科学仪器有限公司）；SKP-02.250电热恒温烘箱（黄石恒丰医疗器械有限公司）；BCD-208K/ANCJIN冰箱（青岛海尔股份有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 Schaal烘箱加速氧化法

1.2.2 不同组合的抗氧化剂筛选（试验样品制备）

(1)用以上方法按表1进行分组并添加不同抗氧化剂，对照空白组筛选出油脂抗氧化性能较好的三种抗氧化剂，编号为：X1、X2、X3。

(2)对筛选出三种油脂抗氧化剂X1、X2、X3进行复配组合，进行如下复配组筛选。

表1 抗氧化剂初步筛选试验分组

1.2.3 POV测定

参照GB/T5009.227—2016规定。

表2 抗氧化剂复配试验分组

1.2.4 AV测定

参照GB/T5009.229—2016规定。

为了减轻水浮力及节约投资，建设单位在与设计、监理单位协商后，把整幢建筑物提高了0.5 m。这样，浸没在地下水中的地下箱体也相应提升了0.5 m，使得水浮力得以大幅度降低。以下是两种方案在施工期间的抗浮对比。

1.2.5 平均稳定值计算

图1 60±1℃加速氧化各米糠油试验组POV及AV的变化

从图1可以看出，实验各组稳定值（POV首次超过19.7 meq/kg）和（AV首次超3 mgKOH/g）分别是Ⅰ组（21 d、18 d）、Ⅱ组（28 d、24 d）、Ⅲ组（32 d、29 d）、Ⅳ组（30 d、28 d）、Ⅴ组（29 d、28 d）、Ⅵ组（33 d、31 d），较Ⅰ组而言，其他各试验组可明显减缓POV、AV升高延长保质期，特别是各实验组中Ⅵ组、Ⅲ组、Ⅳ组明显对油脂起到抗氧化作用[10]且效果比Ⅴ组、Ⅱ组好，因此，从平均稳定值变化情况可以发现，综合分析抗氧化效果优劣为：Ⅵ组＞Ⅲ组＞Ⅳ组＞Ⅴ组＞Ⅱ组＞Ⅰ组，初步筛选出较优的三种油脂抗氧化剂分别为： VC棕榈酸酯（X1）、BHA （X2）、TBHQ（X3）。

1.2.6 数据处理

利用Design Expert 10.0.4及SAS软件对平均稳定值Y（d）实验数据进行多元回归拟合及方差分析。

2 结果与分析

2.1 抗氧化剂的初步筛选

图2 60±1℃加速氧化各复配组米糠油POV及AV的变化

图2可见，Ⅰ组（POV及AV初始值分别为0.8 meq/kg、0.92 mgKOH/g）氧化过程分成引发期和传递期两个阶段，引发期内，因米糠油含有的天然抗氧化剂VE和谷维素等天然抗氧化剂，起初能够有效抑制米糠油的氧化，所以POV变化平缓（＜18 d），随着VE和谷维素在加速氧化过程中会损失，米糠油氧化速度加快。进而引发氧化反应的不断进行，过氧化物不断增加，于是便进入传递期，特别是24 d后，各复配试验组POV迅速增大。原因为经过约24 d的引发期后进入传递期，油脂氧化分解而生成的醛类、酮类等，POV曲线随着时间的延长急剧上升。

2.2 不同氧化剂复配对米糠油POV及AV变化的影响

在POV方面，对比Ⅰ组，抗氧化剂能够显著减缓POV攀升，且随时间推移效果更明显，但不同的复配试验组对米糠油的抗氧化效果存在差异性，图2可见，抗氧化效果Ⅹ组＞Ⅷ组＞Ⅸ组＞Ⅶ组。加速氧化36 d，Ⅹ组米糠油POV仍然小于国标值，至少为Ⅰ组首次超过国标值时间的1.7倍。Ⅶ组、Ⅷ组、Ⅸ组样品分别于第24 d、30 d、30 d以后，POV变化速率增加，比Ⅰ组的21 d推迟很多，这三组样品POV不超过标准值的时间约在30～36d，比Ⅰ组明显延迟。原因为各种抗氧化剂添加在米糠油中释放出能与油脂氧化的游离基相结合的游离氢原子，阻止了氧化链式反应的传递，进而阻止氧化不断进行，故米糠油中产生的过氧化物较少，POV低。不同抗氧化剂其抗氧化效果不同，因此作用结果也就不同。

图2中，各复配组的AV前9 d变化缓慢，但随时间的延长均快速升高，15 d后Ⅰ组的AV升高最快，是由于空白对照组氧化分解比各复配试验组都快，随着时间的延长，产生大量的过氧化物，进而引发链式反应，过氧化物又分解成醛、酮、羟基脂肪酸类化合物不断积累，AV迅速升高，抗氧化剂的加入阻止了油脂氧化链式反应，Ⅹ组抗氧化效果强，产生的有机过氧化物分解的游离脂肪酸较少，故AV值低。故各复配组对抑制米糠油AV增大的效果依次为：Ⅹ组＞Ⅷ组＞Ⅸ组＞Ⅶ组，与上述对POV的减缓效果趋同。

2.3 不同氧化剂复配对米糠油贮存稳定性的效果评价

从图2分析，采用Schaal烘箱加速氧化法，各试验组的AV均比POV提前超过GB2716规定的指标值，原因为米糠油发生氧化性酸败外，还存在水解性酸败。以上复配试验组均能提高米糠油的稳定值，明显优于对照组，综合分析，Ⅹ组的抗氧化最佳，其稳定值为33～36 d是对照样品稳定值18～21 d的1.71～1.83倍， Ⅷ组的稳定度为27～36 d与Ⅴ组相接近，从可靠和性能上考虑，用Ⅹ组抗氧化剂更为理想。

2.4 RSM分析法对抗氧化剂复配组成的优化

2.4.1 RSM分析法因素水平及编码的建立

按Box-Benhnken的中心组合试验设计，综合2.2、2.3实验结果，选取VC棕榈酸酯、BHA和TBHQ对平均稳定值（编码为Y）3个自变量分别以X1、X2和X3代表，按照低、中、高实验水平分别以-1、0、1进行编码[12]，实验因素水平及编码如表3所示。

表3 RSM实验因素水平及编码

2.4.2 模型方程的建立与显著性检验

利用Design Expert 10.0.4工具，通过对表3中平均稳定值Y（d）数据进行拟合，获得Y对各自变量编码：Vc棕榈酸酯、BHA和TBHQ的二次多项回归方程：

由表4的数据，在SAS RESREG程序计算出回归方程中各系数，对平均稳定值Y的回归模型进行数学分析。

表4 RSM实验结果

由以上回归及显著性分析可知，模型的F=19.36，P＜0.0001,表明用以上方法建立的模型是显著的，该模型的失拟项显著（P＜0.0001），且R2=0.9614，实际值与预测值拟合较好，可以用于平均稳定值实验的理论预测。P＞F的值小于0.05说明模型因素是显著的，可见X1、X1X3和X2X3都发生显著的交互性。失拟值=262.50表明只有＜0.01%的发生概率使拟合不准。说明具体实验因子对响应值的影响并非简单的线性关系。

表5 回归模型及方差分析

2.4.3 RSM分析

为了使RSM分析结果表示出各因素之间的交互影响，在零水平上固定回归方程中的任意一个因素，建立各因素间的交互响应面及等高线。根据数学模型，采用Design Expert 10.0.4软件分析可直观了解各因素的交互作用对整个实验的影响是显著的。固定X3=0的条件下，Vc棕榈酸酯和BHA对平均稳定值的影响最大，因为，等高线的形状是交互效应强弱的表现，圆形表示因素间交互作用不显著，而椭圆形则相反。而固定X1=0时，随着BHA的增大，平均稳定度先增大后减小。固定X2=0时，显示Vc棕榈酸酯对平均稳定度的影响与BHA略有不同，随Vc棕榈酸酯的增大也不断增大。

2.4.4 结果验证

利用Design Expert 10.0.4软件对数据进一步分析，得出最佳复配比例：Vc棕榈酸酯为0.014%、BHA为0.011%、TBHQ为0.005%，在此条件下理论预测最大值为37.734 d，为了验证平均稳定值方程（响应面优化模型）的可靠性，并考虑操作的方便性，采用上述最优条件平行进行2组平行验证实验，在此条件下，米糠油的平均稳定值为38.0 d，与理论预测值误差为0.266 d，因此表明此模型是可靠的，具有实用价值。