响应面优化冷榨胡萝卜籽油吸附脱色工艺

符胜男，朱涵彬，李 靓，郝修振

河南牧业经济学院 食品与生物工程学院 (郑州 450046)

胡萝卜，为伞形科草本植物，在我国分布面积辽阔，南北均有栽培[1]。胡萝卜含有大量营养物质，具有清热解毒等药用价值，常被称为“小人参”，其大量的生理活性成分，具有良好的保健功能[2]，在化痰止咳、消炎杀菌和美容养肤等医疗美容方面有很好的疗效[3]。胡萝卜籽油具有较浓的辛香和甜的辛辣味，油中不饱和脂肪酸含量丰富，且富含油酸和亚麻酸[4]，具有降低胆固醇、促进人体生长和提高免疫力等功效[5-6]，具有较高的医用价值。胡萝卜籽油不仅可以直接食用，还可以与其他油脂进行调配，改善其它油脂的质量[7]，是一种极具开发价值的食用油，拥有广阔的市场前景。

油脂脱色常用的吸附剂有活性炭、凹凸棒土和活性白土。活性白土表面有较大的孔隙度，吸附活性较高，且价格低廉，脱色效果理想[8-9]，本实验采用活性白土作为脱色剂对冷榨胡萝卜籽油进行吸附脱色，分析了活性白土添加量、脱色时间和脱色温度这3个因素对脱色率的影响，并采用响应面法优化了脱色工艺，为后续研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷榨胡萝卜籽油，购于江西金源有限公司；活性白土，纯度98.12%，上海麦克林生化科技有限公司；正己烷，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

FA224型分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HH-S型单列双孔电热恒温水浴锅，上海新苗医疗器械制造有限公司；BlueStarB型紫外、可见分光光度计，北京莱伯泰仪器股份有限公司；TDZ4-WS型离心机，上海卢湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1冷榨胡萝卜籽油的脱色工艺

准确称取50 g冷榨胡萝卜籽毛油，于250 mL锥形瓶中，在水浴锅里加热至一定温度后，保持恒温，加入一定量的活性白土，用玻璃棒不断进行搅拌。待活性白土发挥吸附作用后，停止搅拌，静置。用离心机以4 000 r/min的转速离心20 min，取出上层脱色后的冷榨胡萝卜籽油。待其降至室温后，测定脱色率[10-11]。

1.2.2单因素实验

1.2.2.1 不同活性白土添加量对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

在脱色温度70 ℃、脱色时间20 min条件下，分别加入油重1%、2%、3%、4%、5%、6%的活性白土，进行吸附脱色，考察不同活性白土添加量对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响。

1.2.2.2 不同脱色时间对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

在脱色温度70 ℃、活性白土添加量为油重3%的条件下，分别吸附脱色10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，考察不同脱色时间对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响。

1.2.2.3 不同脱色温度对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

在脱色时间20 min、活性白土添加量为油重3%的条件下，分别用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃的温度进行吸附脱色，考察不同脱色温度对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响。

1.2.3响应面实验

在单因素实验结果基础上，运用Design-Expert 8.0.6软件，设计Box-Behnken三因素三水平响应面优化实验。选择活性白土添加量、脱色时间、脱色温度作为响应因素，以冷榨胡萝卜籽油的脱色率Y为响应值，对冷榨胡萝卜籽油吸附脱色的工艺条件进行优化。响应面实验设计因素水平表，如表1所示。

表1 响应面实验设计因素水平表

1.2.4脱色率的计算

采用分光光度法检测油脂色泽的变化。以正己烷为溶剂和参比溶液，测定冷榨胡萝卜籽油在305 nm波长[12]处的吸光度值，脱色率计算公式如下。

式中：Y表示冷榨胡萝卜籽油的脱色率，%；a表示脱色前冷榨胡萝卜籽油的吸光度；b表示脱色后冷榨胡萝卜籽油的吸光度。

1.3 数据处理

单因素实验每个实验 3 次重复，数据以平均值显示，采用 Excel 软件进行数据分析处理并作图。响应面实验运用Design-Expert 8.0.6软件优化实验因素并作出平面等高线图和 3D 曲面图。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1不同活性白土添加量对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

由图1可见，冷榨胡萝卜籽油的脱色率整体呈上升趋势。当活性白土添加量小于油重的4%时，随着白土添加量的增加，脱色率增加得很快。当活性白土添加量为油重的4%时，脱色率达到最大，继续增加活性白土的添加量，脱色率增加缓慢。活性白土的用量并非越多越好，用量过高，导致油脂得率下降，造成油脂中白土味过重，影响油脂品质，且增加脱色成本。因此，综合脱色效果和脱色成本来看，活性白土最适添加量为油重的4%。

图1 活性白土添加量对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

2.1.2不同脱色时间对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

由图2可见，当脱色时间小于30 min时，冷榨胡萝卜籽油的脱色率随脱色时间的延长而增加，当脱色时间为30 min时，脱色率达到最大值。继续增加脱色时间，脱色率反而呈现下降趋势。这可能是由于脱色时间过短，达不到吸附过程的平衡状态，吸附剂活性白土不能完全发挥作用，而脱色时间过长，会使油脂中已经吸附除去的色素重新解析出来，导致油脂颜色加深，脱色率下降[13]。因此，冷榨胡萝卜籽油的最适脱色时间为30 min。

图2 脱色时间对冷榨胡萝卜籽油脱色率的影响

2.1.3不同脱色温度对冷榨胡萝卜籽油脱色效果的影响

由图3可见，当脱色温度小于60 ℃时，冷榨胡萝卜籽油的脱色率随脱色温度的升高而增加，当脱色温度为60 ℃时，脱色率达到最大值。脱色温度继续升高，脱色率反而逐渐减小。可能是由于脱色温度过低，脱色进行的不完全，导致脱色率较低，而脱色温度过高，油脂中的色素不能被活性白土有效地吸附，从而造成了色素的固定，使得油脂颜色加深，对油脂品质产生不良的影响[14]。因此，冷榨胡萝卜籽油的最适脱色温度为60 ℃。

图3 脱色温度对冷榨胡萝卜籽油脱色率的影响

2.2 响应面实验结果

2.2.1响应面实验设计与结果

运用Design-Expert 8.0.6软件，进行三因素三水平的响应面优化实验。响应面实验设计结果如表2所示。

表2 响应面实验设计结果表

由实验设计方案和结果数据分析，得到二次回归方程模型和响应面实验设计方差分析表3，如下：

脱色率Y=68.19+0.64A+0.33B+1.74C+2.500E-003AB+0.035AC-0.070BC-1.24A2-0.51B2-4.44C2

由表3可得，回归模型的P值小于0.001，极显著，失拟项P值为0.078 9大于0.05，差异不显著，说明回归模型可以拟合实际情况。实验模型的决定系数R2为0.972 5，说明97.25%的数据都可以用此回归方程解释。因此，可以采用该模型进行冷榨胡萝卜籽油脱色工艺的理论预测。

表3 响应面实验设计方差分析

由表3还可得，一次项C、二次项B2、C2的P值均小于0.001，极显著。一次项B的P值小于0.01，高度显著。通过响应面实验的方差分析结果可以得出，对冷榨胡萝卜籽油脱色率影响的大小顺序依次为：脱色温度>脱色时间>活性白土添加量。

2.2.2各因素交互作用的响应曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6软件，根据二次回归方程式分别作出各实验因素之间的交互作用平面等高线图和曲面图，见图4～图6。

图4 脱色时间和脱色温度交互作用对脱色率的影响

图5 脱色时间和活性白土添加量交互作用对脱色率的影响

图6 脱色温度和活性白土添加量交互作用对脱色率的影响

由图4～图6可见，影响冷榨胡萝卜籽油脱色率的实验因素大小顺序为：脱色温度>脱色时间>活性白土添加量。各实验因素之间交互作用均不显著，这与响应面实验方差分析结果一致，但是线性作用关系较强，对脱色率产生一定影响。

2.3 最佳工艺验证实验

参考回归模型通过软件分析，得出冷榨胡萝卜籽油吸附脱色的工艺参数，预测的最优条件为：活性白土添加量4.31%，脱色时间32.62 min，脱色温度61.94 ℃，理论最高脱色率为68.49%，根据实际情况对数据进行修正得到：活性白土添加量4%，脱色时间33 min，脱色温度62 ℃。为检验分析结果的可靠性，在实际条件下做 3 次平行验证实验，得到的实际平均脱色率为68.33%，相对误差0.2%，与模型预测结果相近，验证了回归模型的可靠性。

3 结论

本实验以活性白土作为脱色剂，对冷榨胡萝卜籽油进行吸附脱色。利用Box-Behnken响应面法对冷榨胡萝卜籽油脱色的工艺条件进行优化。经过分析得出，影响冷榨胡萝卜籽油脱色率的实验因素大小顺序为：脱色温度>脱色时间>活性白土添加量，冷榨胡萝卜籽油吸附脱色的最佳工艺条件为：活性白土添加量4%，脱色时间33 min，脱色温度62 ℃。此时冷榨胡萝卜籽油的脱色率为68.33%，与理论脱色率68.49%接近，脱色后的油脂澄清透亮，脱色效果良好。表明此工艺较为可靠，有一定的参考价值。