均匀设计法优化菊芋澄清液活性炭脱色研究

刘才子 康优 高阳 赵倩倩 王勇

(吉林省农业科学院农产品加工研究所，吉林 长春 130033)

菊芋(Helianthus tuberosusL.)为菊科向日葵属宿根生草本植物，又名洋姜、鬼子姜、姜不辣[1]，菊粉(菊糖)是菊芋块茎中的主要成分，菊粉属于非消化型糖类[2]，其糖苷键是不能被人体肠道酶消化的，食用菊粉不会影响血糖水平和刺激胰岛素的分泌[3]。原卫生部2009年批准菊粉为新资源食品(现为新食品原料)，来源为菊苣根，2012年又增加了菊芋为菊粉的原料[4]，为菊芋的应用和产品开发提供了新的途径。

菊粉的提取通常分3步：热水浸提，进一步纯化，喷雾干燥。菊粉提取液中含有色素物质，包括酚类物质、焦糖化色素、类黑色素以及糖降解色素等[5]，因此必须进行脱色处理。菊芋提取液的脱色方法有活性炭脱色法[6-8]、过氧化氢法脱色法[9]、树脂脱色法[10]、聚乙烯亚胺脱色法[11]等，从原材料、生产工艺、结构、规模化生产和应用等方面比较，活性炭都具有较大的优势[12]。

本研究以菊芋为原料制备出澄清汁，通过糖液专用活性炭对其进行脱色处理，在单因素试验的基础上，采用均匀试验设计进行优化，得出了最优工艺参数，为后续的菊芋加工与产品开发提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器设备

1.1.1 材料

菊芋：吉林省农业科学院改良品种“菊芋9号”。活性炭：303糖液脱色专用活性炭，平顶山市绿之原活性炭有限公司。微孔滤膜：孔径0.45μm，水系MCE，群安实验仪器有限公司。

1.1.2 仪器与设备

恒温水浴锅：BHS-6，群安实验仪器有限公司；砂芯真空过滤装置：2000mL，群安实验仪器有限公司；切丁机：ZW-800，北京志伟兴业机械有限公司；胶体磨：JM-L65，温州百力仕龙野轻工设备有限公司；平板离心机：PSB200，苏州巴拓离心机制造有限公司；管式离心机：GQ/F45-N型，辽宁富一机械有限公司；数显糖度计：SW-55D，广州市速为电子科技有限公司；便携式色度仪：SD-2，深圳市源恒通科技有限公司；分光光度计：721型，天津市泰斯特分析仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 菊芋澄清液的制备

将鲜菊芋去泥沙后浸泡清洗干净，投入切丁机切成3mm的小块，把菊芋块投入胶体磨，加入10倍的无菌水，反复2～3次，用平板离心机和管式离心机分别进行离心处理，得到澄清的菊芋液[13]。

1.2.2 菊芋澄清液的脱色

用200mL烧杯量取100mL去离子水，加入适量的活性炭，放入水浴锅中，搅拌混合。待一定时间后取出，迅速倒入砂芯真空过滤器，经0.45μm滤膜过滤后，将接收瓶中的过滤液倒入烧杯，冷却至室温后测量。

1.2.3 色度的测定

将色度仪用零色度溶液和配制好的标准50度、250度和500度的铂-钴溶液校正，将待测液倒入比色皿并置于测量池中，盖上滑盖，开始测定，待数值稳定后记录。

1.2.4 透光率的测定

对菊芋澄清液进行可见光谱全波长扫描，确定澄清液的最大吸收波长440nm作为最佳吸收波长[14]。

1.2.5 单因素试验设计

菊芋澄清液的颜色为浅黄色，直接喷雾干燥制备的菊粉色泽偏黄，必须进行脱色处理。为了获得理想的效果，确定活性炭的添加量、脱色温度、脱色时间和pH值4个因素进行单因素试验，具体见表1。

表1 单因素试验设计

1.2.6 均匀试验设计

在多次单因素试验的基础上，按表2、表3采用均匀试验设计方法进行U*7(74)试验[15]，对各单因素条件进一步优化，获得色度值最低的配方。

表2 U*7(74)因素水平表

表3 U*7(74)试验方案

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 活性炭添加量的单因素分析

固定活性炭的脱色温度为80℃，脱色时间10min，溶液pH4.0，以色度值为主要指标，以透光率值为辅助指标，做活性炭添加量对脱色效果影响的单因素试验，见图1。

图1 不同活性炭添加量溶液色度和透光率的变化

从图1可知，随着活性炭添加量的增加，溶液的色度值迅速下降，当活性炭的添加量为0.1%和0.3%时，色度值降低的速度非常快，当活性炭的添加量为0.5%～1.1%时，色度值变化趋于平缓，在0.7%的时候有最低色度值，超过0.7%以后又微有上升。根据透光率曲线也能看到，在0.1%添加量的时候，透光率迅速上升，0.3%～1.1%趋于平缓，在0.7%的时候有最大值，然后又微微下降。

添加量是影响活性炭液相吸附性能的一个重要因素，增大活性炭的添加量有助于增加吸附活性位，提高吸附效果，但是也会增加吸附过程中的吸附阻力[16]，另外也会造成糖类的吸附损失。从图2可知，当活性炭的添加量达到0.5%及以上时，脱色液的糖度值有下降。综合考虑，在达到较好脱色效果的前提下，活性炭添加量以最少添加为宜，故活性炭选择0.3%的添加量为单因素最佳。

图2 不同活性炭添加量溶液糖度的变化

2.1.2 活性炭脱色温度的单因素分析

固定活性炭的添加量为0.3%，脱色时间10min，溶液pH4.0，以色度值为主要指标，以透光率值为辅助指标，做温度对脱色效果影响的单因素试验，见图3。

图3 不同脱色温度溶液色度和透光率的变化

从图3可知，随着脱色温度的上升，溶液的色度逐渐降低，在80℃时达到最低点，温度继续升高，色度值微有上升。同时溶液的透光率也逐渐上升，在80℃时达到最大，继续升高温度，透光率又开始下降。因此，确定脱色温度80℃为单因素最佳。

2.1.3 活性炭脱色时间的单因素分析

固定活性炭的添加量为0.3%，脱色温度80℃，溶液pH 4.0，以色度值为主要指标，以透光率值为辅助指标，做时间对脱色效果影响的单因素试验，见图4。

图4 不同脱色时间溶液色度和透光率的变化

从图4可知，初始10min溶液的色度即有大幅度的下降，透光率也明显上升。随着脱色时间的延长，溶液的色度在20min处稍稍上升，随后逐渐降低，同时溶液的透光率在10min也处于较高数值，随着时间的延长，微有上下波动，但幅度不大。因此，确定脱色时间10min为单因素最佳。

2.1.4 活性炭脱色pH值的单因素分析

固定活性炭的添加量为0.3%，脱色温度80℃，脱色时间10min，以色度值为主要指标，以透光率值为辅助指标，做pH值对脱色效果影响的单因素试验，见图5。

图5 不同pH值溶液色度和透光率的变化

从图5可知，随着pH值的增大，脱色液的色度值也逐渐增大，透光率逐渐降低，二者都随着pH值的增大呈现递增或递减的单向变化规律，在pH值3.0和4.0这2个点脱色的效果较好。

研究表明，酸性环境能够明显诱导菊粉的水解，酸度越低，水解速率越快，菊粉的化学性质越不稳定，在pH≤3时，0.3%不同聚合度的菊粉溶液能够发生完全水解。当pH为3时,90℃的水解速率常数是50℃时的23.31倍，当pH为4时，90℃的水解速率常数仅为50℃时的1.51倍，高温和低pH值均对菊粉的水解速率常数影响很大[17]。

试验测量了pH值3.0时和pH值4.0时脱色液的糖度值，见图6。pH值3.0时的糖度值仅为4.0时的83.3%，可见pH 3.0并不适合脱色工艺，菊芋澄清汁的pH值约为4.0左右，并不需要再额外调整酸碱度，也方便后续的处理，因此选择pH值4.0为最佳参数。

图6 pH值3.0和pH值4.0时溶液的糖度

2.2 均匀试验结果与分析

2.2.1 一次均匀试验结果与分析

影响活性炭吸附作用的因素很多，在工业生产中最重要的因素为温度和时间。活性炭脱色，温度一般保持在80℃，在此温度下，糖液的黏度较低，易于渗入炭的多孔组织，内部能较快地达到吸附的平衡状态。吸附过程是瞬时完成的，但因为糖液具有黏度，并且炭的用量很少，达到吸附平衡需要一定的时间。炭的用量和达到吸附平衡的时间成反比，用量多，时间可缩短，但也需要注意一个问题，即用炭量增加，单位质量炭的脱色效率降低[18]。

基于以上单因素试验和分析，确定以活性炭添加量(0.3%)、脱色温度(80℃)、脱色时间(10min)这3个因素进行下一步的均匀试验设计。

试验选取了3个主要因素，根据D值选择试验设计方案。试验同时测定了各个组合的色度值和透光率，具体结果见表4。从表4中可以看出，2号组合的色度值最低，并且透光率最高，结果最好。

表4 U*7(74)试验方案与结果

2.2.2 二次均匀试验结果与分析

试验围绕第1次均匀试验最优结果各参数附近，继续调整各因素的水平，进一步缩小取值区间，进行第2次均匀试验设计，以优化参数，具体见表5～7。

表5 U*7(74)因素水平表

表6 U*7(74)试验方案

从表7结果可以看出，4号样色度值最低，其透光率也较高，从2次均匀试验的结果看，参数也较为一致，波动不大，因此确定4号样的水平数值为最优。

表7 U*7(74)试验方案与结果

在很多试验中，如果试验目的只是寻找一个较优的工艺条件，而又缺乏计算工具或计算结果不显著，可以采用直观分析法，即从已做的试验点中挑一个试验指标最好的试验点，大量实践证明其是十分有效的方法。需要说明的是，因为试验量较大，前后时间较长，菊芋原料处理、存放及澄清汁的制备涉及多批次，导致单因素与均匀试验测定数值范围微有不同，但规律及结论是一致的。

表7中4号样为均匀设计的最优参数组合(添加量0.40%，温度76℃，时间11min)，表4中4号样为单因素最优参数组合(添加量0.30%，温度80℃，时间10min)，将2个组合进行比较，均匀试验选出的最优水平具有明显的优势，其色度值为46.3，远远小于单因素的113.9；测量的透光率为90.7，也高于单因素的86.8。

3 结论

以菊芋为原料制备菊芋澄清汁，研究其使用活性炭进行脱色的效果，在单因素试验的基础上，采用均匀设计方法优化参数。确定了活性炭脱色的最优参数为活性炭添加量为0.40%，温度76℃，时间11.0min，pH值4.0，在这个组合参数条件下，溶液的色度值最低，脱色效果最好。研究为工业化加工菊芋，开展菊粉的生产提供了参考。