基于响应面分析法优化冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸工艺

朱涵彬，李靓，郝修振，靳欣

河南牧业经济学院食品与生物工程学院（郑州 450046）

胡萝卜，是野胡萝卜的变种，也叫红芦菔、丁香萝卜、红萝卜，属伞形科，1年或2年生的草本植物，常被称为“小人参”，在中国种植广泛且价格低廉。所谓胡萝卜籽就是成熟胡萝卜的果实，胡萝卜籽具有很高的药用价值，记载于李时珍《本草纲目》中，是传统中药材，可祛痰、治疗哮喘和救治痢疾[1-3]。胡萝卜籽油颜色为淡黄色，带有略甜的味道。胡萝卜籽油中不饱和脂肪酸含量在90%以上，且构成比例比较合理。胡萝卜籽油中还含有较多的生理活性成分，其中最多的是胡萝卜醇[2-6]。胡萝卜籽作为油料资源，具有广阔的市场前景。胡萝卜籽油作为一种食用植物油具有极大的研究开发价值。

胡萝卜籽油主要作为香精油开发应用，将胡萝卜籽油作为食用油脂并对其综合开发和产业化的研究报道甚少。对于胡萝卜籽油的脱酸精炼工艺处于研究阶段，更多脱酸方法如酶催化酯化、超临界流体萃取、分子蒸馏、膜分离等的应用，尚需试验研究。

以冷榨胡萝卜籽油为原料，优化其碱炼脱酸工艺，可为冷榨胡萝卜籽油的脱酸精炼提供参考依据，对拓宽中国食用油资源、满足市场需求、减少中国对进口油料的依赖有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷榨胡萝卜籽油（毛油，江西金源有限公司）；氢氧化钠（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；酚酞（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；邻苯二甲酸氢钾（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）；乙醚（分析纯，洛阳市化学试剂厂）；异丙醇（分析纯，郑州派尼化学试剂厂）。FA2104电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；JHH-6水浴锅（常州金坛精达仪器制造有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 冷榨胡萝卜籽油的脱酸试验

准确称取160 g冷榨胡萝卜籽油于250 mL锥形瓶中，在恒温水浴锅中加热到设定温度后，将一定质量分数的碱液缓慢加入，边加入边搅拌，恒温一段时间后，停止搅拌，观察油皂分离的情况，当出现明显分离时，恒温静置。收集上层的脱酸油，并称重，测定脱酸油的酸价。根据测得的数据计算精炼率和碱炼脱酸率。

1.2.2 单因素试验

以冷榨胡萝卜籽油为原料，将精炼率和脱酸率作为评价指标，研究碱炼温度、碱炼时间、碱液质量分数3个因素对冷榨胡萝卜籽油精炼率和碱炼脱酸率的影响，对单一因素的各个水平进行单因素试验，做3次平行试验，取平均值。

1.2.2.1 碱炼温度的影响

设定碱炼时间60 min，碱液质量分数7%，分别在碱炼温度30，40，50，60，70和80 ℃下对冷榨胡萝卜籽油进行碱炼脱酸。

1.2.2.2 碱炼时间的影响

设定碱炼温度50 ℃，碱液质量分数7%，冷榨胡萝卜籽油分别碱炼脱酸15，30，45，60，75和90 min。

1.2.2.3 碱液质量分数的影响

设定碱炼温度70 ℃，碱炼时间60 min，分别加入碱液质量分数4%，7%，10%，13%，16%和19%的NaOH溶液进行碱炼脱酸。

1.2.3 响应面试验

根据单因素试验结果，按照国标GB 5009.229—2016进行数据处理[7]，运用Design-Expert 8.0软件，以冷榨胡萝卜籽油的碱炼脱酸率Y为响应值，以碱炼温度（A）、碱炼时间（B）和碱液质量分数（C）为变量，进行响应面试验[8-10]，优化冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸的工艺条件。

1.2.4 数据处理

冷榨胡萝卜籽油精炼率和碱炼脱酸率的计算如式（1）和式（2）所示。

式中：X为冷榨胡萝卜籽油精炼率，%；m1为冷榨胡萝卜籽脱酸油质量，g；m2为冷榨胡萝卜籽毛油质量，g。

式中：Y为冷榨胡萝卜籽油的碱炼脱酸率，%；a1为冷榨胡萝卜籽油毛油酸价，mg/g；a2为冷榨胡萝卜籽油脱酸油酸价，mg/g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 碱炼温度对精炼率和碱炼脱酸率的影响

由图1可知，冷榨胡萝卜籽油的精炼率随碱炼温度升高基本没有变化，而碱炼脱酸率则呈现先升高后下降趋势。碱炼温度30～70 ℃时，碱炼脱酸率随着碱炼温度升高始终增加，碱炼温度70 ℃时，碱炼脱酸率达到最高。碱炼温度继续升高，碱炼脱酸率反而降低。原因可能是随着碱炼温度升高，分子运动加剧，冷榨胡萝卜籽油中的脂肪酸与氢氧化钠溶液反应更彻底，但温度过高，可能会造成溶剂挥发，试剂浪费。所以，冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸温度选择70 ℃。

图1 碱炼温度对精炼率和碱炼脱酸率的影响

2.1.2 碱炼时间对精炼率和碱炼脱酸率的影响

由图2可知，冷榨胡萝卜籽油的精炼率随碱炼时间延长变化不大，而碱炼脱酸率则呈现先下降后升高又下降趋势。碱炼时间15～45 min时，碱炼脱酸率随碱炼时间延长而降低，但碱炼时间延长至60 min时，碱炼脱酸率急升至最高值，继续延长碱炼时间，虽然还有下降又上升趋势，但碱炼脱酸率也不能达到最高值。所以，冷榨胡萝卜籽油碱炼时间选择60 min。

图2 碱炼时间对精炼率和碱炼脱酸率的影响

2.1.3 碱液质量分数对精炼率和碱炼脱酸率的影响

由图3可知，冷榨胡萝卜籽油的精炼率随碱液质量分数增加变化不大，而碱炼脱酸率则呈现先升高后下降趋势。碱液质量分数低于13%时，碱炼脱酸率随着碱液质量分数增加始终上升，碱液质量分数13%时，碱炼脱酸率最高。继续增加碱液质量分数，碱炼脱酸率开始降低。原因有可能是在碱液质量分数较低的时候脱酸反应程度较低，碱液质量分数过高后，酸碱中和反应不彻底，导致碱炼脱酸率降低。所以，冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸用碱液质量分数选择13%。

图3 碱液质量分数对精炼率和碱炼脱酸率的影响

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面法试验设计与结果

由Box-Behnken试验设计原理，冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸工艺优化的响应面试验设计因素水平如表1所示，响应面试验设计方案结果如表2所示。

表1 响应面试验设计因素水平表

表2 响应面试验设计方案结果

2.2.2 响应面方差分析

根据冷榨胡萝卜籽油单因素试验结果，利用Design-Expert 8.0.6软件通过拟合的回归图形，得出冷榨胡萝卜籽油脱酸率Y有关于碱炼温度（A）、碱炼时间（B）、碱液质量分数（C）的多元回归方程和回归模型的方差分析，见表3。

提取率Y=82.99+0.89A-2.15B+1.79C+2.82AB+ 0.16AC+0.84BC-5.88A2-3.45B2+1.99C2。

由表3可以看出，回归方程中A、B、C对Y影响的显著性，从F值可以判定，模型中F=175.07，p＜ 0.001，极显著，失拟项p值为0.0699＞0.05，不显著，说明该模型选择正确，拟合程度好，这个回归模型的实际值与预测值可以较好地吻合，回归方程是有意义的。

由表3可知，一次项A、B、C，二次项AB、A2、B2、C2的p值均小于0.001，极显著，说明A、B、C、AB、A2、B2和C2均对碱炼脱酸率有极显著影响。二次项BC的p值小于0.01，高度显著，说明BC对碱炼脱酸率有高度显著的影响。二次项AC的p值为0.4993＞0.05，不显著，说明AC对碱炼脱酸率的影响不显著。

由表3可知，B的F值为182.60，为一次项A、B、C中F值最大的，所以碱炼时间对碱炼脱酸率的影响最大，而A的F值是31.66，为一次项A、B、C中F值最小，所以碱炼温度对碱炼脱酸率的影响最小，C的F值介于A和B两者之间，所以碱液质量分数对碱炼脱酸率的影响介于碱炼时间和碱炼温度之间，可以得出碱炼温度、碱炼时间和碱液质量分数3个试验因素对冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸率影响程度的大小顺序依次是B＞C＞A。

表3 回归模型的方差分析

2.2.3 二次交互作用的影响

通过Design-Expert 8.0.6软件对数据进行分析得出，碱炼时间、碱炼温度和碱液质量分数3个试验因素之间两两相互作用对冷榨胡萝卜籽油脱酸率的影响，如图4～图6所示。

根据图4可得，碱炼温度和碱炼时间的交互作用图形在底面的投影图呈椭圆形，说明两者的交互作用对碱炼脱酸率的影响极为显著。这与表3中二次项因素AB的p值结果一致，即碱炼温度和碱炼时间的交互作用对冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸率的影响较强。

图4 碱液质量分数13%时，碱炼温度与碱炼时间对脱酸率的影响

根据图5可得，碱炼温度与碱液质量分数的交互作用图形在底面的投影图没有呈现出明显的椭圆形，说明两者的交互作用对碱炼脱酸率的影响效果不显著。这与表3中的二次项因素AC的p值结果一致，即碱炼温度与碱液质量分数的交互作用对冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸率的影响较小。

图5 碱炼时间60 min时，碱炼温度与碱液质量分数对脱酸率的影响

根据图6可得，碱炼时间与碱液质量分数的交互作用的图形呈马鞍形，存在较强的交互作用，说明两者的交互作用对脱酸率的影响极为显著。这与表3中二次项因素BC的p值结果一致，即碱炼时间与碱液质量分数的交互作用对冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸率的影响较强。

图6 碱炼温度70 ℃时，碱炼时间与碱液质量分数对脱酸率的影响

2.2.4 最佳工艺检验

通过软件分析得到冷榨胡萝卜籽油碱炼脱酸工艺的最佳条件：碱炼温度70 ℃、碱炼时间57 min、碱液质量分数16%。在此条件下，冷榨胡萝卜籽油的碱炼脱酸率最高，脱酸率为86.91%。

经过3次平行试验，证明应用最佳碱炼脱酸工艺条件，实际冷榨胡萝卜籽油的脱酸率平均达到86.91%，与软件预测值一致，证明最佳工艺预测值准确。

3 结论

经单因素试验和响应面试验分析得出，对冷榨胡萝卜籽油的脱酸率影响最大的是碱炼时间，其次是碱液质量分数，最后是碱炼温度。碱炼温度70 ℃、碱炼时间57 min、碱液质量分数16%时，冷榨胡萝卜籽油的脱酸率最高，经过3次平行试验，应用最佳碱炼脱酸工艺条件进行试验，冷榨胡萝卜籽油的脱酸率可达86.91%，与软件预测值重合，证明最佳碱炼脱酸工艺预测值准确。