响应面法优化鸭油超声波提取工艺

宁俊丽1,龙霞1,黄先智2,丁晓雯1*

1(西南大学 食品科学学院,重庆市农产品加工重点实验室,重庆,400716) 2(西南大学科技处,重庆,400716)

摘 要探讨鸭油提取的最优方法和条件,为生产出符合国家标准要求的鸭油提供参考。方法:用鸭脂肪组织为实验材料,研究超声波提取鸭油的工艺条件并用响应面法进行优化。结果表明,在实验条件下,超声波提取鸭油的最佳条件:鸭脂肪50 g,液料比5∶1(mL∶g),功率360 W,温度30 ℃,提取时间43 min,出油率达到(86.83±0.40)%, 所得鸭油的酸价为(1.25±0.03)mg/g,过氧化值为(0.11±0.05)g/100 g,符合国家相关标准规定。结论:超声波法处理鸭脂肪不仅出油率高,而且所得鸭油的色泽好,酸价、过氧化值符合相关标准的要求。

关键词鸭油;提取;超声波

近年来,肉鸭的饲养量在我国得到了极大的发展。据有关报道,我国商品肉鸭出栏量33亿只,占世界总出栏量的80%以上,是世界最大的肉鸭养殖国[1]。肉鸭的大部分脂肪组织连带有蛋白质和水,因此需要进行油脂提取[2]。鸭油胆固醇含量较低,单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸的含量高且比例较好,接近维持人类健康的理想值,是一种有待于开发的良好油脂[3-4]。现阶段动物油脂常用的提取方法主要包括干法熬制、湿法熬制、超声提取法[5-7]等。不同的提取方法,出油率不同,对油脂的酸价、过氧化值也有较大影响[8-10]。目前,在禽类油脂中,对鹅油、鸡油的提取工艺研究较多,如李朝阳等[11]采用单因素及响应面法研究超声提取狮白鹅腹部脂肪的工艺,得到最佳工艺参数为液料比 6.3∶1(mL∶g)、超声功率299 W、提取温度 26.4 ℃、提取时间 24.5 min,得到的最大提取率为(90.21±0.13)%。但对鸭油提取工艺的研究报道较少,限制了鸭油的加工利用。

本实验室前期研究发现,干法、湿法熬制处理鸭脂肪,不仅出油率较低,而且所得鸭油的酸价、过氧化值均超过国家相关标准的限量值,表明干法、湿法不适合鸭油的提取。因此,本实验以鸭体内脂肪为实验材料,研究了超声波提取法处理对出油率、鸭油酸价、过氧化值的影响,并用响应面法优化提取条件,以期为生产出优质鸭油提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸭脂肪组织,重庆市梁平谢鸭子食品有限公司提供;石油醚、乙醚、异丙醇、三氯甲烷、冰乙酸均为分析纯,购自重庆川东化工有限公司。

1.2 仪器与设备

TUC-300超声清洁仪,深圳市歌能清洗设备有限公司;RE52CS-1旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;DB-4A电热板,金坛市城西峥嵘实验仪器厂;a808绞肉机;上海九阳股份有限公司。

1.3 实验方法

将鸭脂肪组织洗净,用绞肉机搅碎,冷藏保存用于超声提取法相关研究。

1.3.1 鸭油质量指标的测定

1.3.1.1 酸价

按照国标GB5009.229[12]第一法,以乙醚-异丙醇混合鸭油,以KOH标准溶液进行滴定。根据消耗KOH标准溶液体积计算鸭油酸价。

1.3.1.2过氧化值

按照国标GB5009.227[13]第一法,以三氯甲烷-冰乙酸混合鸭油,以Na2S2O3标准溶液进行滴定,根据消耗Na2S2O3计算鸭油过氧化值。

1.3.1.3 鸭油出油率的测定[14]

鸭油出油率按公式(1)计算。

出油率

(1)

1.3.2 超声波法提取鸭油

1.3.2.1 单因素试验

(1)熬制时间对鸭油的影响。称取洗净的鸭脂肪组织50 g,用绞肉机搅碎,采用沸程60~90 ℃的石油醚作为提取剂,液料比2∶1(mL∶g),将鸭脂肪组织与石油醚混合均匀,在提取温度40 ℃,提取功率480 W的条件下,分别提取20、30、40、50、60 min,过滤油渣、旋转蒸发仪蒸发石油醚得到鸭油。测定鸭油出油率、酸价、过氧化值。

(2)熬制温度对鸭油的影响。称取洗净的鸭脂肪组织50 g,用绞肉机搅碎,采用沸程60~90 ℃的石油醚作为提取剂,液料比2∶1(mL∶g),将鸭脂肪组织与石油醚混合均匀,在提取时间为40 min,提取功率为480 W, 在提取温度分别为20、25、30、35、40 ℃的条件下提取,过滤油渣、旋转蒸发仪蒸发石油醚得到鸭油。测定所得鸭油的出油率、酸价、过氧化值。

(3)料液比对鸭油的影响。称取洗净的鸭脂肪组织50 g,用绞肉机搅碎,采用沸程为60~90 ℃的石油醚作为提取剂,提取液料比分别为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、 6∶1,将鸭脂肪组织与石油醚混合均匀,提取时间为40 min,提取温度40 ℃提取,提取功率480 W进行超声提取,过滤油渣、旋转蒸发仪蒸发石油醚得到鸭油。测定所得鸭油出油率、酸价、过氧化值。

(4)超声功率对鸭油的影响。称取洗净的鸭脂肪组织50 g,用绞肉机搅碎,采用沸程为60~90 ℃石油醚作为提取剂,液料比2∶1,将鸭脂肪组织与石油醚混合均匀,提取功率分别为120、240、360、480、600 W的条件下进行超声提取,提取时间为40 min,提取温度40 ℃,过滤油渣、旋转蒸发仪蒸发石油醚得到鸭油。测定鸭油的出油率、酸价、过氧化值。

1.3.2.2 响应面法优化超声波提取鸭油的条件

以出油率为评价指标,在单因素实验的基础上根据Box-Behnken中心组合试验设计原理,采用4因素3水平响应面分析法进行实验设计[15-19],确定超声提取鸭油的最佳工艺条件。

1.4 数据处理

每项测定均重复3次以上,所得结果用表示,采用SPSS 24.0进行数据分析,图表采用Design-Expert 11、Origin 2017软件绘制。

2 结果与分析

2.1 鸭脂肪组织酸价、过氧化值

鸭脂肪组织中不饱和脂肪酸较多,易发生氧化,因此选择酸价、过氧化值作为评价鸭脂肪氧化程度的指标[20-21]

测得实验用鸭脂肪组织的酸价为(1.09±0.03) mg/g,过氧化值为(0.09±0.01) g/100 g,符合GB10146—2015《食品安全国家标准食用动物油脂》[22]规定的酸价≤ 2.5 mg/g,过氧化值≤ 0.20 g/100 g标准,可以用作熬制鸭油的原料。

2.2 超声波提取法对鸭油的影响

与传统的油脂提取方法相比,超声波提取法具有提取时间短、提取效率高、能耗低等优点而得到广泛的应用[23]。油脂能较好地溶于石油醚等有机溶剂中,而石油醚具有易挥发、易回收等优点,常作为油脂提取剂[24-25]。本研究以石油醚作为鸭油提取剂,就超声波提取鸭油的主要影响因素时间、温度、超声功率、料液比进行了研究。

2.2.1 超声时间对提取鸭油的影响

石油醚为提取剂,设超声功率480 W,液料比为2∶1,提取温度为40 ℃,分别提取20、30、40、50、60 min。超声时间对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响结果见图1。

A-出油率;B-酸价和过氧化值
图1 超声时间对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响
Fig.1 Influence of ultrasonic time on oil yield, acid value and peroxide value of duck oil

由图1可以看到,在温度为40 ℃、超声功率为480 W、液料比2∶1条件下,提取时间20~50 min时,随着时间的增加鸭油出油率不断增加,50 min后出油率趋于平稳。与王丽娟等[26]的实验结果一致。所得鸭油的酸价、过氧化值均在国家标准规定的限量范围内。实验得到提取鸭油较优时间为50 min,为下面响应面的参数设定提供参考。

2.2.2 超声温度对提取鸭油的影响

以石油醚为提取剂,设超声功率480 W,料液比1∶2,在20、25、30、35、40、45 ℃分别熬制30 min得到超声温度对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响见图2。

A-出油率;B-酸价和过氧化值
图2 超声温度对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响
Fig.2 Influence of ultrasonic temperature on oil yield, acid value and peroxide value of white duck oil

由图2可以看出,在液料比2∶1、功率为480 W、时间30 min条件下,在20~30 ℃,出油率不断增加,30 ℃后呈下降趋势。与胡爱军等[27]的研究结果一致。所得鸭油过氧化值、酸价均符合国家标准。实验得到提取鸭油的较优温度为30 ℃,为下面响应面的参数设定提供参考。

2.2.3 液料比对提取鸭油的影响

以石油醚为提取剂,液料比分别为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、 6∶1,在超声功率480 W,超声温度40 ℃,超声处理30 min,得到液料比对鸭油出油率、酸价、过氧化值影响见图3。

A-出油率;B-酸价和过氧化值
图3 超声处理的液料比对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响
Fig.3 Effect of ultrasonic liquid ratio on oil yield, acid value and peroxide value of duck oil

由图3可以看到,在超声功率为480 W、时间30 min、温度为40 ℃的条件下,液料比在2∶1~5∶1时随着液料比的增加,出油率不断增加;在液料比为5∶1后出油率趋于平稳。与李朝阳等[11]研究结果一致。所得鸭油的酸价、过氧化值均符合国家标准。实验得到提取鸭油的较优液料比为5∶1,为下面响应面的参数设定提供参考。

2.2.4 超声功率对提取鸭油的影响

以石油醚为提取剂,液料比为2∶1,温度40 ℃,选择超声功率分别为120、240、360、480、600 W提取30 min,得到超声功率对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响见图4。

A-出油率;B-酸价和过氧化值
图4 超声功率对鸭油出油率、酸价、过氧化值的影响
Fig.4 Influence of ultrasonic power on oil yield, acid value and peroxide value of white duck oil

由图4可以看到,在温度为40 ℃、时间30 min、液料比2∶1条件下,超声功率在240~360 W时,鸭油出油率呈现上升趋势;当超声功率在360 W时鸭油出油率最高为78.03%,超过360 W后出油率呈现下降趋势,与毕艳红等[28]研究结果一致。所得鸭油的过氧化值、酸价均符合国家标准。实验得到提取鸭油的较优提取功率为360 W,为下面响应面的参数设定提供参考。

2.3 用响应面法优化超声波提取鸭油的条件

为了得到超声波处理提取鸭油的最佳条件,根据上述单因素实验得到的较优提出条件,用响应面法对超声功率、超声时间、超声温度、液料比进行进一步的优化,试验因素水平编码表见表1。

表1 响应面试验因素水平编码表
Table 1 Response surface test factor level coding table

水平因素时间/min温度/℃功率/W液料比(mL∶g)-130252404∶1040303605∶1150354806∶1

通过超声波提取单因素实验得到的鸭油,酸价、过氧化值均未超过国家标准。所以本试验主要以出油率作为考察指标。结果见表2。

测定了以上29组实验所得鸭油的酸价、过氧化值,均符合国家标准。

通过Design Expert 11对试验结果进行分析后得出其回归方程如下∶Y=87.96-0.051×B+0.000 2×C-0.000 2×D-0.000 5×AB+0.000 3×AC-0.000 6×AD-0.000 2×BC+0.000 3×BD-0.000 2×CD-3.97×A2-8.97×B2-3.97×C2-3.97×D2

表2 响应面试验结果
Table 2 response surface test results

试验号时间/min温度/℃功率/W液料比出油率/%150303606∶180.01±1.35 240352405∶175.01±0.26 340253604∶175.02±1.11440354805∶175.01±1.74 550253605∶175.02±1.89 640253606∶175.02±1.10 740303605∶187.96±0.56 830303606∶180.01±0.98 940353604∶175.01±1.75 1030353605∶175.01±0.88 1140302404∶180.01±1.43 1240303605∶187.96±0.59 1340302406∶180.01±1.02 1430303604∶180.01±1.53 1540304806∶180.01±0.96 1640252405∶175.02±0.86 1750304805∶180.01±0.82 1830304805∶180.01±0.36 1950303604∶180.01±1.102040254805∶175.02±1.172130302405∶180.01±1.58 2230253605∶175.02±1.08 2340303605∶187.96±1.29 2440303605∶187.96±0.75 2540353606∶175.01±1.23 2640303605∶187.96±0.55 2750353605∶175.01±1.76 2850302405∶180.01±1.13 2940304804∶180.01±0.24

表3 回归方程的方差分析表
Table 3 analysis of variance of regression equation.

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型601.111442.947.60E+08<0.000 1显著A-时间3.33E-0913.33E-090.0590.811 6B-温度0.000 310.000 35 579.72<0.000 1C-功率3.01E-0713.01E-075.330.036 8D-液料比4.80E-0714.80E-078.50.011 3AB1.21E-0611.21E-0621.420.000 4AC3.60E-0713.60E-076.370.024 3AD1.69E-0611.69E-0629.92<0.000 1BC2.03E-0712.03E-073.580.079 2BD3.60E-0713.60E-076.370.024 3CD9.00E-0819.00E-081.590.227 5A2102.41102.41.81E+09<0.000 1B2521.741521.749.24E+09<0.000 1C2102.441102.441.81E+09<0.000 1D2102.411102.411.81E+09<0.000 1残差7.91E-07145.65E-08失拟5.71E-07105.71E-081.040.531 5非显著纯误差2.20E-0745.50E-08Cor Total601.1128

式中:A表示时间;B表示温度;C表示功率;D表示料液比。对上述响应面试验结果进行方差分析。

2.3.1 响应面回归模型的建立与分析

由表3可以看出,回归模型极显著(模型的P<0.000 1),失拟项P=0.531 5(>0.05),无显著性影响,说明残差均由随机误差引起,模型规定适当,可用回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析,其校正决定系数为0.997 3,有99.73%的试验数据的变异性可用此回归模型来解释。因此,回归方程能较好地描述各因素与响应值之间的关系,各具体试验因子对响应面值的影响不是简单的线性关系。4因素中有AADA2B2C2D2对试验结果有极显著的影响(P<0.000 1),CDABACBD对试验结果有显著的影响(P<0.05)。4因素对出油率影响的大小顺序是B>D>C>A,即温度>液料比>功率>时间。

2.3.2 两因素交互作用分析

4个因素两两交互作用的三维响应面图,如图5所示。

a-温度和时间;b-料液比和时间;c-功率和时间;d-功率和温度;e-料液比和温度;f-料液比和功率
图5 各因素对鸭油出油率影响响应面图和等高线图
Fig.5 Response surface and contour map of the influence of various factors on duck oil yield

依据响应面的等高线的形状越接近椭圆形和曲面倾斜度越陡,响应值对于处理条件改变的敏感程度越大,因素间交互作用越显著,反之则交互作用不显著。由图5可看出,4个因素对出油率的影响都是呈现先增大后减小的趋势。图5-a、图5-b、图5-c、图5-e的响应面图坡度很陡,表明温度和时间、液料比和时间、功率和时间、液料比和温度的交互作用极显著;图5-d、图5-f的响应面图坡度较平,表明功率与液料比、温度与功率没有显著的交互作用。

2.3.3 最佳工艺参数的确定

使用Design Expert 11软件处理、分析数据,鸭油提取最佳条件为时间43.61 min,温度30.47 ℃,功率为360 W,液料比5.14∶1。此条件下预测的出油率为87.02%。考虑提取条件的可操作性,将所得条件进行适当修正,设定时间43 min、温度30 ℃、超声功率360 W、液料比5∶1。在此条件下重复实验5次,得到出油率为(86.83±0.40)%,与理论值的相对误差为0.22%,表明修正后的鸭油提取最佳条件与理论值差异不显著是可行的。

对该最佳提取条件进行扩大实验。取500 g鸭脂肪,在时间43 min、温度30 ℃、超声功率360 W,石油醚为提取剂,液料比5∶1的条件下重复提取5次,得到出油率为(86.08±0.24)%,与理论值的相对误差为0.11%,表明该最佳提取工艺参数可运用于实际工业生产。

3 结论

本研究结果表明,超声波处理鸭脂肪提取鸭油是比较恰当的方法,该方法最佳提取条件为时间43 min、温度30 ℃、功率360 W、液料比5∶1,出油率达到86%以上,鸭油的酸价、过氧化值均符合国家相关标准的要求。

4 讨论

通过实验发现温度是提取过程的最主要因素,随着温度的不断升高,鸭油提取率不断上升,这是因为随着温度升高溶剂溶解能力不断提高,分子运动不断加速,使得鸭油扩散到溶剂更快速充分,但是当温度超过某个值时提取率下降,这时可能因为随着温度的升高溶剂挥发速度不断加快,从而影响出油率[27]

提取时间作为提取过程的重要因素,随着时间的延长鸭油的提取率不断上升,一定时间后趋于平稳。这是由于在超声处理初期提取液中渗透压较大,随着时间的延长鸭油在溶剂中得到充分的扩散,因此提取率相应上升。某段时间后溶液中渗透压逐渐达到平衡,提取率也相应趋于平稳[26]

提取功率是提取过程的重要因素,随着提取功率增大,所产生的机械效应和空化效应越强烈,鸭脂肪的释放和扩散速度也就越快,因此鸭油的提取率也会随之上升。但是当提取功率达到一定值以后,鸭油的提取率也相应趋于平稳甚至下降,首先这是因为鸭油内外的渗透压已经趋于平衡,提高功率对鸭油的渗出作用不大。其次,随着功率的增大,体系的温度也会在一定的范围内升高,造成溶剂的挥发,同时提取功率过大会引起鸭脂肪内部结构的破坏,造成提取率下降[28]

液料比是提取过程的重要因素,随着溶剂用量的增加,鸭油的提取率上升,这是由于溶剂增加,有利于油脂的渗出,同时增加了鸭脂肪与溶剂的接触面积。但当料液比达到一定数值后鸭油提取率趋于稳定,这是因为溶液体系中的渗透压已经趋于平衡,大部分的鸭油已经渗出,溶剂的增加对提取率影响不大[29]

鸭油由13种脂肪酸组成,不饱和脂肪酸含量可达70.3%[30],因此易发生氧化。通过本研究发现,用超声波提取法获得的鸭油,酸价、过氧化值虽然未超过国家标准的限量值,但相比较于鸭脂肪还是发生了一定程度的氧化。为了提升所得鸭油的品质,需进一步研究、选择合适的抗氧化剂在鸭油生产过程中使用,已获得更优品质的鸭油。

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Optimization of ultrasonic extraction process of duck oil by response surface method

NING Junli1, LONG Xia1, HUANG Xianzhi2, DING Xiaowen1*

1(Chongqing Key Laboratory of Agricultural Products Processing and Store, College of Food Science, Southwest University,Chongqing 400716, China) 2(Office of Science and Technology Administration, Southwest University,Chongqing 400716, China)

Abstract The optimal methods and conditions to extract duck oil were discussed to provide references for producing high quality duck oil in accordance with national standards. White duck fat was used as experimental material, the processing conditions to extract duck oil using ultrasonic extraction were studied and optimized by response surface method. The results showed that the best conditions to extract duck oil using ultrasonic were as follows: 50 g duck fat extracted at 30 ℃ and 360 W for 43 min, with a liquid to solid ratio of 5∶1. The yield of oil under this condition reached (86.83 ±0.40)%, the acid value was (1.25 ± 0.03) mg/g, and the peroxide value was (0.11± 0.05) g/100g, which all met national standards. It was concluded that duck fat extracted using ultrasonic not only has high yield efficiency, but also has appealing color, and its acid value and peroxide value are both in line with standards.

Key words duck oil; extraction; ultrasonic

第一作者:硕士研究生(丁晓雯教授为通讯作者,E-mail:83773 1486@qq.com)。

收稿日期:2018-08-24,改回日期:2018-10-26

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.018587