宋振佳,楊瑞楠，馬傳國，司天雷

河南工業(yè)大學 糧油食品學院,河南 鄭州 450001

植物油加氫是油脂化學工業(yè)中一項重要的改性技術,氫化油的碘值≥5 g/100 g時被稱為部分氫化油[1]。良好的穩(wěn)定性和特殊的熔融性能使部分氫化油成為生產(chǎn)起酥油或人造黃油的普遍原料[2]。然而,部分氫化油是反式脂肪酸(trans fatty acids,TFAs)最主要的來源[3]。TFAs是包含有至少一個碳-碳反式雙鍵的單不飽和脂肪酸或多不飽和脂肪酸,研究發(fā)現(xiàn)膳食攝入TFAs會導致血液中低密度脂蛋白膽固醇的增加和高密度脂蛋白膽固醇的降低,從而提高心血管疾病的患病風險[4-5]。因此在植物油氫化過程中降低TFAs含量對食品工業(yè)至關重要。

已知國標對“零”TFAs標簽的數(shù)據(jù)要求為每份食品樣品中TFAs含量≤ 0.3 g/100 g(相對TFAs含量≤ 0.3%)[6],滿足上述條件的同時其碘值≤ 5 g/100 g[1]則可稱“零”TFAs全氫化植物油。而目前關于植物油氫化的研究多集中在催化劑制備及其效果方面,涉及“零”TFAs全氫化植物油的研究較少。如楊希等[7]在傳統(tǒng)加氫工藝條件下使用1.79% Pt/ZrO2催化氫化大豆油,在氫化油樣碘值約為70 g/100 g時產(chǎn)生的反油酸含量為25.48 g/100 g。Iida等[8]利用自制的負載型催化劑TiO2(TiO-9)對大豆油進行加氫處理,在800 mg/kg Ni、反應溫度為413 K、氫氣壓力為0.5 MPa、攪拌速度為1 700 r/min下氫化大豆油的碘值為70 g/100 g,反油酸含量最低為15.7%[9]。杜晶等[10]在催化轉移加氫體系中利用自制的Pd/碳納米管為催化劑,在最優(yōu)工藝條件下得到的部分氫化大豆油中碘值為95.3 g/100 g,TFAs相對含量為10.2%?？梢姴捎貌煌託錀l件及自制催化劑對植物油加氫所產(chǎn)生的TFAs含量雖然大幅降低,但對比國標要求其含量依然較高。

我國是棉花生產(chǎn)和種植大國,2020—2021年度我國棉籽油產(chǎn)量達123.2萬t,約占世界總產(chǎn)量的23.8%[11-12]。棉籽油主要脂肪酸為棕櫚酸(18.30%～25.68%)、油酸(12.28%～18.50%)和亞油酸(51.99%～60.88%)[13],其結晶習性為β′型[14]。因此,來源廣泛且性質(zhì)優(yōu)良的棉籽油常被用作油脂氫化工業(yè)的原料。

鑒于目前關于植物油氫化研究中存在的TFAs含量較高的問題,為滿足國標對“零”TFAs標簽的數(shù)據(jù)要求,提升棉籽油的利用價值,作者以棉籽油為原料,探究棉籽油全氫化過程中鎳(Ni)載量、反應溫度、反應時間、攪拌速率對其碘值和TFAs相對含量的影響,并通過響應面試驗優(yōu)化工藝條件制備出零反式脂肪酸全氫化棉籽油,對其物理性質(zhì)加以表征,為油脂氫化工藝提供參數(shù)依據(jù),對推動以全氫化棉籽油為原料生產(chǎn)載體基質(zhì)、塑性脂肪等高值化產(chǎn)品之相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

精煉棉籽油：碘值117.3 g/100 g,益海(昌吉)糧油工業(yè)有限公司提供。

鎳(Ni)催化劑： MONCATTM2021,鎳含量21%～23%,德國EVONIK INDUSTRIES;37種脂肪酸甲酯混合標準品、亞油酸甲酯順反異構體混合標準品、亞麻酸甲酯8種順反異構體混合標準品：美國Sigma-Aldrich公司; 高純H2(純度≥99.999%)： 河南源正特種氣體有限公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

Parr 4760型非攪拌高壓反應釜(300 mL)：美國Parr Instrument Company; RCT basic IKAMAG? safety control磁力攪拌器： 德國IKA集團; MiNispec20/100RTS脈沖核磁共振儀、D8 Advance X射線衍射儀：德國Bruker公司;SD制冷加熱循環(huán)水?。好绹鳳olyScience公司;ZEISS Axioscope 5偏光顯微鏡：德國Zeiss集團;氣相色譜儀：GC-2030 日本島津公司;TA-2000差示掃描量熱儀：德國 NETZSCH集團。

1.3 方法

1.3.1 氫化試驗

準確稱取10 g精煉棉籽油于20 mL玻璃小瓶中,加入一定量的催化劑Ni和轉子,旋緊瓶蓋。置于300 mL反應釜內(nèi),重復3次排空氣。在一定的溫度、攪拌條件下,反應一定時間。用預熱過的去頭注射器和0.8 μm有機濾膜將氫化油中的Ni濾除。

考察Ni載量(0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%),攪拌速率(500、600、700、800、900 r/min),溫度(100、120、140、160、180 ℃),時間(30、60、90、120、150 min)各個自變量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響。

依據(jù)單因素試驗結果,采用Design-Expert 13軟件進行四因素三水平二響應值的響應面試驗。

1.3.2 碘值

原料油以及氫化棉籽油碘值的測定按照GB/T 5532—2008執(zhí)行。

1.3.3 熔點

氫化棉籽油的熔點按照GB/T 24892—2010進行測定。

1.3.4 脂肪酸組成的測定

參照GB 5009.168—2016 《食品安全國家標準 食品中脂肪酸的測定》。采用三氟化硼甲酯化方法對棉籽油脂肪酸進行甲酯化后,采用氣相色譜法對其脂肪酸組成進行測定。通過對比標準品保留時間鑒定相應脂肪酸,對峰面積進行積分,采用面積歸一化法定量測定脂肪酸百分含量。其中,TFAs相對含量=TFAs峰面積之和/所有脂肪酸峰面積之和。試驗重復3次,結果取平均值。

氣相色譜條件如下。Agilent HP-88石英毛細柱(100 m×0.25 mm,0.20 μm);進樣口溫度：260 ℃;柱溫：140 ℃;火焰電離檢測器 (FID)溫度：260 ℃;分流比：50∶1;氮氣流速：24 mL/min;氫氣流速：32 mL/min;空氣流速：200 mL/min;進樣量：1 μL。

1.3.5 固體脂肪含量(solid fat content,SFC)

使用布魯克MiNispec20/100RTS脈沖核磁共振儀測定樣品在0～70 ℃的固體脂肪含量。80 ℃熔化30 min,在0 ℃冷卻90 min,然后在每個測量溫度下保持30 min,5 ℃為間隔(55～65 ℃時的間隔為1 ℃)。重復試驗并計算平均值。

1.3.6 熔融和結晶行為

使用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)監(jiān)測樣品的熔融和結晶行為。具體方法參照郭姝婧等[15]的研究,測定峰值熔化/結晶溫度,熔化曲線的最后一個峰的頂點被認為是樣品的熔點。重復試驗,結果取平均值。

1.3.7 晶體結構

在D8 Advance X射線衍射儀上,使用銅X射線管(Cu-Kα,λ=1.541 8 ?,電壓40 kV,電流40 mA)測定樣品的多晶型。在0.5 °/min的掃描速度下,觀察10°～ 35°(2θ)的短間距。重復試驗并計算平均值。

1.3.8 微觀形態(tài)

使用配備18 MP 數(shù)碼相機(OMAX)的偏光顯微鏡觀察結晶樣品的形態(tài),放大倍數(shù)為20×10和50×10。將熔化的樣品放在預熱的載玻片上,并加蓋預熱的蓋玻片,在24 ℃下保持18 h。使用ImageJ.JS獲取樣本的數(shù)字圖像。分形維數(shù)(D)通過粒子計數(shù)算法確定,其中粒子數(shù)量在不同長度的盒子內(nèi)進行計數(shù),在對數(shù)-對數(shù)圖上線性回歸的斜率對應于D[16]。

1.4 統(tǒng)計分析

使用 IBM SPSS Statistics 26、Origin 2019b處理數(shù)據(jù)。采用Design-Expert 13軟件進行響應面試驗設計及數(shù)據(jù)分析。根據(jù)Duncan′s多極差檢驗,認為在P<0.05時差異顯著。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 鎳載量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

工業(yè)常用加氫條件為溫度150～220 ℃,攪拌速率500～2 000 r/min,催化劑濃度0.02%～0.14%,氫氣壓0.2～0.6 MPa[17-18]。Parr反應釜配置的SPAN壓力表最小示數(shù)為0.6 MPa,探索更低氫氣壓受限,因而固定氫氣壓為0.6 MPa。在氫化溫度140 ℃、攪拌速率700 r/min、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下考察鎳載量(0.02%～0.10%)對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響,結果如圖1所示。

注：不同小寫字母表示組間具有顯著性差異(P<0.05)。圖2—圖4同。圖1 鎳載量對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.1 Effect of nickel loading on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

隨著鎳載量的增加,氫化棉籽油碘值以及TFAs相對含量快速下降。當鎳載量為0.08%時,碘值為(0.58±0.12) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.17%±0.02%(<0.3%),油樣達到全氫化水平。繼續(xù)增加鎳載量,樣品碘值及TFAs水平不再明顯降低。上述現(xiàn)象可歸因于鎳含量的提高使更多的油被吸收到鎳表面上,鎳得到額外的活性位點,并隨后降低了氫原子在鎳表面的解吸速率,致使氫化水平升高,碘值及TFAs相對含量迅速降低[19]。但較高的鎳載量使其顆粒聚集度增加,有效表面積減小,可能導致反應速率降低[10],因而碘值不再下降,TFAs水平略微提高。考慮到成本及全氫化要求,故控制鎳載量為0.08%。

2.1.2 攪拌速率對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

在鎳載量0.08%、氫化溫度140 ℃、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下研究攪拌速率對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。由圖2可知,隨著攪拌速率的加快,碘值以及TFAs相對含量大幅降低,這可能是由于加快攪拌速率提高了非均相反應中的傳質(zhì)速率,鎳表面氫氣濃度加大,反式異構化程度銳減所致。在攪拌速率為700 r/min時碘值為(0.70±0.15 ) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.18%±0.01%(<0.3%),繼續(xù)提高攪拌速率,碘值和TFAs相對含量無顯著性變化,原因在于攪拌速率在達到可以消除擴散阻力后,使鎳表面氫氣濃度穩(wěn)定在一個較高的值,繼續(xù)升高攪拌速率對氫化反應基本無明顯影響[20]。綜合上述分析,棉籽油全氫化的攪拌速率為700 r/min。

圖2 攪拌速率對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.2 Effect of stirring velocity on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.1.3 溫度對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

在鎳載量0.08%、攪拌速率700 r/min、時間90 min、氫氣壓0.6 MPa條件下研究溫度對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。如圖3所示,隨著溫度升高,氫化棉籽油碘值逐步下降,在140 ℃達到(0.60±0.12) g/100 g(<5 g/100 g),繼續(xù)升高溫度碘值無顯著性差異。這是由于提高溫度有利于更多的氫氣溶解于油中[17],加快了鎳表面活性位點與不飽和脂肪酸上雙鍵與氫原子的結合[21],油樣中C18∶1和C18∶0含量升高,C18∶2和C18∶3含量降低,油樣飽和度升高則碘值下降,油樣中脂肪酸不飽和鍵數(shù)量下降,并趨于穩(wěn)定,則碘值不再顯著變化。100 ℃ 時油樣TFAs相對含量極低,這是由于鎳作為催化劑在120 ℃ 以下活性較低,可能并未達到催化加氫反應的活化能[22]。溫度在120 ℃ 時氫化油樣TFAs相對含量達到24% 左右,可能是在該溫度下異構化選擇性上升所致。140～180 ℃ 條件下,TFAs相對含量基本穩(wěn)定在0.2% 以下,原因可能是溫度的升高使催化劑活性升高到一定浮動區(qū)間,高溫降低了油脂的黏度,體系流動性增強,從而促進鎳更快地吸附氫原子,異構化程度降低,從而獲得零TFAs氫化棉籽油。因此氫化溫度為140 ℃。

圖3 溫度對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.3 Effect of temperature on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.1.4 時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響

鎳載量0.08%、攪拌速率700 r/min、溫度140 ℃、氫氣壓0.6 MPa條件下研究時間對氫化油樣碘值及TFAs相對含量的影響。如圖4所示,隨著時間的延長,氫化棉籽油碘值與TFAs相對含量迅速降低,最后逐漸平穩(wěn)。初始時棉籽油不飽和脂肪酸含量較高,反應所需底物充足,因而加氫速率快,隨著氫化時間延長,不飽和脂肪酸濃度降低,可供異構化的底物量變少,導致氫化速率減小[23]。90 min時,氫化油樣碘值為(0.60±0.17) g/100 g(<5 g/100 g),TFAs相對含量為0.17%±0.04%(<0.3%),繼續(xù)延長時間無顯著性差異。因此控制時間為90 min。

圖4 時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響Fig.4 Effect of time on iodine value and relative content of TFAs in hydrogenated cottonseed oil

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計及結果

在單因素試驗基礎上,采用Box-Behnken方法,以鎳載量(A)、攪拌速率(B)、溫度(C)、時間(D)為自變量,以氫化棉籽油碘值與TFAs相對含量為響應值設計四因素三水平響應面試驗。試驗設計因素與水平如表1所示。表2為響應面試驗設計及結果。

表1 響應面設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface design

分別以碘值、TFA相對含量為響應值,將表2數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得到各因素對兩個響應值的回歸方程?；貧w方程分別為：

Y1=3.464-4.99A-7.25B-27.66C-11.93D+1.39AB+8.08AC+3.94AD+7.96BC+7.19BD+17.84CD-1.12A2+3.26B2+22.45C2+5.80D2;

Y2=2.95-2.15A-4.20B-13.88C-7.54D+1.30AB+2.31AC+1.83AD+3.93BC+6.30BD+9.81CD-0.673 2A2+1.71B2+9.80C2+2.94D2。式中Y1為碘值,Y2為TFAs相對含量。

2.2.2 響應面試驗結果的方差及顯著性分析

為更立體地反映自變量間的交互作用對響應值的影響,對3D響應面圖進行分析。如圖5(a)、(b)所示,隨著溫度的升高,鎳載量與攪拌速率、攪拌速率與時間使碘值先降低再升高,但升高幅度較小。由圖5(c)可知,隨著溫度升高、時間延長,碘值逐步下降至趨于零。結合表3中交互項F可知,各因素交互作用依次為CD>AC>BC。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface analysis

由圖6(a)、6(c)可知,隨著溫度的升高,TFAs相對含量先減小再增加,但增加的幅度偏小。由圖6(a)、6(b)可知,攪拌速率加快,TFAs相對含量逐步降低;由圖6(b)、6(c)可知,時間延長,TFAs相對含量先降低再升高,但升高幅度極小。結合表4中交互項F可知,各因素交互作用依次為CD>BD>BC。

表3 碘值回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of iodine value regression equation

圖5 交互作用對碘值影響的響應面Fig.5 Response surface plots describing effects of interactions on iodine value

表4 反式脂肪酸含量回歸方程方差分析Table 4 Regression equation variance analysis of trans fatty acids content

圖6 交互作用對TFAs相對含量影響的響應面Fig.6 Response surface plots describing effects of interactions on relative content of TFAs

經(jīng)Design-Expert 13軟件分析得到最佳工藝參數(shù)：鎳載量0.079%,攪拌速率617 r/min,溫度138 ℃,時間115 min,相應模型預測碘值為3.60 g/100 g,TFAs相對含量為0.25%。在最佳工藝參數(shù)下進行3次平行驗證試驗,氫化棉籽油的碘值為(2.40±0.62) g/100 g、TFAs相對含量0.19%±0.02%,與預測值相近。該模型可較準確地預測氫化油樣的碘值及TFAs相對含量,在該模型預測的最優(yōu)工藝下可以制備“零”反式酸全氫化棉籽油。

2.3 全氫化棉籽油表征

2.3.1 全氫化棉籽油的SFC

固體脂肪含量是在一定溫度下脂肪中固體的百分比,可對油脂的固相特性進行量化的描述[17]。合適的SFC曲線在很大程度上決定了油脂的塑性行為。由圖7可知,在0～50 ℃范圍內(nèi)全氫化棉籽油的SFC在90%以上,且隨溫度升高基本不變;60～65 ℃范圍內(nèi),SFC由66.8%±0.5%降為3.6%±0.8%,說明在此階段大量脂肪由固脂熔化為液油。65～70 ℃,SFC逐漸趨于0%,因此可知全氫化棉籽油完全融化的溫度為65 ℃左右,與所測得的全氫化棉籽油熔點(63.5±0.5) ℃相近,55～65 ℃之間塑性范圍窄,可以作為原料參與酯交換以調(diào)整所需脂肪的塑性。

圖7 全氫化棉籽油的SFCFig.7 Solid fat content of fully hydrogenated cottonseed oil

2.3.2 差示掃描量熱圖譜及脂肪酸組成

全氫化棉籽油的DSC圖譜(圖8)顯示結晶曲線在46.3 ℃呈現(xiàn)單一放熱峰,融熔曲線在50.9 ℃、60.5 ℃處出現(xiàn)吸熱峰,中間出現(xiàn)放熱峰歸因于多晶型轉變過程中的重結晶[25],吸熱峰尾熔化終點為65.2 ℃,與65 ℃時的SFC相對應,說明樣品中甘三酯熔融范圍比較集中,組分較為單一[15]。如表5所示,全氫化棉籽油脂肪酸組成主要為棕櫚酸和硬脂酸,兩者含量可高達92%,大量的長鏈飽和脂肪酸使得全氫化棉籽油中存在高含量分子結構類似的高熔點甘三酯;結晶峰(46.6 ℃處)溫度低于吸熱峰是由于甘三酯進入晶格需要一定時間從而導致結晶出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象[26]。

2.3.3 X射線衍射圖譜

X射線衍射圖譜(圖9)顯示全氫化棉籽油在晶面短間距0.42 nm及0.38 nm處存在強衍射峰,在0.432 nm、0.406 nm處存在與強峰極近的較弱衍射峰。研究表明：短間距在0.46 nm的衍射峰為β型,在0.415 nm代表α型、β′型的兩個強短間距分別為0.38 nm和0.42 nm,以及其他弱間距分別為0.427 nm、0.405 nm、0.397 nm和0.371 nm[27-28]。根據(jù)對比分析可知全氫化棉籽油的晶型為β′。在人造黃油和起酥油的基料油配方中,適量加入以β′ 型為主的高熔點全氫化棉籽油可以賦予產(chǎn)品優(yōu)良的塑性、涂抹型及口感[29-30]。

表5 氫化試驗前后棉籽油脂肪酸組成Table 5 Fatty acid composition of cottonseed oil before and after hydrogenation experiment %

圖8 全氫化棉籽油的DSC圖譜Fig.8 DSC melting and crystallization curves of fully hydrogenated cottonseed oil

圖9 全氫化棉籽油的XRD圖譜Fig.9 XRD spectrum of fully hydrogenated cottonseed oil

2.3.4 全氫化棉籽油的微觀形態(tài)

如圖10所示,全氫化棉籽油晶體輪廓明顯,晶體形態(tài)呈發(fā)散針狀形并聚集形成晶簇,且晶簇分布緊密。通常情況下,較有序成核的晶體網(wǎng)絡具有較高的分形維數(shù),而較無序成核的晶體網(wǎng)絡分形維數(shù)較低[16]。通過應用ImageJ.JS粒子計數(shù)算法算出全氫化棉籽油偏光圖分形維數(shù)D=1.60±0.02,此值與國外研究β′ 晶型圖中較高的D(1.45～1.76)近似[31],因此全氫化棉籽油具備較有序成核的晶體網(wǎng)絡結構,此有利于包裹液油,防止油脂在儲藏過程中因油脂遷移而產(chǎn)生起霜現(xiàn)象[1]。

圖10 全氫化棉籽油的偏光顯微圖Fig.10 Polarization micrograph of fully hydrogenated cottonseed oil

3 結論

通過單因素試驗考察了棉籽油氫化過程中鎳載量、攪拌速率、溫度、時間對氫化棉籽油碘值及TFAs相對含量的影響,并利用響應面法優(yōu)化了工藝條件,得到全氫化棉籽油最優(yōu)制備工藝條件為鎳載量0.079%、攪拌速率617 r/min、溫度138 ℃、時間115 min。此條件下氫化棉籽油碘值為(2.40±0.62) g/100 g、TFAs相對含量0.19%±0.02%,滿足了棉籽油零反式酸全氫化的要求。通過SFC、DSC、XRD以及偏光顯微鏡對全氫化棉籽油進行分析表征,結果表明其熔點高、組分單一并呈現(xiàn)出β′ 晶型的特征,可用于復配液態(tài)油通過酯交換等方法制備寬塑性專用油脂基料油。