碳酸钾与碳酸氢铵碱化对可可脂理化性质及铅含量的影响：因子设计与中心复合设计响应面建模

《Food Science & Nutrition》：Effect of Alkalization With Potassium Carbonate and Ammonium Bicarbonate on the Chemical and Physical Properties of Cocoa Butter: A Factorial and Central Composite Design Approach

　　

本研究考察了使用碳酸钾（K₂CO₃）和碳酸氢铵（NH₄HCO₃）（0%–6%）对可可脂进行碱化对酸度、过氧化值（peroxide value, PV）、碘值（iodine value, IV）、皂化值（saponification value, SV）、水分含量、滑动熔点（slip melting point, SMP）、pH和铅含量的影响。采用因子设计和中心复合设计（central composite design, CCD）。最高过氧化值（0.1 meq O₂/kg）见于含3% K₂CO₃+3% NH₄HCO₃以及6% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃的样品。最高酸度与对照样（1.77）相关，最低见于含6%两种碱的样品（0.77）。对照样也显示最低皂化值（189.61 mg KOH/g fat），而最高记录于6%+6%样品（199.04 mg KOH/g fat）。最高碘值（35.91 g I₂/100 g fat）属于6%+6%样品，最低（32.42 g I₂/100 g fat）属于仅含6% NH₄HCO₃的样品。最低水分含量（0.053%）见于含6% K₂CO₃+3% NH₄HCO₃的样品，最高（0.077%）见于3%+3%样品。最低pH（5.05）为对照，最高（9.87）为6%+6%样品。最高滑动熔点（30.23°C）记录于对照，最低（26°C）见于含3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃的样品。所有样品铅含量均符合伊朗国家标准。结果表明，单独3% K₂CO₃、单独3% NH₄HCO₃以及3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃适合可可碱化。最后，使用响应面方法学（response surface methodology, RSM）开发了数学模型，以建立可可脂化学性质与碱性剂浓度之间的定量关系，从而实现所需产品特性。

论文解读：碳酸钾与碳酸氢铵碱化对可可脂理化性质及铅含量的影响

研究背景与问题：可可豆是可可树果实，广泛种植于热带和赤道地区，主要用于提取可可脂和可可粉。可可主要有Forastero、Criollo和Trinitario三个品种，其中Forastero在中非和西非栽培最广。可可豆由15%壳和85%仁组成，含50%–55%脂肪，即可可脂，用于食品、化妆品、医药和化工产品。可可脂是巧克力配方中最基础成分之一，有助于降低血压、调节胆固醇；其不含胆固醇，并因含生育酚等类黄酮和抗氧化剂而支持心血管健康。可可脂还因保湿性和接近体温的熔点用于乳液和皮肤皂。全球对可可及其衍生产品需求增加。可可脂的三酰甘油（triacylglycerols, TAGs）组成相对简单，但微小变化可影响其理化性质。其成分包括甘油酯和非甘油酯化合物；非甘油酯包括四类蛋白、甾醇和三萜、磷脂及碳水化合物。碱化常用于可可粉，但直接用于可可脂的研究有限；可可脂碱化直接影响脂相酸度、游离脂肪酸（free fatty acids, FFAs）、氧化稳定性和熔化行为，进而影响巧克力质地、口感和稳定性。K₂CO₃广泛用于商业可可碱化，NH₄HCO₃常用于烘焙但尚未系统研究于可可脂碱化，二者无毒性残留且为公认安全（Generally Recognized as Safe, GRAS）。研究新颖性在于直接比较二者、首次用CCD研究可可脂碱化并建立预测模型。研究目的是考察0%–6% K₂CO₃和NH₄HCO₃对可可脂理化性质的影响，建立碱化条件与性质的定量关系，为巧克力工业提供优化工具。

研究人员用加纳来源发酵可可豆，在Shirin Asal Company（伊朗大不里士）加工，采用因子设计和CCD，测定酸度、PV、IV、SV、水分、SMP、pH和铅。结论表明，碱化处理显著降低酸度和熔点，增加SV、IV和pH；酸度最大降低和pH最大增加见于6%+6%样品；最低熔点见于3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃；PV和水分随碱类型和浓度变化；所有样品铅符合伊朗国家标准；建议单独3% K₂CO₃、单独3% NH₄HCO₃及3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃为适宜处理。意义在于用RSM模型预测并精确调整碱化剂组成以达到所需特性。

关键技术方法：样本为加纳来源发酵可可豆，在Shirin Asal Company（伊朗大不里士）加工。采用因子设计与中心复合设计（CCD）结合响应面法（RSM），以Design-Expert 10建立数学模型；用SPSS 22进行单因素方差分析（analysis of variance, ANOVA）和Duncan多重极差检验，置信水平95%。理化测定按伊朗国家标准及AOCS Cc 3–25进行，铅用原子吸收分光光度法。碱化在3 bar蒸汽下80 min，焙烤110–115°C 125–130 min，压榨450–500 bar。

研究结果：
3.1 响应面方法学：采用CCD研究K₂CO₃和NH₄HCO₃对八项响应的影响。PV无法建立显著响应面模型，因处理间变化极小（0.076–0.10 meq O₂/kg）且无一致多项式趋势，故用因子分析比较。模型R²为0.62–0.97；酸度、pH、水分的R²>0.85，预测能力好；IV、SV、SMP的R²<0.75，应谨慎解释，主要作为描述性工具。

3.2 酸度和pH：通过三维响应面、ANOVA和Duncan检验得出，酸度在多数样品间及与对照间差异显著。对照酸度最高（1.77），C9（6% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃）最低（0.77）；C3（6% K₂CO₃）与C5（6% NH₄HCO₃）无显著差异。机制为碱性化合物解离释放OH^?，中和FFAs形成盐。pH对照最低（5.05），C9最高（9.87），随碱浓度增加而增加。除对照酸度1.77略超伊朗国家标准ISIRI 609上限1.75%外，其余样品均符合。

3.3 碘值和皂化值：SV对照最低（189.61 mg KOH/g fat），C9最高（199.04 mg KOH/g fat），且C9超过ISIRI 609范围188–198；3% K₂CO₃和3% NH₄HCO₃样品SV接近对照。SV增加提示碱化诱导部分TAG水解，释放较短链脂肪酸，与熔点降低一致。IV最高为C9（35.91 g I₂/100 g fat），最低为C5（32.42 g I₂/100 g fat），所有样品符合32–42。高IV表示不饱和脂肪酸含量较高，这些样品PV也较高，说明不饱和度增加自氧化速率。

3.4 水分含量和滑动熔点：水分对照为0.071%，C8（3%+3%）最高（0.077%），C7（6% K₂CO₃+3% NH₄HCO₃）最低（0.053%），所有样品符合ISIRI 609最大0.1%。水分促进TAG水解。SMP对照最高（30.23°C），C6（3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃）最低（26.00°C）；C5（6% NH₄HCO₃）与对照无显著差异。K₂CO₃浓度增加及混合使用使熔点降低；不饱和脂肪酸含量高时熔点较低。原文还提到可可脂熔点依晶型变化，且Sulistyowati and Misnawi曾研究碱化温度对熔点的影响。

3.5 过氧化值和铅含量：PV最高为C6和C9（0.10 meq O₂/kg），最低为C2（3% K₂CO₃，0.076 meq O₂/kg）；所有样品远低于ISIRI 609最大1 meq O₂/kg，表明氧化稳定性好。高碱浓度样品PV略高，可能因碱剂中金属杂质促氧化，但绝对增加很小。铅含量范围0.027–0.040 mg/kg；对照与C2、C4无显著差异，与其他样品有显著差异；全部低于ISIRI 609的0.1 mg/kg和Codex Alimentarius的100 ng/g。重金属影响油脂氧化、营养价值、储存性和稳定性。

讨论部分总结：碱化降低酸度是因OH^?中和FFAs形成皂；NH₄HCO₃在较低浓度效力较高，可能因其完全解离为NH₄⁺和HCO₃^?，而K₂CO₃形成CO₃^2?，需两步质子化。酸度与FFAs含量及碱类型和用量有关；FFAs氧化速率高于结合于TAG中的脂肪酸，故FFAs越低，酸值越低，油脂越稳定。SV增加表明水解产生较短链脂肪酸，需要更多KOH。IV与不饱和度相关，碱化未必降低不饱和脂肪酸，但高PV说明高不饱和度增加自氧化。水分加速水解酸败。SMP因甘油酯混合物而非锐点，不饱和脂肪酸高则熔点低。PV是脂肪氧化初级产物，过氧化物不稳定并会分解。铅为有毒重金属，来源包括土壤、肥料、加工设备等，所有样品均符合标准。

研究结论翻译如下：本研究考察了不同浓度K₂CO₃和NH₄HCO₃（0%–6%）碱化对可可脂酸度、PV、SV、IV、水分、熔点、pH和铅的影响。结果表明，碱处理显著（95%置信水平）降低酸度和熔点，同时增加SV、IV和pH。酸度最大降低见于含6%两种碱的样品，pH最大增加也在该样品。最低熔点见于3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃。PV和水分也随碱类型和浓度变化，最高PV见于两种化合物高浓度样品。所有样品铅含量在伊朗国家标准允许限内，确认产品在该方面安全。基于总体发现，单独3% K₂CO₃、单独3% NH₄HCO₃以及3% K₂CO₃+6% NH₄HCO₃被建议为实现可可脂所需理化性质的最适处理。然而，这些发现是初步的，基于理化分析，不能完整说明碱化引起的结构和组成变化。未来应进行脂肪酸谱、TAG组成、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）和结晶行为分析。最后，利用RSM开发了有效数学模型，能建立碱剂浓度与产品化学性质之间的定量关系，预测并精确调整碱化剂组成以达到可可脂所需特性。