響應面分析法優化植酸合成工藝

劉倩倩

（菏澤學院藥物科學與技術系，山東菏澤27400）

響應面分析法優化植酸合成工藝

劉倩倩

（菏澤學院藥物科學與技術系，山東菏澤27400）

采用肌醇為原料，以P2O5為磷化劑，通過磷化、合成、脫色、過濾制備植酸。在單因素試驗的基礎上，根據中心組合（Box-Benhnken）試驗設計原理采用三因素三水平的響應面分析法優化植酸合成工藝條件，在分析各個因素的顯著性和交互作用后，得到植酸合成最佳工藝條件：H2O與P2O5的反應摩爾比為2.1，合成溫度174℃，合成時間3.3 h，其植酸含量最高為80.32%。

肌醇；植酸；合成；響應面分析

植酸的化學名稱為肌醇六磷酸酯（Phytic acid），即環己六醇六磷酸酯，磷的含量可以達到50%～80%，分子式是C6H18O24P6，分子量是660.04。植酸是從植物種籽中提取的一種有機磷酸類化合物，其廣泛存在于植物種子中，是天然的營養品［1-2］。植酸有著廣泛而獨特的用途，具有良好的螯合作用和防腐蝕功能；同時植酸在人體內水解產物為肌醇和磷脂（前者具有抗衰老作用，后者是人體細胞重要組成部分），能促進人體新陳代謝、調理人體功能。植酸廣泛應用于食品、化學及醫藥等領域［3-4］。目前植酸的生產方法有生物合成、溶劑萃取法、化學合成3種［5］。溶劑萃取法使用的原材料中植酸的含量很低，投資大，污染嚴重而且投入產出比低，經濟效益差。生物合成法目前技術不成熟；化學合成法的原材料有質量保證，產品收率及純度高而且節能環保，因此在植酸生產行業有很大的競爭優勢［6-7］。本實驗就是以肌醇和五氧化磷為原料合成植酸，此方法和傳統的提取工藝相比，提高了產品的收率和質量，污染小，有利于植酸的生產規模化。

1試驗部分

1.1儀器和試劑

電熱恒溫鼓風干燥箱：上海森信實驗儀器有限公司；紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；肌醇（BR）、五氧化二磷（AR）、鉬酸銨（AR）、偏釩酸胺（AR）。

1.2試驗方法

1.2.1試驗原理

試驗原理如下：

P2O5與水在一定溫度下生成H3PO4，然后H3PO4與肌醇在一定溫度下反應生成植酸，得到植酸粗品，為黃色的黏稠液體（其中磷酸中的PO43-與肌醇中的6個C原子結合形成對稱的六圓環結構），然后用活性炭進行脫色處理，得到透明的黏稠狀液體。植酸含量的檢測利用紫外分光廣度法，該方法快速、簡便、準確度較高。

1.2.2單因素試驗

實驗中對植酸合成時間、合成溫度、H2O與P2O5的反應摩爾比3種因素進行單因素考察，選取最佳的反應條件。

1.2.3響應面法優化試驗

為了考察各因素間的交互作用并得到最佳的植酸合成條件，在單因素試驗的基礎上進行響應面優化設計。

2結果與討論

2.1單因素試驗

2.1.1植酸合成時間對植酸含量的影響

實驗選定反應溫度為175℃，并在此溫度下確定了6個時間點，即：1、2、3、4、5、6 h，然后按上述實驗步驟反應，所得植酸含量曲線圖如圖1所示。

圖1　合成時間對植酸含量的影響Fig.1Eeffect of Phytic acid content on synthesis time

從圖1中可以看出，隨著反應時間的延長植酸含量逐漸增加，反應4 h左右為最佳的反應時間，反應時間過短會導致反應不完全，而反應時間過長又會造成副反應的生成。

公路建設破壞原有的生態環境破壞，將會導致生態系統多樣性和生物棲息地的退化。生態環境的破壞，導致生物棲息地越來越小甚至喪失，將會直接導致物種種數和數量的減少，導致生物多樣性的下降。水土流失導致生態環境惡化，野生物種適宜生境急劇減少，野生物種分布范圍日益狹窄。如果土壤侵蝕繼續加劇，滅絕的趨勢將加速發展。

2.1.2植酸合成溫度對植酸含量的影響

試驗選定反應時間為3 h，并在固定此時間下確定6個溫度點，即：130、145、160、175、190、205℃，然后按上述實驗步驟反應。所得到的植酸含量曲線圖如圖2所示。

從圖2中可以看出反應溫度在175℃時所得的植酸含量最高，反應溫度過高會造成植酸分解。

2.1.3H2O與P2O5摩爾比對植酸含量的影響

按理論計算反應過程中所需的H2O與P2O5的反應摩爾比為3，即：23.43克P2O5和9 mL水，再與10 g肌醇反應，考慮到反應制備植酸時也會生成水，所以反應過程中加入2 g P2O5以加快反應進行。單因素試驗過程中分別選取H2O與P2O5反應摩爾比為1、2、3、4、5時進行考察。所得到的植酸含量曲線圖如圖3所示。

圖2　合成溫度對植酸含量的影響Fig.2Eeffect of Phytic acid content on synthesis temperature

圖3　反應摩爾比對植酸含量的影響Fig.3Eeffect of Phytic acid content on reaction ratio

2.2響應面優化合成工藝條件

2.2.1響應面試驗設計及結果

根據單因素試驗結果選取植酸合成溫度、合成時間、H2O與P2O5的反應摩爾比進行考察。采用Design-Expert軟件，以A代表溫度，B代表時間，C代表H2O與P2O5的反應摩爾比，Y代表植酸含量作為響應指標，由Box-Behnken中心組合進行三因素三水平試驗，分析因素與設計見表1。

表1　響應面的因素水平表Table 1Factors and levels of response surface experiment

對合成溫度、反應時間、反應摩爾比作如下變化：A=（T-170）/10，B=（t-3）/1，C=（Z-2）/0.5，設計試驗與結果見表2和表3，由Design-Expert軟件處理得到的響應面分析結果見圖4～圖6，表2設計了17個試驗，然后利用統計分析軟件Design-Expert對實驗結果進行分析，得出產品植酸含量與合成溫度（A）、合成時間（B）、H2O與P2O5的反應摩爾比（C）之間的二次多項回歸模型方程如下：

表2　Box-Behnken中心組合試驗設計及實驗結果Table 2Box-Behnken Cenral composite design and experimental results

表3　回歸模型的方差分析及顯著性檢驗Table 3Analysis of variance and significance test of the regression model

由表3的方差分析結果可知：該數學模型P值＜0.000 1，說明該模型極其顯著，各因素的一次項A、B、C是極其顯著的，二次項A2、B2、C2是極其顯著的，交互項A B、A C也是極其顯著的，由此可見，各因素對植酸含量的影響不是簡單的線性關系，存在因素間的相互作用。線性方程的的相關系數R2=0.996 8，調整系數Adj R2=0.985 0，具有良好的一致性，表明該模型的準確性和適用性較好。因此，回歸方程可以很好的描述各因素和響應值之間的真實關系，可以利用該方程確定最佳工藝條件，對回歸方程取一階偏導等于零，整理得：

聯立上述三個方程求解得到，A=0.41，B=0.345，C=0.18，由前面的變換方程可以得出：合成溫度T= 174℃，合成時間t=3.3 h，H2O與P2O5的反應摩爾比Z=2.1，在此條件下實際測得植酸含量為80.32%.回歸模型預測植酸含量理論值可達80.45%，實際測定值比理論預測值低0.16%。說明該數學模型能很好的預測各因素同植酸含量之間的關系。

2.2.2各因素之間的交互作用

根據回歸方程，做出響應面分析圖，其中對植酸含量影響表現顯著和極其顯著的交互項（AB、AC、BC）的響應面圖如圖4所示。

圖4　各因素相互作用的響應面與等高線圖Fig.4Response surface plots and contour plots of pairwise interactive effects

3結論

通過單因素試驗與響應面分析相結合的試驗方法來優化植酸合成的工藝，建立了植酸含量的計算模型，得到最佳的合成工藝條件為：H2O與P2O5的反應摩爾比為2.1，合成溫度174℃，合成時間3.3 h，其收率最高為80.32%。所得的回歸模型的擬合度良好，預測性較好，可用來分析和預測合成植酸的含量。

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Optimization of Synthesis Process for Phytic Acid by Response Surface Methodology

LIU Qian-qian
（Pharmaceutical Science and Technology Department，Heze University，Heze 27400，Shandong，China）

Phytic acid was synthesized with inositol as raw materal and phosphorus pentoxide as the phosphating agent through phosphorization；synthetise；decolorization and filtration.Based on single factor tests，the optimum synthesis conditions of phytic acid were obtained through Box-Benhnken central combination design and RSM. The results showed that the optimum synthesis conditions of phytic acid were as follows：molar ratio of waterto phosphorus pentoxide 2.1，reaction temperature 174℃，reaction time 3.3 h，the optimized yield of phytic acid was 80.32%.

inositol；phytic acid；synthesis；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.14.021

2014-11-06

劉倩倩（1986—），女（漢），助教，碩士，研究方向：有機合成方向。