響應面法優化鹽酸降解小麥麩皮中植酸研究

趙孝先,高　玲,吳麗雅,趙　凱,3,*

(1.河北醫科大學第四醫院,河北石家莊 050011; 2.河北凱盛醫藥科技有限公司,河北石家莊 050035; 3.江西歐氏藥業有限責任公司,江西新余 338004)

?

響應面法優化鹽酸降解小麥麩皮中植酸研究

趙孝先1,高玲1,吳麗雅2,趙凱2,3,*

(1.河北醫科大學第四醫院,河北石家莊 050011; 2.河北凱盛醫藥科技有限公司,河北石家莊 050035; 3.江西歐氏藥業有限責任公司,江西新余 338004)

本文旨在優化降解小麥麩皮中殘留植酸的工藝。以麥麩為原料,植酸殘余率為響應值,采用鹽酸降解麩皮中植酸方法,分別研究了鹽酸溶液濃度,料液比,時間和溫度的影響,依據單因素的實驗結果,進行了Box-benhnken響應面優化實驗,得到了最佳的工藝條件:時間為2.5 h,溫度為52 ℃,鹽酸濃度為1.2 mol/L,料液比為1∶21 g/mL,此時,植酸殘余率僅為0.625%。表明此法可以較好的降解植酸。

麥麩,植酸,降解,響應面分析

我國是小麥主要的產地和消費國,其中小麥顆粒質量的14%～17%是小麥麩皮,而麩皮中植酸含量可達2.5%～5.8%[1-2]。植酸(Phytic acid)化學名為環己六醇-六磷酸酯,即肌醇六磷酸,含有六個磷酸基和十二個羥基[3-4],具有強酸性和強螯合能力,被認為是一種天然的抗營養因子,降低了人體對鈣鐵鋅等營養素的吸收[5]。目前藥用小麥纖維素顆粒已被批準進口并在我國上市銷售,但國內對小麥纖維素的研究相對較少。本研究旨在降低小麥麩皮中的植酸,為后續制備小麥纖維素保健品和藥品提供一定的數據參考,實現小麥麩皮利用最大化。

目前,對于降解小麥麩皮中植酸的研究較少,其主要有沉淀法[6]、超聲波提取法[7]、內源植酸法[8]和加速溶劑法[9]等,但因其成本高、耗時長等缺點導致難以實現工業化生產。本研究以鹽酸降解小麥麩皮中植酸,采用響應面法優化不同條件(鹽酸濃度、料液比、時間和溫度)對植酸殘余率的影響,確定最佳優化工藝。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

小麥麩皮(河北)由石家莊益海糧油工業有限公司提供;植酸鈉標準溶液美國Sigma公司;濃鹽酸、磺基水楊酸鈉、三氯化鐵等試劑均為國產分析純。

TU-1800S紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限公司;KQ-250超聲波清洗器昆山市超聲波儀器有限責任公司;TGL-15B離心機上海安亭科學儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1鹽酸浸提小麥麩皮中植酸稱取清洗干燥后的小麥麩皮5 g,加入一定體積,一定濃度的鹽酸溶液,置于預設溫度的水浴鍋中,保溫磁力攪拌一定時間[7,10]。然后將提取后的混合液全部轉移到離心管中,10000 r/min離心10 min。對浸提后小麥麩皮渣清洗至中性,干燥,稱重,待分析檢測。以小麥麩皮中植酸的殘余率為實驗檢測指標。

1.2.2植酸的分析檢測方法超聲作用可產生各種效應,這些效應能夠提高傳質速度,增大傳質面積和物質的活化能,從而促進分離過程[11]。雖然超聲波被應用在工業生產中有一定難度,但可采用超聲波輔助方法分析檢測植酸,以提高數據的準確性[12]。將上述處理得到的樣品置于100 mL錐形瓶中,料液比1∶20,添加2 mol/L稀鹽酸溶液、在250 W、50～60 kHz超聲波處理1 h后,50 ℃水浴浸提2 h,1000 r/min,離心20 min,取上清液,待分析[8,10]。

1.2.3標準曲線的繪制實驗采用比色法測定小麥麩皮中植酸的殘留含量,詳細方法參考國家標準(GB/T 5009.153-2003 植物性食品中植酸的測定)。

1.2.4植酸殘余率的計算

1.2.5單因素的實驗設計在鹽酸降解小麥麩皮中植酸的實驗過程中發現,鹽酸溶液的濃度(0.2、0.5、0.8、1.1和1.4 mol/L)和麩皮與鹽酸溶液的料液比(1∶5、1∶10、1∶15、1∶20和1∶25 g/mL),降解時間(0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 h)和降解溫度(20、30、40、50和60 ℃)影響植酸的降解效果,以小麥麩皮植酸的殘余率為指標,分析研究這4個因素的影響。

1.2.6響應面實驗設計依據單因素的實驗結果,以植酸的殘余率為響應值,分別選取鹽酸溶液的濃度1.1 mol/L、麩皮與鹽酸溶液的料液比1∶20、降解時間3 h和溫度50 ℃作為中心點,進行4因素3水平的響應面優化實驗設計,采用回歸方程擬合因素與響應值之間的函數關系,通過回歸方程優化工藝參數,預測響應值,獲得最佳的工藝條件,水平設計見表1。

表1　響應面分析因素與水平

1.3數據處理方法

響應面分析法是將該體系的響應值作為一個或多個因素的函數,通過圖形將這種函數關系表現出來,用于選擇實驗設計中最優方法。本實驗采用Design-Expert軟件中Box-benhnken中心組合實驗設計,每組實驗做3個重復,取平均值,對實驗數據進行回歸分析,確定該模型的可靠性以及平方效應、線性效應和交互效應的顯著性[13]。

2　結果與分析

2.1植酸溶液標準曲線繪制

如圖1所示,該標準曲線R2=0.9997,線性關系良好,能夠分析樣品中植酸的含量。

圖1　植酸含量的標準曲線Fig.1　Standard curve for phytic acid content determination

2.2單因素實驗結果分析

2.2.1降解時間對植酸殘余率的影響固定降解溫度為50 ℃,鹽酸濃度為1.1 mol/L,麩皮與鹽酸溶液的料液比為1∶20(g/mL),研究降解時間對植酸殘余率的影響,結果見圖2。

圖2　降解時間對植酸殘余率的影響Fig.2　Effect of degradation time on the residual amount of phytic acid

由圖2可知,在0.5～4 h時間范圍內,小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降,最后趨于平緩。因為植酸的降解是一個動態的過程,隨著時間的推移,植酸在逐漸降解,于此同時,麩皮中其它成分也會溶出,當反應一定時間時,達到平衡狀態。所以,選擇3 h為最適宜降解時間。

2.2.2降解溫度對植酸殘余率的影響固定降解時間為3 h,鹽酸濃度為1.1 mol/L,麩皮與鹽酸溶液的料液比為1∶20(g/mL),研究降解溫度對植酸殘余率的影響,結果見圖3。

圖3　降解溫度對植酸殘余率的影響Fig.3　Effect of degradation temperature on the residual amount of phytic acid

由圖3可知,在20～60 ℃溫度范圍內,小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降趨于平緩。因為隨著溫度的增高,溶液中分子動能在提高,有利于植酸的降解,同時植酸較強的螯合能力容易與溶出蛋白質的等組分形成螯合物,因此,最后趨于平緩。所以,選擇50 ℃為最適宜降解溫度。

2.2.3鹽酸溶液濃度對植酸殘余率的影響固定降解溫度和時間分別為50 ℃,3 h,麩皮與鹽酸溶液的料液比為1∶20(g/mL),研究鹽酸濃度對植酸殘余率的影響,結果見圖4。

由圖4可知,在0.2～1.4 mol/L鹽酸溶液濃度范圍內,小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降趨于平緩。因為隨著濃度的提高,植酸的螯合能力也會逐漸下降,故會有更多的植酸降解,但由于在酸性條件下,麩皮中的蛋白質和糖類等組分也會溶出,從而影響植酸的降解,所以,選擇1.1 mol/L為最適宜鹽酸溶液濃度。

圖4　鹽酸溶液濃度對植酸殘余率的影響Fig.4　Effect of concentration of hydrochloric acid on the residual amount of phytic acid

2.2.4料液比對植酸殘余率的影響固定降解溫度和時間分別為50 ℃,3 h,鹽酸濃度為1.1 mol/L,研究麩皮與鹽酸溶液料液比對植酸殘余率的影響,結果見圖5。

由圖5可知,在1∶5～1∶25料液比范圍內,小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降,最后趨于平緩。因為當料液比較小時,麩皮不能夠完全被浸濕,從而影響植酸的殘余率,而當料液比較大時,植酸已經完全被浸提出來,因此,殘余率趨于平緩。所以,選擇1∶20為最適宜料液比。

圖5　料液比對植酸殘余率的影響Fig.5　Effect of ratio of solid to liquid on the residual amount of phytic acid

2.3響應面優化實驗結果分析

根據單因素的實驗結果,采用Design-Expert 8軟件中Box-Behnken 實驗設計,對表2中實驗數據進行了擬合,得到了回歸方程:Y=0.64-0.083X1-0.089X2-0.059X3-0.043X4+0.027X1X2+0.051X1X3+0.019X1X4+0.072X2X3+0.076X2X4-0.038X3X4+0.18X12+0.19X22+0.13X32+0.12X42

實驗設計共29組實驗,其中用于評判實驗誤差的零點實驗重復5次,其它是析因實驗。

表2　響應面實驗設計及結果

表3　方差分析表

注:*表示顯著(p<0.05),**表示極顯著(p<0.01)。

從方差分析表可知,一次項X1、X2和二次項 X12、X22、X32、X42影響較大,極顯著,交互項X2X3和X2X4影響顯著。其中各個因素對植酸殘余率影響的大小順序是:X2>X1>X3>X4。

2.3.2響應面分析圖6直觀的反應了交互作用顯著的兩個因素的影響,響應面圖的陡峭是否橢圓表明交互作用大小,響應面圖的底端所標示的最低點是最小值,說明存在極值,因此從響應曲面圖可以看出X2X4的曲面較X2X3陡,說明X2X4對響應值的影響大于X2X3。

圖6　交互顯著的因素相應曲面圖Fig.6　Response surface plot for the residual amount of phytic acid at notable interacting factor

2.3.3響應面條件的確定根據回歸方程,依據Design-Expert 8軟件進行分析,得到理預測的理論值:X1=-0.66,X2=0.17,X3=0.34,X4=0.23,即降解時間為2.34 h,降解溫度51.7 ℃,鹽酸濃度1.202 mol/L,料液比1∶21.15 g/mL,此時,植酸的殘余率為0.627%。但是考慮到實際情況,條件修改為:時間為2.5 h,溫度為52 ℃,鹽酸濃度為1.2 mol/L,料液比為1∶21 g/mL,在此條件下,實驗三次,植酸殘余率平均值為0.625%,與理論值相差不大,因此采用響應面法優化鹽酸降解麥麩中植酸的實驗條件可靠,具有實際意義。

3　結論

本實驗以麥麩為原料,以麥麩中植酸的殘余率為響應值,在單因素的基礎上,分別探討了時間,溫度,鹽酸濃度和料液比對響應值的影響,并進行優化,得到最佳的工藝條件:時間為2.5 h,溫度為52 ℃,鹽酸濃度為1.2 mol/L,料液比為1∶21 g/mL,此時,植酸殘余率僅為0.625%。本文為小麥麩皮系列產品的制備提供了理論依據。

[1]Akhtar M,Tariq AF,Awais MM,et al. Studies on wheat bran arabinoxylan for its immunostimulatory and protective effects against avian coccidiosis[J]. Carbohydrate Polymers,2012,90(1):333-339.

[2]郭娜.小麥麩皮纖維降解糖化與分層利用[D].合肥:合肥工業大學,2013.

[3]JR Zhou,JW Erdman Jr. Phytic acid in health and disease[J].Critical Reviewsin Food Science and Nutrition,1995,35(6):495-508.

[4]李健秀,王建剛,王文濤.植酸的制備及應用進展[J].化工進展,2006,25(6):629-633.

[5]張正磊,周惠明.酶法降解糙米中植酸初探(一)——糙米中植酸提取或降解方法選擇[J]. 食品工業科技,1999,2(2):33-34.

[6]田玉珍,趙有貴.用麥麩制取植酸鈣的研究[J].河北化工,1996(1):34-35.

[7]余安.花生粕中植酸的提取與純化研究[D].武漢:華中農業大學,2010.

[8]楊武,湯鋒,王麗,等.內源植酸酶降解麥麩中植酸的研究[J].糧食與飼料業,2009,7(6):20-21.

[9]曾雪靈,陳永欣,葉明立,等.加速溶劑萃取離子色譜測定油菜籽餅中的植酸[J].浙江大學學報：理學版,2006,33(6):667-670.

[10]袁建,王艷,范哲,等.響應面法優化小麥麩皮中植酸的提取工藝[J].糧食與飼料工業,2013(12):13-17.

[11]胡松青,丘泰球,張喜梅. 功率超聲在分離純化中的應用[J]. 聲學技術,1999,18(4):180-184.

[12]張奶玲.植酸提取技術改進及其在果蔬保鮮中的應用研究[D].吉林:吉林農業大學,2008.

[13]王明艷,張小杰,王濤,等.響應面法優化香椿葉多糖的提取條件[J].食品科學,2010,31(4)：106-110.

[14]秦德利,賈坤,竇珺榮,等.茶樹花多糖超聲波輔助熱水浸提工藝優化[J].食品工業科技,2015,36(4):215-219.

[15]許遠,魏和平,吳彥,等.響應面優化襄荷總黃酮提取及抗氧化研究[J].食品工業科技,2015,24(5):233-239.

Optimization of degradation phytic acid for wheat bran by hydrochloric acid using response surface methodlogy

ZHAO Xiao-xian1,GAO Ling1,WU Li-ya2,ZHAO Kai2,3,*

(1.The Fourth Hospital of Hebei Medical University,Shijiazhuang 050011,China; 2.Hebei Kingsci Pharmaceutical Technology Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050035,China; 3.Jiangxi Ourshi Pharmaceutical Co.,Ltd.,Xinyu 338004,China)

The aim was to optimize the degradation of phytic acid of wheat bran. Hydrochloric acid degradation of phytic acid was used to investigate the concentration of hydrochloric acid,ratio of solid to liquid,time and temperature were studied. According to single factor experiment,the optimum conditions showed that when the time of 2.5 h,temperature of 52 ℃,the concentration of hydrochloric acid of 1.2 mol/L,the ratio of solid to liquid 1∶21 g/mL,the residual amount of phytic acid reduced to 0.625% by Box-benhnken.It showed that the method of hydrochloric acid degradation was a better method.

wheat bran;phytic acid;degradation;response surface methodlogy

2015-09-08

趙孝先(1968-)，男,大學本科，主治醫師，主要從事藥物研發與臨床應用，E-mail：hbydsyzhxx@163.com。

趙凱(1965-)，男，博士，正高級工程師，主要從事藥物研究與開發工作，E-mail：zhkaihx@163.com。

TS210.1

A

1002-0306(2016)10-0311-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.055