響應面分析法優化新型氨基酸鉻螯合物制備工藝

郭 藤，王世平*，曹佳璐

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

響應面分析法優化新型氨基酸鉻螯合物制備工藝

郭 藤，王世平*，曹佳璐

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

優化牛血酶解液復合氨基酸制備工藝。在單因素試驗基礎上，利用響應面分析法研究溫度、時間、pH值、質量比及各因素的交互作用對螯合反應的影響。模擬得到二次多項式回歸方程的預測模型，并確定最佳工藝條件為溫度48.9℃、時間85.57min、pH7.15、質量比3.76:1。在此條件下螯合率理論值為0.6135，實測值為0.6013，相對誤差為1.99%，理論值測值與實測值之間擬合性好。本實驗為開發新型的補鉻產品和金屬螯合物的研究提供了一定的理論依據。

血紅蛋白；鉻；螯合物；響應面分析

鉻(chromium，Cr)作為動物機體必需的微量元素之一，主要是通過葡萄糖耐量因子(glucosetolerance factor， GTF)協同或增強胰島素的作用，進而影響糖、脂類、蛋白質和核酸代謝。現有研究表明，飼糧中添加有機鉻對畜禽的生長、繁殖、免疫狀態以及胴體品質等均有良好影響。因此對有機鉻的開發、研究已成為熱點[1-5]。

氨基酸微量元素螯合物克服了無機鹽和有機鹽的缺點，能顯著的增加動物體對礦物質微量元素的吸收，并且無毒、無副作用、無沉積、不損害消化系統、不影響其他微量元素及維生素等營養成分的吸收[6-8]。血蛋白屬于完全蛋白質，是一種非常理想的蛋白質資源，以農產品加工廢棄物牛血為原料制備復合氨基酸鉻螯合物尚未見報道，這種方法對于加強我國動物血資源的利用、減少環境污染和資源浪費以及開發新型的微量元素添加劑具有十分重要的意義，具有很高的研究價值和廣闊的應用前景[9-10]。

以往氨基酸微量元素螯合物的制備工藝優化多采用正交試驗設計，得到的最佳工藝條件只能是理想條件，無法給出整個區域上因素的最佳組合的最優值，應用于實際生產中不免會有諸多局限性[11-12]。響應面分析法(response surface methodology，RSM)是一種優化工藝條件的有效方法，可用于確定各因素及其交互作用在工藝過程中對響應值的影響，精確地表述因素和響應值之間的關系。在試驗設計與結果表述方面更加優良，精確度高，預測性好。RSM軟件結合Graph2等繪圖軟件還能夠給出參數與響應值之間的平面圖和立體圖，直觀地提供局部參數值和整體響應面值之間的對應關系，從而獲得明確有用的結論。

本研究以畜產品加工廢棄物牛血制備氨基酸鉻螯合物，對生物資源合理利用，減少環境污染具有重要意義，這方面報道在國內尚不多見。與以往螯合物制備方法相比，本方法所得螯合物氨基酸含量豐富、易于吸收、得率較高、成本低[13-14]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮牛血 御香苑食品有限公司；中性蛋白酶、Flavourzyme 諾維信公司；三氯化鉻 北京北化精細化學品有限責任公司；所用試劑均為分析純，試驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

SHA-BA型水浴振蕩器 金壇榮華儀器制造有限公司；TDL-5A型離心機 上海安亭科學儀器廠；FE20型酸度計 Mettler Toledo公司；UV-5200紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牛血血紅蛋白酶解液的制備

新鮮牛血血液→分離血紅蛋白→加中性蛋白酶和Flavourzyme水解(控制反應條件)→沸水浴或高壓滅酶同時消毒滅菌(15min)→離心(4000r/min，5min)→酶解液[15]

1.3.2 牛血血紅蛋白酶解液鉻螯合物的制備

牛血血紅蛋白酶解液→預熱→加CrCl3·6H2O→調節pH值→恒溫水浴振蕩→無水乙醇提取→離心取沉淀→冷凍干燥得螯合物

1.3.3 螯合率測定

準確移取牛血血紅蛋白酶解液鉻反應液1mL于50mL容量瓶中，定容，搖勻，二苯碳酰二肼分光光度法測定總鉻含量[16-17]。另移取牛血血紅蛋白酶解液鉻反映液1mL于50mL離心管中，加入20mL無水乙醇提取，離心分離，將沉淀用水溶解，轉移至50mL容量瓶中，定容，搖勻，二苯碳酰二肼分光光度法測定鉻含量。

式中：M1是所測的1mL反應液中總鉻的含量；M2是測得1mL反應液提取的螯合物里鉻含量。

1.3.4 單因素試驗

分別以不同的反應溫度、反應時間、pH值、質量比(牛血酶解液蛋白含量:鉻)進行單因素試驗，考察各單因素對螯合率的影響，試驗設置3次重復。

1.3.5 二次通用旋轉組合設計

利用Design-expert 7.1.6統計分析軟件，采用四因素三水平旋轉通用中心組合設計，以反應溫度(x1)、時間(x2)、pH值(x3)、質量比(x4)為變量，螯合率為響應值，在單因素試驗基礎上，確定中心組合試驗因素與水平。各因素的水平編碼表見表1。

表1 因素及水平編碼表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

當固定其他3個因素，單獨考察另外一個因素對螯合率的影響時，結果表明：反應時間對螯合率影響不大，質量比越大螯合率就越高，而螯合率隨反應溫度和pH值的增大呈先增加后降低趨勢。螯合率最大時，反應溫度、時間、pH值、質量比分別為50℃、90min、pH7.0、3:1。并以此為0水平，確定中心組和水平，設計四元三次通用旋轉組合正交試驗。

2.2 響應面分析試驗設計優化反應條件

2.2.1 螯合反應二次多項式回歸方程建立及方差分析

試驗按四因素三水平實施，中心點重復7次，共31個處理，設計方案及結果見表2。

利用Design-expert 7.1.6統計分析軟件對所得結果進行回歸分析，牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反映的模型：Y= 0.629071-0.0114542X1-0.00500417X2＋0.00377917X3-0.0117375X4-0.0248376X12＋0.0151062X1X2＋0.00243125X1X3-0.0159438X1X4-0.00985015X22-0.00485625X2X3-0.00545625X2X4-0.0266501X32-0.00030625X3X4-0.0185501X42。

牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的四元三次通用旋轉組合設計的方差分析見表3。由表3可得，該數學模型顯著性檢驗F值為5.88，(P=0.0006＜0.01)，達到了極顯著水平。反映出該方程式在試驗點上與試驗結果相吻合。失擬性檢驗F值為3.1，(P=0.0898＞0.05)，差異不顯著，表明回歸方程無失擬因素存在，回歸方程擬合得較好，可以用該方程預測牛血酶解液與Cr3+的螯合反應。對模型中各項系數進行檢驗，在α=0.05顯著水平剔除不顯著項后，簡化后的回歸方程：Y=0.629071＋0.00377917X3-0.0117375X4-0.0248376X12＋0.00243125X1X3-0.0159438X1X4-0.0266501X32-0.0185501X42。

表2 牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的四元三次通用旋轉組合設計方案及結果Table 2 Design and results of central composite rotation experiments

表3 牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的四元三次通用旋轉組合設計方差分析表Table 3 Variance analysis of central composite experiments

從因素分析可知，在試驗條件下，反應時間、溫度、pH值以及質量比等4個因素對螯合率的影響大小依次為質量比＞pH值＞溫度＞時間。模型方程的某些一次項和交互項的影響顯著，而二次項極顯著，說明各個具體試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，這將在各影響因素的交互作用中進行分析。

2.2.2 各影響因素的交互作用分析

2.2.2.1 溫度和質量比交互作用對螯合反應的影響

由表3可知，溫度和質量比交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響顯著。采用降維分析法，將回歸模型中時間和pH值固定在零水平，即可得到溫度和質量比對螯合率的回歸方程：Y= 0.629071-0.0117375X4-0.0248376X12-0.0159438X1X4-0.0185501X42。利用Designexpert 7.1.6統計分析軟件繪制溫度和質量比對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖1所示。

圖1 反應溫度和質量比交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between reaction temperature and hydrolysate-chromium ratio on chelating rate

由圖1可知，在所選的范圍內存在極值，既是響應面的最高點，同時也是等值線最小橢圓的中心點。溫度和質量比對螯合率的影響呈負二次曲線，當質量比和溫度兩個因素同時變化時，隨著二者的增加，螯合率呈現先增大后減小的趨勢。這是由于Cr3+加入量是固定的，質量比越大反應體系中配體數目越多，有利于反應平衡向反應物生成方向移動，但隨著溫度超過50℃，牛血酶解液中的小肽和氨基酸變性，螯合率降低。沿質量比變化方向，等高線較密集，而沿溫度變化方向等高線稀疏，說明質量比對螯合反應的影響比溫度顯著，與表3所得結論一致。

2.2.2.2 溫度和pH值交互作用對螯合反應的影響

由表3可知，溫度和pH值的交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響為顯著水平。采用降維分析法，將回歸模型中時間和質量比固定在零水平，即可得到溫度和pH值對螯合率的回歸方程：Y=0.629071＋0.00377917X3-0.0248376X12＋0.00243125X1X3-0 .0266501X32。利用Design-expert 7.1.6統計分析軟件繪制溫度和pH值對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖2所示。

圖2 反應溫度和pH值交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between reaction temperature and pH on chelating rate

由圖2可知，在所選的范圍內存在極值，既是響應面的最高點，同時也是等值線最小橢圓的中心點。其對應溫度在48～50℃之間，對應pH值在7.0～7.2之間。溫度和pH值對螯合率的影響呈負二次曲線，在酸性和低溫度范圍內，隨著pH值和溫度增加螯合率呈上升趨勢，因為在pH值較低的酸性條件下，存在大量氫離子與鉻離子爭奪供電子基團，不利于螯合物的形成；在堿性和高溫度范圍內，隨著pH值和溫度增加螯合率降低，因為在pH值較高的堿性條件下，羥基易與鉻離子形成氫氧化鉻沉淀[18]。且溫度升高到一定程度會使小肽和氨基酸變性，無法與鉻離子結合生成螯合物。從等高線圖還可以看出，沿pH值軸向等高線較密集，而沿溫度軸向等高線較稀疏，說明質量比對螯合反應得影響比溫度顯著，與表3所得結論一致。

2.2.2.3 溫度和時間交互作用對螯合反應的影響

由表3可知，溫度和時間交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響不顯著。利用Design-expert 7.1.6統計分析軟件繪制溫度和時間對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖3所示。

圖3 反應溫度和時間之間交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between reaction temperature and reaction time on chelating rate

由圖3可知，在所選的范圍內不存在極值，溫度對螯合率的影響呈負二次曲線，而時間對螯合率的影響呈一次線性關系。即使在較低溫度下，螯合率也比較高且隨時間變化不大，但超過一定溫度范圍，致使小肽和氨基酸變性，螯合率顯著下降。因此可知，牛血酶解液與鉻的螯合反應為可在常溫下進行的較為快速的反應。從等高線圖還可看出，螯合率隨溫度和時間的變化幅度很小，即受二者影響不顯著。沿溫度軸向等高線較密集，而沿時間軸向等高線較稀疏，說明溫度對螯合反應得影響比時間顯著，與表3所得結論一致。

2.2.2.4 時間與質量比交互作用對螯合反應的影響

由表3可知，質量比和時間交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響不顯著。利用Designexpert 7.1.6統計分析軟件繪制質量比和時間對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖4所示。

由圖4可知，在所選的范圍內不存在極值，質量比對螯合率的影響呈負二次曲線，而時間對螯合率的影響呈一次線性關系。當質量比和時間同時變化時，隨著二者的增加，螯合率呈上升趨勢；且螯合率隨時間變化不大，隨質量比增加而增加。其等高線呈圓形，說明其交互作用不顯著，沿質量比軸向等高線較密集，而沿時間軸向等高線較稀疏，說明質量比對螯合反應得影響比時間顯著，與表3所得結論一致。

圖4 反應時間和質量比交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between reaction time and hydrolysate-chromium ratio on chelating rate

2.2.2.5 時間與pH值交互作用對螯合反應的影響

圖5 pH值和溫度交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between pH and reaction time on chelating rate

由表3可知，pH值和時間交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響不顯著。利用Designexpert 7.1.6統計分析軟件繪制時間和pH值對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖5所示。

由圖5可知，在所選的范圍內不存在極值，pH值對螯合率的影響呈負二次曲線，而時間對螯合率的影響呈一次線性關系。螯合率隨pH值增加呈先增加后降低的趨勢，這是由于，在pH值較低的酸性條件下，存在大量氫離子與鉻離子爭奪供電子基團，不利于螯合物的形成；在pH值較高的堿性條件下，氫氧根離子易與鉻離子形成氫氧化鉻沉淀；而隨時間的變化不顯著。從等高線圖還可以看出，沿pH值軸向等高線密集，而沿時間軸向等高線稀疏，說明pH值對螯合反應得影響比時間顯著，與表3所得結論一致。

2.2.2.6pH值與質量比交互作用對螯合反應的影響

由表3可知，pH值和質量比交互作用對牛血血紅蛋白酶解液與Cr3+螯合反應的影響不顯著。利用Designexpert 7.1.6統計分析軟件繪制pH值和質量比對螯合反應交互影響的3D曲線和等高線圖，如圖6所示。

圖6 pH值和質量比交互作用的響應曲面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between pH and hydrolysate-chromium ratio on chelating rate

由圖6可知，在所選的范圍內存在極值，既是響應面的最高點，同時也是等值線最小橢圓的中心點。質量比和pH值對螯合率的影響呈負二次曲線。在酸性范圍內，隨著pH值和質量比增加螯合率呈上升趨勢，這是由于在pH值較低的酸性條件下，存在大量氫離子與鉻離子爭奪供電子基團，不利于螯合物的形成；在堿性和高溫度范圍內，隨著pH值和質量比增加螯合率降低，這是由于在pH值較高的堿性條件下，氫氧根離子易與鉻離子形成氫氧化鉻沉淀。其等高線呈圓形，說明二者相互作用不顯著。

2.2.3 利用回歸方程確定最佳工藝及驗證

利用得到的回歸方程，分別對X1、X2、X3、X4求偏階導數，并令其偏導等于零，得到下面的四元一次方程組[19]：

解此線性方程組得：X1=-0.1037，X2=-0.1478，X3=0.1505，X4=0.7629。即牛血酶解液與鉻螯合反映的最佳工藝條件：溫度為48.9℃、時間為85.57min、pH7.15、質量比為3.76。在此條件下，螯合率理論最大值為0.6135。對優化工藝條件進行試驗驗證，3次重復，實際測得的螯合率為0.6013，與理論預測值相對誤差在1.99%左右。

3 結 論

3.1 利用Design-expert 7.0軟件響應曲面法，建立了螯合率的二次多項式回歸模型方程：Y= 0.629071＋0.00377917X3-0.0117375X4-0.0248376X12＋0.00243125X1X3-0.0159438X1X4-0.0266501X32-0.0185501X42。回歸方程擬合得較好，可以用該方程預測牛血酶解液與Cr3+的螯合反應。

3.2 同時利用模型的響應曲面對影響螯合率的各因素進行分析。結果表明，4個因素對螯合率的影響大小依次：質量比＞pH值＞溫度＞時間。且溫度和質量比、溫度和pH值之間的交互作用顯著。

3.3 通過計算與驗證得到牛血酶解液與鉻螯合最優工藝條件：溫度48.9℃、時間85.57min、pH7.15、質量比3.76。在此條件下，螯合率理論值0.6135，實測值0.6013，相對誤差為1.99%，測值與實際值之間擬合性好。

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Optimization of Preparation Processing for Chromium Amino Acid Chelated by Response Surface Analysis

GUO Teng，WANG Shi-ping*，CAO Jia-lu
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to optimize the preparation processing of chromium amino acid chelated, response surface methodology was employed to analyze the effects of reaction temperature, reaction time, pH, protein hydrolysate-chromium ratio and the cross-interaction among factors on chelating reaction. On the basis of single-factor experimental results, a mathematical regression model was established, and the optimal preparation processing conditions were reaction temperature of 48.9 ℃, reaction time of 85.57 min, pH 7.15, protein hydrolysate-chromium ratio of 3.76:1. Under these optimal processing conditions, the chelating rate was 0.6013, which was close to theoretical chelating rate of 0.6135 with a relative error of 1.99%. Therefore, this investigation provided a theoretical reference for the chromium supplementary products.

haemoglobin；chromium；chelate；response surface analysis

TS251.93

A

1002-6630(2010)24-0186-06

2010-01-30

郭藤(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為營養與食品安全。E-mail：twfyfe@163.com

*通信作者：王世平(1959—)，男，教授，碩士，研究方向為營養與食品安全。E-mail：wang744447@163.com