效應面法優選碎米制備注射用葡萄糖中糖化液離子交換工藝的初步研究

石繼連，楊巖濤，劉文龍，鄧凱文，戴儒文，唐 昱，賀福元，*

(1.湖南中醫藥大學藥學院中藥藥性與藥效國家中醫藥管理局重點實驗室，湖南長沙410208;2.湖南中醫藥大學第一附屬醫院，湖南長沙410007)

目前食用及藥用葡萄糖多以玉米為原料加工制備而成，但玉米的生產成本高于大米更高于碎米。以大米為原料酶法生產的葡萄糖，甜味、風味、營養價值都比玉米高［1］。我國稻米加工過程中會產生10%～15%的碎米，其價格僅為整米的1/3～1/2，有效利用嚴重不足。因此，研究大米的深加工技術顯得尤為重要，可充分利用這部分資源［2］。采用大米加工的副產物碎米酶解制成葡萄糖，特別是注射用葡萄糖，一則可以變廢為寶，提高其深加工附加值，降低其生產成本。二則節約出來的玉米可作為戰略糧食儲備和其它食品深加工，對節約和優化我國的糧食結構，保證糧食安全具有重大的戰略意義［3］。碎米制備注射用葡萄糖的過程中，為了除去其糖化液所含的雜質，如無機鹽、重金屬、氨基酸、帶電的蛋白質和色素等，使之成為無色透明液體，達到注射用葡萄糖糖化液結晶前的質量要求。本文在采用活性炭對糖化液進行脫色［4－5］的基礎上，采用效應面實驗，對脫色后的糖化液初步進行了離子交換工藝研究，為制備注射用葡萄糖的生產提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糖化液 自制;D－無水葡萄糖對照品 中國藥品生物制品檢定所，批號:1108334－200503;732強酸性陽離子樹脂、717強堿性陰離子樹脂 均為上海三浦化工有限公司;層析柱 10mm×20cm;乙腈 為色譜純;流動相用水 為超純水;其它試劑 均為分析純。

Waters1525高效液相色譜儀 Waters 2410示差折光檢測器及Breeze色譜工作站;TU－1900雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;AR1140/C分析天平 瑞士梅特勒－托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄糖含量測定［1－2］

1.2.1.1 對照品溶液的制備 精密稱取D－無水葡萄糖對照品適量，置于50mL容量瓶中，加水溶解，定容至刻度，搖勻制成濃度為75.0mg·mL－1的對照品溶液。

1.2.1.2 供試品溶液的制備 吸取經過離子交換柱洗脫處理后的碎米糖化液，以0.45μm微孔濾膜過濾，得供試品溶液。

1.2.1.3 色譜條件 色譜柱為UltimateXB－WH2柱(250mm × 4.5mm，2.5μm);流 動 相 為 乙 腈 ∶水(65∶35);流速為1mL/min;柱溫為30℃;檢測波長為209nm;進樣量為10μL，理論塔板數按葡萄糖計不低于4500。

圖1 高效液相色譜圖Fig.1 HPLC chromatograms

1.2.2 洗脫指數的評價 精密吸取洗脫液20mL于蒸發皿中，水浴蒸干，于105℃干燥3h，移至干燥器中放置30min冷卻，稱定重量，計算洗脫液中固形物含量，按下式評價洗脫指數:

2 結果與分析

2.1 星點設計法優化工藝條件

根據正交設計初步考察實驗的結果，對每柱裝量、pH及洗脫流速等3個影響因素進行星點設計，進一步篩選影響其離子交換效果的工藝條件。按表1、表2，調整交換柱樹脂的裝量及pH，將經活性炭脫色后的糖化液加至離子交換柱，按一定的速度分別進行洗脫，精密吸取洗脫液20mL置于蒸發皿中，水浴蒸干，于105℃干燥3h，移至干燥器中放置30min冷卻，稱定重量，計算洗脫液中固形物含量。同時取各洗脫液按“1.2.1”項下的方法測定葡萄糖含量，將洗脫液中的固形物及葡萄糖含量進行綜合評分，初選糖化液的離子交換工藝，結果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels of experiment

表2 實驗安排與結果Table 2 Experiment arrangements and results

2.2 模型擬合

以洗脫的綜合評分為因變量，對各因素進行多元線性回歸和二項式擬合(pH按陽離子交換柱計算)。多元線性回歸方程是:Y=98.250+0.384X1－2.384X2+0.077X3，r=0.345，F=0.497(p ＞0.05)。二項式擬合方程是:Y=－39.751+9.852X1+28.414X2+2.253X3+0.389－0.790－0.011－2.546X1X2－0.088X1X3－0.203X2X3，r=0.8544。

從擬合方程的相關系數可見，多元線性回歸方程的相關系數較低，表示自變量與因變量之間線性相關性較差，可見多元線性回歸擬合度不佳，預測性較差，因此，該數學模型不合適。而多元二項式擬合方程相關系數較高，擬合效果較好，表明預測性更好。

2.3 工藝優化和預測

因變量曲面圖是三維圖，只能表達2個自變量的函數，因此固定3個自變量之一為中值，以擬合的目標函數為數學模型，采用Minitab軟件繪制效應面圖(圖2)。考慮到工藝生產中實際成本以及實際實驗誤差等問題，本研究選取碎米糖化液的離子交換優化工藝為:X1:10g，X2:4/10，X3:10，即在兩支10mm×20cm的層析柱中分別加入陽、陰離子交換樹脂10g，分別調pH為4、10后，在常溫下以10d/min的速度洗脫。

圖2 三維效應面圖Fig.2 Three－dimensional response surface

2.4 優化工藝驗證

按上述最優工藝條件，將經活性炭脫色后的糖化液先用pH為4、樹脂裝量為10g的10mm×20cm的陽離子柱中，在常溫下以10d/min的速度洗脫，洗脫液再用pH為10、樹脂裝量為10g的10mm×20cm的陰離子交換柱，在常溫下以10d/min的速度洗脫。結果5批實驗的評分分別為:95.23、96.24、95.62、93.87及92.48，平均評分為94.69，RSD為1.59%。表明所建立的數學模型具有良好的預測性，所選工藝條件重現性良好。

3 討論與結論

星點設計又稱中心組合設計，是多因素5水平的實驗設計，在二水平析因設計的基礎上加上極值點和中心點構成，各水平的安排遵循任意兩個物理量之間的差值與對應代碼之間的差值成等比的原則。效應面優化的基本原理則是通過描繪效應對考察因素的效應面，從效應面上找出較優的區域，再回推出因素的取值范圍，此范圍即為最佳條件［6］。

碎米糖化液經離子交換后，其固形物的主要成分為葡萄糖，固形物及其葡萄糖含量越高，相應地就說明固形物中的其它雜質含量越低，其離子交換的工藝就越好。本文在正交設計實驗的基礎上，采用星點設計－效應面法，以離子交換后的洗脫糖化液的固形物及其葡萄糖含量的乘積作洗脫指數進行考察，初步優化了碎米糖化液的離子交換工藝。若進一步結合吸附蛋白質等其它雜質的情況深入細致研究，根據中國藥典中葡萄糖項下的質量標準［7］，對氯化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、蛋白質、鈣鹽及鐵鹽等雜質進行限量檢查，可得到碎米制備注射用葡萄糖的最佳離子交換工藝條件。因此，本研究同時對藥典標準規定的上述雜質檢查項目均進行了檢驗，結果表明所考察的20個工藝條件所得的產品均符合藥典標準，限于篇幅在本文中未作細述。為此，本研究已申請專利(申請號為:201010547831.2)。

本文通過實驗室條件研究了各種因素對糖化液洗脫指數的影響，為制備注射用葡萄糖的工業化生產提供了實驗依據。若要應用于工業化大生產，在此基礎上還需根據生產設備規格等實際條件適當進一步優化。

［1］高玉臣.大米制造葡萄糖的技術和工藝［J］.杭州食品科技，2008(2):23－25.

［2］周麗君.大米淀粉轉化生產葡萄糖的研究［D］.長沙:中南林業科技大學，2011，5.

［3］賀福元，鄧凱文，劉文龍，等.葡萄糖應用生產現狀及碎(大)米酶法制成注射用葡萄糖的巨大優勢［J］.湖南中醫藥大學學報，2010，30(12):68－71.

［4］石繼連，劉文龍，楊巖濤，等.碎米糖化液的脫色工藝研究［J］.中國藥師，2011，14(12):1734－1737.

［5］石繼連，劉文龍，楊巖濤，等.正交設計優選碎米糖化液的脫色工藝［J］.中國醫藥導報，2012，9(3):117－118，125.

［6］呂邵佳，劉棟，胡畔盼，等.星點設計－效應面法優化龍芽楤木葉提取工藝［J］.中藥材，2010，3(3):442－445.

［7］國家藥典委員會.中華人民共和國藥典(二部)［S］.北京:中國醫藥科技出版社，2010:927.