利用超濾技術及離子交換法制取高純度植酸的研究

牟丹，錢海峰，譚志剛，張暉，王立

（江南大學食品學院與技術國家重點實驗室，江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

植酸(phytic acid)亦稱環己六磷酸酯，其分子式為C6H18O24P6，分子量為660.04，易溶于水、乙醇和丙酮，幾乎不溶于乙醚、苯和氯仿[1]。植酸作為螯合劑、抗氧化劑、保鮮劑、護色劑、發酵促進劑、金屬防腐蝕劑等，廣泛應用于食品、日用化工、金屬加工、紡織工業及印刷工業等領域[2-3]。植酸同時具有多種生理功能，如防治糖尿病、預防腎結石的發生、癌癥化療輔助治療劑及有益于心腦血管疾病的防治等，因此在醫藥保健品領域也有廣泛應用[4]。植酸純度的高低直接決定其使用效能的高低。

植酸主要以鉀、鈣、鎂復鹽（菲汀）的形式存在于天然植物中，以谷類麩糠、豆類胚乳和玉米胚芽中含量較高。脫脂米糠中菲汀含量高達 10%，是制取植酸的優質原料。關于植酸制備傳統的工藝多采用沉淀法[5]，該法操作較為繁瑣，產品收率較低。離子交換法[6]是一種新興的制備方法，近年來多有報道[7-8]。但由于原料成分復雜，用離子交換樹脂直接處理稀酸提取液，引入較多雜質致使樹脂的再生困難，使用周期縮短，增加了生產成本。

本文綜合運用膜分離及離子交換技術對植酸進行了提取及純化，既減少了提取液中雜質對樹脂的損害，又提高了所得植酸的純度。對于高純度植酸的實際生產過程具有一定參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂米糠 杭州恒天面粉集團有限公司；離子交換樹脂717、732型 國藥集團化學試劑有限公司；離子交換樹脂D301、D318型 江蘇蘇青水處理工程集團公司

RW20電動攪拌機 IKA儀器有限公司；L-550低速自動平衡離心機 湘儀離心機儀器有限公司；SHZ-3循環水多用真空泵 上海滬西分析儀器廠；SHY—2A水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠；Pellicon-2 超濾系統 PALL 公司；HL-2S恒流泵 上海滬西分析儀器廠有限公司；自動部分收集器 上海滬西分析儀器廠；Delta 320酸度計 梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司；層析柱（Φ16 mm×200mm） 上海滬西分析儀器廠；RV10 basic旋轉蒸發儀 廣東IKA科學儀器有限公司

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 脫脂米糠→酸提→離心→取上清液抽濾→微濾→超濾→陰離子樹脂吸附→水洗樹脂→NaOH溶液洗脫→植酸鈉溶液→陽離子樹脂脫鹽→植酸稀溶液→濃縮→植酸

1.2.2 樹脂預處理 將樹脂先用2倍體積的無水乙醇浸泡24h，用去離子水洗至無醇味，再依次用3到4倍體積的5%鹽酸、4%氫氧化鈉、5%鹽酸分別浸泡8h，每次浸泡完畢后分別用去離子水洗至約中性。經上述處理后陰離子樹脂轉為Cl-型，陽離子樹脂轉為H+型。

1.2.3 植酸提取液的制取 將過40目篩的脫脂米糠與水以1:8比例混合，用6mol/L的鹽酸調pH到2，加入1‰體系質量的NaCl，攪拌浸提2h后，離心（2000r/min，15min）取上清液，以料液比1：1加入去離子水清洗沉淀，離心后將清洗液與上清液合并，抽濾，將濾液依次過孔徑為0.45nm的微濾膜、超濾膜，制得植酸提取液[9]。

1.2.4 樹脂的選擇及樹脂的靜態實驗 以吸附量為指標，分別考察pH、溫度、樹脂用量對樹脂吸附效果的影響，確定最佳樹脂種類及該樹脂靜態吸附的最佳條件、靜態吸附量。

表1 樹脂的物理參數Table 1 Types and characteristics of ion exchange resins

1.2.4.1 pH對樹脂吸附效果的影響 取1g經預處理的樹脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），調pH為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，在45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過濾，測定濾液中的植酸含量。

1.2.4.2 溫度對樹脂吸附效果的影響 取1g經預處理的樹脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH為2.3左右，在溫度分別為25、30、35、40、45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過濾，測定濾液中的植酸含量。

1.2.4.3 靜態吸附樹脂用量的確定 分別稱取0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0g樹脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH為2.3左右，在45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過濾，測定濾液中的植酸含量。

1.2.5 樹脂動態吸附洗脫實驗 稱取5g經預處理為Cl-型的D318濕樹脂，pH調至2.5，濕法裝入層析柱中，常溫下分別考察吸附流速、洗脫流速及洗脫液濃度對動態吸附洗脫效果及所得植酸純度的影響，確定動態實驗最佳工藝條件。

1.2.5.1 吸附流速的確定 將植酸浸提液（5.9mg/mL）分別以0.5、1.0、1.5、2.0mL/min的流速通過樹脂柱進行動態吸附，用自動部分收集器收集流出液，每管10mL，測定植酸含量并繪制吸附曲線，計算吸附率。吸附率=（吸附液中植酸總量-流出液中植酸總量）/吸附液中植酸總量。

1.2.5.2 洗脫流速的確定 樹脂經吸附飽和后，用去離子水沖洗柱子至用硝酸銀檢測流出液無氯離子檢出。用1mol/L NaOH溶液分別以0.5、1.0、1.5mL/min流速進行洗脫，用自動收集器收集洗脫液，每管5mL，測定植酸鈉含量并繪制洗脫曲線。

1.2.5.3 洗脫液濃度的確定 分別用0.3、0.5、1.0mol/L NaOH溶液，以0.5mL/min流速洗脫已吸附飽和的樹脂，用自動收集器收集流出液，每5mL一管，測定植酸鈉含量繪制洗脫曲線。

1.2.6 陽離子樹脂脫鹽及濃縮 將洗脫所得植酸鈉溶液以1.0mL/min的流速通過已預處理為H+型的732陽離子交換樹脂，得到稀植酸溶液在50℃下減壓濃縮得濃度為50%的植酸溶液。

1.2.7 植酸含量的測定 參照GB/T 5009.87—2003鉬藍比色法[10]及三氯化鐵滴定法[11-12]。

式中 C—植酸含量（mg/mL），C1—總磷含量（mg/mL），C2—無機磷含量（mg/mL），3.548—有機磷換算成植酸的換算系數。

1.2.8 試驗數據處理方法 本文采用origin 8.6軟件對數據進行基本處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 超濾膜的選擇

表2 不同濾膜的蛋白去除率Table 2 Protein removal rate of different filtration membranes

由表2可看出，截留分子量為1000u的濾膜雖可去除提取液中90%以上的蛋白，但其超濾效率明顯低于 3000u的濾膜，且有部分植酸被截留，因而綜合考慮蛋白去除率及超濾效率兩方面，確定用截留分子量為 3000u的超濾膜對濾液進行超濾。提取液經超濾除蛋白及大分子物質后再進行樹脂吸附，可大大減少對樹脂的污染及損耗，延長樹脂的使用壽命,并可提高所制植酸的純度。

2.2 樹脂的選擇即樹脂的靜態吸附實驗

2.2.1 pH對樹脂吸附效果的影響 圖1顯示了樹脂的植酸吸附量隨pH的變化情況。隨pH的增大，樹脂對植酸的吸附量呈下降趨勢，pH在2到3之間時，下降趨勢逐漸趨于平緩。pH<2時，環境呈現強酸性，植酸根與溶液中大量的氫離子結合，以植酸分子的形式存在于溶液中，而植酸作為一種強酸又非常容易解離出植酸根，因而在強酸性環境中，植酸大量以植酸根離子的形式存在，利于樹脂的交換吸附。隨pH增大，氫離子相對減少，此時部分植酸根會與提取液中其他陽離子如鈣、鎂離子結合，而植酸鈣植酸鎂其解離難度遠大于植酸，因而游離的植酸根減少，不利于樹脂的吸附，當pH>4時，植酸鈣及植酸鎂會形成明顯的沉淀，使吸附無法進行。加之植酸提取液pH在2.0左右，所以選擇pH在2.5左右時作為樹脂吸附條件。

圖1 pH對樹脂吸附效果的影響Fig.1 Effect of pH on absorption of phytic acid

2.2.2 操作溫度對樹脂吸附效果的影響 溫度對樹脂吸附植酸的影響見圖2。隨溫度升高，樹脂對植酸的吸附量有所增加，但增加趨勢不是非常顯著，考慮到動態實驗操作過程中過的可操作性、難易程度及能耗，所以選擇在室溫25℃下進行吸附。

圖2 溫度對樹脂吸附效果的影響Fig.2 Effect of temperature on absorption of phytic acid

2.2.3 靜態吸附樹脂用量的確定 由圖3可看出，當樹脂用量大于3.5g 時，樹脂的吸附數值幾乎不再增大， 說明此時溶液中植酸已被完全吸附。因此靜態吸附時，3.5g濕樹脂即可吸附50mL的植酸提取液。

圖3 樹脂用量對植酸吸附的影響Fig.3 Effects of the amount of resin on adsorption of phytic acid

由以上靜態試驗得D318、717、D301三種樹脂在pH2.5時其靜態吸附量分別為168.1、145.7、83.9mg/g，因而選擇D318樹脂進行動態實驗。

2.3 D318樹脂動態吸附洗脫實驗

2.3.1 吸附流速的確定 圖4和圖5顯示了不同上樣流速下樹脂滲漏情況及吸附率的變化情況。由圖4可知，上樣流速分別為0.5、1.0、2.0mL/min時，樹脂吸附飽和即C/C0=1時上樣體積分別為460、520、 580mL。由圖5可看出，隨上樣流速增大，吸附率呈下降趨勢，當流速大于1mL/min時下降趨勢更加明顯。隨流速增大，樹脂吸附飽和時所需上樣體積增大，吸附率隨之降低。因為，流速越大，樣液與樹脂接觸交換吸附的時間越少，吸附效率降低。而流速越小，雖然樣液可與樹脂充分接觸，但上樣時間增加[6]，因而需選擇合適的上樣流速。綜合考慮上樣時間和吸附率兩方面，選擇的上樣流速為1.0mL/min。此條件下，動態飽和吸附量為176.98mg/g。

圖4 不同吸附流速下的吸附曲線Fig.4 Adsorption curves of different flow velocities

圖5 吸附流速對樹脂植酸吸附率的影響Fig.5 Effect of flow velocity on adsorption rate of phytic acid

2.3.2 洗脫流速的確定 樹脂在不同洗脫流速下的洗脫曲線 如圖6所示。隨洗脫流速的增大，洗脫曲線所覆蓋的面積減小，說明洗脫下來的植酸量減少，即洗脫率降低。之所以呈現這一趨勢，與洗脫液同樹脂之間的接觸時間有關。隨洗脫流速增大，洗脫所得溶液中氫氧化鈉的量增多，增大了后續脫鹽中的陽離子樹脂用量，因此，選擇的洗脫流速為0.5mL/min。

圖6 洗脫流速對洗脫效果的影響Fig.6 Effect of flow velocity on desorption of phytic acid

2.3.3 洗脫液濃度的確定 圖7顯示了洗脫曲線隨洗脫液濃度的變化情況。洗脫液氫氧化鈉濃度為0.3mol/L時，洗脫曲線有明顯的拖尾現象，洗脫時間長，效率較低。洗脫液氫氧化鈉濃度為1.0mol/L時的洗脫曲線雖無拖尾現象較集中，但洗脫所得溶液中氫氧化鈉含量較高，堿性較強，增大了后續脫鹽中陽離子樹脂用量。洗脫液氫氧化鈉濃度為0.5mol/L時，洗脫曲線無拖尾現象，且洗脫所得溶液中植酸鈉含量可達83.74%，因而選擇洗脫用氫氧化鈉溶液的濃度為0.5mol/L。

圖7 洗脫液濃度對洗脫效果的影響Fig.7 Effect of eluention concentration on desorption of phytic acid

2.4 植酸純度的測定

洗脫所得植酸鈉溶液經732陽離子交換樹脂脫鹽后，經50℃減壓蒸發濃縮后得濃度為50%的植酸溶液，經測定其純度可達85.5%。

3 結論

本研究表明，植酸提取液經截留分子量為 3000u的超濾膜超濾后，能夠除去 70.3%的蛋白，可大大減少對樹脂的污染及損耗，延長樹脂的使用壽命，提高所得植酸純度。D318樹脂對植酸具有較好的吸附洗脫效果，其適宜的吸附pH為2.5左右，常溫下即可有較高的吸附量。動態吸附流速為 1mL/min，洗脫液氫氧化鈉濃度為 0.5mol/L，洗脫流速為0.5mL/min。其靜態及動態飽和吸附量分別為168.1mg/g、 176.98mg/g，得到濃度為50%的植酸產品，純度達85.5%。

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