響應(yīng)面法優(yōu)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(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院,河北石家莊 050011; 2.河北凱盛醫(yī)藥科技有限公司,河北石家莊 050035; 3.江西歐氏藥業(yè)有限責(zé)任公司,江西新余 338004)

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響應(yīng)面法優(yōu)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(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院,河北石家莊 050011; 2.河北凱盛醫(yī)藥科技有限公司,河北石家莊 050035; 3.江西歐氏藥業(yè)有限責(zé)任公司,江西新余 338004)

本文旨在優(yōu)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(yīng)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(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了Box-benhnken響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn),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(yīng)面分析

我國是小麥主要的產(chǎn)地和消費(fèi)國,其中小麥顆粒質(zhì)量的14%～17%是小麥麩皮,而麩皮中植酸含量可達(dá)2.5%～5.8%[1-2]。植酸(Phytic acid)化學(xué)名為環(huán)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(qiáng)酸性和強(qiáng)螯合能力,被認(rèn)為是一種天然的抗?fàn)I養(yǎng)因子,降低了人體對鈣鐵鋅等營養(yǎng)素的吸收[5]。目前藥用小麥纖維素顆粒已被批準(zhǔn)進(jìn)口并在我國上市銷售,但國內(nèi)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(xù)制備小麥纖維素保健品和藥品提供一定的數(shù)據(jù)參考,實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(diǎn)導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本研究以鹽酸降解小麥麩皮中植酸,采用響應(yīng)面法優(yōu)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(yōu)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(yè)有限公司提供;植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)分析純。

TU-1800S紫外可見分光光度計(jì)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(zé)任公司;TGL-15B離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)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(yù)設(shè)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)檢測指標(biāo)。

1.2.2植酸的分析檢測方法超聲作用可產(chǎn)生各種效應(yīng),這些效應(yīng)能夠提高傳質(zhì)速度,增大傳質(zhì)面積和物質(zhì)的活化能,從而促進(jìn)分離過程[11]。雖然超聲波被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制實(shí)驗(yàn)采用比色法測定小麥麩皮中植酸的殘留含量,詳細(xì)方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)(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(jì)算

1.2.5單因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在鹽酸降解小麥麩皮中植酸的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),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(biāo),分析研究這4個因素的影響。

1.2.6響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以植酸的殘余率為響應(yīng)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(diǎn),進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),采用回歸方程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過回歸方程優(yōu)化工藝參數(shù),預(yù)測響應(yīng)值,獲得最佳的工藝條件,水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　響應(yīng)面分析因素與水平

1.3數(shù)據(jù)處理方法

響應(yīng)面分析法是將該體系的響應(yīng)值作為一個或多個因素的函數(shù),通過圖形將這種函數(shù)關(guān)系表現(xiàn)出來,用于選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中最優(yōu)方法。本實(shí)驗(yàn)采用Design-Expert軟件中Box-benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),每組實(shí)驗(yàn)做3個重復(fù),取平均值,對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,確定該模型的可靠性以及平方效應(yīng)、線性效應(yīng)和交互效應(yīng)的顯著性[13]。

2　結(jié)果與分析

2.1植酸溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

如圖1所示,該標(biāo)準(zhǔn)曲線R2=0.9997,線性關(guān)系良好,能夠分析樣品中植酸的含量。

圖1　植酸含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1　Standard curve for phytic acid content determination

2.2單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(nèi),小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降,最后趨于平緩。因?yàn)橹菜岬慕到馐且粋€動態(tài)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(dāng)反應(yīng)一定時間時,達(dá)到平衡狀態(tài)。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(jié)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(nèi),小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降趨于平緩。因?yàn)殡S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(qiáng)的螯合能力容易與溶出蛋白質(zhì)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(jié)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(nèi),小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降趨于平緩。因?yàn)殡S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(zhì)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(jié)果見圖5。

由圖5可知,在1∶5～1∶25料液比范圍內(nèi),小麥麩皮中植酸的殘余率在逐漸下降,最后趨于平緩。因?yàn)楫?dāng)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(dāng)料液比較大時,植酸已經(jīng)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(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用Design-Expert 8軟件中Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共29組實(shí)驗(yàn),其中用于評判實(shí)驗(yàn)誤差的零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,其它是析因?qū)嶒?yàn)。

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)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(xiàng)X1、X2和二次項(xiàng) X12、X22、X32、X42影響較大,極顯著,交互項(xiàng)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(yīng)面分析圖6直觀的反應(yīng)了交互作用顯著的兩個因素的影響,響應(yīng)面圖的陡峭是否橢圓表明交互作用大小,響應(yīng)面圖的底端所標(biāo)示的最低點(diǎn)是最小值,說明存在極值,因此從響應(yīng)曲面圖可以看出X2X4的曲面較X2X3陡,說明X2X4對響應(yīng)值的影響大于X2X3。

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

2.3.3響應(yīng)面條件的確定根據(jù)回歸方程,依據(jù)Design-Expert 8軟件進(jìn)行分析,得到理預(yù)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(yīng)面法優(yōu)化鹽酸降解麥麩中植酸的實(shí)驗(yàn)條件可靠,具有實(shí)際意義。

3　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以麥麩為原料,以麥麩中植酸的殘余率為響應(yīng)值,在單因素的基礎(chǔ)上,分別探討了時間,溫度,鹽酸濃度和料液比對響應(yīng)值的影響,并進(jìn)行優(yōu)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(chǎn)品的制備提供了理論依據(jù)。

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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(xué)本科，主治醫(yī)師，主要從事藥物研發(fā)與臨床應(yīng)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(fā)工作，E-mail：zhkaihx@163.com。

TS210.1

A

1002-0306(2016)10-0311-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.055