超聲波輔助提取水酶法豆渣中植酸的工藝優化

江連洲，毛惠婷，畢 爽，齊寶坤，隋曉楠，王中江，李佳妮，李 楊（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

超聲波輔助提取水酶法豆渣中植酸的工藝優化

江連洲，毛惠婷，畢 爽，齊寶坤，隋曉楠，王中江，李佳妮，李 楊*
（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

以水酶法提油后的副產物豆渣為原料，探索超聲波輔助技術提取植酸的工藝條件，并與振蕩浸提法對比。首先選取超聲功率、超聲溫度、超聲時間進行單因素實驗，通過正交實驗選出最佳的超聲參數。然后在最優超聲參數的基礎上，以植酸得率為響應值，利用Box-Behnken中心組合設計原理和響應面分析法，確定提取植酸的最佳條件。結果表明，超聲提取植酸的條件為：超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時間20 min；醋酸濃度4.1%、料液比1∶17 g/mL、提取溫度64℃、提取時間33 min。在以上條件下，平均植酸得率為1.23%，與振蕩提取法相比，提高41.3%。

豆渣，水酶法，超聲波，植酸

水酶法作為一種“安全、高效、綠色”的制油技術，在大豆油脂提取方面的研究已取得一定進展［1］。然而，在副產物豆渣的利用方面，國內外的報道還較為鮮見。Stephanie Jung等［2］利用水酶法豆渣生產乙醇，田瑞紅等［3］對水酶法提油后豆渣中水溶性多糖的提取工藝進行了研究，徐漸等［4］采用超聲和酸水解相結合的方法對生物解離大豆副產物中異黃酮的提取進行優化，但對水酶法提油后豆渣中植酸的提取還未見報道。植酸（Phytic acid，簡稱PA）又稱肌酸、環己六醇六全-二氫磷酸鹽，主要存在于植物的種子、根干和莖中，其中以豆科植物的種子、谷物的麩皮和胚芽中含量最高，是大豆種子中磷的主要貯藏形式［5］。研究表明，植酸具有螯合金屬離子、與蛋白質結合、抗氧化、抗血小板活性及抗癌活性等多種生物學特性，是一種具有防腐、保鮮、抗氧化的功能性食品添加劑［6-7］，其天然的抗氧化特性使其在油脂的抗氧化、食品添加劑、水果保鮮、抗腫瘤、防止自由基傷害與脂質過氧化損傷等方面都具有積極作用［8-9］，已開始應用于食品工業。

超聲輔助提取技術（Ultrasonic assisted extraction，簡稱UAE）是利用超聲波的強振動、高加速度、強空化效應、強攪拌作用來縮短天然產物有效成分進入溶劑的時間，加快提取過程，提高提出率，并有效避免高溫對有效成分的破壞。近年來，隨著天然產物現代化研究和超聲波技術的蓬勃發展，已有不少研究者將UAE技術引入到天然產物生產的重要環節——有效成分提取過程中［10-12］。

本實驗以水酶法提油后的豆渣為原料，優化了超聲波技術輔助提取植酸的工藝參數，以期達到提高植酸得率及縮短浸提時間的目的，從而實現對水酶法提油副產物的綜合利用，提高水酶法提油的附加值。為水酶法提油副產物豆渣的再利用提供理論依據與技術支持，為今后的進一步研究提供基礎的工藝數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆（墾農42） 黑龍江農業科學院；Protease 6L堿性蛋白酶 丹麥Novo公司；正己烷、醋酸 均為分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心；三氯化鐵、磺基水楊酸鈉 均為分析純，北京化學試劑公司；EDTA標準溶液 分析純，深圳市博林達科技有限公司。

FA2004型電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；pH S-25型酸度計 上海大普儀器有限公司；XMTD-4000型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫療儀器廠數顯恒溫水浴鍋；WGL-45B型電熱恒溫鼓風干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司；高速萬能粉碎機 紹興市科宏儀器；G1-21 M高速冷凍離心機 上海市離心機械研究所；CX-500型超聲波清洗機 北京醫療設備二廠；78-1磁力加熱攪拌器、SHA-B恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆渣的制取 大豆→清理→粉碎→水分調節→擠壓膨化→粉碎60目過篩→Protease 6L酶解（50℃，pH=9）→調節溫度、pH→滅酶→離心分離→豆渣［13］。

1.2.2 植酸的提取 豆渣→脫脂（1∶3正己烷）→超聲處理→醋酸浸提→離心（15000 r/min，20 min）→上清液定容→加反應液→滴定→計算植酸得率。

1.2.3 超聲提取大豆植酸的單因素實驗

1.2.3.1 超聲溫度對植酸得率的影響 在超聲功率500 W，超聲時間20 min，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲溫度分別為20、30、40、50、60、70℃，考察超聲溫度對植酸得率的影響。

1.2.3.2 超聲功率對植酸得率的影響 在超聲溫度40℃，超聲時間20 min，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲功率分別為300、400、500、600、700、800 W，考察超聲功率對植酸得率的影響。

1.2.3.3 超聲時間對植酸得率的影響 在超聲溫度40℃，超聲功率500 W，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲時間分別為5、10、15、20、25、30 min，考察超聲時間對植酸得率的影響。

1.2.4 超聲條件的優化 在單因素研究的基礎上，選取超聲溫度、超聲功率、超聲時間進行正交實驗，確定最佳工藝參數，正交因素水平見表1。

表1 正交因素水平表Table1 The factors and levels of orthogonal experimental

表2 因素水平編碼表Table2 Encode table of factors and levels

1.2.5 醋酸浸提條件的響應面優化 在超聲處理的基礎上，以醋酸濃度、料液比、提取溫度、提取時間為變量進行單因素實驗。結果表明，分別得出在醋酸濃度4%、料液比1∶15 g/mL、提取溫度60℃、提取時間30 min時，植酸得率出現峰值，分別為0.89%、0.81%、0.91%、0.84%，因此以以上四個水平為零水平進行響應面實驗，因素水平見表2。

1.2.6 振蕩提取法 準確稱取2.0000 g豆渣于100 mL錐形瓶中，采用醋酸為浸提液。將錐形瓶置于恒溫振蕩器中，轉速設為200 r/min，室溫振蕩浸提2 h。浸提結束后轉移浸提液于50 mL離心管中，6000 r/min離心10 min，離心2次，所得上清液即為植酸粗提液［14］。

1.2.7 植酸得率的測定 準確稱取豆渣2.0000 g于100 mL錐形瓶中，以醋酸為浸提液，在上述實驗條件下進行提取，離心（15000 r/min，10 min），取上清液2 mL用蒸餾水定容至10 mL。加入10%磺基水楊酸溶液2滴，用EDTA標樣標定三氯化鐵溶液至紫色不褪［15］。按下式計算植酸得率：

植酸得率（%）=（20C×V×0.2357/W）×100

式中：C—三氯化鐵溶液濃度（mol/L）；V—滴定耗去三氯化鐵溶液的體積（mL）；W—樣品干基重（g）；0.2357—每分子植酸可絡合2.8個Fe3+，1 moL三氯化鐵相當于0.2357 g植酸。

1.2.8 數據處理 所有實驗數據均為“平均值±標準差”，n=3。采用Design-Expert 8.0統計分析軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 超聲提取植酸的單因素實驗

2.1.1 超聲溫度對植酸得率的影響 結果見圖1，由圖1可知，超聲溫度的升高有利于植酸的提取，這是因為隨溫度的升高，分子擴散運動劇烈，物料的相互作用更加完全［16］。但當溫度超過50℃時植酸得率反而會隨著溫度的升高而降低。因此，50℃是提取植酸的最佳溫度。

圖1 超聲溫度對植酸得率的影響Fig.1 Ultrasonic temperature on the effect of PA extraction

圖2 超聲功率對植酸得率的影響Fig.2 Ultrasonic power on the effect of PA extraction

2.1.2 超聲功率對植酸得率的影響 結果見圖2，由圖2可知，超聲功率在300～500 W時，植酸得率隨超聲功率的增大增幅明顯，這是因為隨著超聲功率的增大，超聲波對細胞的空化作用變大、細胞破裂程度增大，有利于植酸的提取分離。超聲功率為500 W時，植酸得率最大。超聲功率為600 W時，植酸得率變化不明顯。繼續增大超聲功率，植酸得率反而下降，可能是由于過強超聲破壞了植酸，因此選擇500 W為較佳超聲功率。

2.1.3 超聲時間對植酸得率的影響 結果見圖3，由圖3可知，超聲時間低于15 min時，隨著超聲時間的延長，植酸得率顯著增大。當超聲時間達到15 min時，植酸得率達到最大值，超過15 min后，植酸得率變化不明顯，趨于穩定。這是由于超聲波作用在開始的時間內對細胞膜的破碎作用大、溶出物多，得率不斷升高。超聲提取時間短，植酸溶解不完全，隨著提取時間的延長，植酸溶出在15 min時基本達到動態溶解平衡，繼續延長提取時間，能耗增大，所以選擇15 min為較佳超聲時間。

圖3 超聲時間對植酸得率的影響Fig.3 Ultrasonic time on the effect of PA extraction

2.2 超聲參數正交優化結果與分析

2.2.1 正交優化實驗設計與結果 由正交實驗中R值大小可以得出三因子對植酸得率的影響大小為：A＞B＞C，即超聲溫度＞超聲功率＞超聲時間。由k值得出，最優組合為A2B3C2。9組實驗中的最優組合也為A2B2C3。

表3 超聲條件正交實驗Table3 Orthogonal experiment on ultrasound conditions

2.2.2 驗證實驗 在A2B3C2條件下，進行3組平行實驗，植酸得率分別為0.95%，0.93%和0.98%，平均得率為0.95%；在A2B2C3條件下，進行3組平行實驗，植酸得率分別為0.94%、0.96%、0.98%，平均得率為0.96%。因此，選擇最優組合為A2B2C3，即超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時間20 min。

2.3 響應面優化結果與分析

2.3.1 響應面優化實驗設計與結果 在單因素實驗基礎上，綜合考慮經濟效益及植酸特性，確定各因素的最佳水平值范圍。選取醋酸濃度（X1）、料液比（X2）、提取溫度（X3）、提取時間（X4）四個因素，以植酸得率（Y）為響應值，采用Box-Behnken中心組合實驗設計，做四因素三水平共29個實驗點（5個中心點）的響應面分析實驗，得到響應面結果（見表4）。

2.3.2 醋酸浸提的響應面實驗結果分析 各因素經Design-Exper 8.0分析后，得到植酸得率（Y）與醋酸濃度（X1）、料液比（X2）、提取溫度（X3）、提取時間（X4）四個因素的二次響應面回歸模型如下：

進一步對表4中的數據進行多元回歸分析，其方差分析見表5。由表5可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，該模型回歸極顯著（p＜0.0001）；失擬項p＞0.05，不顯著，說明未知因素對實驗結果干擾很小。并且該模型R2=0.9551，R2Adj=0.9101，說明該模型與實驗擬合良好，自變量與響應值之間線性關系顯著，實驗誤差小。模型的預測值和實際值非常吻合，模型成立，可以用此模型來分析和預測水酶法豆渣提取植酸的結果。

表4 響應面實驗安排及結果Table4 Design and results of response surface analysis

由F值可得，水酶法豆渣中植酸提取的主次因素為X3＞X2＞X4＞X1，即提取溫度＞料液比＞提取時間＞醋酸濃度。各因素中一次項X2、X3及二次項X、X、X、X對植酸得率均表現出了極顯著水平（p＜0.001），X1X2、X3X4交互作用的影響極顯著（p＜0.001），X1X3、X1X4交互作用的影響顯著（p＜0.05），X2X4、X2X3交互作用不顯著。

2.3.3 各交互項對植酸得率影響的分析 各交互項對植酸得率影響的響應面圖見圖4。由圖4可直觀觀察各因素對響應值的影響，從等高線圖可知，存在極值的條件應在圓心處。比較（a）～（d）圖可知，其中（a）（b）的響應面曲線陡峭，對植酸得率的影響極顯著，（c）（d）的響應面曲線較陡，對植酸得率的影響顯著，與方差分析結果相同。

圖4 各兩因素交互作用影響（顯著項）對植酸提取條件影響的響應面圖Fig.4 Response surface analysis of significant effective interaction items on PA extraction

2.3.4 最優條件的確定及驗證實驗 根據回歸模型，利用Design-Expert V8.0軟件對實驗結果進行分析處理，得到提取植酸的最佳條件為：醋酸濃度4.1%、料液比1∶17、提取溫度64℃、提取時間33 min，在此條件下，模型預測植酸得率為1.29%。在優化工藝條件下，對其進行驗證，三組平行實驗所測得的植酸得率分別為1.31%、1.16%和1.21%，其平均值為1.23%，與模型預測值1.29%基本相符。響應值的實驗值與回歸方程預測值吻合良好，說明該模型能夠較好地預測水酶法豆渣中植酸得率。

表5 回歸方程方差分析Table5 Analysis of variance for the regression equation

2.4 超聲波法與振蕩浸提法實驗結果的比較

由表6可知，與振蕩浸提法相比，超聲波法提取水酶法豆渣中植酸的得率提高了41.3%。而且，料液比和提取溫度水平均小于未超聲處理組，提取時間縮短了近2.5 h，說明采用超聲波法提取植酸省時節能。

表6 超聲法與振蕩浸提法實驗結果對比Table6 Comparision of ultrasonic-assisted extraction and shaking extraction

3 結論

以植酸得率為考察指標，在單因素實驗基礎上，通過正交實驗優化了超聲提取水酶法豆渣中植酸的工藝條件，最佳超聲參數為超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時間20 min。再采用響應面優化實驗得出水酶法殘渣中提取植酸的最佳條件為：醋酸濃度4.1%、料液比1∶17 g/mL、提取溫度64℃、提取時間33 min。在此條件下，平均植酸得率為1.23%，與振蕩提取法相比，提高41.3%。

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Ultrasonic assisted in the extraction of phytic acid from soybean residue produced by enzymatic aqueous processing

JIANG Lian-zhou，MAO Hui-ting，BI Shuang，QI Bao-kun，SUI Xiao-nan，WANG Zhong-jiang，LI Jia-ni，LI Yang*
（College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Soybean residue produced by enzymatic aqueous processing of soybean oil was used as the raw material to prepare phytic acid through the steps of ultrasonic-assisted extraction and compared with shaking extraction.Optimal ultrasonic conditions were determined by single factor and orthogonal tests，selecting ultrasonic power，ultrasonic temperature and ultrasonic time.On the basis of ultrasonic treatment，optimal extraction conditions of phytic acid were studied by using Box-Behnken central composite design and response surface analysis theory.Results showed that the optimal ultrasonic conditions were ultrasonic temperature 50℃，ultrasonic power 500 W and ultrasonic time 20 min.The optimal extraction conditions were acetic acid concentration 4.1%，ratio of solid to liquid 1∶17 g/mL，extraction temperature 64℃，extraction time 33 min.Under these conditions，the average phytic acid yield was 1.23%，which was higher than that of shaking extraction by 41.3%.

soybean dregs；enzymatic aqueous processing；ultrasonic；phytic acid

TS209

B

1002-0306（2016）06-0255-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.044

2015－07－24

江連洲（1960-），男，博士，教授，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail：jlzname@163.com。

李楊（1981-），男，博士，副教授，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail：liyanghuangyu@163.com。

高等學校博士學科點專項科研基金（20132325110013）；農業部崗位科學家（CARS-04-PS25）。