響應面法優化米糠中植酸的提取工藝

唐賢華，張崇軍，田 偉，隋 明,2，周 文,2

(1.四川工商職業技術學院，四川 都江堰 611830；2.四川大學 輕紡與食品學院，四川 成都 610065；3.中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

植酸(肌醇磷酸鹽)在植物中廣泛存在[1]。植酸的結構非常特殊，并具有獨特的生理、藥理和化學性質。植酸與金屬離子具有極強的螯合作用且具有很強的抗氧化性，在食品行業中應用非常廣泛。米糠是稻谷加工產生的副產物，含有較豐富的蛋白質和脂肪，以及高量纖維素、植物醇、膳食纖維、氨基酸和礦物質等，具有很高的營養價值。另外，米糠還可用于制備植酸肌醇和磷酸氫鈣等有機物，具有很高的實用價值[2-5]。

目前，植酸提取方法主要有溶劑萃取輔助法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法等[6]。本研究利用溶劑萃取法提取米糠中的植酸，并在單因素實驗基礎上對植酸的提取工藝進行優化。采用Plackett-Burman實驗設計和響應面分析法[7-8]確定米糠中植酸的最佳提取工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 米糠

在市場購得米糠，過篩孔0.177 mm的振動篩，用聚乙烯膜袋封裝，置于4 ℃冰箱中保存待用。

1.1.2 試劑

鹽酸溶液，10%磺基水楊酸溶液，0.02 mol/L三氯化鐵溶液，以上試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

BCD-183A冰箱：合肥榮事達電冰箱有限公司；SHA-B恒溫振蕩器：金壇市富華儀器有限公司；BS2005電子天平：北京賽多利斯天平有限公司；pH-3C酸度計：上海雷磁儀器廠；HH-S數顯恒溫水浴鍋：金壇市醫療儀器廠；SHZ-D循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；UV-2600型紫外可見分光光度計：尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 植酸的提取

稱取經預處理的米糠5 g于干燥燒杯中，用一定濃度的鹽酸若干，在一定水浴溫度下浸泡一定時間(每三十分鐘攪拌一次)，進行抽濾，制得初濾液，測定濾液中植酸含率。

1.3.2 浸提液中植酸提取率的測定

三氯化鐵滴定法：稱取初濾液2 g,加水50 mL，調整pH值為1.8～2.5，水浴加熱至60 ℃，加入10滴10%磺基水楊酸溶液，用0.02 mol/L的三氯化鐵溶液(濃度用乙二胺四乙酸二鈉鹽標準溶液標定)滴定至紫紅色不退。

植酸含率計算公式：植酸含率(%)=C×V×0.2357×100÷W

式中：C——三氯化鐵濃度(mol/L)；V——滴定耗去三氯化鐵溶液率；W——樣品的重率；0.2357——每分子植酸可以絡合2.8個鐵離子，1 mol三氯化鐵約等于0.2357 g。

1.3.3 單因素實驗

根據方法1.3.1，設定初始鹽酸濃度為1%、液料比為1∶8、提取溫度為室溫。采用單因素輪換法，依次考察提取溶劑濃度(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%)、液料比(5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1)、提取時間(2、3、4、5、6 h)、提取溫度(10、20、30、40、50 ℃)四個因素對米糠中植酸提取率的影響。采用三氯化鐵滴定法測定浸提液中植酸含量，平行實驗三次，確定植酸最佳提取工藝條件。

1.3.4 響應面優化試驗

在單因素實驗的基礎上，采用四因素三水平的Box-Behnken響應面試驗設計法[9-13]，以提取溶劑濃度、液料比、提取時間和提取溫度為考察因素，以植酸提取率為評價指標優化米糠中植酸的提取工藝。

1.3.5 數據統計與分析

運用Design-Expert(Version 8.0.6)軟件對數據進行回歸擬合，繪制響應曲面圖，并進行線性回歸和方差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 提取溶劑濃度對植酸提取率的影響

由圖1可知，隨著鹽酸溶液濃度的增大，植酸提取率先顯著增加后緩慢降低，當鹽酸濃度為1%時，植酸提取率達到最大值。

圖1 鹽酸濃度對植酸提取率的影響

2.1.2 液料比對植酸提取率的影響

由圖2可知，隨著液料比的增大，植酸提取率先顯著增加后緩慢降低，當液料比為7∶1時，植酸提取率達到最大值。

圖2 液料比對植酸提取率的影響

2.1.3 提取時間對植酸提取率的影響

由圖3可知，隨著提取時間的增加，植酸提取率先顯著增加后緩慢降低，當提取時間為4 h時，植酸提取率達到最大值。

圖3 提取時間對植酸提取率的影響

2.1.4 提取溫度對植酸提取率的影響

由圖4可知，提取溫度對植酸提取率影響較大，隨著提取溫度的升高，植酸提取率先顯著增加后明顯降低，當提取溫度為30 ℃時，植酸提取率達到最大值。

圖4 提取溫度對植酸提取率的影響

2.2 響應面分析

2.2.1 響應面分析試驗設計方案及結果

在單因素實驗的基礎上，選取提取溶劑濃度、液料比、提取時間、提取溫度四個因素，以蛋白酶活力為響應值，利用Minitab軟件進行Box-Behnken試驗設計，具體因素水平見表1、方案及結果見表2。

表1 因素水平設計

表2 植酸提取方案及結果

2.2.2 回歸方程的建立及顯著性分析

利用軟件Design-Expert 8.0.6進行方差分析及多元回歸擬合，獲得回歸模型方程：Y=8.62-6.667×10-3A+7.5×10-3B-0.053C-0.053D+0.12AB-0.36AC-5×10-3AD-0.12BC-5×10-3BD-0.06CD-0.69A2-0.56B2-0.18C2-0.4D2，式中，Y為植酸提取率、A為鹽酸濃度、B為液料比、C為提取時間、D為提取溫度。回歸模型的方差分析見表3。

表3 回歸模型的方差分析

根據回歸方程一次項系數絕對值的大小，可知各因素對植酸提取率的影響為C(提取時間)=D(提取溫度)>B(液料比)>A(提取溶劑濃度)。模型的一次項A、B、C、D對結果影響均不顯著(P>0.05)；二次項A2、B2、D2對結果影響極顯著(P<0.01)，C2對結果影響顯著(P<0.05)；交叉項AC對結果影響極顯著(P<0.01)，其他項對結果影響均不顯著(P>0.05)。

2.2.3 蛋白酶活力響應面分析與優化

各因素間的交互作用對菌株產蛋白酶活力影響的響應曲面圖及等高線圖見圖5。

等高線的形狀可反映交互效應的強弱，圓形表示兩因素交互作用不顯著，而橢圓形則與之相反。由圖5可知，提取溶劑濃度、液料比、提取時間和提取溫度之間的交互作用對米糠中植酸提取效果的影響均呈現拋物面型關系，所得到的響應面都存在一個極大值點，其中提取溶劑濃度、液料比、提取時間和提取溫度的交互作用等高線呈橢圓形，對結果影響顯著(P<0.05)。

續表3:

圖5 各因素間的交互作用對菌株產蛋白酶活力影響的響應曲面圖及等高線圖

經過響應面優化分析，根據擬合二階模型公式得到理論上米糠中植酸的最優提取條件為提取溶劑濃度1.03%、液料比7.07∶1、提取時間3.61 h、提取溫度29.47 ℃，在此條件下植酸提取率的理論值為8.6265%。

2.3 驗證實驗

為了驗證該模型的有效性及實用性進行驗證實驗。為方便操作，將最佳提取條件調整為：提取溶劑濃度1%、液料比7∶1、提取時間3.6 h、提取溫度30 ℃。在此條件下對該模型做3次驗證實驗，結果測得植酸提取率分別為8.656%、8.638%和8.673%，平均為8.656%，與預測結果基本一致，因此該模型能較好地預測實際提取狀況。

3 結論

本研究在單因素實驗的基礎上，選取提取溶劑濃度、液料比、提取時間、提取溫度四個因素，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行四因素三水平的Box-Behnken中心組合設計，通過響應面優化分析得到米糠中植酸的最佳提取條件為提取溶劑濃度1%、液料比7∶1、提取時間3.6 h、提取溫度30 ℃。在此條件下，植酸的提取率為8.656%，較未優化前的提取率提高了1.3倍。