玉米胚芽餅中植酸鈉的制取及純化工藝研究

李 健，谷艷玲，黎晨晨

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院省高校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076)

玉米胚芽餅中植酸鈉的制取及純化工藝研究

李 健，谷艷玲，黎晨晨

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院省高校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076)

以脫脂玉米胚芽餅為原料，通過稀植酸浸提、離子交換樹脂吸附、解吸、濃縮、精制等過程得到植酸鈉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，植酸提取的最佳工藝參數(shù)為pH 2.2、提取溫度45℃、提取時(shí)間1.5h、料液比1∶8、植酸提取得率為74.73%。離子交換樹脂吸附解吸的最佳工藝參數(shù)為上樣液濃度2mg/mL，上樣液流速1mL/min，操作溫度45℃，pH約為2，洗脫液NaOH濃度0.6mol/L。

玉米胚芽餅，植酸鈉，制取，純化

植酸的提取方法主要分為化學(xué)合成法、微生物發(fā)酵法、溶劑萃取法?；瘜W(xué)合成法成本太高，微生物發(fā)酵法技術(shù)不成熟，目前溶劑萃取法為生產(chǎn)植酸的主要方法。植酸的純化方法主要分為傳統(tǒng)的沉淀法和新興的離子交換法，沉淀法周期長(zhǎng)、產(chǎn)率低、質(zhì)量較差，離子交換法可克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)。本研究為制備高純度植酸鈉，首先采用溶劑萃取法，但未采用常規(guī)酸，如鹽酸、硫酸、硝酸、醋酸等，由于其不僅引入了其他雜質(zhì)還帶來了環(huán)境污染［1］，所以轉(zhuǎn)而采用稀植酸直接浸提(“自萃取”)。其次采用離子交換法純化，據(jù)報(bào)道，D315離子交換樹脂對(duì)植酸有較好的吸附效果［4］，并且對(duì)色素的交換率非常低［7］，有利于在實(shí)際生產(chǎn)中各種植物中植酸的提取純化，因此采用D315陰離子交換樹脂進(jìn)行純化實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

玉米胚芽餅 青崗龍鳳玉米淀粉廠，低溫粉碎，過60目篩，水分8.09%、蛋白質(zhì)15.29%、脂肪含量7.2%、灰分0.97%;鹽酸、氫氧化鈉、三氯化鐵、磺基水楊酸、鉬酸銨、偏釩酸銨、磷酸二氫鉀 均為分析純;D315陰離子交換樹脂、732陽(yáng)離子交換樹脂(天津)、植酸鈉(C6H18O24P6·xNa+· yH2O)、植酸溶液 上海阿拉丁公司。

SHZ－A水浴恒溫振蕩器、101－1－S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、PC－1000數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;DL－5－B型離心機(jī) 上海逸龍科技有限公司;721型分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司;R－205型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申勝生物技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備的工藝流程 脫脂玉米胚芽餅→稀植酸→水浴振蕩→離心→上清液→D315型陰離子交換樹脂吸附植酸→熱水預(yù)洗→NaOH溶液洗脫→植酸鈉溶液→Na+732陽(yáng)離子交換樹脂脫鹽→濃縮→結(jié)晶→植酸鈉

1.2.2 提取工藝參數(shù)的選擇［4－5］精確稱取1g脫脂玉米胚芽餅置于50mL具塞三角瓶中，分別按不同pH、料液比，在不同溫度下振蕩提取一定時(shí)間，取上清液3000r/min離心5min后定容到一定體積，測(cè)上清液中植酸的含量。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳提取工藝參數(shù)。

1.2.3 純化參數(shù)的選擇 脫脂玉米胚芽餅采用稀植酸浸提兩次，合并濾液，離心得上清液。將預(yù)處理后的D315陰離子交換樹脂轉(zhuǎn)為Cl－型，進(jìn)行靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)優(yōu)化樹脂吸附參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附洗脫實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)用錐形瓶在恒溫水浴振蕩器上進(jìn)行，達(dá)到平衡后測(cè)定吸附后上清液中植酸含量。動(dòng)態(tài)吸附洗脫實(shí)驗(yàn)在離子交換柱中進(jìn)行，將一定濃度的植酸粗提液以一定流速流過樹脂，以45℃溫水洗柱，以一定濃度的NaOH溶液進(jìn)行洗脫，得到植酸鈉溶液［6］。將該植酸鈉溶液一定流速流經(jīng)Na+732陽(yáng)離子交換樹脂洗脫Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子，活性炭脫色，濃縮、結(jié)晶。

1.3 分析方法

1.3.1 植酸含量的測(cè)定 植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)品中植酸根含量的標(biāo)定及原料中植酸含量的測(cè)定－磷釩鉬黃比色法［2］，回歸方程為:y=1.0896x－0.0055，R2=0.9992，標(biāo)定結(jié)果為 1.8889g植酸鈉中植酸根凈含量為1.0466g，植酸根凈含量為55.41%。原料中植酸凈含量為22.5519mg/g。

提取液中植酸含量的測(cè)定－三氯化鐵比色法［3］，回歸方程為:y=－0.7073x+0.9072，R2=0.9998。

植酸提取得率(%)=提取液中植酸含量/原料中植酸含量×100%

1.3.2 植酸鈉純度的測(cè)定 由于植酸鈉中含有不定的鈉離子和包埋水合離子，因此純度用植酸根凈含量來表示，采用磷釩鉬黃比色法［2］。植酸鈉中植酸根凈含量(%)=植酸根含量/植酸鈉結(jié)晶質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 植酸提取單因素和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 料液比對(duì)植酸得率的影響 由圖1可知，料液比的改變對(duì)植酸的得率影響較小，因此在考察以下其它因素時(shí)，料液比直接采用提取效果最佳的料液比為1∶8。

圖1 料液比對(duì)植酸得率的影響

2.1.2 pH對(duì)植酸得率的影響 由圖2可知，溶液pH為2.2時(shí)植酸的得率最大，溶液酸度過大，溶性的成分如酸性多糖、蛋白質(zhì)等可能被溶出又重新與植酸結(jié)合成螯合態(tài)，所以酸濃度過高反而使得得率降低。而酸度過小，又不能把植酸更好地分離出來。故選擇pH2.2的植酸溶液為最佳提取pH。

2.1.3 溫度對(duì)植酸得率的影響 由圖3可知，當(dāng)溫度由35℃上升到45℃時(shí)，植酸得率逐漸提高，達(dá)到45℃時(shí)提取效果最佳。溫度升高，分子動(dòng)能增加，使植酸得率上升;但當(dāng)溫度再升高時(shí)，可能因?yàn)樵现械鞍踪|(zhì)等有機(jī)物的溶出后與植酸結(jié)合生成沉淀使提取率下降。故選擇45℃為最佳提取溫度。

圖2 pH對(duì)植酸得率的影響

圖3 溫度對(duì)植酸得率的影響

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)植酸得率的影響 由圖4可知，植酸的得率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)有上升的趨勢(shì)，0.5～1.5h時(shí)有明顯的上升趨勢(shì)，提取時(shí)間為1.5h提取效果最佳，但是1.5h后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)非但沒有提高得率，反而使有機(jī)物等雜質(zhì)溶出，并使過濾困難。故選擇1.5h為最佳提取時(shí)間。

圖4 提取時(shí)間對(duì)植酸得率的影響

2.1.5 植酸提取正交實(shí)驗(yàn) 正交設(shè)計(jì)結(jié)果見表1，方差分析見表2。

由表1可知，植酸自萃取的最佳工藝參數(shù)為pH2.2，提取溫度45℃，提取時(shí)間1.5h，料液比1∶8。各種因素對(duì)提取效果影響的主次順序依次為:提取溫度＞pH＞提取時(shí)間。通過方差分析檢驗(yàn)可知，pH和提取溫度對(duì)植酸提取影響極顯著，提取時(shí)間對(duì)植酸得率的影響顯著。

2.1.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 按正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳提取條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得率為74.73%。比正交實(shí)驗(yàn)中的較優(yōu)組得率高。因此正交實(shí)驗(yàn)得出的優(yōu)水平是可靠的。

2.2 吸附平衡時(shí)間、pH、溫度分別對(duì)D315陰離子交換樹脂靜態(tài)吸附效果的影響

分別考察吸附平衡時(shí)間、溫度、pH對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果如下:如圖5，當(dāng)吸附時(shí)間到120min時(shí)達(dá)到吸附平衡。如圖6所示，當(dāng)在冰箱中4℃放置時(shí)，對(duì)植酸也有一定的吸附作用，隨著溫度的升高植酸的吸附量逐漸增加，45～50℃時(shí)達(dá)到最大吸附，溫度過高時(shí)吸附的同時(shí)也存在著解吸。因此最終確定45℃吸附效果最好。如圖7所示，當(dāng)植酸提取液的pH為2時(shí)樹脂對(duì)植酸的吸附量達(dá)到最大值，隨著pH的增大吸附量逐漸下降，當(dāng)pH大于6時(shí)明顯看到有沉淀生成，溶液中發(fā)生植酸復(fù)鹽沉淀。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，上樣液用植酸將pH調(diào)到2，溫度為45℃。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表

表2 方差分析結(jié)果

圖5 吸附平衡時(shí)間

2.3 泄露點(diǎn)和飽和點(diǎn)的測(cè)定

離子交換樹脂有一定的交換容量，上樣液中植酸濃度太大，流速過快都會(huì)導(dǎo)致泄露點(diǎn)低;上樣液濃度太小，流速過慢，在實(shí)際中不經(jīng)濟(jì)且周期太長(zhǎng)。樹脂使用量與濃度、流速有一定的交互作用，可通過增加樹脂使用量增加上樣液濃度、增加流速。本實(shí)驗(yàn)采用8g樹脂，所以采用2mg/mL植酸提取液進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

由于Cl－對(duì)植酸的吸附有干擾作用［7］，所以進(jìn)行鹽酸浸提液和植酸浸提液動(dòng)態(tài)吸附測(cè)定泄露點(diǎn)和飽和點(diǎn)對(duì)比。2mg/mL的植酸提取液以1mL/min通過8g樹脂柱，10mL管收集，檢測(cè)各管植酸的含量。繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖6 溫度對(duì)吸附的影響

圖7 pH對(duì)吸附效果的影響

圖8 動(dòng)態(tài)吸附對(duì)比

由圖8可知，采用植酸浸提液可避免起始的Cl－離子干擾作用，利于植酸的純化。動(dòng)態(tài)吸附結(jié)果表明，D315離子交換樹脂對(duì)稀植酸浸提液吸附效果較鹽酸浸提液的吸附效果好，無(wú)前期泄露，且飽和點(diǎn)高。

2.4 洗脫液濃度對(duì)洗脫效果的影響

選取3g飽和吸附植酸的樹脂分別在0.2、0.4、0.6、0.8、1mol/L NaOH溶液中浸泡過夜，取5mL浸泡液測(cè)定植酸含量，如圖9所示。結(jié)果表明，當(dāng)NaOH濃度為0.6mol/L時(shí)的洗脫效果最好。

2.5 732脫陽(yáng)離子、脫色、濃縮及純度測(cè)定

植酸鈉稀溶液采用1%～2%的活性炭脫色，以1.0mL/min速度通過Na+型732型陽(yáng)離子交換樹脂，除去Ca2+、Mg2+離子。45℃真空濃縮，結(jié)晶。

純度測(cè)定:結(jié)晶后稱量一定重量定溶，測(cè)定溶液中植酸凈含量57.5%。

3 結(jié)論

采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法研究提取條件對(duì)植酸提取得率的影響，最佳提取工藝參數(shù)為pH2.2、提取溫度45℃、提取時(shí)間1.5h、料液比1∶8，在此條件下進(jìn)行提取植酸得率為74.73%。采用離子吸附洗脫法從脫脂玉米胚芽餅中提取植酸。結(jié)果表明，D315離子交換樹脂對(duì)植酸有較好的吸附作用，最佳純化工藝參數(shù)為上樣液濃度2mg/mL、上樣液流速1mL/min、pH約2、操作溫度45℃、洗脫液濃度0.6mol/L。在最佳提取及純化參數(shù)條件下，制取得到植酸鈉中植酸凈含量為57.5%，比本研究所采用的植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)品中植酸凈含量55.41%高。

由此可見，采用植酸自萃取法不使用有機(jī)酸類萃取劑，避免引入大量陰離子雜質(zhì);同時(shí)縮短純化工藝流程和生產(chǎn)周期。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用D315離子交換樹脂對(duì)稀植酸浸提液純化效果比對(duì)鹽酸浸提液的純化效果好，無(wú)前期泄露現(xiàn)象，且飽和點(diǎn)高。同時(shí)，提取純化制取植酸鈉的同時(shí)，可采用H+型732型陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)洗脫液純化除鈉離子制備植酸溶液，之后再次投入到植酸的提取工藝中，可達(dá)到循環(huán)使用、提高純度、節(jié)省成本的目的。所以采用自萃取法對(duì)玉米胚芽餅中植酸鈉的制取及純化效果更好，為得到高純度的植酸鈉提供理論依據(jù)。

［1］肖傳豪，李清霞.離子交換法提取植酸的原理分析［J］.化工時(shí)刊，2010，24(6):35－37.

［2］任傳英.高純度植酸的制備及其抗氧化活性研究［D］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2007:18－19.

［3］GB－T 5009.153－2003植物性食品中植酸的測(cè)定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［4］陳建峰.同步提取、分離及純化菜籽餅粕中的多酚和植酸［D］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008:37－42.

［5］章炳誼.菜籽餅粕中植酸的提取及其抗氧化活性的研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］張丙華，張暉，王立，等.利用弱堿性陰離子交換樹脂從脫脂米糠中制取植酸的研究［J］.食品與飼料加工，2010(4): 30－32.

［7］郭偉強(qiáng)，王志剛.油菜籽餅粕中植酸的提取及結(jié)構(gòu)鑒定研究［D］.浙江大學(xué)，2005.

Extraction and purification of phytic acid dodecasodium from defatted corn germ cake

LI Jian，GU Yan－ling，LI Chen－chen
(Key Laboratory of Food Science and Engineering，College of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China)

The phytic acid dodecasodium was extracted with self－extraction，anion exchange adsorption，elution，refinement and concentration from defatted corn germ cake.The results indicated that the optimal process conditions of extraction:temperature 45℃，extraction time 1.5h，ratio of liquid to raw material 8∶1 and pH about 2.2，the observed value of phytic acid yield was 74.73%.The yield was the optimal process conditions of anionexchange:absorption solventconcentration2mg/mL，adsorption solventflow rate1.0mL/min，operation temperature 45℃ and pH about 2，NaOH elution solvent concentration 0.6mol/L.

defatted corn germ cake;phytic acid dodecasodium;preparation;purification

TS210.1

B

1002－0306(2011)12－0365－04

2011－06－08

李健(1956－)，男，教授，學(xué)士，研究方向:食品化學(xué)。