效應(yīng)面法優(yōu)選碎米制備注射用葡萄糖中糖化液離子交換工藝的初步研究

石繼連，楊巖濤，劉文龍，鄧凱文，戴儒文，唐 昱，賀福元，*

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院中藥藥性與藥效國家中醫(yī)藥管理局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410208;2.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，湖南長沙410007)

目前食用及藥用葡萄糖多以玉米為原料加工制備而成，但玉米的生產(chǎn)成本高于大米更高于碎米。以大米為原料酶法生產(chǎn)的葡萄糖，甜味、風(fēng)味、營養(yǎng)價(jià)值都比玉米高［1］。我國稻米加工過程中會(huì)產(chǎn)生10%～15%的碎米，其價(jià)格僅為整米的1/3～1/2，有效利用嚴(yán)重不足。因此，研究大米的深加工技術(shù)顯得尤為重要，可充分利用這部分資源［2］。采用大米加工的副產(chǎn)物碎米酶解制成葡萄糖，特別是注射用葡萄糖，一則可以變廢為寶，提高其深加工附加值，降低其生產(chǎn)成本。二則節(jié)約出來的玉米可作為戰(zhàn)略糧食儲(chǔ)備和其它食品深加工，對(duì)節(jié)約和優(yōu)化我國的糧食結(jié)構(gòu)，保證糧食安全具有重大的戰(zhàn)略意義［3］。碎米制備注射用葡萄糖的過程中，為了除去其糖化液所含的雜質(zhì)，如無機(jī)鹽、重金屬、氨基酸、帶電的蛋白質(zhì)和色素等，使之成為無色透明液體，達(dá)到注射用葡萄糖糖化液結(jié)晶前的質(zhì)量要求。本文在采用活性炭對(duì)糖化液進(jìn)行脫色［4－5］的基礎(chǔ)上，采用效應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，對(duì)脫色后的糖化液初步進(jìn)行了離子交換工藝研究，為制備注射用葡萄糖的生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糖化液 自制;D－無水葡萄糖對(duì)照品 中國藥品生物制品檢定所，批號(hào):1108334－200503;732強(qiáng)酸性陽離子樹脂、717強(qiáng)堿性陰離子樹脂 均為上海三浦化工有限公司;層析柱 10mm×20cm;乙腈 為色譜純;流動(dòng)相用水 為超純水;其它試劑 均為分析純。

Waters1525高效液相色譜儀 Waters 2410示差折光檢測器及Breeze色譜工作站;TU－1900雙光束紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;AR1140/C分析天平 瑞士梅特勒－托利多儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 葡萄糖含量測定［1－2］

1.2.1.1 對(duì)照品溶液的制備 精密稱取D－無水葡萄糖對(duì)照品適量，置于50mL容量瓶中，加水溶解，定容至刻度，搖勻制成濃度為75.0mg·mL－1的對(duì)照品溶液。

1.2.1.2 供試品溶液的制備 吸取經(jīng)過離子交換柱洗脫處理后的碎米糖化液，以0.45μm微孔濾膜過濾，得供試品溶液。

1.2.1.3 色譜條件 色譜柱為UltimateXB－WH2柱(250mm × 4.5mm，2.5μm);流 動(dòng) 相 為 乙 腈 ∶水(65∶35);流速為1mL/min;柱溫為30℃;檢測波長為209nm;進(jìn)樣量為10μL，理論塔板數(shù)按葡萄糖計(jì)不低于4500。

圖1 高效液相色譜圖Fig.1 HPLC chromatograms

1.2.2 洗脫指數(shù)的評(píng)價(jià) 精密吸取洗脫液20mL于蒸發(fā)皿中，水浴蒸干，于105℃干燥3h，移至干燥器中放置30min冷卻，稱定重量，計(jì)算洗脫液中固形物含量，按下式評(píng)價(jià)洗脫指數(shù):

2 結(jié)果與分析

2.1 星點(diǎn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化工藝條件

根據(jù)正交設(shè)計(jì)初步考察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)每柱裝量、pH及洗脫流速等3個(gè)影響因素進(jìn)行星點(diǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步篩選影響其離子交換效果的工藝條件。按表1、表2，調(diào)整交換柱樹脂的裝量及pH，將經(jīng)活性炭脫色后的糖化液加至離子交換柱，按一定的速度分別進(jìn)行洗脫，精密吸取洗脫液20mL置于蒸發(fā)皿中，水浴蒸干，于105℃干燥3h，移至干燥器中放置30min冷卻，稱定重量，計(jì)算洗脫液中固形物含量。同時(shí)取各洗脫液按“1.2.1”項(xiàng)下的方法測定葡萄糖含量，將洗脫液中的固形物及葡萄糖含量進(jìn)行綜合評(píng)分，初選糖化液的離子交換工藝，結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels of experiment

表2 實(shí)驗(yàn)安排與結(jié)果Table 2 Experiment arrangements and results

2.2 模型擬合

以洗脫的綜合評(píng)分為因變量，對(duì)各因素進(jìn)行多元線性回歸和二項(xiàng)式擬合(pH按陽離子交換柱計(jì)算)。多元線性回歸方程是:Y=98.250+0.384X1－2.384X2+0.077X3，r=0.345，F(xiàn)=0.497(p ＞0.05)。二項(xiàng)式擬合方程是:Y=－39.751+9.852X1+28.414X2+2.253X3+0.389－0.790－0.011－2.546X1X2－0.088X1X3－0.203X2X3，r=0.8544。

從擬合方程的相關(guān)系數(shù)可見，多元線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)較低，表示自變量與因變量之間線性相關(guān)性較差，可見多元線性回歸擬合度不佳，預(yù)測性較差，因此，該數(shù)學(xué)模型不合適。而多元二項(xiàng)式擬合方程相關(guān)系數(shù)較高，擬合效果較好，表明預(yù)測性更好。

2.3 工藝優(yōu)化和預(yù)測

因變量曲面圖是三維圖，只能表達(dá)2個(gè)自變量的函數(shù)，因此固定3個(gè)自變量之一為中值，以擬合的目標(biāo)函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，采用Minitab軟件繪制效應(yīng)面圖(圖2)?？紤]到工藝生產(chǎn)中實(shí)際成本以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)誤差等問題，本研究選取碎米糖化液的離子交換優(yōu)化工藝為:X1:10g，X2:4/10，X3:10，即在兩支10mm×20cm的層析柱中分別加入陽、陰離子交換樹脂10g，分別調(diào)pH為4、10后，在常溫下以10d/min的速度洗脫。

圖2 三維效應(yīng)面圖Fig.2 Three－dimensional response surface

2.4 優(yōu)化工藝驗(yàn)證

按上述最優(yōu)工藝條件，將經(jīng)活性炭脫色后的糖化液先用pH為4、樹脂裝量為10g的10mm×20cm的陽離子柱中，在常溫下以10d/min的速度洗脫，洗脫液再用pH為10、樹脂裝量為10g的10mm×20cm的陰離子交換柱，在常溫下以10d/min的速度洗脫。結(jié)果5批實(shí)驗(yàn)的評(píng)分分別為:95.23、96.24、95.62、93.87及92.48，平均評(píng)分為94.69，RSD為1.59%。表明所建立的數(shù)學(xué)模型具有良好的預(yù)測性，所選工藝條件重現(xiàn)性良好。

3 討論與結(jié)論

星點(diǎn)設(shè)計(jì)又稱中心組合設(shè)計(jì)，是多因素5水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在二水平析因設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加上極值點(diǎn)和中心點(diǎn)構(gòu)成，各水平的安排遵循任意兩個(gè)物理量之間的差值與對(duì)應(yīng)代碼之間的差值成等比的原則。效應(yīng)面優(yōu)化的基本原理則是通過描繪效應(yīng)對(duì)考察因素的效應(yīng)面，從效應(yīng)面上找出較優(yōu)的區(qū)域，再回推出因素的取值范圍，此范圍即為最佳條件［6］。

碎米糖化液經(jīng)離子交換后，其固形物的主要成分為葡萄糖，固形物及其葡萄糖含量越高，相應(yīng)地就說明固形物中的其它雜質(zhì)含量越低，其離子交換的工藝就越好。本文在正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)－效應(yīng)面法，以離子交換后的洗脫糖化液的固形物及其葡萄糖含量的乘積作洗脫指數(shù)進(jìn)行考察，初步優(yōu)化了碎米糖化液的離子交換工藝。若進(jìn)一步結(jié)合吸附蛋白質(zhì)等其它雜質(zhì)的情況深入細(xì)致研究，根據(jù)中國藥典中葡萄糖項(xiàng)下的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［7］，對(duì)氯化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、蛋白質(zhì)、鈣鹽及鐵鹽等雜質(zhì)進(jìn)行限量檢查，可得到碎米制備注射用葡萄糖的最佳離子交換工藝條件。因此，本研究同時(shí)對(duì)藥典標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上述雜質(zhì)檢查項(xiàng)目均進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明所考察的20個(gè)工藝條件所得的產(chǎn)品均符合藥典標(biāo)準(zhǔn)，限于篇幅在本文中未作細(xì)述。為此，本研究已申請(qǐng)專利(申請(qǐng)?zhí)枮?201010547831.2)。

本文通過實(shí)驗(yàn)室條件研究了各種因素對(duì)糖化液洗脫指數(shù)的影響，為制備注射用葡萄糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。若要應(yīng)用于工業(yè)化大生產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上還需根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備規(guī)格等實(shí)際條件適當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］高玉臣.大米制造葡萄糖的技術(shù)和工藝［J］.杭州食品科技，2008(2):23－25.

［2］周麗君.大米淀粉轉(zhuǎn)化生產(chǎn)葡萄糖的研究［D］.長沙:中南林業(yè)科技大學(xué)，2011，5.

［3］賀福元，鄧凱文，劉文龍，等.葡萄糖應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)狀及碎(大)米酶法制成注射用葡萄糖的巨大優(yōu)勢［J］.湖南中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(12):68－71.

［4］石繼連，劉文龍，楊巖濤，等.碎米糖化液的脫色工藝研究［J］.中國藥師，2011，14(12):1734－1737.

［5］石繼連，劉文龍，楊巖濤，等.正交設(shè)計(jì)優(yōu)選碎米糖化液的脫色工藝［J］.中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2012，9(3):117－118，125.

［6］呂邵佳，劉棟，胡畔盼，等.星點(diǎn)設(shè)計(jì)－效應(yīng)面法優(yōu)化龍芽楤木葉提取工藝［J］.中藥材，2010，3(3):442－445.

［7］國家藥典委員會(huì).中華人民共和國藥典(二部)［S］.北京:中國醫(yī)藥科技出版社，2010:927.