響應(yīng)面法優(yōu)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(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830；2.四川大學(xué) 輕紡與食品學(xué)院，四川 成都 610065；3.中國(guó)測(cè)試技術(shù)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(jié)構(gòu)非常特殊，并具有獨(dú)特的生理、藥理和化學(xué)性質(zhì)。植酸與金屬離子具有極強(qiáng)的螯合作用且具有很強(qiáng)的抗氧化性，在食品行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。米糠是稻谷加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有較豐富的蛋白質(zhì)和脂肪，以及高量纖維素、植物醇、膳食纖維、氨基酸和礦物質(zhì)等，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。另外，米糠還可用于制備植酸肌醇和磷酸氫鈣等有機(jī)物，具有很高的實(shí)用價(jià)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)植酸的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。采用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法[7-8]確定米糠中植酸的最佳提取工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 米糠

在市場(chǎng)購(gòu)得米糠，過(guò)篩孔0.177 mm的振動(dòng)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(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BCD-183A冰箱：合肥榮事達(dá)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(jì)：上海雷磁儀器廠；HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；SHZ-D循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；UV-2600型紫外可見分光光度計(jì)：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(jīng)預(yù)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(shí)間(每三十分鐘攪拌一次)，進(jìn)行抽濾，制得初濾液，測(cè)定濾液中植酸含率。

1.3.2 浸提液中植酸提取率的測(cè)定

三氯化鐵滴定法：稱取初濾液2 g,加水50 mL，調(diào)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(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定)滴定至紫紅色不退。

植酸含率計(jì)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(luò)合2.8個(gè)鐵離子，1 mol三氯化鐵約等于0.2357 g。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)方法1.3.1，設(shè)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(shí)間(2、3、4、5、6 h)、提取溫度(10、20、30、40、50 ℃)四個(gè)因素對(duì)米糠中植酸提取率的影響。采用三氯化鐵滴定法測(cè)定浸提液中植酸含量，平行實(shí)驗(yàn)三次，確定植酸最佳提取工藝條件。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用四因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[9-13]，以提取溶劑濃度、液料比、提取時(shí)間和提取溫度為考察因素，以植酸提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化米糠中植酸的提取工藝。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Design-Expert(Version 8.0.6)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，繪制響應(yīng)曲面圖，并進(jìn)行線性回歸和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取溶劑濃度對(duì)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(dāng)鹽酸濃度為1%時(shí)，植酸提取率達(dá)到最大值。

圖1 鹽酸濃度對(duì)植酸提取率的影響

2.1.2 液料比對(duì)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(dāng)液料比為7∶1時(shí)，植酸提取率達(dá)到最大值。

圖2 液料比對(duì)植酸提取率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響

由圖3可知，隨著提取時(shí)間的增加，植酸提取率先顯著增加后緩慢降低，當(dāng)提取時(shí)間為4 h時(shí)，植酸提取率達(dá)到最大值。

圖3 提取時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響

2.1.4 提取溫度對(duì)植酸提取率的影響

由圖4可知，提取溫度對(duì)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(dāng)提取溫度為30 ℃時(shí)，植酸提取率達(dá)到最大值。

圖4 提取溫度對(duì)植酸提取率的影響

2.2 響應(yīng)面分析

2.2.1 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取提取溶劑濃度、液料比、提取時(shí)間、提取溫度四個(gè)因素，以蛋白酶活力為響應(yīng)值，利用Minitab軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體因素水平見表1、方案及結(jié)果見表2。

表1 因素水平設(shè)計(jì)

表2 植酸提取方案及結(jié)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(jìn)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(shí)間、D為提取溫度?；貧w模型的方差分析見表3。

表3 回歸模型的方差分析

根據(jù)回歸方程一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小，可知各因素對(duì)植酸提取率的影響為C(提取時(shí)間)=D(提取溫度)>B(液料比)>A(提取溶劑濃度)。模型的一次項(xiàng)A、B、C、D對(duì)結(jié)果影響均不顯著(P>0.05)；二次項(xiàng)A2、B2、D2對(duì)結(jié)果影響極顯著(P<0.01)，C2對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05)；交叉項(xiàng)AC對(duì)結(jié)果影響極顯著(P<0.01)，其他項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響均不顯著(P>0.05)。

2.2.3 蛋白酶活力響應(yīng)面分析與優(yōu)化

各因素間的交互作用對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶活力影響的響應(yīng)曲面圖及等高線圖見圖5。

等高線的形狀可反映交互效應(yīng)的強(qiáng)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(shí)間和提取溫度之間的交互作用對(duì)米糠中植酸提取效果的影響均呈現(xiàn)拋物面型關(guān)系，所得到的響應(yīng)面都存在一個(gè)極大值點(diǎn)，其中提取溶劑濃度、液料比、提取時(shí)間和提取溫度的交互作用等高線呈橢圓形，對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05)。

續(xù)表3:

圖5 各因素間的交互作用對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶活力影響的響應(yīng)曲面圖及等高線圖

經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化分析，根據(jù)擬合二階模型公式得到理論上米糠中植酸的最優(yōu)提取條件為提取溶劑濃度1.03%、液料比7.07∶1、提取時(shí)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該模型的有效性及實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為方便操作，將最佳提取條件調(diào)整為：提取溶劑濃度1%、液料比7∶1、提取時(shí)間3.6 h、提取溫度30 ℃。在此條件下對(duì)該模型做3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果測(cè)得植酸提取率分別為8.656%、8.638%和8.673%，平均為8.656%，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，因此該模型能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際提取狀況。

3 結(jié)論

本研究在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取提取溶劑濃度、液料比、提取時(shí)間、提取溫度四個(gè)因素，利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行四因素三水平的Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)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(shí)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(yōu)化前的提取率提高了1.3倍。