响应面法优化水溶性大豆多糖-铁(Ⅱ)配合的合成工艺

何瑞雪，高文宏，曾新安，朱思明,*

(1.华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640；2.广州现代产业技术研究院，广东 广州 511458)

响应面法优化水溶性大豆多糖-铁(Ⅱ)配合的合成工艺

何瑞雪1,2，高文宏1，曾新安2，朱思明1,*

(1.华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640；2.广州现代产业技术研究院，广东 广州 511458)

优化水溶性大豆多糖-铁(Ⅱ)配合物的合成工艺，在单因素试验基础上，应用响应面法二次回归正交旋转组合试验设计，分析水溶性大豆多糖与催化剂柠檬酸三钠的质量比、pH值、反应时间及温度对配合物铁含量的影响，建立相应的预测模型。方差分析结果表明：质量比、pH值对铁含量有显著影响。优化所得的较优工艺参数为水溶性大豆多糖与柠檬酸三钠质量比1.89:1、pH3.89、反应时间1.56h、温度60.6℃。对应的铁含量的预测值为23.08%，实际平均值为21.89%。结果表明：应用响应面法所得到的水溶性大豆多糖-铁(Ⅱ)配合物的合成工艺参数是可行的。

水溶性大豆多糖；亚铁；合成；响应面法

铁是人体内必需的微量元素之一，是血红蛋白和肌红蛋白的核心部分，细胞中许多有重要功能的酶也都含有铁，是人体许多正常生理过程中不可缺少的物质。缺铁性贫血(iron deficiency anemia，IDA)是世界上最常见的疾病之一，严重威胁着人类健康[1]。国内外已有不少多糖铁配合物的研究，如已上市的补铁剂力蜚能[2]，葡聚糖铁[3-5]、海藻酸铁[6]、当归多糖铁[7-9]、地黄多糖铁[10]、人参多糖铁[11]等，研究表明，多糖铁类配合物不仅可以避免胃肠道刺激，还具有副作用小，溶解度好，铁含量高等优点，是一种很有前途的补铁剂。

水溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharide，SSPS)是从豆科大豆子叶部分用热水浸取所得水溶性多糖类物质，是以鼠李半乳糖醛酸和高聚半乳糖酸为主链，半乳聚糖和阿拉伯糖为侧链结合的结构体，结构类似果胶[12-16]，不仅具有膳食纤维所具有的生理功能特性，还具有许多其他优越的食品功能特性，如乳化及乳化稳定性、抗氧化性、抑菌性、成膜性、抗黏结性及泡沫稳定性，可用作乳化剂、分散剂、稳定剂及吸附剂等。SSPS属酸性多糖，糖分子含有羟基和羧基等亲核能力强的供电子基，易与金属离子配合。本实验拟以SSPS为载体，与亚铁进行配合反应，采用响应面法优化合成工艺，以期开发为强化铁的食品添加剂和营养型口服补铁剂，并进一步扩大SSPS的应用领域。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

水溶性大豆多糖(水分≤7.0%，粗蛋白质≤8.0%，粗灰分≤10.0%) 广州华汇生物实业有限公司；硫酸亚铁、柠檬酸三钠、邻菲罗啉、硫酸亚铁胺、盐酸羟胺、无水乙醇、盐酸、乙酸钠均为A R级。

1.2 仪器与设备

TU-1901双光束分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；PHSJ-4A型实验室pH计 上海精密科学仪器有限公司；CR22G高速冷冻离心机 日本日立集团。

1.3 方法

1.3.1 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成

称取一定量的水溶性大豆多糖及催化剂柠檬酸三钠，用蒸馏水溶解，在恒温水浴条件下滴加一定量的硫酸亚铁溶液，使SSPS与二价铁质量比为1:1(按照0.100g SSPS滴加2mL 0.89mmol/mL硫酸亚铁进行)，同时用1%盐酸或10%醋酸钠溶液调节pH值，滴加完成后继续搅拌反应特定时间，冷却后用无水乙醇醇析1h，5000r/min离心分离5min，沉淀用95%乙醇、无水乙醇洗涤，直至洗液不含二价铁离子。50℃热风干燥后得SSPS-Fe(Ⅱ)配合物。

1.3.2 配合物铁离子含量测定

采用邻菲罗啉分光光度法测定SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的铁含量，标准曲线的绘制参见文献[17]。

准确称取1.3.1节所得的SSPS-Fe(Ⅱ)配合物0.020g，蒸馏水溶解后定容于50mL容量瓶中，准确移取1.00mL溶液于25mL比色管中，加入10%盐酸0.5mL，10%盐酸羟胺溶液1mL，放置30min，再加入0.15%邻菲罗啉显色液2mL和10%醋酸钠溶液5mL，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，显色10min后，于510nm处测定吸光度(A)。根据回归方程计算Fe(Ⅱ)含量，并计算配合物的铁含量。

式中：m1为配合物中铁离子含量/g；m为配合物总量/g。

1.3.3 单因素试验

分别研究了水溶性大豆多糖与柠檬酸三钠的质量比、水浴温度、pH值及反应时间对SSPS-Fe(Ⅱ)配合物铁含量影响，按1.3.1节方法进行合成，4个因素的固定值分别为水溶性大豆多糖与柠檬酸三钠质量比1:1、水浴温度60℃、pH4.6、反应时间1h。各单因素试验设计见2.1节。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，根据二次回归正交旋转组合设计原理，选取SSPS与柠檬酸三钠的质量比(A)、pH值(B)、反应温度(C)、反应时间(D)4个因素作为自变量，配合物铁含量(Y)为响应值，设计了四因素五水平共30个试验点的响应面分析试验，其因素水平设计见表1。

表1 水溶性大豆多糖-铁(Ⅱ)配合物合成试验因素与水平设计Table 1 Factors and levels in dual quadratic rotary combination design

2 结果与分析

2.1 单因素试验

图1 质量比对SSPS-Fe(Ⅱ)铁含量影响Fig.1 Effect of mass ratio between soluble soybean polysaccharide and catalyst sodium citrate on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

2.1.1 SSPS与柠檬酸三钠质量比对配合物铁含量影响由图1可以看出，配合物的铁含量随着SSPS与柠檬酸三钠质量比提高先增大后减小，在1:1时达到最大值16.2%。

2.1.2 pH值对配合物铁含量影响

图2 pH值对SSPS-Fe(Ⅱ)铁含量的影响Fig.2 Effect of pH on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

由图2可以看出，随着pH值增加，配合物铁含量先急剧增大后减小，在pH4时达到最大值18.4%。

2.1.3 反应温度对配合物铁含量影响

图3 反应温度对SSPS-Fe(Ⅱ)铁含量影响Fig. 3 Effect of reaction temperature on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

由图3可知，50℃以上对配合物铁含量影响不大，在60℃时达到最大值18.5%。

图4 反应时间对SSPS-Fe(Ⅱ)铁含量影响Fig.4 Effect of reaction time on the iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

2.1.4 反应时间对配合物铁含量影响由图4可知，随着反应时间增加，配合物铁含量先增大后减少，在1.5h时达到最大值15.6%。

2.2 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工艺回归模型的建立

表2 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工艺响应面试验设计及结果Table 2 Dual quadratic rotary combination design matrix and corresponding results

利用Design-Expert 7.1.6软件对表2试验数据进行回归拟合，得到配合物铁含量(Y)对SSPS与柠檬酸三钠的质量比(A)、pH值(B)、反应温度(C)、反应时间(D)的二次多项回归模型方程如下(去掉不显著项)：

对30个试验点的响应值进行回归分析，方程的回归方差分析见表3。由表3可知，建立的模型P＜0.01，说明模型极显著。A、B、A2、B2、C2、D2项对配合物的铁含量影响极显著，C影响显著。失拟项P＞0.05，不显著，且模型的相关系数R2为0.9749，说明该模型拟合程度良好，试验误差小，可用来分析和预测SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工艺结果。

表3 回归方程的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the regression equation

2.3 响应面图

图5 各两因素交互作用对配合物铁含量影响的响应面图Fig.5 Response surface plots for the effect of cross-interaction among factors on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

SSPS与柠檬酸钠质量比、pH值、反应温度、反应时间4个因素之二取0水平时，其他2个因素对于配合物铁含量的影响见图5。从图5可知，在实验范围内，配合物的铁含量均随SSPS与柠檬酸钠的质量比、pH值、反应温度、反应时间的增加先增加后减少，质量比、pH值对配合物的铁含量影响明显强于其他两个因素。由铁含量回归方程的方差分析可知，四个因素对配合物铁含量的影响没有交互作用。

综上所述，4个因素对配合物铁含量影响的大小顺序依次为：质量比＞pH值＞反应温度≈反应时间。利用Design-Expert 7.1.6软件对SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成工艺条件进一步优化，给出了配合物铁含量较高的条件为SSPS与柠檬酸三钠的质量比1.89:1、pH3.89、反应时间1.56h、温度60.6℃。

2.4 验证实验

为了验证模型的可靠性，采用上述优化条件进行SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成。在此条件下做5次重复实验，结果铁含量预测值23.08%，实测平均值21.89%。预测值与实际值接近，因此，通过响应面优化法得到的SSPSFe(Ⅱ)配合物的合成工艺可以用来指导实际生产。

3 结 论

根据单因素试验结果，采用响应面法对SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成反应条件进行优化，以配合物的铁含量作为评价指标，对各因素水平进行分析，得出SSPSFe(Ⅱ)配合物合成的较优条件为：SSPS与柠檬酸三钠的质量比1.89:1、pH3.89、反应时间1.56h、温度60.6℃。在此条件下，SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的铁含量为(21.89±0.47)%，实验证明该工艺是可行的。本研究结果表明，SSPS的应用领域可以扩大到强化铁的食品添加剂和营养型口服补铁剂，具有很大的商业价值。

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Optimization of Synthesis of Soluble Soybean Polysaccharide-Iron (II) Complex by Response Surface Methodology

HE Rui-xue1,2，GAO Wen-hong1,2，ZENG Xin-an2，ZHU Si-ming1,*
(1. College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China；2. Guangzhou Institute of Modern Industrial Technology, Guangzhou 511458, China)

In order to optimize the synthesis process of soluble soybean polysaccharide-iron (Ⅱ) complex, based on the single factor tests, a dual quadratic rotary combination design was used to analyze the effects of mass ratio between soluble soybean polysaccharide and catalyst sodium citrate, pH, reaction time and reaction temperature on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ). A prediction model was established. The analysis of variance revealed that mass ratio and pH could significantly affect iron content of SSPS-Fe (Ⅱ). The optimal synthesis conditions were mass ratio between soluble soybean polysaccharide and catalyst sodium citrate of 1.89:1, pH 3.89, reaction time of 1.56 h and reaction temperature of 60.6 ℃. The iron content predicted by the model was 23.08%, which was consistent with the experimental value.

soluble soybean polysaccharide；ferrous；synthesis；response surface methodology

TQ929.2

A

1002-6630(2012)10-0098-05

2011-04-13

广东省科技计划项目(2008A080403009；2008A080403010)；中国博士后基金资助项目(20090450873)；广州市重大科技专项(2010U1-D00021)

何瑞雪(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为食品安全与质量控制。E-mail：568852532@163.com

*通信作者：朱思明(1976—)，男，讲师，博士，研究方向为制糖工程。E-mail：rachy5108@sina.com