响应面法优化玉米叶中菲丁提取工艺的研究

赵 玮，曾繁隆，柴 贺

（吉林农业大学 食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 前言

菲丁学名植酸钙镁（Phytin），为白色无定形粉末，无味无臭，不溶于醇类、乙醚、丙酮、苯等有机溶剂，微溶于水，易溶于稀酸.菲丁广泛存在于植物油料种子中，主要存在于植物种子的糊粉层中，以植酸的四镁二钾盐等形式存在，但一般含量偏低[1].粮食加工的副产物米糠、油料生产的副产物饼粕及玉米淀粉生产时浸泡玉米的废水等是制取菲丁的主要原料[2].脱脂米糠中菲丁含量最高为10%～11%，亚麻籽中含量为1.5%～1.7%、花生中为2.2%、向日葵中为2.0%、蓖麻籽（脱壳）中为1.7%～1.9%、玉米籽粒中为1.31%[3].

菲丁在工业上主要用来制取植酸和肌醇，在发酵工业上菲丁可代替磷酸钾用于酒类酵母培养；在酿酒工业上菲丁可作为酿酒用水的加工剂、酒类和石蜡等产品的除金属剂等；在食品工业中用作防腐剂，仅0.1%的溶液经过热烫处理后即可防止储藏罐生锈[4]；在油脂工业中可用来精制高纯度大豆油.菲丁精制后还是一种用途广泛的药物原料，具有促进人体新陈代谢、恢复肌体内磷的平衡、健脑及治疗神经炎、幼儿佝偻病、神经衰弱等作用.在工业上，通常采取酸浸取碱中和沉淀法提取菲丁，此外还有醇沉法、金属盐分离法等[5].酸浸取碱中和沉淀法的原理为：菲丁在酸性条件下解离为植酸和金属离子，经分离后，用碱液调整浸出液pH 值，植酸与金属离子重新结合生成植酸钙镁盐即菲丁.菲丁的溶解度很小，能够以沉淀的形式被分离出来[6].

玉米叶即玉米棒苞皮，是农产品加工的下脚料，大多作为饲料直接饲喂家畜，利用率不高[7].我国玉米种植面积广，玉米棒苞皮资源丰富、价格低廉；菲丁的制备，能有效利用农作物废弃资源，提高其附加值.作者以玉米叶为原料，采用稀酸萃取碱中和沉淀法提取菲丁，利用响应面分析法，根据Box-Behnken 试验设计原理，对玉米叶提取菲丁的工艺条件进行了优化.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米：产地为长春；尿素：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；无水乙醇、乙二醇、盐酸、氨水等均为分析纯：北京化工厂.

1.2 仪器与设备

HZS-HA 型恒温水浴振荡器：哈尔滨市东联电子科技有限公司；101A-2E 型电热鼓风干燥箱：上海实验仪器厂有限公司；PHS-3BW 型电脑数显酸度计：上海里达仪器厂；SHB-B95A 型循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；傅立叶红外光谱仪（FTIR-8900）：日本岛津公司.

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

称取20 g 烘干、粉碎后玉米叶粉末，加入一定体积0.1 mol/L 盐酸浸泡10 h.用0.5%的尿素溶液，调节浸渍液pH 值为2.0，水浴振荡一定时间.抽滤浸渍液，用去离子水清洗滤渣2～3 次，合并滤液和洗涤液.用10%氨水中和滤液pH 至7.5 左右，生成浅黄色菲丁.过滤，用去离子水反复洗涤沉淀至洗液不再呈浅黄色、pH 值等于7 为止，得到膏状菲丁.将上述产物在50 ℃烘干5 h，即得成品菲丁[7].

1.3.2 单因素试验

利用单因素试验分别考察了料液比、浸提温度、浸提时间对菲丁提取率的影响.

1.3.3 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，确定Box-Behnken 试验设计的自变量，以菲丁提取率为响应值，通过响应面曲面分析（response surface analysis），对玉米叶提取菲丁的工艺条件进行了优化.

1.3.4 产物的检测分析

采用KBr 压片对反应产物菲丁进行红外光谱分析.

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 料液比对菲丁提取率的影响

按1.3.1 工艺条件，在酸渍浸时间为2 h、水浴振荡温度为30 ℃的条件下，改变玉米皮酸液料液比（g/mL），结果见图1.

图1 料液比对菲丁提取率的影响Fig.1 Effect of material-to-liquid ratio on the yield of phytin

由图1 可知，随着料液比逐渐减小，菲丁提取率逐渐增大；当料液比小于1∶8 时，菲丁提取率逐渐下降.分析原因，由于料液比较大时溶液中植酸、金属离子浓度较低，影响沉淀的形成，造成沉淀不完全；料液比较小时，玉米叶中菲丁分解不完全，碱处理会造成菲丁损失，故提取率不高[8].综上所述，本研究选定料液比1∶7、1∶8、1∶9 作为响应面优化试验的3 个水平.

2.1.2 浸提温度对菲丁提取率的影响

按1.3.1 工艺条件，酸渍浸时间为2 h、料液比为1∶8，改变玉米叶酸浸渍液水浴振荡温度，所得结果见图2.

图2 浸渍温度对菲丁提取率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of phytin

由图2 可知，随着浸渍温度的升高，菲丁提取率逐渐增大；浸渍温度为30 ℃时，菲丁提取率达到最高值；当浸渍温度大于30 ℃时，菲丁提取率逐渐下降.分析原因，温度太低，不利于菲丁的解离，菲丁提取率较低；温度太高，不利于植酸与金属离子的再次结合，造成菲丁提取率不高[9-10].因而，本研究选定玉米叶浸渍温度为20、30、40 ℃作为响应面优化试验的3 个水平.

2.1.3 浸提时间对菲丁提取率的影响

按1.3.1 工艺条件，在料液比为1∶8、水浴振荡温度为30 ℃的条件下改变玉米叶酸液浸渍时间，所得结果见图3.

图3 浸渍时间对菲丁提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the yield of phytin

由图3 可知，当浸渍时间小于3 h 时，菲丁提取率随浸渍时间的延长而增加，在浸渍时间3 h 时达到最大值；当浸渍时间大于3 h 时，菲丁提取率有所下降.分析原因，在一定范围内，浸渍时间的延长利于细胞内有效成分充分渗透、溶解，提高了菲丁的提取率[11]；随着浸渍时间的延长，原料中蛋白质、糖类物质的溶出量加大，使得菲丁碱沉变得困难，从而提取率下降.综上所述，本研究选定玉米叶浸渍时间2 h、3 h、4 h 作为响应面优化试验的3 个水平.

2.2 响应面试验

2.2.1 Box-Behnken 试验结果与方差分析

在单因素试验的基础上，按照Box-Behnken 试验设计方法进行三因素三水平试验，选取料液比（A）、浸渍温度（B）、浸渍时间（C）对玉米叶提取菲丁工艺进行优化，因素与水平见表1，试验结果见表2.

表1 响应面试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels in response surface design

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Experimental design and results of response surface analysis

由表2 可知，Box-Behnken 设计的方案共有17个试验点的响应面分析试验，其中12 个为析因试验，其余5 个为中心试验，析因点为自变量取值在A、B、C 所构成的三维定点，零点区域为中心点，零点区域重复5 次，用于估计试验误差.将表2 的数据进行多元回归分析，结果见表3.

表3 方差分析Table 3 Results of variance analysis

2.2.2 响应面分析与优化

根据回归模型做出了各因素交互作用对菲丁提取率影响的响应曲面和等高线，见图4.

分析图4 可知，浸渍温度对菲丁提取率的影响最为显著，表现为曲线较陡，沿浸渍温度轴向，菲丁提取率响应值变化较大；其次为浸渍时间对菲丁提取率的影响；料液比对菲丁提取率的影响最弱，表现为曲线较平滑，沿料液比轴向，响应值变化较小.图4b 中等高线的形状呈椭圆形，表明浸渍温度和浸渍时间两因素之间的交互效应较显著；图4a 中等高线图显示，浸渍温度和料液比两因素间的交互有一定的显著性；图4c 中等高线较接近圆形，表明浸渍时间和料液比两因素间的交互作用不十分显著.以上结果与方差分析的结果一致.由图4 可知，在两两因素交互作用的响应面图中，每两种因素交互的响应面均存在最高点，也是等高线最小椭圆的中心点，即菲丁提取率在所选范围内均存在最大值[12].回归模型预测的菲丁提取的最佳工艺条件为浸渍温度39.48 ℃、浸渍时间2.55 h、料液比0.13，菲丁提取率的最高理论值为1.297%.将合成工艺条件修正为浸渍温度40 ℃、浸渍时间2.5 h、料液比1∶8，菲丁提取率为1.32%，与理论预测值基本一致.因此，基于响应面法分析所得的优化提取工艺参数准确可靠，具有实用价值.

图4 各因素交互作用对菲丁提取率影响的响应面和等高线Fig.4 Response surface and contour plots of the effect of cross-interaction of each two factors on phytin yield

利用傅立叶红外光谱仪分析了试验所得产品和标准品菲丁，采用固体样品溴化钾压片法，结果见图5.由图5 可知，由于OH 基和P＝O 基邻接，氢键的影响使得P＝O 伸展振动峰在1 250～1 140 cm-1区间向低波数方向位移，出现在1 087.85 cm-1，且峰形变宽；894.97 cm-1为P—O—C 伸展振动吸收峰；3 466.08 cm-1应该为结晶水羟基的峰，宽且钝，且屏蔽了2 800～2 880 cm-1C—H 峰[8].由此说明其极有可能是菲丁.与标准品对照，二者谱图吻合良好，因而可进一步确定所得产品为菲丁.

图5 标准品和产品的红外光谱Fig.5 Infrared spectra of phytin standards and the product

3 结论

以玉米叶为原料，采用酸碱中和沉淀法提取菲丁.在料液比、浸提温度、浸提时间等单因素试验的基础上，根据中心组合试验设计原理，应用响应面分析法研究各因素的显著性和交互作用的强弱；确定了最佳提取工艺条件：料液比为1∶8（g/mL），浸取温度40 ℃，浸提时间2.5 h，菲丁的提取率为1.30%.利用Fourier 变换红外光谱仪对产物进行了定性分析，确定所得产物为菲丁.

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