响应面法优化米糠中植酸的提取工艺

唐贤华，张崇军，田 伟，隋 明,2，周 文,2

(1.四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830；2.四川大学 轻纺与食品学院，四川 成都 610065；3.中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

植酸(肌醇磷酸盐)在植物中广泛存在[1]。植酸的结构非常特殊，并具有独特的生理、药理和化学性质。植酸与金属离子具有极强的螯合作用且具有很强的抗氧化性，在食品行业中应用非常广泛。米糠是稻谷加工产生的副产物，含有较丰富的蛋白质和脂肪，以及高量纤维素、植物醇、膳食纤维、氨基酸和矿物质等，具有很高的营养价值。另外，米糠还可用于制备植酸肌醇和磷酸氢钙等有机物，具有很高的实用价值[2-5]。

目前，植酸提取方法主要有溶剂萃取辅助法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法等[6]。本研究利用溶剂萃取法提取米糠中的植酸，并在单因素实验基础上对植酸的提取工艺进行优化。采用Plackett-Burman实验设计和响应面分析法[7-8]确定米糠中植酸的最佳提取工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 米糠

在市场购得米糠，过筛孔0.177 mm的振动筛，用聚乙烯膜袋封装，置于4 ℃冰箱中保存待用。

1.1.2 试剂

盐酸溶液，10%磺基水杨酸溶液，0.02 mol/L三氯化铁溶液，以上试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

BCD-183A冰箱：合肥荣事达电冰箱有限公司；SHA-B恒温振荡器：金坛市富华仪器有限公司；BS2005电子天平：北京赛多利斯天平有限公司；pH-3C酸度计：上海雷磁仪器厂；HH-S数显恒温水浴锅：金坛市医疗仪器厂；SHZ-D循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司；UV-2600型紫外可见分光光度计：尤尼柯(上海)仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 植酸的提取

称取经预处理的米糠5 g于干燥烧杯中，用一定浓度的盐酸若干，在一定水浴温度下浸泡一定时间(每三十分钟搅拌一次)，进行抽滤，制得初滤液，测定滤液中植酸含率。

1.3.2 浸提液中植酸提取率的测定

三氯化铁滴定法：称取初滤液2 g,加水50 mL，调整pH值为1.8～2.5，水浴加热至60 ℃，加入10滴10%磺基水杨酸溶液，用0.02 mol/L的三氯化铁溶液(浓度用乙二胺四乙酸二钠盐标准溶液标定)滴定至紫红色不退。

植酸含率计算公式：植酸含率(%)=C×V×0.2357×100÷W

式中：C——三氯化铁浓度(mol/L)；V——滴定耗去三氯化铁溶液率；W——样品的重率；0.2357——每分子植酸可以络合2.8个铁离子，1 mol三氯化铁约等于0.2357 g。

1.3.3 单因素实验

根据方法1.3.1，设定初始盐酸浓度为1%、液料比为1∶8、提取温度为室温。采用单因素轮换法，依次考察提取溶剂浓度(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%)、液料比(5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1)、提取时间(2、3、4、5、6 h)、提取温度(10、20、30、40、50 ℃)四个因素对米糠中植酸提取率的影响。采用三氯化铁滴定法测定浸提液中植酸含量，平行实验三次，确定植酸最佳提取工艺条件。

1.3.4 响应面优化试验

在单因素实验的基础上，采用四因素三水平的Box-Behnken响应面试验设计法[9-13]，以提取溶剂浓度、液料比、提取时间和提取温度为考察因素，以植酸提取率为评价指标优化米糠中植酸的提取工艺。

1.3.5 数据统计与分析

运用Design-Expert(Version 8.0.6)软件对数据进行回归拟合，绘制响应曲面图，并进行线性回归和方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 提取溶剂浓度对植酸提取率的影响

由图1可知，随着盐酸溶液浓度的增大，植酸提取率先显著增加后缓慢降低，当盐酸浓度为1%时，植酸提取率达到最大值。

图1 盐酸浓度对植酸提取率的影响

2.1.2 液料比对植酸提取率的影响

由图2可知，随着液料比的增大，植酸提取率先显著增加后缓慢降低，当液料比为7∶1时，植酸提取率达到最大值。

图2 液料比对植酸提取率的影响

2.1.3 提取时间对植酸提取率的影响

由图3可知，随着提取时间的增加，植酸提取率先显著增加后缓慢降低，当提取时间为4 h时，植酸提取率达到最大值。

图3 提取时间对植酸提取率的影响

2.1.4 提取温度对植酸提取率的影响

由图4可知，提取温度对植酸提取率影响较大，随着提取温度的升高，植酸提取率先显著增加后明显降低，当提取温度为30 ℃时，植酸提取率达到最大值。

图4 提取温度对植酸提取率的影响

2.2 响应面分析

2.2.1 响应面分析试验设计方案及结果

在单因素实验的基础上，选取提取溶剂浓度、液料比、提取时间、提取温度四个因素，以蛋白酶活力为响应值，利用Minitab软件进行Box-Behnken试验设计，具体因素水平见表1、方案及结果见表2。

表1 因素水平设计

表2 植酸提取方案及结果

2.2.2 回归方程的建立及显著性分析

利用软件Design-Expert 8.0.6进行方差分析及多元回归拟合，获得回归模型方程：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为植酸提取率、A为盐酸浓度、B为液料比、C为提取时间、D为提取温度。回归模型的方差分析见表3。

表3 回归模型的方差分析

根据回归方程一次项系数绝对值的大小，可知各因素对植酸提取率的影响为C(提取时间)=D(提取温度)>B(液料比)>A(提取溶剂浓度)。模型的一次项A、B、C、D对结果影响均不显著(P>0.05)；二次项A2、B2、D2对结果影响极显著(P<0.01)，C2对结果影响显著(P<0.05)；交叉项AC对结果影响极显著(P<0.01)，其他项对结果影响均不显著(P>0.05)。

2.2.3 蛋白酶活力响应面分析与优化

各因素间的交互作用对菌株产蛋白酶活力影响的响应曲面图及等高线图见图5。

等高线的形状可反映交互效应的强弱，圆形表示两因素交互作用不显著，而椭圆形则与之相反。由图5可知，提取溶剂浓度、液料比、提取时间和提取温度之间的交互作用对米糠中植酸提取效果的影响均呈现抛物面型关系，所得到的响应面都存在一个极大值点，其中提取溶剂浓度、液料比、提取时间和提取温度的交互作用等高线呈椭圆形，对结果影响显著(P<0.05)。

续表3:

图5 各因素间的交互作用对菌株产蛋白酶活力影响的响应曲面图及等高线图

经过响应面优化分析，根据拟合二阶模型公式得到理论上米糠中植酸的最优提取条件为提取溶剂浓度1.03%、液料比7.07∶1、提取时间3.61 h、提取温度29.47 ℃，在此条件下植酸提取率的理论值为8.6265%。

2.3 验证实验

为了验证该模型的有效性及实用性进行验证实验。为方便操作，将最佳提取条件调整为：提取溶剂浓度1%、液料比7∶1、提取时间3.6 h、提取温度30 ℃。在此条件下对该模型做3次验证实验，结果测得植酸提取率分别为8.656%、8.638%和8.673%，平均为8.656%，与预测结果基本一致，因此该模型能较好地预测实际提取状况。

3 结论

本研究在单因素实验的基础上，选取提取溶剂浓度、液料比、提取时间、提取温度四个因素，利用Design-Expert 8.0.6软件进行四因素三水平的Box-Behnken中心组合设计，通过响应面优化分析得到米糠中植酸的最佳提取条件为提取溶剂浓度1%、液料比7∶1、提取时间3.6 h、提取温度30 ℃。在此条件下，植酸的提取率为8.656%，较未优化前的提取率提高了1.3倍。