超聲輔助提取花生粕中植酸工藝優(yōu)化

余 安，王承明*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

超聲輔助提取花生粕中植酸工藝優(yōu)化

余 安，王承明*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

用響應(yīng)面法研究超聲波輔助提取花生粕中植酸的最佳工藝，考察超聲溫度、超聲時(shí)間、超聲功率、液料比和鹽酸濃度5個(gè)因素對(duì)植酸提取率的影響。經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化的超聲波輔助提取植酸的優(yōu)化工藝條件：超聲溫度40℃、超聲時(shí)間24min、超聲功率72W、液料比11:1(mL/g)、鹽酸濃度0.01mol/L，此時(shí)提取率為1.48%，與模型預(yù)測(cè)值1.44%相差不到3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明超聲波方法可較好地應(yīng)用于花生粕中植酸的提取，同時(shí)得到一個(gè)能較好預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的提取模型方程。

花生粕；植酸；超聲波法；響應(yīng)面分析

花生是豆科植物落花生的成熟種子，具有補(bǔ)虛、益壽、抗衰老、美容之功效，因而被譽(yù)為“長生果”。它是全世界公認(rèn)的健康食品，在我國被認(rèn)為是“十大長壽食品”之一[1]。作為花生生產(chǎn)大國，近年來，我國的花生種植面積逐年遞增，產(chǎn)量已達(dá)1500萬t，位居世界第一位[2]。

花生粕是以脫殼花生果為原料，經(jīng)提取油脂后的副產(chǎn)品，目前主要用于飼料[3]。經(jīng)本人初步研究證實(shí)，花生粕中含有一定量的植酸。植酸以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、生理和藥理功能，廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、醫(yī)藥、日化、食品等行業(yè)中[4]。特別是在食品和日化工業(yè)上，利用植酸的強(qiáng)鰲合性，使其與輔酶中的金屬離子鰲合，抑制或減緩酶促反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)行，從而在果蔬、魚、肉等的貯藏保鮮中起到防褐保鮮的效果[4-7]。我國已將植酸作為抗氧化劑列入食品添加劑行列[4]。因此，提取花生粕中的植酸可以為花生粕的綜合利用開發(fā)另一條新的途徑。超聲波輔助提取作為一種有效提取方法，因其簡(jiǎn)單、方便、快速和安全等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[8]。超聲作用可產(chǎn)生各種效應(yīng)，如空化效應(yīng)、湍動(dòng)效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)和聚能效應(yīng)等，其中湍動(dòng)效應(yīng)使邊界層變薄，增大傳質(zhì)速率；微擾效應(yīng)強(qiáng)化了微孔擴(kuò)散；界面效應(yīng)增大了傳質(zhì)表面積；聚能效應(yīng)活化了分離物質(zhì)分子。所有這些效應(yīng)會(huì)引起傳播媒質(zhì)特有的變化，因而可從整體上促進(jìn)分離過程[9]。本實(shí)驗(yàn)擬采用超聲波輔助提取的方法從花生粕中提取植酸，以加快提取速率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花生粕 山東龍大集團(tuán)公司。

鹽酸 信陽市化學(xué)試劑廠；三氯化鐵 天津市化學(xué)試劑三廠；磺基水楊酸 上海靈錦精細(xì)化工有限公司；植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)品 美國Sigma公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ2200DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；722型分光光度計(jì) 天津市普瑞斯儀器有限公司；TDL-5A菲恰爾離心機(jī) 上海菲恰爾分析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料處理

購買的花生粕粉碎，過2 0目篩，晾干備用。

1.3.2 植酸工藝流程與提取方法

提取工藝流程：花生粕→加鹽酸→超聲輔助提取→離心→取上清液定容→加入反應(yīng)溶液→放置10～20min→離心10min→取上清液→測(cè)吸光度

提取方法：精確稱取粉碎過篩的花生粕1g，置于50mL錐形瓶中。加入不同濃度的鹽酸，于超聲波清洗器中提取。提取結(jié)束后，將錐形瓶中全部液料倒入25mL離心管中，3000r/min離心5min，然后取上清液定容至一定體積。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[10]

三氯化鐵-磺基水楊酸反應(yīng)溶液：稱取1.5g三氯化鐵和15g磺基水楊酸，加水溶解并定容至500mL。使用前以水稀釋10倍。

植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取1.8889g植酸鈉標(biāo)準(zhǔn)樣品，精確至0.0001g，加水溶解并定容至100mL。使用前，吸取5mL，用水定容至500mL，其質(zhì)量濃度為0.01mg/mL。

工作曲線的繪制：精確吸取植酸溶液0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL于6只10mL比色管中，用水補(bǔ)足至5mL，加入反應(yīng)溶液4mL，搖勻，以3000r/min離心10min，放置10～20min后，將上層液倒入1cm比色皿中，于500nm波長處測(cè)定吸光度。以吸光度A為縱坐標(biāo)，植酸含量Y(mg)為橫坐標(biāo)得回歸方程：

1.3.4 含量測(cè)定

取提取液5mL，于10mL比色管中，加入反應(yīng)溶液4mL，其余步驟同1.3.3節(jié)方法，測(cè)定吸光度，并在工作曲線上查得或者由回歸方程計(jì)算得到花生粕提取液中植酸的含量。

1.3.5 植酸提取率的計(jì)算

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲溫度對(duì)植酸提取率的影響

將1g粉碎過篩的花生粕按液料比10:1加入濃度為0.01mol/L的鹽酸，設(shè)定超聲功率50W，分別于30、40、50、60、70、79℃(儀器最高允許工作溫度)超聲輔助提取5min。按植酸標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定花生粕中植酸含量，并計(jì)算提取率。結(jié)果見圖1。

圖1 超聲溫度對(duì)植酸提取率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on phytic acid yield

由圖1可知，在30～79℃的溫度范圍內(nèi)，植酸的提取率隨著超聲溫度的升高先上升后下降，其中，在超聲溫度為40℃時(shí)達(dá)到最大值。溫度升高，分子動(dòng)能增大，有利于植酸的提??；隨著溫度的升高，花生粕中含量豐富的蛋白質(zhì)等物質(zhì)也變得易溶出，從而可能與具有6個(gè)磷酸根獨(dú)特結(jié)構(gòu)[11]的植酸結(jié)合而沉淀，使得植酸提取率隨之下降。故選擇40℃為最佳提取溫度。

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響

將1g粉碎過篩的花生粕按10:1的液料比加入0.01mol/L的鹽酸，設(shè)定功率50W，于40℃恒溫中分別超聲輔助提取5、10、15、20、25、30、40、50min。結(jié)果如圖2所示。

應(yīng)建立健全各項(xiàng)青年人才管理制度，把制度建設(shè)作為青年人才管理的重要手段。既要加強(qiáng)制度的宣傳教育，又要加強(qiáng)制度執(zhí)行、監(jiān)督，最大限度地?cái)U(kuò)大制度的透明度和影響力，努力營造青年人才干事創(chuàng)業(yè)的良好氛圍。青年人才管理制度建設(shè)要從有利于青年人才健康成長、成才出發(fā)，從客觀公正選拔、日常培訓(xùn)教育、合理安排使用和績(jī)效考核等方面入手，建立完善青年人才管理制度，真正實(shí)現(xiàn)以制度選人、憑制度用人、靠制度樹人。同時(shí)，督促青年人才自覺養(yǎng)成帶頭學(xué)習(xí)制度、嚴(yán)格執(zhí)行制度、自覺維護(hù)制度的習(xí)慣。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on phytic acid yield

從圖2可以看出，植酸的提取率隨超聲時(shí)間的增加有上升的趨勢(shì)。其中，在5～30min的時(shí)間段里上升較

明顯，在30～50min時(shí)上升比較緩慢。時(shí)間的延長，有助于植酸的溶出；但是植酸的溶出是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)它達(dá)到一定時(shí)間后，基本呈動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，為減小能量消耗，因此選擇30min為最佳超聲時(shí)間。

2.1.3 超聲功率對(duì)植酸提取率的影響

將1g粉碎過篩的花生粕按10:1的液料比加入0.01mol/L的鹽酸，于40℃恒溫超聲輔助提取30min，設(shè)定超聲功率分別為40、50、60、70、80、90、99W (儀器所允許的最高功率)。結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲功率對(duì)植酸提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasound power on phytic acid yield

從圖3可以看出，植酸的提取率隨超聲功率的增加先上升后下降。超聲波功率達(dá)到60W之前，植酸的提取率隨超聲波功率增大而升高，當(dāng)超聲波功率大于60W后，植酸的提取率下降，分析其原因可能是由于超聲波功率過大對(duì)植酸分子的破壞增加，再加上與溶出的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物以致植酸的提取率有所下降，所以最適合的超聲波功率為60W。

2.1.4 液料比對(duì)植酸提取率的影響

將1g粉碎過篩的花生粕分別按6:1、8:1、10:1、12:1、14:1、16:1的液料比加入濃度為0.01mol/L的鹽酸，于恒溫40℃、功率60W條件下超聲輔助提取30min。結(jié)果見圖4。

圖4 液料比對(duì)植酸提取率的影響Fig.4 Effect of ratio of liquid to material on phytic acid yield

從圖4可以看出，植酸提取率隨液料比的增加先增加后下降。液料比過小，則花生粕不能被完全浸透，不能完全破壞植酸與其他物質(zhì)的結(jié)合而使提取率低；液料比過高，植酸與蛋白質(zhì)可能都溶出較多，使得兩者重新螯合而使提取率又下降。當(dāng)液料比為12:1時(shí)植酸提取率最高，故選擇12:1的液料比為最佳液料比。

2.1.5 鹽酸濃度對(duì)植酸提取率的影響

將1g粉碎過篩的花生粕按12:1的液料比加入濃度分別為0、0.0055、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05mol/L的鹽酸，于恒溫40℃、功率60W條件下超聲輔助提取30min。結(jié)果見圖5。

圖5 鹽酸濃度對(duì)植酸提取率的影響Fig.5 Effect of concentration of hydrochloric acid on phytic acid yield

由圖5可以看出，鹽酸濃度對(duì)植酸提取率有很大影響。隨著鹽酸濃度的升高，植酸的提取率先升高后下降，在鹽酸濃度為0.01mol/L時(shí)達(dá)到最大值。酸濃度升高，植酸的絡(luò)合能力降低，故溶出較多；酸濃度升高時(shí)，其他酸溶性的成分如酸性多糖、蛋白質(zhì)等可能也隨之游離出，又重新與植酸結(jié)合成螯合態(tài)，所以酸濃度過高反而使得提取率降低。故選擇0.01mol/L的鹽酸濃度為最佳提取濃度。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)影響結(jié)果，選取超聲溫度、超聲時(shí)間、超聲功率、液料比和鹽酸濃度5個(gè)因素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用五因素三水平響應(yīng)面分析方法。本試驗(yàn)以上述參數(shù)為主要考察因素(自變量)，分別以A、B、C、D和E表示，自變量的高、低水平分別為＋1、0、－1表示。分析因素與水平設(shè)計(jì)見表1，響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and levels in the Box-Behnken design

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design matrix and experimental results of phytic acid yield

46個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分為析因點(diǎn)和零點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)號(hào)1～40是析因?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)號(hào)41～46是中心實(shí)驗(yàn)。其中析因點(diǎn)為自變量取值在A、B、C、D、E所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

表3 回歸分析結(jié)果Table3 Variance analysis for the fitted regression model

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test for each term of the fitted regression model

模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)來分析。由方差分析(表3)可知，模型在P≤0.01時(shí)水平顯著，表明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。相關(guān)系數(shù)(R)越接近1，說明模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性越好。本研究的R2=0.9550，說明模型能夠很好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4的回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表明：一次項(xiàng)中B、E；平方項(xiàng)中A2、B2、C2、D2、E2；交互項(xiàng)中AC、BC、DE為顯著性影響因素。在各影響因素中，超聲時(shí)間和鹽酸濃度的影響因素最大，其次是液料比和超聲功率。在總的作用因素中，一次項(xiàng)和平方項(xiàng)的影響較大，而交互項(xiàng)影響相對(duì)較小。其中，超聲溫度和超聲功率、超聲時(shí)間和液料比、液料比和鹽酸濃度有交互作用。

2.3 植酸提取率響應(yīng)面優(yōu)化

由于各因素對(duì)植酸提取率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，為了更明確各因素對(duì)響應(yīng)值Y的影響，采用本實(shí)驗(yàn)中的分析軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到如下回歸方程：

上式中，A超聲溫度、B超聲時(shí)間、C超聲功率、D液料比、E鹽酸濃度在設(shè)計(jì)中均經(jīng)量綱線性編碼處理，因此，方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小直接反映了

各因素對(duì)指標(biāo)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。

根據(jù)回歸分析結(jié)果，作出相應(yīng)曲面圖，見圖6～8所示。從響應(yīng)面分析圖上可以找出最佳參數(shù)以及各參數(shù)之間的相互作用。

圖6 超聲溫度和超聲功率的對(duì)植酸提取率的交互作用Fig.6 Response surface plot for phytic acid yield as a function of extraction temperature and concentration of hydrochloric acid

圖7 超聲時(shí)間和超聲功率對(duì)植酸提取率的的交互作用Fig.7 Response surface plot for phytic acid yield as a function of extraction temperature and length of ultrasonic treatment

圖8 液料比和鹽酸濃度對(duì)植酸提取率的的交互作用Fig.8 Response surface plot for phytic acid yield as a function of material/liquid ratio and length of ultrasonic treatment

圖6 ～8直觀地反映了具有交互作用的兩因素對(duì)響應(yīng)值的影響。比較 3組圖可知，超聲時(shí)間和鹽酸濃度對(duì)提取率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡；液料比次之，而超聲溫度和超聲功率表現(xiàn)為曲線較為平滑，且隨其數(shù)值的增加或減少，響應(yīng)值變化較小。

2.4 響應(yīng)面方程的驗(yàn)證

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型，通過響應(yīng)面軟件分析得出，花生粕中植酸的最佳超聲提取條件為：超聲溫度40.37℃、超聲時(shí)間23.58min、超聲功率71.54W、液料比11.47:1，鹽酸濃度0.007mol/L，植酸得率的預(yù)測(cè)值為1.44%。

考慮到實(shí)際操作的便利，將超聲輔助提取花生粕中植酸的最佳條件修正為超聲溫度40℃、超聲時(shí)間24min、超聲功率72W、液料比11:1、鹽酸濃度0.01mol/L時(shí)，實(shí)際測(cè)得的植酸提取率為1.48% ，與理論預(yù)測(cè)值相比相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。因此，采用 響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

3.1 采用響應(yīng)面分析方法，研究了提取條件對(duì)花生粕中植酸的提取率的影響，得出了預(yù)測(cè)植酸提取率的回歸方程為：

3.2 對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際情況，確定植酸提取最適工藝條件：超聲溫度40℃、超聲時(shí)間24min、超聲功率72W、液料比11:1，鹽酸濃度0.01mol/L。在此條件下，植酸提取率的預(yù)測(cè)值為1.44%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的植酸提取率為1.48%，與理論預(yù)測(cè)值相差不到3%，說明方程與實(shí)際情況吻合。

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Ultrasonic-assisted Extraction of Phytic Acid from Peanut Meal

YU An，WANG Cheng-ming*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

To optimize the ultrasonic-assisted extraction of phytic acid from peanut meal, response surface method (RSM) was used to investigate the interactive effects of length of ultrasonic treatment, ultrasonic powder, temperature, material/liquid ratio and concentration of hydrochloric acid on phytic acid yield. The optimum conditions for the ultrasonic-assisted extraction of phytic acid were determined as follows: using 11-fold volume (mL/g) of 0.01mol/L hydrochloric acid to extract the material with the assistance of the ultrasonic treatment for 24 min at 72 W. Under such conditions, the observed value of phytic acid yield was 1.48%, in basic agreement with the predicted value, 1.44%.

peanut residue；phytic acid；ultrasonic-assisted extraction；response surface methodology

TS229

A

1002-6631(2010)10-0179-05

2009-07-31

余安(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：yuan918@yahoo.com.cn

*通信作者：王承明(1964—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工、食品安全、食品化學(xué)。E-mail：cmwang@mail.hzau.edu.cn