菜籽粕中植酸高效提取的工藝研究

邱立明，孟 橘，魏 冰，韋東林，周 瑩，楊 敏

(1.西安中糧工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710082； 2.西安愛(ài)菊糧油工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710038)

植酸(Phytic acid，PA)即環(huán)己六醇六磷酸酯，是一種天然物質(zhì)，因其具有獨(dú)特的生理、藥理功能和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。植酸與金屬離子反應(yīng)，可生成不溶性螯合物，影響人體對(duì)礦物質(zhì)元素的利用；與蛋白質(zhì)反應(yīng)，可降低蛋白質(zhì)的生物效價(jià)和功能特性，減少人體對(duì)植物蛋白的攝取；同時(shí)還能抑制淀粉酶和胰蛋白酶的活性。因此，植酸又被認(rèn)為是抗?fàn)I養(yǎng)因子[1]。

植酸在雙低菜籽粕中含量為2%～4%，以“植酸-多價(jià)金屬陽(yáng)離子-蛋白質(zhì)”三元復(fù)合物的形式存在[2]。為了提高菜籽粕的飼用價(jià)值及其綜合利用價(jià)值，對(duì)菜籽粕中植酸的提取具有經(jīng)濟(jì)意義。蘭文菊等[3]采用堿沉淀法從菜籽粕脫毒液中回收提取植酸，植酸提取率為45.96%；鮑傳穩(wěn)等[4]研究了一種從菜籽預(yù)榨-浸出粕中兩步提取植酸的工藝，可獲得純度為69.96%的植酸產(chǎn)品，提取率為58.0%；羅倉(cāng)學(xué)等[5]利用低濃度的醋酸溶液提取菜籽粕中的植酸，得到提取液中植酸含量為1.64%。但這些方法存在或操作復(fù)雜，或提取率較低等問(wèn)題。

本研究采用乙醇硫酸體系對(duì)菜籽粕提取植酸的工藝條件進(jìn)行了研究，以期為菜籽粕的脫毒技術(shù)及拓寬菜籽粕的綜合利用范圍提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

菜籽粕經(jīng)40目篩篩分后,取篩下物備用。蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室三級(jí)或三級(jí)以上用水，濃硫酸，鹽酸，無(wú)水乙醇，碘化鉀，三氯化鐵，淀粉，硝酸釷，硫代硫酸鈉，磺基水楊酸鈉，活性炭，氯化鈣，氫氧化鈉，甲醇。除甲醇為色譜純，其他試劑均為分析純。

萬(wàn)分之一電子精密天平，PHDZ-01筆試酸度計(jì)，B-220恒溫水浴鍋，722光柵型分光光度計(jì)，JJ-1型定時(shí)電動(dòng)攪拌器，LD5-2B離心機(jī)，101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，高速離心機(jī)，艾柯超純水機(jī)，HL-2恒流泵，RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，恒溫水浴振蕩器，千分之一電子天平，高壓反應(yīng)鍋，高壓反應(yīng)釜。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菜籽粕中植酸的提取

參考文獻(xiàn)[6]的方法。精確稱取5 g菜籽粕，加入一定配比的酸性乙醇水溶液，調(diào)整pH，在B-220恒溫水浴鍋中以一定溫度攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，離心，沉淀烘干、稱重，分析沉淀、上清液。

1.2.2 植酸提取率的計(jì)算

植酸提取率=(上清液體積×上清液中植酸含量)/(粕質(zhì)量×粕中植酸含量)×100%。

1.2.3 植酸含量的測(cè)定

采用硝酸釷滴定法[7]測(cè)定植酸含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 植酸提取的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取溫度對(duì)植酸提取率的影響

5 g菜籽粕中加入3%(以50 mL水溶液計(jì)，下同)的濃硫酸和70%(以50 mL水溶液計(jì)，下同)乙醇水溶液50 mL，提取溫度分別設(shè)定為12、33、50℃，攪拌反應(yīng)30 min，離心，分析上清液。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 提取溫度對(duì)植酸提取率的影響

從圖1可以看出，植酸提取率隨著提取溫度的升高變化幅度不大?？紤]到節(jié)約能源和降低芥子酶的活性，將最佳提取溫度確定為室溫。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響

5 g菜籽粕中加入3%濃硫酸和70%乙醇水溶液50 mL，在室溫下，分別攪拌反應(yīng)30、60、90、120、180 min，離心，分析上清液。結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 提取時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響

從圖2可以看出，提取時(shí)間對(duì)植酸提取率有較大的影響，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，植酸提取率不斷增加，當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)120 min后提取率趨于穩(wěn)定。因此，將最佳提取時(shí)間定為120 min。

2.1.3 料液比對(duì)植酸提取率的影響

在5 g菜籽粕中分別按1∶ 3、1∶ 5、1∶ 7、1∶ 10、1∶ 12 的料液比，加入含3%的濃硫酸和70%乙醇的水溶液，在室溫下攪拌反應(yīng)120 min，離心，分析上清液。結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 料液比對(duì)植酸提取率的影響

從圖3可以看出，料液比從1∶ 3增加到1∶ 7，植酸提取率從55%提高到67%，當(dāng)料液比為1∶ 12，提取率為70%，增幅不大。因此，確定最佳料液比為1∶ 7。

2.1.4 水溶液中硫酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)植酸提取率的影響

配制濃硫酸體積分?jǐn)?shù)分別為0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的70%乙醇水溶液各35 mL，分別加入5 g菜籽粕，在室溫下攪拌反應(yīng)120 min，離心，分析上清液。結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 硫酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)植酸提取率的影響

植酸只有在強(qiáng)酸條件下，才能從植酸與蛋白質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)中游離出來(lái)。從圖4可以看出，硫酸體積分?jǐn)?shù)是影響植酸提取率的關(guān)鍵因素，硫酸體積分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，菜籽粕中植酸提取較為完全。因此，確定最佳硫酸體積分?jǐn)?shù)為4.0%。

2.1.5 水溶液中乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)植酸提取率的影響

配制含4%濃硫酸的體積分?jǐn)?shù)分別為0%、30%、60%、70%、80%、90%的乙醇水溶液各35 mL，分別加入5 g菜籽粕，在室溫下攪拌反應(yīng)120 min，離心，分析上清液。結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)植酸提取率的影響

從圖5可以看出，乙醇體積分?jǐn)?shù)由0%增至60%時(shí)，植酸提取率上升較快。乙醇體積分?jǐn)?shù)由60%增加至80%時(shí),植酸提取率緩慢上升，乙醇體積分?jǐn)?shù)由80%增加至90%時(shí)，植酸提取率幾乎無(wú)變化。原因可能是乙醇體系在植酸提取過(guò)程中要保證一定的水溶液比例才可達(dá)到最優(yōu)提取效率。因此，確定最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%。

2.2 植酸提取工藝的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定提取溫度為室溫，以植酸提取率為考察指標(biāo)，選擇影響植酸提取率的主要因素(乙醇體積分?jǐn)?shù)、硫酸體積分?jǐn)?shù)、料液比、提取時(shí)間)為考察因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表1，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平

從表2可知，影響植酸提取效果的因素大小依次為D>A>B>C，即提取時(shí)間對(duì)植酸提取率的影響最大，是植酸提取過(guò)程中最重要的因素，其次是乙醇體積分?jǐn)?shù)和硫酸體積分?jǐn)?shù)，料液比的影響最小。以植酸提取率為考察指標(biāo)，最優(yōu)水平組合為A2B2C2、3D3?？紤]到加大料液比將會(huì)增加生產(chǎn)成本，且料液比對(duì)植酸提取率的影響最小，故料液比(C)選擇1水平。另外提取時(shí)間(D)的k2、k3比較接近，考慮生產(chǎn)成本因素，故提取時(shí)間(D)選擇2水平。最后確定最佳提取條件為A2B2C1D2，即乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、硫酸體積分?jǐn)?shù)4%、料液比1∶ 7、提取時(shí)間120 min，在最佳條件下植酸提取率為70.5%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3 結(jié) 論

采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)乙醇硫酸體系提取菜籽粕中的植酸工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為按料液比1∶ 7加入含乙醇80%、濃硫酸4%的水溶液，常溫提取120 min，此條件下菜籽粕中植酸提取率達(dá)到70.5%。