何瑞雪，高文宏，曾新安，朱思明,*

(1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458)

響應(yīng)面法優(yōu)化水溶性大豆多糖-鐵(Ⅱ)配合的合成工藝

何瑞雪1,2，高文宏1，曾新安2，朱思明1,*

(1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458)

優(yōu)化水溶性大豆多糖-鐵(Ⅱ)配合物的合成工藝，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面法二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析水溶性大豆多糖與催化劑檸檬酸三鈉的質(zhì)量比、pH值、反應(yīng)時(shí)間及溫度對(duì)配合物鐵含量的影響，建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。方差分析結(jié)果表明：質(zhì)量比、pH值對(duì)鐵含量有顯著影響。優(yōu)化所得的較優(yōu)工藝參數(shù)為水溶性大豆多糖與檸檬酸三鈉質(zhì)量比1.89:1、pH3.89、反應(yīng)時(shí)間1.56h、溫度60.6℃。對(duì)應(yīng)的鐵含量的預(yù)測(cè)值為23.08%，實(shí)際平均值為21.89%。結(jié)果表明：應(yīng)用響應(yīng)面法所得到的水溶性大豆多糖-鐵(Ⅱ)配合物的合成工藝參數(shù)是可行的。

水溶性大豆多糖；亞鐵；合成；響應(yīng)面法

鐵是人體內(nèi)必需的微量元素之一，是血紅蛋白和肌紅蛋白的核心部分，細(xì)胞中許多有重要功能的酶也都含有鐵，是人體許多正常生理過程中不可缺少的物質(zhì)。缺鐵性貧血(iron deficiency anemia，IDA)是世界上最常見的疾病之一，嚴(yán)重威脅著人類健康[1]。國內(nèi)外已有不少多糖鐵配合物的研究，如已上市的補(bǔ)鐵劑力蜚能[2]，葡聚糖鐵[3-5]、海藻酸鐵[6]、當(dāng)歸多糖鐵[7-9]、地黃多糖鐵[10]、人參多糖鐵[11]等，研究表明，多糖鐵類配合物不僅可以避免胃腸道刺激，還具有副作用小，溶解度好，鐵含量高等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的補(bǔ)鐵劑。

水溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharide，SSPS)是從豆科大豆子葉部分用熱水浸取所得水溶性多糖類物質(zhì)，是以鼠李半乳糖醛酸和高聚半乳糖酸為主鏈，半乳聚糖和阿拉伯糖為側(cè)鏈結(jié)合的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)類似果膠[12-16]，不僅具有膳食纖維所具有的生理功能特性，還具有許多其他優(yōu)越的食品功能特性，如乳化及乳化穩(wěn)定性、抗氧化性、抑菌性、成膜性、抗黏結(jié)性及泡沫穩(wěn)定性，可用作乳化劑、分散劑、穩(wěn)定劑及吸附劑等。SSPS屬酸性多糖，糖分子含有羥基和羧基等親核能力強(qiáng)的供電子基，易與金屬離子配合。本實(shí)驗(yàn)擬以SSPS為載體，與亞鐵進(jìn)行配合反應(yīng)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化合成工藝，以期開發(fā)為強(qiáng)化鐵的食品添加劑和營養(yǎng)型口服補(bǔ)鐵劑，并進(jìn)一步擴(kuò)大SSPS的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

水溶性大豆多糖(水分≤7.0%，粗蛋白質(zhì)≤8.0%，粗灰分≤10.0%) 廣州華匯生物實(shí)業(yè)有限公司；硫酸亞鐵、檸檬酸三鈉、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵胺、鹽酸羥胺、無水乙醇、鹽酸、乙酸鈉均為A R級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

TU-1901雙光束分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；PHSJ-4A型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；CR22G高速冷凍離心機(jī) 日本日立集團(tuán)。

1.3 方法

1.3.1 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成

稱取一定量的水溶性大豆多糖及催化劑檸檬酸三鈉，用蒸餾水溶解，在恒溫水浴條件下滴加一定量的硫酸亞鐵溶液，使SSPS與二價(jià)鐵質(zhì)量比為1:1(按照0.100g SSPS滴加2mL 0.89mmol/mL硫酸亞鐵進(jìn)行)，同時(shí)用1%鹽酸或10%醋酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，滴加完成后繼續(xù)攪拌反應(yīng)特定時(shí)間，冷卻后用無水乙醇醇析1h，5000r/min離心分離5min，沉淀用95%乙醇、無水乙醇洗滌，直至洗液不含二價(jià)鐵離子。50℃熱風(fēng)干燥后得SSPS-Fe(Ⅱ)配合物。

1.3.2 配合物鐵離子含量測(cè)定

采用鄰菲羅啉分光光度法測(cè)定SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的鐵含量，標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參見文獻(xiàn)[17]。

準(zhǔn)確稱取1.3.1節(jié)所得的SSPS-Fe(Ⅱ)配合物0.020g，蒸餾水溶解后定容于50mL容量瓶中，準(zhǔn)確移取1.00mL溶液于25mL比色管中，加入10%鹽酸0.5mL，10%鹽酸羥胺溶液1mL，放置30min，再加入0.15%鄰菲羅啉顯色液2mL和10%醋酸鈉溶液5mL，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，顯色10min后，于510nm處測(cè)定吸光度(A)。根據(jù)回歸方程計(jì)算Fe(Ⅱ)含量，并計(jì)算配合物的鐵含量。

式中：m1為配合物中鐵離子含量/g；m為配合物總量/g。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

分別研究了水溶性大豆多糖與檸檬酸三鈉的質(zhì)量比、水浴溫度、pH值及反應(yīng)時(shí)間對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)配合物鐵含量影響，按1.3.1節(jié)方法進(jìn)行合成，4個(gè)因素的固定值分別為水溶性大豆多糖與檸檬酸三鈉質(zhì)量比1:1、水浴溫度60℃、pH4.6、反應(yīng)時(shí)間1h。各單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見2.1節(jié)。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)原理，選取SSPS與檸檬酸三鈉的質(zhì)量比(A)、pH值(B)、反應(yīng)溫度(C)、反應(yīng)時(shí)間(D)4個(gè)因素作為自變量，配合物鐵含量(Y)為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了四因素五水平共30個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，其因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 水溶性大豆多糖-鐵(Ⅱ)配合物合成試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels in dual quadratic rotary combination design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

圖1 質(zhì)量比對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)鐵含量影響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與檸檬酸三鈉質(zhì)量比對(duì)配合物鐵含量影響由圖1可以看出，配合物的鐵含量隨著SSPS與檸檬酸三鈉質(zhì)量比提高先增大后減小，在1:1時(shí)達(dá)到最大值16.2%。

2.1.2 pH值對(duì)配合物鐵含量影響

圖2 pH值對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)鐵含量的影響Fig.2 Effect of pH on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

由圖2可以看出，隨著pH值增加，配合物鐵含量先急劇增大后減小，在pH4時(shí)達(dá)到最大值18.4%。

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)配合物鐵含量影響

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)鐵含量影響Fig. 3 Effect of reaction temperature on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

由圖3可知，50℃以上對(duì)配合物鐵含量影響不大，在60℃時(shí)達(dá)到最大值18.5%。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)鐵含量影響Fig.4 Effect of reaction time on the iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)配合物鐵含量影響由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，配合物鐵含量先增大后減少，在1.5h時(shí)達(dá)到最大值15.6%。

2.2 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工藝回歸模型的建立

表2 SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Dual quadratic rotary combination design matrix and corresponding results

利用Design-Expert 7.1.6軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到配合物鐵含量(Y)對(duì)SSPS與檸檬酸三鈉的質(zhì)量比(A)、pH值(B)、反應(yīng)溫度(C)、反應(yīng)時(shí)間(D)的二次多項(xiàng)回歸模型方程如下(去掉不顯著項(xiàng))：

對(duì)30個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，方程的回歸方差分析見表3。由表3可知，建立的模型P＜0.01，說明模型極顯著。A、B、A2、B2、C2、D2項(xiàng)對(duì)配合物的鐵含量影響極顯著，C影響顯著。失擬項(xiàng)P＞0.05，不顯著，且模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.9749，說明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，可用來分析和預(yù)測(cè)SSPS-Fe(Ⅱ)配合物合成工藝結(jié)果。

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

2.3 響應(yīng)面圖

圖5 各兩因素交互作用對(duì)配合物鐵含量影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plots for the effect of cross-interaction among factors on iron content of SSPS-Fe (Ⅱ)

SSPS與檸檬酸鈉質(zhì)量比、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素之二取0水平時(shí)，其他2個(gè)因素對(duì)于配合物鐵含量的影響見圖5。從圖5可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，配合物的鐵含量均隨SSPS與檸檬酸鈉的質(zhì)量比、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的增加先增加后減少，質(zhì)量比、pH值對(duì)配合物的鐵含量影響明顯強(qiáng)于其他兩個(gè)因素。由鐵含量回歸方程的方差分析可知，四個(gè)因素對(duì)配合物鐵含量的影響沒有交互作用。

綜上所述，4個(gè)因素對(duì)配合物鐵含量影響的大小順序依次為：質(zhì)量比＞pH值＞反應(yīng)溫度≈反應(yīng)時(shí)間。利用Design-Expert 7.1.6軟件對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成工藝條件進(jìn)一步優(yōu)化，給出了配合物鐵含量較高的條件為SSPS與檸檬酸三鈉的質(zhì)量比1.89:1、pH3.89、反應(yīng)時(shí)間1.56h、溫度60.6℃。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成。在此條件下做5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果鐵含量預(yù)測(cè)值23.08%，實(shí)測(cè)平均值21.89%。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值接近，因此，通過響應(yīng)面優(yōu)化法得到的SSPSFe(Ⅱ)配合物的合成工藝可以用來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面法對(duì)SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的合成反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，以配合物的鐵含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各因素水平進(jìn)行分析，得出SSPSFe(Ⅱ)配合物合成的較優(yōu)條件為：SSPS與檸檬酸三鈉的質(zhì)量比1.89:1、pH3.89、反應(yīng)時(shí)間1.56h、溫度60.6℃。在此條件下，SSPS-Fe(Ⅱ)配合物的鐵含量為(21.89±0.47)%，實(shí)驗(yàn)證明該工藝是可行的。本研究結(jié)果表明，SSPS的應(yīng)用領(lǐng)域可以擴(kuò)大到強(qiáng)化鐵的食品添加劑和營養(yǎng)型口服補(bǔ)鐵劑，具有很大的商業(yè)價(jià)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

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008A080403009；2008A080403010)；中國博士后基金資助項(xiàng)目(20090450873)；廣州市重大科技專項(xiàng)(2010U1-D00021)

何瑞雪(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩c質(zhì)量控制。E-mail：568852532@163.com

*通信作者：朱思明(1976—)，男，講師，博士，研究方向?yàn)橹铺枪こ?。E-mail：rachy5108@sina.com