江連洲，毛惠婷，畢 爽，齊寶坤，隋曉楠，王中江，李佳妮，李 楊（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

超聲波輔助提取水酶法豆渣中植酸的工藝優(yōu)化

江連洲，毛惠婷，畢 爽，齊寶坤，隋曉楠，王中江，李佳妮，李 楊*
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，探索超聲波輔助技術(shù)提取植酸的工藝條件，并與振蕩浸提法對(duì)比。首先選取超聲功率、超聲溫度、超聲時(shí)間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)選出最佳的超聲參數(shù)。然后在最優(yōu)超聲參數(shù)的基礎(chǔ)上，以植酸得率為響應(yīng)值，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理和響應(yīng)面分析法，確定提取植酸的最佳條件。結(jié)果表明，超聲提取植酸的條件為：超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時(shí)間20 min；醋酸濃度4.1%、料液比1∶17 g/mL、提取溫度64℃、提取時(shí)間33 min。在以上條件下，平均植酸得率為1.23%，與振蕩提取法相比，提高41.3%。

豆渣，水酶法，超聲波，植酸

水酶法作為一種“安全、高效、綠色”的制油技術(shù)，在大豆油脂提取方面的研究已取得一定進(jìn)展［1］。然而，在副產(chǎn)物豆渣的利用方面，國(guó)內(nèi)外的報(bào)道還較為鮮見(jiàn)。Stephanie Jung等［2］利用水酶法豆渣生產(chǎn)乙醇，田瑞紅等［3］對(duì)水酶法提油后豆渣中水溶性多糖的提取工藝進(jìn)行了研究，徐漸等［4］采用超聲和酸水解相結(jié)合的方法對(duì)生物解離大豆副產(chǎn)物中異黃酮的提取進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)水酶法提油后豆渣中植酸的提取還未見(jiàn)報(bào)道。植酸（Phytic acid，簡(jiǎn)稱PA）又稱肌酸、環(huán)己六醇六全-二氫磷酸鹽，主要存在于植物的種子、根干和莖中，其中以豆科植物的種子、谷物的麩皮和胚芽中含量最高，是大豆種子中磷的主要貯藏形式［5］。研究表明，植酸具有螯合金屬離子、與蛋白質(zhì)結(jié)合、抗氧化、抗血小板活性及抗癌活性等多種生物學(xué)特性，是一種具有防腐、保鮮、抗氧化的功能性食品添加劑［6-7］，其天然的抗氧化特性使其在油脂的抗氧化、食品添加劑、水果保鮮、抗腫瘤、防止自由基傷害與脂質(zhì)過(guò)氧化損傷等方面都具有積極作用［8-9］，已開(kāi)始應(yīng)用于食品工業(yè)。

超聲輔助提取技術(shù)（Ultrasonic assisted extraction，簡(jiǎn)稱UAE）是利用超聲波的強(qiáng)振動(dòng)、高加速度、強(qiáng)空化效應(yīng)、強(qiáng)攪拌作用來(lái)縮短天然產(chǎn)物有效成分進(jìn)入溶劑的時(shí)間，加快提取過(guò)程，提高提出率，并有效避免高溫對(duì)有效成分的破壞。近年來(lái)，隨著天然產(chǎn)物現(xiàn)代化研究和超聲波技術(shù)的蓬勃發(fā)展，已有不少研究者將UAE技術(shù)引入到天然產(chǎn)物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)——有效成分提取過(guò)程中［10-12］。

本實(shí)驗(yàn)以水酶法提油后的豆渣為原料，優(yōu)化了超聲波技術(shù)輔助提取植酸的工藝參數(shù)，以期達(dá)到提高植酸得率及縮短浸提時(shí)間的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水酶法提油副產(chǎn)物的綜合利用，提高水酶法提油的附加值。為水酶法提油副產(chǎn)物豆渣的再利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，為今后的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)的工藝數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆（墾農(nóng)42） 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院；Protease 6L堿性蛋白酶 丹麥Novo公司；正己烷、醋酸 均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心；三氯化鐵、磺基水楊酸鈉 均為分析純，北京化學(xué)試劑公司；EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液 分析純，深圳市博林達(dá)科技有限公司。

FA2004型電子分析天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；pH S-25型酸度計(jì) 上海大普儀器有限公司；XMTD-4000型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠數(shù)顯恒溫水浴鍋；WGL-45B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司；高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 紹興市科宏儀器；G1-21 M高速冷凍離心機(jī) 上海市離心機(jī)械研究所；CX-500型超聲波清洗機(jī) 北京醫(yī)療設(shè)備二廠；78-1磁力加熱攪拌器、SHA-B恒溫振蕩器 常州國(guó)華電器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 豆渣的制取 大豆→清理→粉碎→水分調(diào)節(jié)→擠壓膨化→粉碎60目過(guò)篩→Protease 6L酶解（50℃，pH=9）→調(diào)節(jié)溫度、pH→滅酶→離心分離→豆渣［13］。

1.2.2 植酸的提取 豆渣→脫脂（1∶3正己烷）→超聲處理→醋酸浸提→離心（15000 r/min，20 min）→上清液定容→加反應(yīng)液→滴定→計(jì)算植酸得率。

1.2.3 超聲提取大豆植酸的單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 超聲溫度對(duì)植酸得率的影響 在超聲功率500 W，超聲時(shí)間20 min，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲溫度分別為20、30、40、50、60、70℃，考察超聲溫度對(duì)植酸得率的影響。

1.2.3.2 超聲功率對(duì)植酸得率的影響 在超聲溫度40℃，超聲時(shí)間20 min，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲功率分別為300、400、500、600、700、800 W，考察超聲功率對(duì)植酸得率的影響。

1.2.3.3 超聲時(shí)間對(duì)植酸得率的影響 在超聲溫度40℃，超聲功率500 W，醋酸濃度5%，料液比1∶20條件下，超聲時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30 min，考察超聲時(shí)間對(duì)植酸得率的影響。

1.2.4 超聲條件的優(yōu)化 在單因素研究的基礎(chǔ)上，選取超聲溫度、超聲功率、超聲時(shí)間進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)，正交因素水平見(jiàn)表1。

表1 正交因素水平表Table1 The factors and levels of orthogonal experimental

表2 因素水平編碼表Table2 Encode table of factors and levels

1.2.5 醋酸浸提條件的響應(yīng)面優(yōu)化 在超聲處理的基礎(chǔ)上，以醋酸濃度、料液比、提取溫度、提取時(shí)間為變量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，分別得出在醋酸濃度4%、料液比1∶15 g/mL、提取溫度60℃、提取時(shí)間30 min時(shí)，植酸得率出現(xiàn)峰值，分別為0.89%、0.81%、0.91%、0.84%，因此以以上四個(gè)水平為零水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表2。

1.2.6 振蕩提取法 準(zhǔn)確稱取2.0000 g豆渣于100 mL錐形瓶中，采用醋酸為浸提液。將錐形瓶置于恒溫振蕩器中，轉(zhuǎn)速設(shè)為200 r/min，室溫振蕩浸提2 h。浸提結(jié)束后轉(zhuǎn)移浸提液于50 mL離心管中，6000 r/min離心10 min，離心2次，所得上清液即為植酸粗提液［14］。

1.2.7 植酸得率的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取豆渣2.0000 g于100 mL錐形瓶中，以醋酸為浸提液，在上述實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行提取，離心（15000 r/min，10 min），取上清液2 mL用蒸餾水定容至10 mL。加入10%磺基水楊酸溶液2滴，用EDTA標(biāo)樣標(biāo)定三氯化鐵溶液至紫色不褪［15］。按下式計(jì)算植酸得率：

植酸得率（%）=（20C×V×0.2357/W）×100

式中：C—三氯化鐵溶液濃度（mol/L）；V—滴定耗去三氯化鐵溶液的體積（mL）；W—樣品干基重（g）；0.2357—每分子植酸可絡(luò)合2.8個(gè)Fe3+，1 moL三氯化鐵相當(dāng)于0.2357 g植酸。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，n=3。采用Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲提取植酸的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲溫度對(duì)植酸得率的影響 結(jié)果見(jiàn)圖1，由圖1可知，超聲溫度的升高有利于植酸的提取，這是因?yàn)殡S溫度的升高，分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)劇烈，物料的相互作用更加完全［16］。但當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)植酸得率反而會(huì)隨著溫度的升高而降低。因此，50℃是提取植酸的最佳溫度。

圖1 超聲溫度對(duì)植酸得率的影響Fig.1 Ultrasonic temperature on the effect of PA extraction

圖2 超聲功率對(duì)植酸得率的影響Fig.2 Ultrasonic power on the effect of PA extraction

2.1.2 超聲功率對(duì)植酸得率的影響 結(jié)果見(jiàn)圖2，由圖2可知，超聲功率在300～500 W時(shí)，植酸得率隨超聲功率的增大增幅明顯，這是因?yàn)殡S著超聲功率的增大，超聲波對(duì)細(xì)胞的空化作用變大、細(xì)胞破裂程度增大，有利于植酸的提取分離。超聲功率為500 W時(shí)，植酸得率最大。超聲功率為600 W時(shí)，植酸得率變化不明顯。繼續(xù)增大超聲功率，植酸得率反而下降，可能是由于過(guò)強(qiáng)超聲破壞了植酸，因此選擇500 W為較佳超聲功率。

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)植酸得率的影響 結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3可知，超聲時(shí)間低于15 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，植酸得率顯著增大。當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，植酸得率達(dá)到最大值，超過(guò)15 min后，植酸得率變化不明顯，趨于穩(wěn)定。這是由于超聲波作用在開(kāi)始的時(shí)間內(nèi)對(duì)細(xì)胞膜的破碎作用大、溶出物多，得率不斷升高。超聲提取時(shí)間短，植酸溶解不完全，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，植酸溶出在15 min時(shí)基本達(dá)到動(dòng)態(tài)溶解平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，能耗增大，所以選擇15 min為較佳超聲時(shí)間。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)植酸得率的影響Fig.3 Ultrasonic time on the effect of PA extraction

2.2 超聲參數(shù)正交優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 由正交實(shí)驗(yàn)中R值大小可以得出三因子對(duì)植酸得率的影響大小為：A＞B＞C，即超聲溫度＞超聲功率＞超聲時(shí)間。由k值得出，最優(yōu)組合為A2B3C2。9組實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)組合也為A2B2C3。

表3 超聲條件正交實(shí)驗(yàn)Table3 Orthogonal experiment on ultrasound conditions

2.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 在A2B3C2條件下，進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，植酸得率分別為0.95%，0.93%和0.98%，平均得率為0.95%；在A2B2C3條件下，進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，植酸得率分別為0.94%、0.96%、0.98%，平均得率為0.96%。因此，選擇最優(yōu)組合為A2B2C3，即超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時(shí)間20 min。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及植酸特性，確定各因素的最佳水平值范圍。選取醋酸濃度（X1）、料液比（X2）、提取溫度（X3）、提取時(shí)間（X4）四個(gè)因素，以植酸得率（Y）為響應(yīng)值，采用Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，做四因素三水平共29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（5個(gè)中心點(diǎn)）的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，得到響應(yīng)面結(jié)果（見(jiàn)表4）。

2.3.2 醋酸浸提的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 各因素經(jīng)Design-Exper 8.0分析后，得到植酸得率（Y）與醋酸濃度（X1）、料液比（X2）、提取溫度（X3）、提取時(shí)間（X4）四個(gè)因素的二次響應(yīng)面回歸模型如下：

進(jìn)一步對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，其方差分析見(jiàn)表5。由表5可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型回歸極顯著（p＜0.0001）；失擬項(xiàng)p＞0.05，不顯著，說(shuō)明未知因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果干擾很小。并且該模型R2=0.9551，R2Adj=0.9101，說(shuō)明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，實(shí)驗(yàn)誤差小。模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值非常吻合，模型成立，可以用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)水酶法豆渣提取植酸的結(jié)果。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果Table4 Design and results of response surface analysis

由F值可得，水酶法豆渣中植酸提取的主次因素為X3＞X2＞X4＞X1，即提取溫度＞料液比＞提取時(shí)間＞醋酸濃度。各因素中一次項(xiàng)X2、X3及二次項(xiàng)X、X、X、X對(duì)植酸得率均表現(xiàn)出了極顯著水平（p＜0.001），X1X2、X3X4交互作用的影響極顯著（p＜0.001），X1X3、X1X4交互作用的影響顯著（p＜0.05），X2X4、X2X3交互作用不顯著。

2.3.3 各交互項(xiàng)對(duì)植酸得率影響的分析 各交互項(xiàng)對(duì)植酸得率影響的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖4。由圖4可直觀觀察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，從等高線圖可知，存在極值的條件應(yīng)在圓心處。比較（a）～（d）圖可知，其中（a）（b）的響應(yīng)面曲線陡峭，對(duì)植酸得率的影響極顯著，（c）（d）的響應(yīng)面曲線較陡，對(duì)植酸得率的影響顯著，與方差分析結(jié)果相同。

圖4 各兩因素交互作用影響（顯著項(xiàng)）對(duì)植酸提取條件影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface analysis of significant effective interaction items on PA extraction

2.3.4 最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)回歸模型，利用Design-Expert V8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到提取植酸的最佳條件為：醋酸濃度4.1%、料液比1∶17、提取溫度64℃、提取時(shí)間33 min，在此條件下，模型預(yù)測(cè)植酸得率為1.29%。在優(yōu)化工藝條件下，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，三組平行實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的植酸得率分別為1.31%、1.16%和1.21%，其平均值為1.23%，與模型預(yù)測(cè)值1.29%基本相符。響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測(cè)值吻合良好，說(shuō)明該模型能夠較好地預(yù)測(cè)水酶法豆渣中植酸得率。

表5 回歸方程方差分析Table5 Analysis of variance for the regression equation

2.4 超聲波法與振蕩浸提法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

由表6可知，與振蕩浸提法相比，超聲波法提取水酶法豆渣中植酸的得率提高了41.3%。而且，料液比和提取溫度水平均小于未超聲處理組，提取時(shí)間縮短了近2.5 h，說(shuō)明采用超聲波法提取植酸省時(shí)節(jié)能。

表6 超聲法與振蕩浸提法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table6 Comparision of ultrasonic-assisted extraction and shaking extraction

3 結(jié)論

以植酸得率為考察指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了超聲提取水酶法豆渣中植酸的工藝條件，最佳超聲參數(shù)為超聲溫度50℃，超聲功率500 W，超聲時(shí)間20 min。再采用響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得出水酶法殘?jiān)刑崛≈菜岬淖罴褩l件為：醋酸濃度4.1%、料液比1∶17 g/mL、提取溫度64℃、提取時(shí)間33 min。在此條件下，平均植酸得率為1.23%，與振蕩提取法相比，提高41.3%。

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Ultrasonic assisted in the extraction of phytic acid from soybean residue produced by enzymatic aqueous processing

JIANG Lian-zhou，MAO Hui-ting，BI Shuang，QI Bao-kun，SUI Xiao-nan，WANG Zhong-jiang，LI Jia-ni，LI Yang*
（College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Soybean residue produced by enzymatic aqueous processing of soybean oil was used as the raw material to prepare phytic acid through the steps of ultrasonic-assisted extraction and compared with shaking extraction.Optimal ultrasonic conditions were determined by single factor and orthogonal tests，selecting ultrasonic power，ultrasonic temperature and ultrasonic time.On the basis of ultrasonic treatment，optimal extraction conditions of phytic acid were studied by using Box-Behnken central composite design and response surface analysis theory.Results showed that the optimal ultrasonic conditions were ultrasonic temperature 50℃，ultrasonic power 500 W and ultrasonic time 20 min.The optimal extraction conditions were acetic acid concentration 4.1%，ratio of solid to liquid 1∶17 g/mL，extraction temperature 64℃，extraction time 33 min.Under these conditions，the average phytic acid yield was 1.23%，which was higher than that of shaking extraction by 41.3%.

soybean dregs；enzymatic aqueous processing；ultrasonic；phytic acid

TS209

B

1002-0306（2016）06-0255-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.044

2015－07－24

江連洲（1960-），男，博士，教授，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail：jlzname@163.com。

李楊（1981-），男，博士，副教授，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程，E-mail：liyanghuangyu@163.com。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20132325110013）；農(nóng)業(yè)部崗位科學(xué)家（CARS-04-PS25）。