魏練平 蔣立科 王春艷 劉秀麗

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1,合肥 230036)

(安徽省天創(chuàng)生物科技有限公司2,宿州 235300)

米糠植酸鈣精制工藝及其殘渣的利用研究

魏練平1蔣立科1王春艷1劉秀麗2

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1,合肥 230036)

(安徽省天創(chuàng)生物科技有限公司2,宿州 235300)

在傳統(tǒng)植酸鈣制備工藝的基礎(chǔ)上對米糠植酸鈣的精制工藝進行了優(yōu)化,并對其米糠殘渣的營養(yǎng)成份進行了分析。結(jié)果表明粗品植酸鈣最佳酸浸條件為溫度為 60℃,pH為 1.5,酸浸時間為 8 h,酸浸料液比為 1∶10,在此條件下,采用二次堿沉法,200 g米糠,可獲得粗品植酸鈣 18.8 g,粗品植酸鈣的得率為 9.4%,其植酸質(zhì)量分數(shù)為 80.9%。利用活性炭對粗品植酸鈣酸溶液進行脫色,其最適的脫色條件為溫度 40℃,時間60 min,活性炭的量為 8%(W/V),兩次脫色效果明顯優(yōu)于一次脫色。在此條件下,10 g粗品植酸鈣制得精制植酸鈣 7.63 g,得率為 76.3%,植酸回收率為 77.4%?？梢姽鈪^(qū)光譜掃描顯示精制植酸鈣酸溶液在 380～800 nm的吸光度比粗品植酸鈣均下降了 60%以上,所得精制植酸鈣的酸溶液近乎無色,脫色效果較好。與未提取植酸的米糠相比,提取植酸后的米糠殘渣中粗蛋白、脂肪、粗纖維、無氮浸出物等營養(yǎng)成份變化不大,而其總磷的 43.6%以植酸的形式轉(zhuǎn)入酸浸提液中,使得米糠殘渣的營養(yǎng)成分更利于動物的吸收。

植酸鈣 精制 脫色

植酸鈣是植酸 (phytic acid IP6,肌醇六磷酸)的鈣鹽,廣泛分布于植物體中,是植物種子的主要成份,能保護種子在貯存時不受氧化而無損失[1],谷類種皮 (如米糠)和豆類中含量較高,質(zhì)量分數(shù)平均可達 1%～5%[2]。植酸鈣是一種重要的化工原料,在日用化工、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)等中都有重要的應(yīng)用[3],此外,工業(yè)生產(chǎn)中,濕植酸鈣可以不經(jīng)過烘干直接用于生產(chǎn)肌醇[4-6],也可以經(jīng)洗滌后用弱酸除去植酸鈣中大部分鈣鎂離子,再進行離子交換制取植酸[7]。近年來,國內(nèi)外食品行業(yè)以及醫(yī)藥行業(yè)對植酸鈣的需求迅速增加。工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用稀酸萃取加堿中和沉淀法制備植酸鈣[8-13],這種方法獲得的粗品植酸鈣往往含有大量色素,對植酸鈣品質(zhì)及其商業(yè)價值有重大影響;另外植酸鈣提取后的殘渣也未得到有效的利用。米糠是稻谷加工過程中的農(nóng)副產(chǎn)物,植酸含量較高 (6%～10%),且營養(yǎng)豐富,通常米糠含油 14%～24%、蛋白質(zhì) 12%～18%、無氮浸出物 33%～35%、水分 7%～14%、灰分 8%～12%,此外還含有生育酚、生育三烯酚、脂多糖、谷維素、二十八碳烷醇、α-硫辛酸、角鯊烯、神經(jīng)酰胺等多種天然抗氧化劑和生理功能卓越的生物活性物質(zhì)。本試驗擬在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上[15],以米糠為原料,對米糠植酸鈣提取的工藝進行系統(tǒng)的研究和優(yōu)化,并對植酸鈣提取后的殘渣的營養(yǎng)成份進行分析,為米糠植酸鈣的精提及其米糠殘渣的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

米糠:合肥市長豐糧站;其他試劑均為分析純。

FA1104電子天平:上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司;DH G-9425A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、上海一恒科學(xué)儀器有限公司;80-1離心沉淀器、上海手術(shù)器械廠;722S分光光度計、上海精密科學(xué)儀器有限公司;LXJ-ⅡB型低速大容量多管離心機、上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 米糠植酸鈣精制工藝

1.2.2 酸浸條件的優(yōu)化

根據(jù)前期工作,選用溫度、pH、時間、料液比作為酸浸影響因子,設(shè)置 4因素 3水平的正交試驗 (如表1所示)。按照 4因素 3水平的正交試驗表,每組取20 g米糠進行酸浸后過濾,得到酸溶液。按照 1.2.6的方法測定每組酸溶液中植酸含量,以植酸得率為指標優(yōu)化酸浸條件。

表 1 正交因素水平

1.2.3 粗品植酸鈣的制備

稱取米糠 200 g,按照 1.2.2優(yōu)化的酸浸條件浸提后過濾,濾液即為酸浸液。酸浸液用 10%石灰乳中和至 pH 3.5,然后用質(zhì)量分數(shù) 10%NaOH溶液調(diào)節(jié) pH至 7.5,靜置過夜,離心棄上清液得到濕植酸鈣,烘干至衡重,得粗品植酸鈣,按照 1.2.6的方法計算粗品植酸鈣的得率以及粗品植酸鈣的純度。

1.2.4 活性炭脫色條件的優(yōu)化

1.2.4.1 粗品植酸鈣酸溶液的制備:稱取粗品植酸鈣 40 g,加入 80 mL純水,用 2 mol/L的 HCl溶液調(diào)節(jié)pH至 1.5,40℃加熱溶解 30 min后取出制成過飽和溶液,離心取上清液,即為粗品植酸鈣的酸溶液。

1.2.4.2 粗品植酸鈣酸溶液的制備及有色雜質(zhì)評價:將 1.2.2.1制備的酸溶液于 380～800 nm可見光區(qū)進行光譜掃描,根據(jù)酸溶液在可見光區(qū)的吸光度評價粗品植酸鈣中有色雜質(zhì)的含量。

1.2.4.3 活性炭用量對除雜效果的影響:取 5支試管,分別加入上述酸溶液 6 mL,分別加入 2%,4%,6%,8%,10%的活性炭 (W/V),于 40℃加熱脫色60 min,后過濾取上清液,于 380 nm處測量吸光度。

1.2.4.4 脫色時間對活性炭除雜效果的影響:取 5支試管,分別加入上述酸溶液 6 mL,再各自加入 8%的活性炭,分別于 40℃加熱脫色 20、40、60 min,后過濾取上清液,分別于 380 nm處測量吸光度,以吸光度為指標評價除雜效果。

1.2.4.5 溫度對活性炭除雜效果的影響:取 4支試管,分別加入酸溶液 6 mL,再各自加入 8%的活性炭 ,分別置于 20、40、50、60 ℃中加熱脫色 30 min,后過濾取上清液,分別于 380 nm處測量吸光度,以吸光度為指標評價除雜效果。

1.2.4.6 脫色次數(shù)對活性炭除雜效果的影響:取 5支試管,分別加入上述酸溶液 6 mL,按上述優(yōu)化條件分別脫色 1次與 2次,分別于 380 nm處測量吸光度,以吸光度為指標評價除雜效果。

1.2.5 精制植酸鈣的制備

取 10 g粗品植酸鈣,置于 500 mL燒杯中,加水200 mL,攪拌使其充分分散,向沉淀中加入鹽酸調(diào)pH至 1.5,于 40℃加熱溶解 30 min,離心取上清液。將上清液按上述脫色條件兩次脫色,過濾取濾液,將濾液用 10%石灰乳中和至 pH 3.5,然后用質(zhì)量分數(shù)10%NaOH溶液調(diào)節(jié) pH至 7.5,靜置過夜,離心棄上清液得到濕植酸鈣,烘干至衡重,得精制植酸鈣。稱取 3.2 g精制植酸鈣溶于 10 mL pH1.5的酸溶液中,加熱溶解,冷卻離心取上清液,即為精制植酸鈣酸溶液(該酸溶液與 1.2.4.1酸溶液含有等量的植酸),將此酸溶液如 380～800 nm可見光區(qū)進行光譜掃描,根據(jù)酸溶液在可見光區(qū)的吸光度評價精品植酸鈣中有色雜質(zhì)的含量。

1.2.6 測定方法

植酸鈣中植酸含量測定:鉬藍比色法,參照文獻[13],并按下式計算精制植酸鈣中植酸含量。

酸浸液植酸得率 =(酸浸液植酸含量 /米糠質(zhì)量)×100%

粗品植酸鈣得率 =(粗品植酸鈣干重 /米糠質(zhì)量)×100%

粗品植酸鈣中植酸質(zhì)量分數(shù) =(粗品植酸鈣中植酸含量 /粗品植酸鈣質(zhì)量)×100%

精制植酸鈣得率 =(精制植酸鈣干重/粗品植酸鈣干重)×100%

精制植酸鈣中植酸質(zhì)量分數(shù) =(精制植酸鈣中植酸質(zhì)量 /精制植酸鈣質(zhì)量)×100%

1.2.7 米糠殘渣營養(yǎng)成份分析

取 1.2.3的米糠殘渣,用適量水沖洗后烘干至衡重,即為米糠殘渣。同時,取未提取植酸鈣的米糠同樣用適量的水沖洗,烘干至衡重,即為提取前米糠。按照以下方法測定米糠營養(yǎng)成份。

①粗蛋白質(zhì)測定 (凱氏定氮法)②粗纖維含量分析 (酸堿法)

③脂肪含量測定 (索氏提取法)

④灰分含量分析:稱取樣品約 2 g置于坩堝中,放在電爐上灼燒至恒重,稱重。

⑤無N浸出物含量分析:

無N浸出物 =1-蛋白質(zhì)含量 -粗纖維含量 -脂肪含量 -灰分含量

⑥總 P含量及植酸磷含量測定:鉬藍比色法[13]

2 結(jié)果與分析

2.1 米糠植酸鈣提取工藝的優(yōu)化

表 2 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果見表 2,溫度在 40～60℃的范圍內(nèi),酸浸液中植酸得率隨溫度的升高而逐漸升高,在60℃時達到最大,酸浸液中含有植酸 15.31 mg/g(即每 g米糠得植酸酸浸液中含有 15.31 mg的植酸)。酸浸 pH在 1.5～2.5的范圍內(nèi),酸浸液中植酸得率隨 pH的升高而逐漸降低,在 pH值為 1.5時達到最大,酸浸液中植酸含量為 14.00 mg/g。隨著酸浸時間的增長時間,酸浸液中植酸得率也隨之增長,在時間為 8 h時達到最大,酸浸液中植酸含量為13.47 mg/g。料液比在 1∶5～1∶10的范圍內(nèi) ,酸浸液中植酸得率隨料液比的增大而逐漸升高,在 1∶10時達到最大 ,酸浸液中植酸含量為 14.38 mg/g。綜上所述,植酸酸浸的最適溫度為 60℃,最適 pH為 1.5,最適酸浸時間為 8 h,最適酸浸料液比為 1∶10,且RA>RD>RB>RC,故在所選 4個影響因子及所設(shè) 3個水平的條件下,對酸提影響最大的是溫度,其次是料液比、pH、時間。

2.2 粗品植酸鈣的制備

稱取 200 g米糠,按照 1.2.1.3的方法制備粗品植酸鈣,可獲得粗品植酸鈣 18.8 g,粗品植酸鈣的得率為 9.4%,其植酸質(zhì)量分數(shù)為 80.9%。

2.3 活性炭脫色條件的優(yōu)化

2.3.1 粗品植酸鈣酸溶液的有色雜質(zhì)含量評價

由圖 2可知,粗品植酸鈣溶液在 380～800 nm區(qū)有廣泛的光吸收,其主要光吸收集中在 380～420 nm,其OD值大于 0.500,在此波段吸收的物質(zhì)顯黃綠色,因而粗品植酸鈣溶液為較深的黃色,為主要的有色雜質(zhì);在 440～520 nm也有一定的光吸收,其OD值在 0.400～0.200之間;在 520～800 nm處光吸收較小,OD值介于 0.200～0.050之間。據(jù)文獻報道和試驗觀察,活性炭吸附脫色對 380～800 nm處的發(fā)色物質(zhì)均有效,本試驗選擇 380 nm處的光吸收為指標,衡量活性炭除雜效果。

圖 1 粗品植酸鈣溶液可見光區(qū)掃描圖譜

2.3.2 活性炭的量對脫色除雜效果的影響

如圖 2所示,粗品植酸鈣酸溶液在 380 nm處的吸光度隨著活性炭量的增大而逐漸降低,這表明在同等脫色時間、脫色溫度的條件下,活性炭的量越大,脫色效果越好。當活性炭的量達到 8%時,粗品植酸鈣的 OD380nm由脫色前的 0.931降低為 0.529,雜質(zhì)吸光度降低了 43.2%;當活性炭的量進一步增加到10%時,相對于前者,其吸光度沒有明顯降低,因而,從成本角度考慮,本試驗選用 8%的活性炭的量作為粗品植酸鈣酸溶液活性炭脫色的最適活性炭的量。

圖 2 活性炭的量對活性炭脫色效果的影響

2.3.3 時間對活性炭脫色除雜效果的影響

脫色時間對活性炭吸附除雜效果的影響如圖 3所示。從圖 3可以看出,隨脫色時間的延長,溶液的吸光度降低,這表明在同等活性炭的量、脫色溫度的條件下,脫色時間越長,脫色效果越好。當脫色時間達到 60 min時,粗品植酸鈣的 OD380nm由脫色前的0.931降低為 0.582,雜質(zhì)吸光度分別降低 37.5%。若進一步延長脫色時間,會導(dǎo)致植酸的分解,故選用60 min作為粗品植酸鈣脫色的最適脫色時間。

圖 3 脫色時間對活性炭吸附脫色的影響

2.3.4 溫度對活性炭除雜效果的影響

由圖 4知,粗品植酸鈣酸溶液在 380 nm處的光吸收隨著脫色溫度的升高而逐漸降低,這表明在同等活性炭的量、脫色時間的條件下,溫度越高,脫色效果越好。當溫度達到 60℃時,脫色效果最好,粗品植酸鈣的 OD380nm由脫色前的 0.931降低為0.572,雜質(zhì)吸光度均降低了 38.6%,故選用 60℃作為較為適宜的脫色條件。

圖 4 溫度對活性炭吸附除雜的影響

2.3.5 脫色次數(shù)對吸附除雜效果的影響

圖 5 脫色次數(shù)對活性炭吸附除雜的影響

如圖 5所示,粗品植酸鈣在上述篩選的脫色條件下進行脫色,脫色 1次時,粗品植酸酸溶液在 380、400、420 nm處的吸光度分別降低了 43.9%、43.8%以及 42.4%。當在相同條件進行二次脫色時,吸光度分別降低了 64.6%、60.9%以及 56.0%,明顯優(yōu)于一次脫色的效果。故在后續(xù)植酸鈣的精制過程中選用 2次脫色進行活性炭吸附除雜。

2.3.6 精制植酸鈣的制備

按照優(yōu)化的植酸鈣脫色條件,按 1.2.5的方法精制植酸鈣,10 g粗品植酸鈣 (含植酸 8.09 g)制得精制植酸鈣 7.63 g(含植酸 6.26 g),精制植酸鈣的得率為 76.3%,相對于粗品植酸鈣,植酸回收率為77.4%。由圖 6可知,精制植酸鈣的酸溶液在 380～800 nm處的吸光度比粗品植酸鈣明顯下降,下降率均在 60%以上,所得植酸鈣的酸溶液近乎無色,表明精制植酸鈣中有色雜質(zhì)含量明顯下降。

圖 6 粗品植酸鈣與精制植酸鈣的可見光區(qū)掃描圖譜

2.3.7 米糠殘渣營養(yǎng)成份分析

米糠殘渣營養(yǎng)成份分析如表 3所示,從質(zhì)量分數(shù)看,提取植酸后米糠中粗蛋白、脂肪、粗纖維以及灰分分別減少了 0.22%、3.04%、2.60、5.62%,而無氮浸出物質(zhì)量分數(shù)增加了 11.47%,由此可見,米糠提取植酸后,粗蛋白質(zhì)量分數(shù)變化不明顯,變化量較大的主要是脂肪、粗纖維以及無氮浸出物。從絕對量看,100 g米糠提取植酸后,粗蛋白損失了 1.63 g,粗纖維損失了 1.64 g,脂肪損失了 2.35 g,損失量較小?？偭缀坎顒e加大,相對于提取前米糠,提取植酸后米糠中 P的含量損失了 43.6%。

表 3 米糠提取植酸前后營養(yǎng)成分質(zhì)量分數(shù)分析對比

3 討論

主要對米糠植酸鈣的精制條件以及米糠殘渣的營養(yǎng)成份進行了研究?；钚蕴棵撋侵菜徕}精制的關(guān)鍵一環(huán)?；钚蕴渴且环N非極性吸附劑,具有芳香環(huán)式結(jié)構(gòu),在極性溶液中,善于吸收芳香族有機物(酸中的顯色物大部分屬于這一類),并善于吸附含有 3個碳原子以上的其他有機物。但是,它對不帶電荷或帶弱電荷的物質(zhì)吸附力較強,而對帶電荷的物質(zhì)的吸附力則較弱,而且所帶電荷越強,對其的吸附力就越弱。植酸中的顯色物質(zhì)大多為酚類物質(zhì),這類物質(zhì)都含有弱酸性基團而帶有弱負電荷,但也有不少含有羧基的酚類物質(zhì),帶有較強的負電荷 (類似一般的有機酸)。在用活性碳脫色的過程中,植酸中的帶負電荷較弱的色素物質(zhì)較易被活性炭吸附而除去。而對帶有較強負電荷的有色物質(zhì),則吸附效果較差,而多殘留于植酸中。此外,活性炭的脫色效果還與其脫色工藝有直接的關(guān)系。

試驗結(jié)果表明,粗品植酸鈣酸溶液的活性炭脫色能力隨脫色溫度的升高、脫色時間的延長、活性炭量的增加以及脫色次數(shù)的增多而增強。在 60℃下,用 8%的活性炭脫色 60 min,并在此條件下脫色兩次,所得到的精制植酸鈣有色光區(qū)吸光度均下降60%左右,肉眼觀察精制植酸鈣酸溶液近乎無色。與其他脫色方法相比,活性炭脫色成本低,在優(yōu)化的脫色條件下,每生產(chǎn) 1 t精制植酸鈣需額外增加3 000元左右,而其產(chǎn)品價格可提高 1.5～2萬元 /噸,可大大提高產(chǎn)品利潤空間。但單純利用活性炭處理不能將植酸鈣中的有色物質(zhì)完全去除,可以根據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)要求在后期生產(chǎn)工藝中借助離子交換或其他方法進一步純化。

植酸鈣中磷含量的測定采用鉬藍比色法測定。根據(jù)結(jié)果可知,粗品植酸鈣精制過程中,植酸回收率為77.4%。在此過程中植酸的損失,一部分可能來自活性炭的吸附,一部分可能是由于加熱過程中植酸的分解。不同的產(chǎn)品,其對于有色雜質(zhì)的要求不盡相同,因而可根據(jù)不同的產(chǎn)品要求,適當改變脫色條件。

在優(yōu)化精制植酸鈣提取工藝的同時,對提取植酸后米糠殘渣的營養(yǎng)成份進行了分析,分析結(jié)果表明植酸的提取對米糠的營養(yǎng)成分并沒有太大的影響,不影響其繼續(xù)作為飼料使用。從總 P含量分析對比的結(jié)果可知,該部分磷大多是植酸磷,以植酸的形式轉(zhuǎn)移至植酸酸提液中。植酸是一種抗營養(yǎng)因子,其強的螯合能力使它與 Ca2+、mg2+、K+等離子形成絡(luò)合物,甚至可以與某些蛋白絡(luò)合,不利于動物對這些元素及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,因而,提取植酸后的米糠作為飼料給動物食用,更有利于動物對上述元素的吸收。

4 結(jié)論

本試驗對米糠植酸鈣的精制條件以及米糠殘渣的營養(yǎng)成份進行了研究,結(jié)果表明粗品植酸鈣最佳酸浸條件為溫度為 60℃,pH為 1.5,酸浸時間為8 h,酸浸料液比為 1∶10,在此條件下,采用二次堿沉法,200 g米糠,可獲得粗品植酸鈣 18.8 g,粗品植酸鈣的得率為 9.4%,其植酸質(zhì)量分數(shù)為 80.9%。利用活性炭對粗品植酸鈣酸溶液進行脫色,其最適的脫色條件為溫度 40℃,時間 60 min,活性炭的量為8%,2次脫色效果明顯優(yōu)于 1次脫色。在此條件下,10 g粗品植酸鈣制得精制植酸鈣 7.63 g,得率為76.3%,植酸回收率為 77.4%。可見光區(qū)光譜掃描顯示精制植酸鈣酸溶液在 380～800 nm的吸光度比粗品植酸鈣均下降了 60%以上,所得精制植酸鈣的酸溶液近乎無色,脫色效果較好。與未提取植酸的米糠相比,提取植酸后的米糠殘渣中粗蛋白、脂肪、粗纖維、無氮浸出物等營養(yǎng)成份變化不大,提取植酸后的米糠殘渣營養(yǎng)成份變化不大,而其總磷的43.6%以植酸的形式轉(zhuǎn)入酸浸提液中,使得米糠殘渣的營養(yǎng)成份更利于動物的吸收。

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Preparation of Refined Calcium Phytate from Rice Bran

WeiLianping1Jiang Like1Wang Chunyan1Liu Xiuli2
(School of life Science,AnhuiAgriculturalUniversity1,Hefei 230036)
(Tianchuang Biotechnology Co.Ltd ofAnhui2,Suzhou 235300)

The preparation of refined calcium phytate from rice bran and the composition of residue were stud2 ied.The proper condition of HCl immersing of the crude calcium phytate from rice bran was 60℃,pH 1.5,8 h,and solid/liquid ratio 1∶10.On this condition,18.8 g crude calcium phytate was obtained from 200 g rice bran,the yield rate was 9.4%and the phytic acid content of product was 80.9%.The crude calcium phytate was decolorized with activated charcoal.The decoloration condition was activated charcoal amount 8%(W/V)),60℃,60min and twice.Results:Under this condition,7.63 g refined calcium phytate with phytic acid content of 82.1%is gained from 10 g crude calcium phytate,the yield rate is 76.3%.The absorption of the refined calcium phytate in visible spectrum re2 gion of 380～800 nm declines by 60%compared with the crude calcium phytate,and the acid solution of the refined calcium phytate is almost colorless,so the effect of the decoloration craft is good.Compared with rice bran,the main nutrient contents change little and the total phosphor decreases by 43.6%that made the residue more digestible for animals.

calcium phytate,refine,decoloration

TQ645.9

A

1003-0174(2011)02-0092-06

米糠、麩皮提取植酸再利用 (發(fā)改環(huán)資[2009]49號)

2010-03-30

魏練平,女,1981年出生,講師,碩士,生物化學(xué)與分子生物學(xué)

蔣立科,男,1942年出生,教授,生物化學(xué)