牟丹，錢海峰，譚志剛，張暉，王立

（江南大學(xué)食品學(xué)院與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

植酸(phytic acid)亦稱環(huán)己六磷酸酯，其分子式為C6H18O24P6，分子量為660.04，易溶于水、乙醇和丙酮，幾乎不溶于乙醚、苯和氯仿[1]。植酸作為螯合劑、抗氧化劑、保鮮劑、護(hù)色劑、發(fā)酵促進(jìn)劑、金屬防腐蝕劑等，廣泛應(yīng)用于食品、日用化工、金屬加工、紡織工業(yè)及印刷工業(yè)等領(lǐng)域[2-3]。植酸同時(shí)具有多種生理功能，如防治糖尿病、預(yù)防腎結(jié)石的發(fā)生、癌癥化療輔助治療劑及有益于心腦血管疾病的防治等，因此在醫(yī)藥保健品領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[4]。植酸純度的高低直接決定其使用效能的高低。

植酸主要以鉀、鈣、鎂復(fù)鹽（菲?。┑男问酱嬖谟谔烊恢参镏?，以谷類麩糠、豆類胚乳和玉米胚芽中含量較高。脫脂米糠中菲汀含量高達(dá) 10%，是制取植酸的優(yōu)質(zhì)原料。關(guān)于植酸制備傳統(tǒng)的工藝多采用沉淀法[5]，該法操作較為繁瑣，產(chǎn)品收率較低。離子交換法[6]是一種新興的制備方法，近年來(lái)多有報(bào)道[7-8]。但由于原料成分復(fù)雜，用離子交換樹(shù)脂直接處理稀酸提取液，引入較多雜質(zhì)致使樹(shù)脂的再生困難，使用周期縮短，增加了生產(chǎn)成本。

本文綜合運(yùn)用膜分離及離子交換技術(shù)對(duì)植酸進(jìn)行了提取及純化，既減少了提取液中雜質(zhì)對(duì)樹(shù)脂的損害，又提高了所得植酸的純度。對(duì)于高純度植酸的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程具有一定參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂米糠 杭州恒天面粉集團(tuán)有限公司；離子交換樹(shù)脂717、732型 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；離子交換樹(shù)脂D301、D318型 江蘇蘇青水處理工程集團(tuán)公司

RW20電動(dòng)攪拌機(jī) IKA儀器有限公司；L-550低速自動(dòng)平衡離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司；SHZ-3循環(huán)水多用真空泵 上海滬西分析儀器廠；SHY—2A水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；Pellicon-2 超濾系統(tǒng) PALL 公司；HL-2S恒流泵 上海滬西分析儀器廠有限公司；自動(dòng)部分收集器 上海滬西分析儀器廠；Delta 320酸度計(jì) 梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司；層析柱（Φ16 mm×200mm） 上海滬西分析儀器廠；RV10 basic旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 廣東IKA科學(xué)儀器有限公司

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 脫脂米糠→酸提→離心→取上清液抽濾→微濾→超濾→陰離子樹(shù)脂吸附→水洗樹(shù)脂→NaOH溶液洗脫→植酸鈉溶液→陽(yáng)離子樹(shù)脂脫鹽→植酸稀溶液→濃縮→植酸

1.2.2 樹(shù)脂預(yù)處理 將樹(shù)脂先用2倍體積的無(wú)水乙醇浸泡24h，用去離子水洗至無(wú)醇味，再依次用3到4倍體積的5%鹽酸、4%氫氧化鈉、5%鹽酸分別浸泡8h，每次浸泡完畢后分別用去離子水洗至約中性。經(jīng)上述處理后陰離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)為Cl-型，陽(yáng)離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)為H+型。

1.2.3 植酸提取液的制取 將過(guò)40目篩的脫脂米糠與水以1:8比例混合，用6mol/L的鹽酸調(diào)pH到2，加入1‰體系質(zhì)量的NaCl，攪拌浸提2h后，離心（2000r/min，15min）取上清液，以料液比1：1加入去離子水清洗沉淀，離心后將清洗液與上清液合并，抽濾，將濾液依次過(guò)孔徑為0.45nm的微濾膜、超濾膜，制得植酸提取液[9]。

1.2.4 樹(shù)脂的選擇及樹(shù)脂的靜態(tài)實(shí)驗(yàn) 以吸附量為指標(biāo)，分別考察pH、溫度、樹(shù)脂用量對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響，確定最佳樹(shù)脂種類及該樹(shù)脂靜態(tài)吸附的最佳條件、靜態(tài)吸附量。

表1 樹(shù)脂的物理參數(shù)Table 1 Types and characteristics of ion exchange resins

1.2.4.1 pH對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響 取1g經(jīng)預(yù)處理的樹(shù)脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），調(diào)pH為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，在45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過(guò)濾，測(cè)定濾液中的植酸含量。

1.2.4.2 溫度對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響 取1g經(jīng)預(yù)處理的樹(shù)脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH為2.3左右，在溫度分別為25、30、35、40、45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過(guò)濾，測(cè)定濾液中的植酸含量。

1.2.4.3 靜態(tài)吸附樹(shù)脂用量的確定 分別稱取0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0g樹(shù)脂于150mL錐形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH為2.3左右，在45℃水浴恒溫振蕩器中震蕩8h后過(guò)濾，測(cè)定濾液中的植酸含量。

1.2.5 樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附洗脫實(shí)驗(yàn) 稱取5g經(jīng)預(yù)處理為Cl-型的D318濕樹(shù)脂，pH調(diào)至2.5，濕法裝入層析柱中，常溫下分別考察吸附流速、洗脫流速及洗脫液濃度對(duì)動(dòng)態(tài)吸附洗脫效果及所得植酸純度的影響，確定動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件。

1.2.5.1 吸附流速的確定 將植酸浸提液（5.9mg/mL）分別以0.5、1.0、1.5、2.0mL/min的流速通過(guò)樹(shù)脂柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附，用自動(dòng)部分收集器收集流出液，每管10mL，測(cè)定植酸含量并繪制吸附曲線，計(jì)算吸附率。吸附率=（吸附液中植酸總量-流出液中植酸總量）/吸附液中植酸總量。

1.2.5.2 洗脫流速的確定 樹(shù)脂經(jīng)吸附飽和后，用去離子水沖洗柱子至用硝酸銀檢測(cè)流出液無(wú)氯離子檢出。用1mol/L NaOH溶液分別以0.5、1.0、1.5mL/min流速進(jìn)行洗脫，用自動(dòng)收集器收集洗脫液，每管5mL，測(cè)定植酸鈉含量并繪制洗脫曲線。

1.2.5.3 洗脫液濃度的確定 分別用0.3、0.5、1.0mol/L NaOH溶液，以0.5mL/min流速洗脫已吸附飽和的樹(shù)脂，用自動(dòng)收集器收集流出液，每5mL一管，測(cè)定植酸鈉含量繪制洗脫曲線。

1.2.6 陽(yáng)離子樹(shù)脂脫鹽及濃縮 將洗脫所得植酸鈉溶液以1.0mL/min的流速通過(guò)已預(yù)處理為H+型的732陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，得到稀植酸溶液在50℃下減壓濃縮得濃度為50%的植酸溶液。

1.2.7 植酸含量的測(cè)定 參照GB/T 5009.87—2003鉬藍(lán)比色法[10]及三氯化鐵滴定法[11-12]。

式中 C—植酸含量（mg/mL），C1—總磷含量（mg/mL），C2—無(wú)機(jī)磷含量（mg/mL），3.548—有機(jī)磷換算成植酸的換算系數(shù)。

1.2.8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 本文采用origin 8.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超濾膜的選擇

表2 不同濾膜的蛋白去除率Table 2 Protein removal rate of different filtration membranes

由表2可看出，截留分子量為1000u的濾膜雖可去除提取液中90%以上的蛋白，但其超濾效率明顯低于 3000u的濾膜，且有部分植酸被截留，因而綜合考慮蛋白去除率及超濾效率兩方面，確定用截留分子量為 3000u的超濾膜對(duì)濾液進(jìn)行超濾。提取液經(jīng)超濾除蛋白及大分子物質(zhì)后再進(jìn)行樹(shù)脂吸附，可大大減少對(duì)樹(shù)脂的污染及損耗，延長(zhǎng)樹(shù)脂的使用壽命,并可提高所制植酸的純度。

2.2 樹(shù)脂的選擇即樹(shù)脂的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

2.2.1 pH對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響 圖1顯示了樹(shù)脂的植酸吸附量隨pH的變化情況。隨pH的增大，樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附量呈下降趨勢(shì)，pH在2到3之間時(shí)，下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩。pH<2時(shí)，環(huán)境呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，植酸根與溶液中大量的氫離子結(jié)合，以植酸分子的形式存在于溶液中，而植酸作為一種強(qiáng)酸又非常容易解離出植酸根，因而在強(qiáng)酸性環(huán)境中，植酸大量以植酸根離子的形式存在，利于樹(shù)脂的交換吸附。隨pH增大，氫離子相對(duì)減少，此時(shí)部分植酸根會(huì)與提取液中其他陽(yáng)離子如鈣、鎂離子結(jié)合，而植酸鈣植酸鎂其解離難度遠(yuǎn)大于植酸，因而游離的植酸根減少，不利于樹(shù)脂的吸附，當(dāng)pH>4時(shí)，植酸鈣及植酸鎂會(huì)形成明顯的沉淀，使吸附無(wú)法進(jìn)行。加之植酸提取液pH在2.0左右，所以選擇pH在2.5左右時(shí)作為樹(shù)脂吸附條件。

圖1 pH對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響Fig.1 Effect of pH on absorption of phytic acid

2.2.2 操作溫度對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響 溫度對(duì)樹(shù)脂吸附植酸的影響見(jiàn)圖2。隨溫度升高，樹(shù)脂對(duì)植酸的吸附量有所增加，但增加趨勢(shì)不是非常顯著，考慮到動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中過(guò)的可操作性、難易程度及能耗，所以選擇在室溫25℃下進(jìn)行吸附。

圖2 溫度對(duì)樹(shù)脂吸附效果的影響Fig.2 Effect of temperature on absorption of phytic acid

2.2.3 靜態(tài)吸附樹(shù)脂用量的確定 由圖3可看出，當(dāng)樹(shù)脂用量大于3.5g 時(shí)，樹(shù)脂的吸附數(shù)值幾乎不再增大， 說(shuō)明此時(shí)溶液中植酸已被完全吸附。因此靜態(tài)吸附時(shí)，3.5g濕樹(shù)脂即可吸附50mL的植酸提取液。

圖3 樹(shù)脂用量對(duì)植酸吸附的影響Fig.3 Effects of the amount of resin on adsorption of phytic acid

由以上靜態(tài)試驗(yàn)得D318、717、D301三種樹(shù)脂在pH2.5時(shí)其靜態(tài)吸附量分別為168.1、145.7、83.9mg/g，因而選擇D318樹(shù)脂進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

2.3 D318樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附洗脫實(shí)驗(yàn)

2.3.1 吸附流速的確定 圖4和圖5顯示了不同上樣流速下樹(shù)脂滲漏情況及吸附率的變化情況。由圖4可知，上樣流速分別為0.5、1.0、2.0mL/min時(shí)，樹(shù)脂吸附飽和即C/C0=1時(shí)上樣體積分別為460、520、 580mL。由圖5可看出，隨上樣流速增大，吸附率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)流速大于1mL/min時(shí)下降趨勢(shì)更加明顯。隨流速增大，樹(shù)脂吸附飽和時(shí)所需上樣體積增大，吸附率隨之降低。因?yàn)?，流速越大，樣液與樹(shù)脂接觸交換吸附的時(shí)間越少，吸附效率降低。而流速越小，雖然樣液可與樹(shù)脂充分接觸，但上樣時(shí)間增加[6]，因而需選擇合適的上樣流速。綜合考慮上樣時(shí)間和吸附率兩方面，選擇的上樣流速為1.0mL/min。此條件下，動(dòng)態(tài)飽和吸附量為176.98mg/g。

圖4 不同吸附流速下的吸附曲線Fig.4 Adsorption curves of different flow velocities

圖5 吸附流速對(duì)樹(shù)脂植酸吸附率的影響Fig.5 Effect of flow velocity on adsorption rate of phytic acid

2.3.2 洗脫流速的確定 樹(shù)脂在不同洗脫流速下的洗脫曲線 如圖6所示。隨洗脫流速的增大，洗脫曲線所覆蓋的面積減小，說(shuō)明洗脫下來(lái)的植酸量減少，即洗脫率降低。之所以呈現(xiàn)這一趨勢(shì)，與洗脫液同樹(shù)脂之間的接觸時(shí)間有關(guān)。隨洗脫流速增大，洗脫所得溶液中氫氧化鈉的量增多，增大了后續(xù)脫鹽中的陽(yáng)離子樹(shù)脂用量，因此，選擇的洗脫流速為0.5mL/min。

圖6 洗脫流速對(duì)洗脫效果的影響Fig.6 Effect of flow velocity on desorption of phytic acid

2.3.3 洗脫液濃度的確定 圖7顯示了洗脫曲線隨洗脫液濃度的變化情況。洗脫液氫氧化鈉濃度為0.3mol/L時(shí)，洗脫曲線有明顯的拖尾現(xiàn)象，洗脫時(shí)間長(zhǎng)，效率較低。洗脫液氫氧化鈉濃度為1.0mol/L時(shí)的洗脫曲線雖無(wú)拖尾現(xiàn)象較集中，但洗脫所得溶液中氫氧化鈉含量較高，堿性較強(qiáng)，增大了后續(xù)脫鹽中陽(yáng)離子樹(shù)脂用量。洗脫液氫氧化鈉濃度為0.5mol/L時(shí)，洗脫曲線無(wú)拖尾現(xiàn)象，且洗脫所得溶液中植酸鈉含量可達(dá)83.74%，因而選擇洗脫用氫氧化鈉溶液的濃度為0.5mol/L。

圖7 洗脫液濃度對(duì)洗脫效果的影響Fig.7 Effect of eluention concentration on desorption of phytic acid

2.4 植酸純度的測(cè)定

洗脫所得植酸鈉溶液經(jīng)732陽(yáng)離子交換樹(shù)脂脫鹽后，經(jīng)50℃減壓蒸發(fā)濃縮后得濃度為50%的植酸溶液，經(jīng)測(cè)定其純度可達(dá)85.5%。

3 結(jié)論

本研究表明，植酸提取液經(jīng)截留分子量為 3000u的超濾膜超濾后，能夠除去 70.3%的蛋白，可大大減少對(duì)樹(shù)脂的污染及損耗，延長(zhǎng)樹(shù)脂的使用壽命，提高所得植酸純度。D318樹(shù)脂對(duì)植酸具有較好的吸附洗脫效果，其適宜的吸附pH為2.5左右，常溫下即可有較高的吸附量。動(dòng)態(tài)吸附流速為 1mL/min，洗脫液氫氧化鈉濃度為 0.5mol/L，洗脫流速為0.5mL/min。其靜態(tài)及動(dòng)態(tài)飽和吸附量分別為168.1mg/g、 176.98mg/g，得到濃度為50%的植酸產(chǎn)品，純度達(dá)85.5%。

[1]Graf E. Applications of phytic acid[J]. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 1983,60(11): 1861-1867.

[2]李健秀, 王建剛, 王文濤. 植酸的制備及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2006, 25(6): 629-633.

[3]祝智勝, 陳敏珊, 江山. 植酸的作用及其綜合應(yīng)用策略淺析[J]. 口腔護(hù)理用品工業(yè), 2013 (2):62-64.

[4]高延芬, 徐虹, 宋煥祿. 植酸及其生理活性研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技, 2013, 34(2): 368-371.

[5]戴傳波, 李建橋, 李健秀. 植酸制取的研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技, 2007, 28(2): 239-241.

[6]肖傳豪, 李清霞. 離子交換法提取植酸的原理分析[J]. 化工時(shí)刊, 2010, 24(6): 35-37.

[7]李健, 谷艷玲, 黎晨晨. 玉米胚芽餅中植酸鈉的制取及純化工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2011 (12): 365-367.

[8]王琳, 羅建平, 查學(xué)強(qiáng), 等. 陰離子交換樹(shù)脂對(duì)米糠植酸的吸附解吸性能[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011, 42(5): 160-165.

[9]Canan C, Cruz F T L, Delaroza F, et al. Studies on the extraction and purification of phytic acid from rice bran[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2011, 24(7): 1057-1063.

[10]薛連海, 李萬(wàn)海. 植酸中無(wú)機(jī)磷的測(cè)定[J]. 吉林石油化工, 1994 (4): 9-12.

[11]許金林, 汪遠(yuǎn)金, 傅蕙英. 三氯化鐵法測(cè)定植酸[J]. 化學(xué)世界, 1993, 10: 494-497.

[12]王國(guó)蓉, 萬(wàn)文貴, 王麗, 等. 三氯化鐵滴定法測(cè)定植酸含量方法的優(yōu)化及改進(jìn)研究[J]. 食品科學(xué), 2009 (10): 188-190.