劉倩倩

（菏澤學(xué)院藥物科學(xué)與技術(shù)系，山東菏澤27400）

響應(yīng)面分析法優(yōu)化植酸合成工藝

劉倩倩

（菏澤學(xué)院藥物科學(xué)與技術(shù)系，山東菏澤27400）

采用肌醇為原料，以P2O5為磷化劑，通過(guò)磷化、合成、脫色、過(guò)濾制備植酸。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合（Box-Benhnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法優(yōu)化植酸合成工藝條件，在分析各個(gè)因素的顯著性和交互作用后，得到植酸合成最佳工藝條件：H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比為2.1，合成溫度174℃，合成時(shí)間3.3 h，其植酸含量最高為80.32%。

肌醇；植酸；合成；響應(yīng)面分析

植酸的化學(xué)名稱為肌醇六磷酸酯（Phytic acid），即環(huán)己六醇六磷酸酯，磷的含量可以達(dá)到50%～80%，分子式是C6H18O24P6，分子量是660.04。植酸是從植物種籽中提取的一種有機(jī)磷酸類化合物，其廣泛存在于植物種子中，是天然的營(yíng)養(yǎng)品［1-2］。植酸有著廣泛而獨(dú)特的用途，具有良好的螯合作用和防腐蝕功能；同時(shí)植酸在人體內(nèi)水解產(chǎn)物為肌醇和磷脂（前者具有抗衰老作用，后者是人體細(xì)胞重要組成部分），能促進(jìn)人體新陳代謝、調(diào)理人體功能。植酸廣泛應(yīng)用于食品、化學(xué)及醫(yī)藥等領(lǐng)域［3-4］。目前植酸的生產(chǎn)方法有生物合成、溶劑萃取法、化學(xué)合成3種［5］。溶劑萃取法使用的原材料中植酸的含量很低，投資大，污染嚴(yán)重而且投入產(chǎn)出比低，經(jīng)濟(jì)效益差。生物合成法目前技術(shù)不成熟；化學(xué)合成法的原材料有質(zhì)量保證，產(chǎn)品收率及純度高而且節(jié)能環(huán)保，因此在植酸生產(chǎn)行業(yè)有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［6-7］。本實(shí)驗(yàn)就是以肌醇和五氧化磷為原料合成植酸，此方法和傳統(tǒng)的提取工藝相比，提高了產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，污染小，有利于植酸的生產(chǎn)規(guī)?；?。

1試驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；紫外分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；肌醇（BR）、五氧化二磷（AR）、鉬酸銨（AR）、偏釩酸胺（AR）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理如下：

P2O5與水在一定溫度下生成H3PO4，然后H3PO4與肌醇在一定溫度下反應(yīng)生成植酸，得到植酸粗品，為黃色的黏稠液體（其中磷酸中的PO43-與肌醇中的6個(gè)C原子結(jié)合形成對(duì)稱的六圓環(huán)結(jié)構(gòu)），然后用活性炭進(jìn)行脫色處理，得到透明的黏稠狀液體。植酸含量的檢測(cè)利用紫外分光廣度法，該方法快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度較高。

1.2.2單因素試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中對(duì)植酸合成時(shí)間、合成溫度、H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比3種因素進(jìn)行單因素考察，選取最佳的反應(yīng)條件。

1.2.3響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

為了考察各因素間的交互作用并得到最佳的植酸合成條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1植酸合成時(shí)間對(duì)植酸含量的影響

實(shí)驗(yàn)選定反應(yīng)溫度為175℃，并在此溫度下確定了6個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即：1、2、3、4、5、6 h，然后按上述實(shí)驗(yàn)步驟反應(yīng)，所得植酸含量曲線圖如圖1所示。

圖1　合成時(shí)間對(duì)植酸含量的影響Fig.1Eeffect of Phytic acid content on synthesis time

從圖1中可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)植酸含量逐漸增加，反應(yīng)4 h左右為最佳的反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不完全，而反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)造成副反應(yīng)的生成。

公路建設(shè)破壞原有的生態(tài)環(huán)境破壞，將會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)多樣性和生物棲息地的退化。生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致生物棲息地越來(lái)越小甚至喪失，將會(huì)直接導(dǎo)致物種種數(shù)和數(shù)量的減少，導(dǎo)致生物多樣性的下降。水土流失導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，野生物種適宜生境急劇減少，野生物種分布范圍日益狹窄。如果土壤侵蝕繼續(xù)加劇，滅絕的趨勢(shì)將加速發(fā)展。

2.1.2植酸合成溫度對(duì)植酸含量的影響

試驗(yàn)選定反應(yīng)時(shí)間為3 h，并在固定此時(shí)間下確定6個(gè)溫度點(diǎn)，即：130、145、160、175、190、205℃，然后按上述實(shí)驗(yàn)步驟反應(yīng)。所得到的植酸含量曲線圖如圖2所示。

從圖2中可以看出反應(yīng)溫度在175℃時(shí)所得的植酸含量最高，反應(yīng)溫度過(guò)高會(huì)造成植酸分解。

2.1.3H2O與P2O5摩爾比對(duì)植酸含量的影響

按理論計(jì)算反應(yīng)過(guò)程中所需的H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比為3，即：23.43克P2O5和9 mL水，再與10 g肌醇反應(yīng)，考慮到反應(yīng)制備植酸時(shí)也會(huì)生成水，所以反應(yīng)過(guò)程中加入2 g P2O5以加快反應(yīng)進(jìn)行。單因素試驗(yàn)過(guò)程中分別選取H2O與P2O5反應(yīng)摩爾比為1、2、3、4、5時(shí)進(jìn)行考察。所得到的植酸含量曲線圖如圖3所示。

圖2　合成溫度對(duì)植酸含量的影響Fig.2Eeffect of Phytic acid content on synthesis temperature

圖3　反應(yīng)摩爾比對(duì)植酸含量的影響Fig.3Eeffect of Phytic acid content on reaction ratio

2.2響應(yīng)面優(yōu)化合成工藝條件

2.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選取植酸合成溫度、合成時(shí)間、H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比進(jìn)行考察。采用Design-Expert軟件，以A代表溫度，B代表時(shí)間，C代表H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比，Y代表植酸含量作為響應(yīng)指標(biāo)，由Box-Behnken中心組合進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，分析因素與設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　響應(yīng)面的因素水平表Table 1Factors and levels of response surface experiment

對(duì)合成溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)摩爾比作如下變化：A=（T-170）/10，B=（t-3）/1，C=（Z-2）/0.5，設(shè)計(jì)試驗(yàn)與結(jié)果見(jiàn)表2和表3，由Design-Expert軟件處理得到的響應(yīng)面分析結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6，表2設(shè)計(jì)了17個(gè)試驗(yàn)，然后利用統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出產(chǎn)品植酸含量與合成溫度（A）、合成時(shí)間（B）、H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比（C）之間的二次多項(xiàng)回歸模型方程如下：

表2　Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2Box-Behnken Cenral composite design and experimental results

表3　回歸模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 3Analysis of variance and significance test of the regression model

由表3的方差分析結(jié)果可知：該數(shù)學(xué)模型P值＜0.000 1，說(shuō)明該模型極其顯著，各因素的一次項(xiàng)A、B、C是極其顯著的，二次項(xiàng)A2、B2、C2是極其顯著的，交互項(xiàng)A B、A C也是極其顯著的，由此可見(jiàn)，各因素對(duì)植酸含量的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，存在因素間的相互作用。線性方程的的相關(guān)系數(shù)R2=0.996 8，調(diào)整系數(shù)Adj R2=0.985 0，具有良好的一致性，表明該模型的準(zhǔn)確性和適用性較好。因此，回歸方程可以很好的描述各因素和響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該方程確定最佳工藝條件，對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)等于零，整理得：

聯(lián)立上述三個(gè)方程求解得到，A=0.41，B=0.345，C=0.18，由前面的變換方程可以得出：合成溫度T= 174℃，合成時(shí)間t=3.3 h，H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比Z=2.1，在此條件下實(shí)際測(cè)得植酸含量為80.32%.回歸模型預(yù)測(cè)植酸含量理論值可達(dá)80.45%，實(shí)際測(cè)定值比理論預(yù)測(cè)值低0.16%。說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型能很好的預(yù)測(cè)各因素同植酸含量之間的關(guān)系。

2.2.2各因素之間的交互作用

根據(jù)回歸方程，做出響應(yīng)面分析圖，其中對(duì)植酸含量影響表現(xiàn)顯著和極其顯著的交互項(xiàng)（AB、AC、BC）的響應(yīng)面圖如圖4所示。

圖4　各因素相互作用的響應(yīng)面與等高線圖Fig.4Response surface plots and contour plots of pairwise interactive effects

3結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面分析相結(jié)合的試驗(yàn)方法來(lái)優(yōu)化植酸合成的工藝，建立了植酸含量的計(jì)算模型，得到最佳的合成工藝條件為：H2O與P2O5的反應(yīng)摩爾比為2.1，合成溫度174℃，合成時(shí)間3.3 h，其收率最高為80.32%。所得的回歸模型的擬合度良好，預(yù)測(cè)性較好，可用來(lái)分析和預(yù)測(cè)合成植酸的含量。

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Optimization of Synthesis Process for Phytic Acid by Response Surface Methodology

LIU Qian-qian
（Pharmaceutical Science and Technology Department，Heze University，Heze 27400，Shandong，China）

Phytic acid was synthesized with inositol as raw materal and phosphorus pentoxide as the phosphating agent through phosphorization；synthetise；decolorization and filtration.Based on single factor tests，the optimum synthesis conditions of phytic acid were obtained through Box-Benhnken central combination design and RSM. The results showed that the optimum synthesis conditions of phytic acid were as follows：molar ratio of waterto phosphorus pentoxide 2.1，reaction temperature 174℃，reaction time 3.3 h，the optimized yield of phytic acid was 80.32%.

inositol；phytic acid；synthesis；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.14.021

2014-11-06

劉倩倩（1986—），女（漢），助教，碩士，研究方向：有機(jī)合成方向。