何瑞雪，高文宏，朱思明

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

水溶性大豆多糖-鐵(Ⅲ)配合物的制備及其理化性質(zhì)研究

何瑞雪，高文宏，朱思明*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

研究了水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的制備工藝，采用響應(yīng)面法二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合方案，分析了水溶性大豆多糖與鐵離子的質(zhì)量比、pH和反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵離子絡(luò)合量及絡(luò)合率的影響。結(jié)果表明，其最佳制備工藝為:質(zhì)量比1.03∶1、pH 4.76、反應(yīng)時(shí)間5h。在此條件下，水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物中鐵離子的絡(luò)合量為857.32mg/g，絡(luò)合率為88.30%，配合物的得率為45.37%。水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)溶于水，在pH 1～14范圍內(nèi)不沉淀、不水解。水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)有望開(kāi)發(fā)成強(qiáng)化鐵的食品添加劑和營(yíng)養(yǎng)型口服補(bǔ)鐵劑。

水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物，響應(yīng)面法，理化性質(zhì)

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，其是人體許多正常生理過(guò)程中不可缺少的物質(zhì)。缺鐵性貧血(IDA)是世界上最常見(jiàn)的疾病之一，嚴(yán)重威脅著人類健康［1－2］。臨床上常用的補(bǔ)鐵劑主要為硫酸亞鐵等無(wú)機(jī)鐵，雖然含鐵量較高，吸收較好，在一定程度上可以緩解鐵缺乏和貧血癥狀，但其常伴有胃腸刺激和銹味等副作用，生物利用度低，化學(xué)穩(wěn)定性差［3］。研究表明，以多糖為載體，配合三價(jià)鐵離子后形成的多糖鐵配合物，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)補(bǔ)鐵劑相比，具有水溶性穩(wěn)定、易吸收、無(wú)銹味、無(wú)腸道刺激、無(wú)毒性、定向十二指腸吸收等優(yōu)點(diǎn)，符合理想的口服補(bǔ)鐵劑的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是一種值得研究開(kāi)發(fā)的新型補(bǔ)鐵劑［4］。水溶性大豆多糖(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［5－9］，不但具有膳食纖維所具有的功能特性，還具有許多其他優(yōu)越的功能特性，如乳化及乳化穩(wěn)定性、抗氧化性、抑菌性等。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。本工作擬以SSPS為載體，與三價(jià)鐵進(jìn)行配合反應(yīng)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝，以期開(kāi)發(fā)一種新型的補(bǔ)鐵劑，進(jìn)一步擴(kuò)大SSPS的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

水溶性大豆多糖 廣州華匯生物實(shí)業(yè)有限公司，水分≤7.0%，粗蛋白質(zhì)≤8.0%，粗灰分≤10.0%;三氯化鐵、抗壞血酸、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵胺、鹽酸羥胺、無(wú)水乙醇、鹽酸、乙酸鈉、乙酸、氫氧化鈉、硫酸亞鐵、丙酮 均為AR級(jí)。

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)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鐵離子絡(luò)合量及絡(luò)合率的測(cè)定 稱取0.100g水溶性大豆多糖，溶于100.0mL一定pH的溶液中，溶解后在勻速攪拌下緩慢滴加入一定濃度的三氯化鐵溶液，使之連續(xù)反應(yīng)一定時(shí)間后，乙醇醇析，取上清液用鄰菲羅啉分光光度法［10］于510nm處測(cè)其溶液中Fe3+的殘余量。根據(jù)反應(yīng)前后溶液中Fe3+濃度的變化，絡(luò)合量Q計(jì)算公式如下:

Q=V(c0－c)/m1

式中，V為反應(yīng)體系溶液的體積(mL);c0、c分別為反應(yīng)前后溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度(mg/mL);m1為水溶性大豆多糖的加入量(g);Q為絡(luò)合量(mg/g)。

絡(luò)合率的計(jì)算公式如下:

q=V(c0－c)/m2

式中，V為反應(yīng)體系溶液的體積(mL);c0、c分別為反應(yīng)前后溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度(mg/mL);m2為鐵離子的加入量(g);q為絡(luò)合率(%)。

1.2.2 三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì) 在前期探討了質(zhì)量比、pH、反應(yīng)時(shí)間、乙醇醇析時(shí)間各單因素對(duì)鐵離子絡(luò)合量及絡(luò)合率影響的基礎(chǔ)上，對(duì)SSPS與Fe的質(zhì)量比(X1)、pH(X2)和反應(yīng)時(shí)間(X3)三個(gè)因素設(shè)計(jì)三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合方案，將選擇好的參數(shù)折算成對(duì)應(yīng)的因子，因素編碼見(jiàn)表1。

表1 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素編碼表Table 1 Factors and levels of dual quadratic rotary combination design

1.2.3 水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的合成 準(zhǔn)確稱取1.030g水溶性大豆多糖，溶于一定的pH溶液中，溶解后在攪拌狀態(tài)下滴加入含鐵1.000g、濃度為0.484g/mL的FeCl3溶液，保持在一定的pH條件下連續(xù)反應(yīng)3h，用無(wú)水乙醇將產(chǎn)品沉淀出來(lái)，離心分離，再用無(wú)水乙醇和丙酮洗滌沉淀后，干燥得水溶性大豆多糖—鐵(Ⅲ)配合物。

1.2.4 水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的理化性質(zhì)研究 SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn):取少量SSPS－Fe(Ⅲ)配合物溶于水，慢慢滴加亞鐵氰化鉀溶液，振蕩試管，觀察現(xiàn)象。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的水解實(shí)驗(yàn):將 FeCl3、FeSO4、SSPS－Fe(Ⅲ)分別溶于蒸餾水，配制成濃度為0.01mol/L(SSPS－Fe(Ⅲ)中Fe濃度為0.01mol/L)的鐵溶液，各準(zhǔn)確量取20mL，分別用0.1mol/L的NaOH溶液滴定，同時(shí)用酸度計(jì)測(cè)定溶液的pH，觀察現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物制備工藝回歸模型的建立

以質(zhì)量比(X1)、pH(X2)、反應(yīng)時(shí)間(X3)為自變量，以鐵離子的絡(luò)合量Q及絡(luò)合率q為響應(yīng)值Y1、Y2，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

利用Design－Expert 7.1.6軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合后，得到鐵離子的絡(luò)合量Y1及絡(luò)合率Y2對(duì)質(zhì)量比(X1)、pH(X2)、反應(yīng)時(shí)間(X3)的二次回歸模型方程如下:

對(duì)23個(gè)實(shí)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表見(jiàn)表3、表4。

由表3可以看出，建立的模型Prob＞F值小于0.0001，說(shuō)明模型極顯著。X1、X2、X3、X1X2、、項(xiàng)對(duì)鐵離子的絡(luò)合量影響顯著。失擬項(xiàng)Prob＞F值為0.7838，不顯著，且模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.9967，說(shuō)明該模型擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的合成工藝結(jié)果。

由表4可以看出，建立的模型Prob＞F值小于0.0001，說(shuō)明模型極顯著。X1、X2、X3、、項(xiàng)對(duì)鐵離子的絡(luò)合率影響顯著。失擬項(xiàng) Prob＞F值為0.0751，不顯著，且模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.9927，說(shuō)明該模型擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的合成工藝結(jié)果。

表3 Y1回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance for regression equation developed Y1

表4 Y2回歸方程的方差分析Table 4 Analysis of variance for regression equation developed Y2

2.2 響應(yīng)曲面圖分析

圖1顯示了質(zhì)量比、pH和反應(yīng)時(shí)間3個(gè)因素之一取0水平時(shí)，其他2個(gè)因素對(duì)于鐵離子絡(luò)合量的影響。從圖1中可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，鐵離子的絡(luò)合量隨鐵離子用量的增加而增加，隨pH的增大先增加后減少，隨反應(yīng)時(shí)間的增加而緩慢增加。且pH與質(zhì)量比對(duì)絡(luò)合量的影響要明顯強(qiáng)于反應(yīng)時(shí)間。由絡(luò)合量回歸方程的方差分析還可得到質(zhì)量比與pH對(duì)絡(luò)合量的影響有交互作用。

圖2給出了質(zhì)量比、pH和反應(yīng)時(shí)間3個(gè)因素之一取0水平時(shí)，其他2個(gè)因素對(duì)于鐵離子絡(luò)合率的影響。從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，鐵離子的絡(luò)合率隨鐵離子用量的增加而減少，隨pH的增大先增加后減少，隨反應(yīng)時(shí)間的增加而緩慢增加。且pH與質(zhì)量比對(duì)絡(luò)合率的影響要明顯強(qiáng)于反應(yīng)時(shí)間。由絡(luò)合率回歸方程的方差分析還可得到3個(gè)因素對(duì)絡(luò)合率的影響都沒(méi)有交互作用。

綜上所述，3個(gè)因素對(duì)鐵離子絡(luò)合量及絡(luò)合率影響的大小順序依次是pH＞質(zhì)量比＞反應(yīng)時(shí)間。

利用Design－Expert 7.1.6軟件對(duì)水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的合成工藝條件進(jìn)一步優(yōu)化，得出了鐵離子的絡(luò)合量與絡(luò)合率較高的條件為SSPS與Fe的質(zhì)量比1.03∶1、pH 4.76、反應(yīng)時(shí)間5h。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的合成。在此條件下做5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 模型驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Validated results of model

由表5可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值接近，因此，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化法得到的SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的合成工藝可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖1 SSPS－Fe(Ⅲ)中鐵離子絡(luò)合量的響應(yīng)曲面圖Fig.1 Response surface graph of amount graph of iron in SSPS－Fe(Ⅲ)

2.4 水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物的理化性質(zhì)

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物為棕褐色粉末，無(wú)臭，溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的穩(wěn)定性:在SSPS－Fe配合物的水溶液中滴入亞鐵氰化鉀溶液，結(jié)果不顯示Fe3+的特征反應(yīng)，這表明游離的Fe3+濃度極小，不能被檢測(cè)出來(lái)，說(shuō)明Fe3+基本上形成了SSPS－Fe(Ⅲ)的穩(wěn)定配合物。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的水解:FeCl3開(kāi)始混濁時(shí)的pH為2.65，出現(xiàn)大量混濁時(shí)的pH為6.72;FeSO4開(kāi)始渾濁時(shí)的pH為3.35，出現(xiàn)大量渾濁時(shí)的pH為6.79;SSPS－Fe(Ⅲ)配合物在pH 1～14范圍內(nèi)不沉淀、不水解。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)的制備工藝，得到最佳工藝參數(shù)為:SSPS與Fe的質(zhì)量比1.03∶1、pH 4.76、反應(yīng)時(shí)間5h，在此條件下水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物中鐵離子的絡(luò)合量為857.32mg/g，絡(luò)合率為 88.30%，配合物的得率為45.37%。

3.2 水溶性大豆多糖－鐵(Ⅲ)配合物為棕褐色粉末，無(wú)臭，溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有機(jī)溶劑，其水溶液中基本不存在游離的Fe3+，在pH 1～14范圍內(nèi)不沉淀、不水解。水溶性大豆多糖與鐵(Ⅲ)可以形成穩(wěn)定的配合物，有望將其開(kāi)發(fā)成強(qiáng)化鐵的食品添加劑和營(yíng)養(yǎng)型口服補(bǔ)鐵劑。

圖2 SSPS－Fe(Ⅲ)中鐵離子絡(luò)合率的響應(yīng)曲面Fig.2 Response surface graph of rate of iron in SSPS－Fe(Ⅲ)

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Preparation and characters of soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex

HE Rui－xue，GAO Wen－h(huán)ong，ZHU Si－ming*
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The preparation process of soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex was optimized.A dual quadratic rotary combination design of response surface methodology was used to analyze the effect of mass ratio of soluble soybean polysaccharide and iron，pH and reaction time on the amount and rate of iron ion.Results showed that the optimum preparation process was:the mass ratio 1.03∶1，pH 4.76，reaction time 5h.Under these conditions，the amount and rate of iron ion were 857.32mg/g and 88.30%.The production of soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex was 45.37%.Soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex was soluble in water.Soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex didn’t precipitate or dissolve at pH 1 to 14.Soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex was able to become food additive and nutrition iron supplementary.

soluble soybean polysaccharide－iron(Ⅲ)complex;response surface methodology;physicochemical properties

TS201.1

B

1002－0306(2012)02－0326－05

2011－01－12 *通訊聯(lián)系人

何瑞雪(1987－)，女，碩士，研究方向:食品安全與質(zhì)量控制。

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008A080403009，2008A080403010);中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(20090450873)。