牟丹，钱海峰，谭志刚，张晖，王立

（江南大学食品学院与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡 214122）

植酸(phytic acid)亦称环己六磷酸酯，其分子式为C6H18O24P6，分子量为660.04，易溶于水、乙醇和丙酮，几乎不溶于乙醚、苯和氯仿[1]。植酸作为螯合剂、抗氧化剂、保鲜剂、护色剂、发酵促进剂、金属防腐蚀剂等，广泛应用于食品、日用化工、金属加工、纺织工业及印刷工业等领域[2-3]。植酸同时具有多种生理功能，如防治糖尿病、预防肾结石的发生、癌症化疗辅助治疗剂及有益于心脑血管疾病的防治等，因此在医药保健品领域也有广泛应用[4]。植酸纯度的高低直接决定其使用效能的高低。

植酸主要以钾、钙、镁复盐（菲汀）的形式存在于天然植物中，以谷类麸糠、豆类胚乳和玉米胚芽中含量较高。脱脂米糠中菲汀含量高达 10%，是制取植酸的优质原料。关于植酸制备传统的工艺多采用沉淀法[5]，该法操作较为繁琐，产品收率较低。离子交换法[6]是一种新兴的制备方法，近年来多有报道[7-8]。但由于原料成分复杂，用离子交换树脂直接处理稀酸提取液，引入较多杂质致使树脂的再生困难，使用周期缩短，增加了生产成本。

本文综合运用膜分离及离子交换技术对植酸进行了提取及纯化，既减少了提取液中杂质对树脂的损害，又提高了所得植酸的纯度。对于高纯度植酸的实际生产过程具有一定参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脱脂米糠 杭州恒天面粉集团有限公司；离子交换树脂717、732型 国药集团化学试剂有限公司；离子交换树脂D301、D318型 江苏苏青水处理工程集团公司

RW20电动搅拌机 IKA仪器有限公司；L-550低速自动平衡离心机 湘仪离心机仪器有限公司；SHZ-3循环水多用真空泵 上海沪西分析仪器厂；SHY—2A水浴恒温振荡器 江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；Pellicon-2 超滤系统 PALL 公司；HL-2S恒流泵 上海沪西分析仪器厂有限公司；自动部分收集器 上海沪西分析仪器厂；Delta 320酸度计 梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司；层析柱（Φ16 mm×200mm） 上海沪西分析仪器厂；RV10 basic旋转蒸发仪 广东IKA科学仪器有限公司

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 脱脂米糠→酸提→离心→取上清液抽滤→微滤→超滤→阴离子树脂吸附→水洗树脂→NaOH溶液洗脱→植酸钠溶液→阳离子树脂脱盐→植酸稀溶液→浓缩→植酸

1.2.2 树脂预处理 将树脂先用2倍体积的无水乙醇浸泡24h，用去离子水洗至无醇味，再依次用3到4倍体积的5%盐酸、4%氢氧化钠、5%盐酸分别浸泡8h，每次浸泡完毕后分别用去离子水洗至约中性。经上述处理后阴离子树脂转为Cl-型，阳离子树脂转为H+型。

1.2.3 植酸提取液的制取 将过40目筛的脱脂米糠与水以1:8比例混合，用6mol/L的盐酸调pH到2，加入1‰体系质量的NaCl，搅拌浸提2h后，离心（2000r/min，15min）取上清液，以料液比1：1加入去离子水清洗沉淀，离心后将清洗液与上清液合并，抽滤，将滤液依次过孔径为0.45nm的微滤膜、超滤膜，制得植酸提取液[9]。

1.2.4 树脂的选择及树脂的静态实验 以吸附量为指标，分别考察pH、温度、树脂用量对树脂吸附效果的影响，确定最佳树脂种类及该树脂静态吸附的最佳条件、静态吸附量。

表1 树脂的物理参数Table 1 Types and characteristics of ion exchange resins

1.2.4.1 pH对树脂吸附效果的影响 取1g经预处理的树脂于150mL锥形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），调pH为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，在45℃水浴恒温振荡器中震荡8h后过滤，测定滤液中的植酸含量。

1.2.4.2 温度对树脂吸附效果的影响 取1g经预处理的树脂于150mL锥形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH为2.3左右，在温度分别为25、30、35、40、45℃水浴恒温振荡器中震荡8h后过滤，测定滤液中的植酸含量。

1.2.4.3 静态吸附树脂用量的确定 分别称取0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0g树脂于150mL锥形瓶中，加入50mL植酸浸提液（5.9mg/mL），溶液的pH为2.3左右，在45℃水浴恒温振荡器中震荡8h后过滤，测定滤液中的植酸含量。

1.2.5 树脂动态吸附洗脱实验 称取5g经预处理为Cl-型的D318湿树脂，pH调至2.5，湿法装入层析柱中，常温下分别考察吸附流速、洗脱流速及洗脱液浓度对动态吸附洗脱效果及所得植酸纯度的影响，确定动态实验最佳工艺条件。

1.2.5.1 吸附流速的确定 将植酸浸提液（5.9mg/mL）分别以0.5、1.0、1.5、2.0mL/min的流速通过树脂柱进行动态吸附，用自动部分收集器收集流出液，每管10mL，测定植酸含量并绘制吸附曲线，计算吸附率。吸附率=（吸附液中植酸总量-流出液中植酸总量）/吸附液中植酸总量。

1.2.5.2 洗脱流速的确定 树脂经吸附饱和后，用去离子水冲洗柱子至用硝酸银检测流出液无氯离子检出。用1mol/L NaOH溶液分别以0.5、1.0、1.5mL/min流速进行洗脱，用自动收集器收集洗脱液，每管5mL，测定植酸钠含量并绘制洗脱曲线。

1.2.5.3 洗脱液浓度的确定 分别用0.3、0.5、1.0mol/L NaOH溶液，以0.5mL/min流速洗脱已吸附饱和的树脂，用自动收集器收集流出液，每5mL一管，测定植酸钠含量绘制洗脱曲线。

1.2.6 阳离子树脂脱盐及浓缩 将洗脱所得植酸钠溶液以1.0mL/min的流速通过已预处理为H+型的732阳离子交换树脂，得到稀植酸溶液在50℃下减压浓缩得浓度为50%的植酸溶液。

1.2.7 植酸含量的测定 参照GB/T 5009.87—2003钼蓝比色法[10]及三氯化铁滴定法[11-12]。

式中 C—植酸含量（mg/mL），C1—总磷含量（mg/mL），C2—无机磷含量（mg/mL），3.548—有机磷换算成植酸的换算系数。

1.2.8 试验数据处理方法 本文采用origin 8.6软件对数据进行基本处理和作图。

2 结果与分析

2.1 超滤膜的选择

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

由表2可看出，截留分子量为1000u的滤膜虽可去除提取液中90%以上的蛋白，但其超滤效率明显低于 3000u的滤膜，且有部分植酸被截留，因而综合考虑蛋白去除率及超滤效率两方面，确定用截留分子量为 3000u的超滤膜对滤液进行超滤。提取液经超滤除蛋白及大分子物质后再进行树脂吸附，可大大减少对树脂的污染及损耗，延长树脂的使用寿命,并可提高所制植酸的纯度。

2.2 树脂的选择即树脂的静态吸附实验

2.2.1 pH对树脂吸附效果的影响 图1显示了树脂的植酸吸附量随pH的变化情况。随pH的增大，树脂对植酸的吸附量呈下降趋势，pH在2到3之间时，下降趋势逐渐趋于平缓。pH<2时，环境呈现强酸性，植酸根与溶液中大量的氢离子结合，以植酸分子的形式存在于溶液中，而植酸作为一种强酸又非常容易解离出植酸根，因而在强酸性环境中，植酸大量以植酸根离子的形式存在，利于树脂的交换吸附。随pH增大，氢离子相对减少，此时部分植酸根会与提取液中其他阳离子如钙、镁离子结合，而植酸钙植酸镁其解离难度远大于植酸，因而游离的植酸根减少，不利于树脂的吸附，当pH>4时，植酸钙及植酸镁会形成明显的沉淀，使吸附无法进行。加之植酸提取液pH在2.0左右，所以选择pH在2.5左右时作为树脂吸附条件。

图1 pH对树脂吸附效果的影响Fig.1 Effect of pH on absorption of phytic acid

2.2.2 操作温度对树脂吸附效果的影响 温度对树脂吸附植酸的影响见图2。随温度升高，树脂对植酸的吸附量有所增加，但增加趋势不是非常显著，考虑到动态实验操作过程中过的可操作性、难易程度及能耗，所以选择在室温25℃下进行吸附。

图2 温度对树脂吸附效果的影响Fig.2 Effect of temperature on absorption of phytic acid

2.2.3 静态吸附树脂用量的确定 由图3可看出，当树脂用量大于3.5g 时，树脂的吸附数值几乎不再增大， 说明此时溶液中植酸已被完全吸附。因此静态吸附时，3.5g湿树脂即可吸附50mL的植酸提取液。

图3 树脂用量对植酸吸附的影响Fig.3 Effects of the amount of resin on adsorption of phytic acid

由以上静态试验得D318、717、D301三种树脂在pH2.5时其静态吸附量分别为168.1、145.7、83.9mg/g，因而选择D318树脂进行动态实验。

2.3 D318树脂动态吸附洗脱实验

2.3.1 吸附流速的确定 图4和图5显示了不同上样流速下树脂渗漏情况及吸附率的变化情况。由图4可知，上样流速分别为0.5、1.0、2.0mL/min时，树脂吸附饱和即C/C0=1时上样体积分别为460、520、 580mL。由图5可看出，随上样流速增大，吸附率呈下降趋势，当流速大于1mL/min时下降趋势更加明显。随流速增大，树脂吸附饱和时所需上样体积增大，吸附率随之降低。因为，流速越大，样液与树脂接触交换吸附的时间越少，吸附效率降低。而流速越小，虽然样液可与树脂充分接触，但上样时间增加[6]，因而需选择合适的上样流速。综合考虑上样时间和吸附率两方面，选择的上样流速为1.0mL/min。此条件下，动态饱和吸附量为176.98mg/g。

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

图5 吸附流速对树脂植酸吸附率的影响Fig.5 Effect of flow velocity on adsorption rate of phytic acid

2.3.2 洗脱流速的确定 树脂在不同洗脱流速下的洗脱曲线 如图6所示。随洗脱流速的增大，洗脱曲线所覆盖的面积减小，说明洗脱下来的植酸量减少，即洗脱率降低。之所以呈现这一趋势，与洗脱液同树脂之间的接触时间有关。随洗脱流速增大，洗脱所得溶液中氢氧化钠的量增多，增大了后续脱盐中的阳离子树脂用量，因此，选择的洗脱流速为0.5mL/min。

图6 洗脱流速对洗脱效果的影响Fig.6 Effect of flow velocity on desorption of phytic acid

2.3.3 洗脱液浓度的确定 图7显示了洗脱曲线随洗脱液浓度的变化情况。洗脱液氢氧化钠浓度为0.3mol/L时，洗脱曲线有明显的拖尾现象，洗脱时间长，效率较低。洗脱液氢氧化钠浓度为1.0mol/L时的洗脱曲线虽无拖尾现象较集中，但洗脱所得溶液中氢氧化钠含量较高，碱性较强，增大了后续脱盐中阳离子树脂用量。洗脱液氢氧化钠浓度为0.5mol/L时，洗脱曲线无拖尾现象，且洗脱所得溶液中植酸钠含量可达83.74%，因而选择洗脱用氢氧化钠溶液的浓度为0.5mol/L。

图7 洗脱液浓度对洗脱效果的影响Fig.7 Effect of eluention concentration on desorption of phytic acid

2.4 植酸纯度的测定

洗脱所得植酸钠溶液经732阳离子交换树脂脱盐后，经50℃减压蒸发浓缩后得浓度为50%的植酸溶液，经测定其纯度可达85.5%。

3 结论

本研究表明，植酸提取液经截留分子量为 3000u的超滤膜超滤后，能够除去 70.3%的蛋白，可大大减少对树脂的污染及损耗，延长树脂的使用寿命，提高所得植酸纯度。D318树脂对植酸具有较好的吸附洗脱效果，其适宜的吸附pH为2.5左右，常温下即可有较高的吸附量。动态吸附流速为 1mL/min，洗脱液氢氧化钠浓度为 0.5mol/L，洗脱流速为0.5mL/min。其静态及动态饱和吸附量分别为168.1mg/g、 176.98mg/g，得到浓度为50%的植酸产品，纯度达85.5%。

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