谷朊粉水解物微波輔助螯合鋅工藝研究

高紅梅，丁志剛，楊 婷

(安徽科技學院 食品藥品學院,安徽 鳳陽 233100)

谷朊粉水解物微波輔助螯合鋅工藝研究

高紅梅，丁志剛，楊 婷

(安徽科技學院 食品藥品學院,安徽 鳳陽 233100)

為優化谷朊粉水解物與鋅的螯合工藝，以谷朊粉水解物為原料，七水硫酸鋅作為鋅源，通過單因素實驗與正交實驗研究了谷朊粉水解物與鋅離子質量比、微波螯合時間、微波螯合功率、反應液pH對螯合反應的影響。經研究確定最佳螯合條件為：微波螯合功率為350W，微波螯合時間為8min，谷朊粉水解物與鋅離子質量比為3∶1，反應液pH為8.0，該條件下螯合率為74.2%。

谷朊粉水解物；鋅；微波；螯合

谷朊粉是以小麥為原料，經過深加工提取的一種淡黃色粉狀的天然谷物蛋白，含有人體必需的多種氨基酸[1]。谷朊粉中脂肪、糖含量較低，鈣、磷、鐵含量均較高，尤其是鈣含量遠遠大于雞蛋、牛肉等食品，完全符合人們對健康膳食結構的要求[2]。鋅是人體必需的微量元素之一，它參與人體內三百余種酶和功能蛋白的組成，對代謝活動起著重要的調節作用，與人體的生長發育、智力發育、免疫功能、脂質代謝等有著密切關系。雖然自然界中鋅源十分豐富，但由于鋅在人體內吸收代謝受種種因素的限制，人類膳食中鋅相對缺乏并不罕見，嬰幼兒、老人、妊娠期婦女的鋅缺乏已被廣泛研究[3]。朱璘[4]等人研究表明，有機螯合鋅能增強免疫低下小鼠的非特異免疫功能和特異性細胞免疫及體液免疫功能，與無機鋅相比有機鋅吸收利用率更高。氨基酸螯合鋅是第三代微量元素添加劑，由鋅離子與氨基酸按一定的物質的量比形成的共價化合物，它是一類具有獨特環狀結構的螯合物，集氨基酸與鋅元素于一體,是一種類似動物體內吸收形式和生物功能形式的鋅元素添加劑[5-6]。本研究在堿性蛋白酶的水解下得到谷朊粉水解物，并加入七水硫酸鋅得到螯合物，以螯合物和螯合率為指標通過試驗得到微波輔助的最佳螯合工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

谷朊粉 江蘇徐州得隆生物科技有限公司；堿性蛋白酶 200000U/g，中國醫藥集團上海試劑公司；七水硫酸鋅 AR國藥集團化學試劑有限公司；硫化鈉 AR,上海統亞化工科技發展有限公司；乙二氨四乙酸二鈉 BR，國藥集團化學試劑有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

KDL-20低速離心機 科大創新股份有限公司中佳分公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；79-1磁力加熱攪拌器 江蘇金壇市金城國盛實驗儀器廠；WD700G型微波爐 佛山市順德區格蘭仕微波爐電器有限公司；KQ5200DB 數控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 研究方法

1.3.1 谷朊粉水解物的制備 稱取50g谷朊粉用蒸餾水溶解并定容至1000mL→在200W功率下超聲作用20min(形成懸浮液)→90℃水浴20min→冷卻至60℃→調節pH值為8.5→加堿性蛋白酶水解(期間用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCL維持pH穩定)→滅酶活(沸水浴5min)→冷卻→離心分離(3500r/min離心10min)→取上清液→濃縮干燥→谷朊粉水解物[7-8]。

1.3.2 螯合物的制備工藝 稱取一定量的谷朊粉水解物于500mL大燒杯中→用蒸餾水溶解→加入一定量的硫酸鋅溶液→調節pH值→微波輔助作用→離心分離(3500r/min離心15min)→獲得沉淀→無水乙醇洗滌抽濾2～3次→少量乙醚洗滌抽濾→100℃烘干→螯合物。

1.3.3 試驗設計 以螯合率為指標，分別考察谷朊粉水解物與鋅離子質量比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1)、微波螯合時間(4min、6min、8min、10min、12min)、微波螯合功率(70W、210W、350W、560W、700W)和pH(6.0、7.0、8.0、9.0、10.0)4個因素對螯合物制備的影響，找出各因素的最佳作用范圍。進行單因素試驗時擬定基礎條件為水解物與鋅離子質量比3∶1、微波螯合時間8min、微波螯合功率350W和pH7.0。在研究相關單因素時只改變此因素水平值，其他因素按基礎條件值固定不變，在研究下一單因素時，已研究的單因素取最優值進行試驗。

在單因素試驗的基礎上，選擇對螯合率影響較大的因素，利用L9(34)正交試驗，確定最佳螯合工藝條件。

1.3.4 螯合率的測定 準確移取谷朊粉水解物螯合液5mL于50mL容量瓶中，定容，搖勻，用EDTA絡合滴定法測定鋅離子的總量；另移取螯合液5mL于燒瓶中濃縮至近干，加入15mL無水乙醇離心分離，將所得沉淀用水溶解定容在50mL容量瓶中，定容，搖勻。用EDTA絡合滴定法測定螯合態鋅離子的含量[9-10]。EDTA絡合滴定：準確移取20mL試液于錐形瓶中，加兩滴二甲酚橙指示劑，滴加質量分數為20%的六亞甲基四胺至溶液呈現穩定的紫紅色，再加4mL六亞甲基四胺。用EDTA滴定，當溶液由紫紅色轉變為黃色時為滴定終點。鰲合率按下式計算：

V1——滴定螯合態鋅離子所消耗的EDTA溶液體積(mL)；

V0——滴定全部鋅離子所消耗的EDTA溶液體積(mL)。

1.3.5 數據處理方法 正交試驗及方差分析用Microsoft Excel 2003。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 谷朊粉水解物與鋅離子質量比對螯合率的影響 水解若不充分則對后面的實驗有較大的影響。本實驗在谷朊粉水解時用的是堿性蛋白酶，因為經查找資料顯示堿性蛋白酶水解效果明顯[11-12]，所以為了使試驗的有較明顯的鰲合率采用了堿性蛋白酶來水解。

按照方法1.3.3中基礎條件，研究谷朊粉水解物與鋅離子質量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1時對螯合率的影響，結果如圖1所示。

由圖1可知，谷朊粉水解物與鋅離子質量比對螯合反應的影響很大。若比值過大，谷朊粉水解物的利用率下降，造成原料浪費；比值過小時，螯合率較高，但螯合物得率較低。當谷朊粉水解物與鋅離子質量比為3∶1時，螯合率最大，故確定后續單因素試驗中谷朊粉水解物與鋅離子質量比為3∶1。

2.1.2 微波鰲合時間對鰲合反應的影響 按照方法1.3.3中基礎條件，研究微波螯合時間為4min、6min、8min、10min、12min時對螯合率的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著微波鰲合時間的增加螯合率呈增加趨勢，當螯合時間增加到8min時螯合率達到最大值。隨后微波處理時間延長螯合率反而出現降低，這可能是由于微波能量過高時，導致反應體系內部過熱，而不能及時散失的熱量使螯合物發生解離，從而使螯合率出現下降。鑒于此，在反應中應合理控制微波處理時間，以達到較好的螯合效果。

2.1.3 微波鰲合功率對鰲合反應的影響 按照方法1.3.3中基礎條件，研究微波螯合功率為70W、210W、350W、560W、700W時對螯合率的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，在一定功率范圍內，隨著微波功率的提高螯合率也會隨之增加，當功率增大到350W時，螯合率達最大值。當功率再繼續增加時，螯合率反而下降，這主要是由于螯合反應所需能量足夠時，再增加能量會導致反應體系熱能過高，不利于穩定體系的形成。因此，綜合考慮采用350W的微波功率進行螯合時，效果最佳，產物也最穩定。

2.1.4 不同pH對鰲合反應的影響 按照方法1.3.3中基礎條件，研究反應體系pH為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0是對螯合率的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，在所選pH范圍內，pH對微波鰲合反應有一定的影響，隨著pH的增加有助于提高鰲合率，但當pH增加到一定值時，鰲合率則隨之減少。其原因可能是在酸性條件下，氨基酸的α-氨基帶正電荷，導致無電子對與鋅離子配位而使螯合率較低；而當體系呈堿性時，導致鋅離子易生成氫氧化鋅沉淀，而使得多肽螯合所需的鋅嚴重不足，影響了螯合反應的進行，螯合率過低。隨著pH的改變螯合物得率的改變范圍不大故確定螯合反應的最佳pH為8.0，后續的正交試驗將不再做為因素進行研究。

2.2 正交試驗結果

通過單因素試驗結果，選取谷朊粉水解物與鋅離子質量比、微波鰲合時間和微波鰲合功率三個因素進行正交試驗。設計正交試驗因素水平組合如表1所示。正交試驗結果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交實驗結果

由表2結果可知，影響螯合物得率的因素主次順序為A>C>B，即谷朊粉水解物與鋅離子質量比對螯合率的影響最大，微波鰲合功率對螯合率的影響次之，微波鰲合時間對螯合率的影響最小。正交試驗理論最佳螯合條件為A3C2B2組合，此組合在正交試驗中并未出現,因此進行相應驗證試驗。經驗證試驗得A3C3B2試驗條件下產物螯合率為72.8；A3C2B2試驗條件下產物螯合率為74.2，故確定A3C2B2組合為最佳試驗條件，即谷朊粉水解物與鋅離子質量比為3∶1，微波鰲合時間為8min，微波鰲合功率為350W。

3 結論

經研究確定，谷朊粉堿性蛋白酶水解物與七水硫酸鋅在微波下輔助作用下進行鰲合，可保持較高的螯合率，相比于其它保溫螯合工藝可明顯縮短生產時間，提高生產效率，為谷朊粉水解物螯合鋅的制備奠定了理論基礎。最佳螯合工藝條件為：谷朊粉水解物與鋅離子質量比為3∶1,微波鰲合時間為8 min，微波鰲合功率為350W，反應液pH為8.0，螯合率達74.2%。

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(責任編輯：李孟良)

Research of Chelating Process of Gluten Flour Hydrolysates with Zinc under Microwave Radiation

GAO Hong-mei, DING Zhi-gang, YANG Ting

(College of Food and Drug Engineering，Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100,China)

The chelation process of gluten hydrolyzate with zinc was optimized by single factor design and orthogonal experiment.The effect of the mass ratio of gluten flour hydrolysates to zinc ,reaction time, microwave power, and pH value on chelate reaction was investigated. The optimum condition was obtained as follows: microwave power was 350 W, radiation time was 8 min, the mass ratio of gluten flour hydrolysates to zinc was 3∶1, the pH value was 8.0, and the chelated percent was 74.2 % under the reaction condition.

Gluten flou hydrolyses; Zinc; Microwave;Chelation

2014-11-13

安徽省教育廳科研課題(KJ2013Z043；KJ2012B060)。

高紅梅(1978-)，女，黑龍江省雙城市人，碩士，實驗師，主要從事食品營養與加工研究。

TS201.2+1

A

1673-8772(2015)01-0039-05