水溶性大豆多糖-铁(Ⅲ)配合物的制备及其理化性质研究

何瑞雪，高文宏，朱思明

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)

水溶性大豆多糖-铁(Ⅲ)配合物的制备及其理化性质研究

何瑞雪，高文宏，朱思明*

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)

研究了水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的制备工艺，采用响应面法二次回归正交旋转组合方案，分析了水溶性大豆多糖与铁离子的质量比、pH和反应时间对铁离子络合量及络合率的影响。结果表明，其最佳制备工艺为:质量比1.03∶1、pH 4.76、反应时间5h。在此条件下，水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物中铁离子的络合量为857.32mg/g，络合率为88.30%，配合物的得率为45.37%。水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)溶于水，在pH 1～14范围内不沉淀、不水解。水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)有望开发成强化铁的食品添加剂和营养型口服补铁剂。

水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物，响应面法，理化性质

铁是人体内必需的微量元素之一，是血红蛋白和肌红蛋白的核心部分，细胞中许多有重要功能的酶也都含有铁，其是人体许多正常生理过程中不可缺少的物质。缺铁性贫血(IDA)是世界上最常见的疾病之一，严重威胁着人类健康［1－2］。临床上常用的补铁剂主要为硫酸亚铁等无机铁，虽然含铁量较高，吸收较好，在一定程度上可以缓解铁缺乏和贫血症状，但其常伴有胃肠刺激和锈味等副作用，生物利用度低，化学稳定性差［3］。研究表明，以多糖为载体，配合三价铁离子后形成的多糖铁配合物，与传统的无机补铁剂相比，具有水溶性稳定、易吸收、无锈味、无肠道刺激、无毒性、定向十二指肠吸收等优点，符合理想的口服补铁剂的国际标准，是一种值得研究开发的新型补铁剂［4］。水溶性大豆多糖(SSPS)是从豆科大豆子叶部分用热水浸取所得水溶性多糖类物质，是以鼠李半乳糖醛酸和高聚半乳糖酸为主链，半乳聚糖和阿拉伯糖为侧链结合的结构体，结构类似果胶［5－9］，不但具有膳食纤维所具有的功能特性，还具有许多其他优越的功能特性，如乳化及乳化稳定性、抗氧化性、抑菌性等。SSPS属酸性多糖，糖分子含有羟基和羧基等亲核能力强的供电子基，易与金属离子配合。本工作拟以SSPS为载体，与三价铁进行配合反应，采用响应面法优化制备工艺，以期开发一种新型的补铁剂，进一步扩大SSPS的应用领域。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

水溶性大豆多糖 广州华汇生物实业有限公司，水分≤7.0%，粗蛋白质≤8.0%，粗灰分≤10.0%;三氯化铁、抗坏血酸、邻菲罗啉、硫酸亚铁胺、盐酸羟胺、无水乙醇、盐酸、乙酸钠、乙酸、氢氧化钠、硫酸亚铁、丙酮 均为AR级。

TU－1901双光束分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;PHSJ－4A型实验室pH计 上海精密科学仪器有限公司;CR22G高速冷冻离心机 日本日立集团。

1.2 实验方法

1.2.1 铁离子络合量及络合率的测定 称取0.100g水溶性大豆多糖，溶于100.0mL一定pH的溶液中，溶解后在匀速搅拌下缓慢滴加入一定浓度的三氯化铁溶液，使之连续反应一定时间后，乙醇醇析，取上清液用邻菲罗啉分光光度法［10］于510nm处测其溶液中Fe3+的残余量。根据反应前后溶液中Fe3+浓度的变化，络合量Q计算公式如下:

Q=V(c0－c)/m1

式中，V为反应体系溶液的体积(mL);c0、c分别为反应前后溶液中Fe3+的质量浓度(mg/mL);m1为水溶性大豆多糖的加入量(g);Q为络合量(mg/g)。

络合率的计算公式如下:

q=V(c0－c)/m2

式中，V为反应体系溶液的体积(mL);c0、c分别为反应前后溶液中Fe3+的质量浓度(mg/mL);m2为铁离子的加入量(g);q为络合率(%)。

1.2.2 三因素二次回归正交旋转组合设计 在前期探讨了质量比、pH、反应时间、乙醇醇析时间各单因素对铁离子络合量及络合率影响的基础上，对SSPS与Fe的质量比(X1)、pH(X2)和反应时间(X3)三个因素设计三因素二次回归正交旋转组合方案，将选择好的参数折算成对应的因子，因素编码见表1。

表1 二次回归正交旋转组合设计因素编码表Table 1 Factors and levels of dual quadratic rotary combination design

1.2.3 水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的合成 准确称取1.030g水溶性大豆多糖，溶于一定的pH溶液中，溶解后在搅拌状态下滴加入含铁1.000g、浓度为0.484g/mL的FeCl3溶液，保持在一定的pH条件下连续反应3h，用无水乙醇将产品沉淀出来，离心分离，再用无水乙醇和丙酮洗涤沉淀后，干燥得水溶性大豆多糖—铁(Ⅲ)配合物。

1.2.4 水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的理化性质研究 SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的稳定性实验:取少量SSPS－Fe(Ⅲ)配合物溶于水，慢慢滴加亚铁氰化钾溶液，振荡试管，观察现象。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的水解实验:将 FeCl3、FeSO4、SSPS－Fe(Ⅲ)分别溶于蒸馏水，配制成浓度为0.01mol/L(SSPS－Fe(Ⅲ)中Fe浓度为0.01mol/L)的铁溶液，各准确量取20mL，分别用0.1mol/L的NaOH溶液滴定，同时用酸度计测定溶液的pH，观察现象。

2 结果与讨论

2.1 水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物制备工艺回归模型的建立

以质量比(X1)、pH(X2)、反应时间(X3)为自变量，以铁离子的络合量Q及络合率q为响应值Y1、Y2，响应面实验设计及结果见表2。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

利用Design－Expert 7.1.6软件对表2实验数据进行回归拟合后，得到铁离子的络合量Y1及络合率Y2对质量比(X1)、pH(X2)、反应时间(X3)的二次回归模型方程如下:

对23个实验点的响应值进行回归分析，方程的回归方差分析表见表3、表4。

由表3可以看出，建立的模型Prob＞F值小于0.0001，说明模型极显著。X1、X2、X3、X1X2、、项对铁离子的络合量影响显著。失拟项Prob＞F值为0.7838，不显著，且模型的相关系数R2为0.9967，说明该模型拟合程度良好，实验误差小，可以用此模型来分析和预测水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的合成工艺结果。

由表4可以看出，建立的模型Prob＞F值小于0.0001，说明模型极显著。X1、X2、X3、、项对铁离子的络合率影响显著。失拟项 Prob＞F值为0.0751，不显著，且模型的相关系数R2为0.9927，说明该模型拟合程度良好，实验误差小，可以用此模型来分析和预测水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的合成工艺结果。

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

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

2.2 响应曲面图分析

图1显示了质量比、pH和反应时间3个因素之一取0水平时，其他2个因素对于铁离子络合量的影响。从图1中可以看出，在实验范围内，铁离子的络合量随铁离子用量的增加而增加，随pH的增大先增加后减少，随反应时间的增加而缓慢增加。且pH与质量比对络合量的影响要明显强于反应时间。由络合量回归方程的方差分析还可得到质量比与pH对络合量的影响有交互作用。

图2给出了质量比、pH和反应时间3个因素之一取0水平时，其他2个因素对于铁离子络合率的影响。从图2可以看出，在实验范围内，铁离子的络合率随铁离子用量的增加而减少，随pH的增大先增加后减少，随反应时间的增加而缓慢增加。且pH与质量比对络合率的影响要明显强于反应时间。由络合率回归方程的方差分析还可得到3个因素对络合率的影响都没有交互作用。

综上所述，3个因素对铁离子络合量及络合率影响的大小顺序依次是pH＞质量比＞反应时间。

利用Design－Expert 7.1.6软件对水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的合成工艺条件进一步优化，得出了铁离子的络合量与络合率较高的条件为SSPS与Fe的质量比1.03∶1、pH 4.76、反应时间5h。

2.3 模型验证

为了验证模型的可靠性，采用上述优化条件进行水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的合成。在此条件下做5次重复实验，结果见表5。

表5 模型验证结果Table 5 Validated results of model

由表5可知，预测值与实际值接近，因此，通过响应面优化法得到的SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的合成工艺可以用来指导实际生产。

图1 SSPS－Fe(Ⅲ)中铁离子络合量的响应曲面图Fig.1 Response surface graph of amount graph of iron in SSPS－Fe(Ⅲ)

2.4 水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物的理化性质

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物为棕褐色粉末，无臭，溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的稳定性:在SSPS－Fe配合物的水溶液中滴入亚铁氰化钾溶液，结果不显示Fe3+的特征反应，这表明游离的Fe3+浓度极小，不能被检测出来，说明Fe3+基本上形成了SSPS－Fe(Ⅲ)的稳定配合物。

SSPS－Fe(Ⅲ)配合物的水解:FeCl3开始混浊时的pH为2.65，出现大量混浊时的pH为6.72;FeSO4开始浑浊时的pH为3.35，出现大量浑浊时的pH为6.79;SSPS－Fe(Ⅲ)配合物在pH 1～14范围内不沉淀、不水解。

3 结论

3.1 通过响应面法优化水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)的制备工艺，得到最佳工艺参数为:SSPS与Fe的质量比1.03∶1、pH 4.76、反应时间5h，在此条件下水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物中铁离子的络合量为857.32mg/g，络合率为 88.30%，配合物的得率为45.37%。

3.2 水溶性大豆多糖－铁(Ⅲ)配合物为棕褐色粉末，无臭，溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂，其水溶液中基本不存在游离的Fe3+，在pH 1～14范围内不沉淀、不水解。水溶性大豆多糖与铁(Ⅲ)可以形成稳定的配合物，有望将其开发成强化铁的食品添加剂和营养型口服补铁剂。

图2 SSPS－Fe(Ⅲ)中铁离子络合率的响应曲面Fig.2 Response surface graph of rate of iron in SSPS－Fe(Ⅲ)

［1］UNICEF.The state of the world children 2001［M］.New York: UNICEF Publications，2001.

［2］WHO.Maternal health and safe motherhood program［A］.The prevalence ofanemia in women:a tabulation ofavailable information［C］.2nd，Geneva:WHO，1992.

［3］孙丙政，等.口服补铁剂及多糖铁络合物的研究进展［J］.微量元素与健康研究，2009(5):64－67.

［4］陈国庆，先宏.植物多糖类铁复合物的研究进展［J］.重庆中草药研究，2009(2):35－38，42.

［5］谭永辉，王文生，秦玉昌，等.豆渣中水溶性大豆多糖的提取与应用［J］.大豆科学，2008，27(1):151－153.

［6］赵国志，刘喜亮，刘智锋.水溶性大豆多糖类开发与应用［J］.粮食与油脂，2006(8):15－17.

［7］Jun Li，Shinya Matsumoto，Akihiro Nakamura，etal. Characterization and functional properties of Sub－Fractions of soluble soybean polysaccharides［J］.Biotechnology，2009，73 (12):2568－2575.

［8］L K Karr－Lilienthal，C T Kadzere，C M Grieshop，et al. Chemical and nutritional properties of soybean carbohydrates as related to nonruminants:A review［J］.Livestock Production Science，2005，97:1－12.

［9］Carel T M Fransen，Sinmon R Haseley，Miranda M H，et al. Studies on the structure of a lithium－treated soybean pectin: characteristicsofthe fragments and determination ofthe carbohydrate substituents ofgalacturonic acid［J］.Carbohydrate Research，2008，328:539－547.

［10］王花，樊君，汤春妮，等.大枣多糖铁复合物的制备及表征［J］.中成药，2009，31(10):1584－1587.

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

HE Rui－xue，GAO Wen－hong，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 *通讯联系人

何瑞雪(1987－)，女，硕士，研究方向:食品安全与质量控制。

广东省科技计划项目(2008A080403009，2008A080403010);中国博士后基金资助项目(20090450873)。