水解法提取木聚糖工艺条件的正交实验

张红丽,何寿林

(武汉工程大学湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室,湖北 武汉 430074)

0 引 言

我国是一个农业大国,而玉米是我国三大粮食作物之一.据统计,我国年产玉米1.1～1.3亿吨,副产约2 000万吨玉米芯.玉米芯中纤维素占32%～36%,半纤维素占35%～40%,木质素占25%,其次还含有少量灰分等[1],其中半纤维素的主要成分是木聚糖[2].

木聚糖是一种五碳醛糖,为无色至白色结晶或针状粉末,不易被人体消化吸收、低热值,不易被腐败菌发酵,具有明显的双歧杆菌活性[3],能够起到调节人体生理功能,增加机体免疫力,预防疾病发生等作用.木聚糖与其它种类低聚糖相比,具有用量少、耐热、耐酸、耐储存等特性.因此,它广泛应用于酸性、需高温处理的食品中,且少量添加即可具有特定的保健功效[4-5].它还广泛应用于农业和饲料工业等方面.此外,木聚糖通过酶解可制备低聚木糖[6],低聚木糖有促进肠道内有益菌群的增值,抑制病原菌生长,防止腹泻、便秘,增强肌体免疫力,抵抗肿瘤、分解致癌物和促进人体对钙的吸收等功能,以及耐热、耐酸和难发酵等特点,是目前最好的一种功能性低聚糖[7-8].

因此,以玉米芯为原料,对木聚糖的提取工艺进行优化,为低聚木糖的制备奠定了基础,也为玉米芯资源的开发、利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

外购普通玉米芯,标准分析纯木糖(武汉三仁科技有限公司),DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(上海东玺制冷仪器设备有限公司),752型紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),离心机.

1.2 方法

1.2.1 木聚糖的提取 将玉米芯洗净、烘干、粉碎至粒径大约4.75 mm,经酸预处理后,将玉米芯水洗至pH为6待用.用NaOH溶液浸提预处理后的玉米芯,达到一定时间后取出离心分离得到上清液.将上清液调pH值到4.2,置于冰箱低温静置结晶过夜后,离心得沉淀木聚糖A.再将离心后上清液用3倍工业酒精(95%)沉淀,离心得沉淀木聚糖B.合并沉淀AB后用蒸馏水洗涤呈乳白色于37 ℃烘干为木聚糖.各实验重复3次,试验结果取平均值.

1.2.2 木聚糖的测定 取干燥后的木聚糖粉末,加入一定量的质量分数8%的H2SO4,于100 ℃水解2 h,用NaOH中和后定容至100 mL.采用紫外可见分光光度计测定在500 nm吸光度.由所测吸光度大小在木糖标准曲线上查找相应质量浓度,计算木糖质量后将其乘以木聚糖聚合系数0.9作为木聚糖质量.木聚糖提取率由(1)式计算.

提取率(%)=m/M

(1)

式中:M——玉米芯质量,g;m——木聚糖质量,g.

1.2.3 木糖标准曲线绘制[5]准确称取0.10 g标准木糖,加水溶解后,定容至100 mL,摇匀,备用.分别取标准木糖液0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mL,置于25 mL比色管中,加水至 1.0 mL,再加入3 mL DNS溶液.在沸水浴中蒸煮5 min,立即冷却,定容后摇匀.采用紫外可见分光光度计测定在500 nm吸光度 (图1).

图1 木糖标准曲线

由图1可得木糖质量浓度y与吸光度x的回归方程y=0.927 7x-0.042 3,相关系数R2=0.989 9,木糖质量浓度为0.2～1.0 mg/mL时,与吸光度有着良好的线性关系.

2 结果与分析

2.1 浸提单因素试验

2.1.1 浸提时间对木聚糖提取率的影响 用质量分数10%的NaOH溶液于100 ℃下(固液质量比为1∶20)分别浸提玉米芯80 min、90 min、100 min,测木聚糖的含量,结果如图2所示.由图2可见木聚糖的提取率90 min为好,高于100 min后木聚糖部分水解损失,致使木聚糖提取率较低.但低于90 min木聚糖溶出不充分使提取率过低.综合考虑碱处理时间90 min较合适.

图2 碱处理时间对木聚糖提取率的影响

2.1.2 固液比对木聚糖提取率的影响 用质量分数10%的NaOH溶液,将固液质量比分别调整为1∶10、1∶20、1∶30于100 ℃下浸提玉米芯90 min,测木聚糖的含量,结果如图3所示.由图3可知木聚糖的提取率随着固液比的增加有所增加,固液比为1∶10时,没有足够量的NaOH进入玉米芯中使其充分溶胀,因而木聚糖不能充分溶出,造成木聚糖提取率偏低.但高于1∶20时,会导致提取液较多,提取成本加大,综合考虑固液比以1∶20较合适.

图3 固液比对木聚糖提取率的影响

2.1.3 碱浓度对木聚糖提取率的影响 分别用质量分数5%、10%、15%的NaOH溶液(固液质量比为1∶20)于100 ℃提取90 min,测木聚糖的含量,结果如图4所示.由图4木聚糖的提取率随着NaOH质量分数的增加而加大,但浓度过高易造成木聚糖的水解,使还原糖的量随着增加,且提取液的颜色比较深,会造成脱色成本加大,这对木聚糖的提取不利.而采用质量分数5%的NaOH提取,木聚糖提取率较低.综合考虑质量分数为10%较合适.

图4 碱浓度对木聚糖提取率的影响

2.1.4 浸提温度对木聚糖提取率的影响 用质量分数10%的NaOH溶液(固液质量比为1∶20)分别在80 ℃、90 ℃、100 ℃提取90 min,测木聚糖的含量,结果如图5所示.木聚糖的提取率随着提取温度的增加而加大,碱处理温度为100 ℃时木聚糖提取率最高,故适当的提高温度对木聚糖的提取会有利,但高于100 ℃后木聚糖提取液颜色较深,且过高温度会致使木聚糖过度降解并产生对人体有害的糠醛,对木聚糖的提取不利,但温度过低时,玉米芯中木聚糖溶出不充分.综合考虑取100 ℃较合适.

图5 浸提温度对木聚糖提取率的影响

2.2 正交试验确定最佳提取工艺

正交实验采用4因素3水平确定最佳提取工艺.考察因素为浸提时间A、固液比B、碱液浓度C和浸提温度D.采用玉米芯中木聚糖提取率来对实验结果分析.具体方案和结果见表1.

表1 表1 正交试验结果

由表1中计算结果可知,各因素影响程度依次为:碱质量分数C>浸提温度D>浸提时间A>固液比B.最佳组合为:浸提时间100 min、固液比1∶20、碱液浓度10%、浸提温度80 ℃.试验采用固液比较大,对试验结果影响较小,为减少提取费用可取1∶10.

设xA为碱处理时间、xB为液固比、xC为碱液浓度、xD为碱处理温度,用最小二乘法对表1中的实验数据进行回归拟合,可得到回归方程(2).方程(2)在浸提时间94 min、固液比1∶21、碱液浓度6%、浸提温度91 ℃获得最大木聚糖提取率20.35%,其结果与正交试验结果分析一致.

3 结 语

水解法提取玉米芯中木聚糖工艺简单可行.在单因素试验基础上,采用正交试验对玉米芯中木聚糖提取条件进行了优化.用最小二乘法对正交实验数据进行回归拟合,对拟合方程进行分析,其结果与正交试验结果吻合.水解法提取木聚糖最佳工艺条件为:浸提时间94 min、固液比1∶21、碱液质量分数6%、浸提温度91 ℃,在该条件下获得最大木聚糖提取率20.35%.

参考文献:

[1]王关斌,赵光辉,李俊平.玉米芯资源的综合利用[J].食品与药品,2006,8(01A):55-57.

[2]张培刚,张静文,张凤清,等.玉米心中低聚木糖的定性定量研究[J].食品科学,2009,30(19):125-127.

[3]姜竹茂,尹吉增,陈英乡.低聚木糖与人体肠道有益菌[J].中国乳品工业,2009,37(2):42-44.

[4]李慧静,林杨,杨雪芹,等.玉米芯蒸煮法提取木聚糖的优化工艺研究[J].食品研究与开发,2007,28(5):80-83.

[5]邵佩兰,朱小红,徐明,等.用蒸煮法从玉米芯提取木聚糖的研究[J].宁夏农学院报,2002,23(1):37-38.

[6]丁长河,侯丽芬,李里特,等.低聚木糖的生产和应用[J].现代食品科技,2005，21(1):167-169.

[7]杨书燕,徐春梅,邬敏辰.用玉米芯酸梅法制备低聚木糖的研究[J].安徽农业科学,2007,35(12):3651-3653.

[8]舒国伟,张璐,刘谕,等.玉米芯中提取木聚糖的研究[J].甘肃农业大学学报,2008,43(2):131-135.