响应面法优化稻壳中木聚糖的提取工艺

韩丹妮 谢 定

（长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410114）

响应面法优化稻壳中木聚糖的提取工艺

韩丹妮 谢 定

（长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410114）

为提高稻壳中木聚糖的提取率，稻壳经3%的硫酸预处理后再用碱法进行木聚糖的提取，采用响应面法优化工艺条件，先对提取温度、NaOH浓度、固液比、提取时间4个因素进行单因素试验。根据单因素试验结果设计中心组合试验，以木聚糖提取率为考察指标，采用响应面分析法确定最优工艺参数。结果表明：提取温度69.8℃、NaOH浓度10.7%、固液比1∶13（m∶V）、提取时间5.1h。该条件下，木聚糖提取率可达76.57%。

稻壳；木聚糖；响应面法

木聚糖（xylan）是一种多聚五碳糖，是植物界第二多的生物聚合物。它不仅是最常见的半纤维素，而且是草、谷物等被子植物非纤维素细胞壁多糖的主要组成和结构［1］。在人们开始考虑农业废弃物作为一种重要的可再生资源来解决能源与环境问题时，这类生物聚合物的价值是不可估量的［2］。近年来，由于木聚糖独特的生物活性和生理功能［3］，其在食品、化工、生物、医药和化妆品等众多领域的应用越来越广泛。

在食品工业中，木聚糖与其他纤维原料相比，其营养纤维与胆汁和胆固醇之间特别的互动作用能够提供更高的营养价值［4］，且木聚糖经酵母生物转化后的水解产物——木糖醇［5］，已作为一种具有减肥及防龋齿等功效的甜味剂广泛的在食品市场流通。而木聚糖的水解产物低聚木糖［6］，作为一种功能性低聚糖在食品工业的应用是很具前景的，低聚木糖对pH和温度有高度的稳定性，并且能够选择性地促进双歧杆菌的增值活性、产生不稳定脂肪酸从而降低血清胆固醇含量，现在常将其作为功能性食品的配料而备受关注［7］。目前，中国对木聚糖的提取主要以玉米芯、蔗渣、稻草、小麦麸皮为主，而以稻壳作为原料的研究还比较少，且提取率较低［8，9］。本试验在对稻壳进行预处理后，再采用碱法提取木聚糖，并用响应面法对提取工艺进行了优化，明显提高了木聚糖的提取率。

1 材料和方法

1.1 主要实验材料

稻壳：长沙霞凝粮库提供。将稻壳用清水洗涤2～3遍，除去固体杂质及灰尘，风干后用粉碎机粉碎，过60目筛测定水分后密封备用。

固体氢氧化钠、盐酸（38%）、95%乙醇、3，5－二硝基水杨酸、无水亚硫酸钠、酒石酸钾钠、结晶酚、硫酸（98%）、氨水、双氧水、ClO2等：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器及设备

紫外—可见分光光度计：UV2600，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；

恒温水浴锅：XMTD－4000，北京市光明医疗仪器厂；

精密酸度计：PHS－3C，上海虹益仪器仪表有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DHG－9140A，上海精宏实验设备有限公司；

电子天平：AUY－120，日本岛津公司；

高速离心机：GL－10MD，北京京立离心机有限公司；

低速离心机：LD5－10，北京医用离心机厂。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理 分别取10g稻壳按1∶10（m∶V）的比例分别加入5%氨水、5%双氧水、3%硫酸于121℃高压灭菌锅处理1h，取出后将稻壳洗涤至pH为6.5左右，过滤，85℃ 烘干备用。并以不处理稻壳作对照。

1.3.2 木聚糖粗品提取工艺流程

NaOH处理木聚糖→7 000r/min离心取上清→HCl调pH 至4.2［10］，放置4℃冰箱过夜→7 000r/min离心得沉淀为木聚糖A→上清用3倍体积95%乙醇沉淀1h，4 000r/min离心得木聚糖B→合并沉淀A、B洗涤至乳白色→37℃烘干得木聚糖粗品

1.3.3 木聚糖粗品含量的测定 取木聚糖粗品，加入一定量8%的H2SO4，于100℃水解2h，然后以20%的NaOH溶液中和至pH值7，定容，过滤，再采用DNS法测定滤液中还原糖（木糖）的含量［11］。480nm处测定吸光值，在木糖标准方程中计算出木糖含量。

则木聚糖提取率计算公式为：

式中：

w——木聚糖提取率，%；

0.9 ——木聚糖聚合系数；

m1——所提取的总还原糖含量（木糖含量），g；

m2——绝干原料中木聚糖含量，g。

1.3.4 稻壳各组分测定

（1）水分测定：按照 GB/T 741——2003《纸浆分析试样水分的测定》测定；

（2）灰分测定：按照GB/T 6438——2007《饲料中粗灰分的测定》测定

（3）纤维素、半纤维素、木质素的测定：参考文献［12］的方法测定。

1.3.5 NaOH提取木聚糖单因素试验

（1）NaOH质量浓度的影响：分别取处理后的稻壳2g，按1∶10（m∶V）的固液比分别加入4%，7%，10%，13%，16%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃恒温水浴锅中5h，测木聚糖提取率。

（2）提取时间的影响：分别取处理后的稻壳2g，按1∶10（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃ 恒温水浴锅中，分别提取3，4，5，6，7h，测木聚糖提取率。

（3）提取温度的影响：分别取处理后的稻壳2g，按1∶10（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，分别置于50，60，70，80，90℃恒温水浴锅中，提取5h，测木聚糖提取率。

（4）固液比的影响：分别取处理后的稻壳2g，分别按1∶4，1∶7，1∶10，1∶13，1∶16（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃恒温水浴锅中，提取5 h，测木聚糖提取率。

1.3.6 NaOH提取木聚糖响应面试验 在单因素试验基础上，根据Central－Combination试验设计原理［13］，以木聚糖提取率为响应值，设计4因素3水平响应面分析试验，数据用Design Expert－8.05b（原版）软件分析确定最优工艺参数。

2 结果与分析

2.1 木糖标准曲线

由图1可知，木糖标准曲线为y＝39.747 9x－0.137 2，相关系数R2＝0.999 0，还原糖含量根据该曲线方程计算。

图1 木糖标准曲线Figure 1 The standard curve of Xylose

2.2 不同预处理方法木聚糖提取率的比较

由图2可知，3种不同的溶剂处理后的稻壳木聚糖的提取率都有很大的提高，说明预处理对木聚糖的溶出有很显著作用。且硫酸的处理后的效果更为显著，故本试验采用3%硫酸121℃处理稻壳1h后再用碱法提取木聚糖。

图2 不同预处理方法木聚糖提取率的比较Figure 2 Comparison of different pretreatment methods on the yield of xylan

2.3 响应面法优化木聚糖的提取工艺

2.3.1 响应曲面试验结果 通过单因素试验得出响应面试验的因素及水平见表1。

根据CCD设计原理进行4因素3水平试验，以提取率（Y）为响应值，试验结果见表2。

表1 试验因素水平表Table 1 Experimental factors and levels

表2 Central－Composite试验设计及结果Table 2 Experimental design and results of the Central－Composite

2.3.2 响应曲面试验分析

（1）回归方程的建立及方差分析：回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析†Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

利用Design－expert软件对试验结果进行二次多元回归拟合，自变量（A、B、C、D）对响应值（Y）的影响可用回归方程表示：

方差分析显示回归方程的P值＜0.000 1，表明模型高度显著；而失拟项不显著（P＝0.065＞0.05），说明回归方程的拟合程度很好，表明残差由随机误差产生，且不存在模型拟合不足的现象，因此该响应面能够较真实地反映实验结果。比较各因素的均方值（均方值越大表明对试验指标的影响越大），可得所选4因素对木聚糖提取率（Y值）的影响主次关系：B＞D＞A＞C，即NaOH浓度＞提取时间＞提取温度＞固液比。

（2）响应面及等高线分析结果：响应面图是根据回归方程绘制的，是响应值在各试验因素交互作用下得到的结果构成的一个三维空间曲面［14］，可以预测和检验变量的响应值以及确定变量相互作用的关系。图3反应的是提取温度与固液比之间的交互作用、图4反应的是提取温度与NaOH浓度之间交互作用。根据响应曲面和等高线图的形状可以看出，以上两个因素之间的交互作用对响应值木聚糖提取率的影响较大，其他因素之间交互作用的影响不显著。

图3 处理温度和固液比对木聚糖得率交互影响的响应面和等高线图Figure 3 Response surface and contour plots showing the effects of extraction temperature and solid－to－liquid ratio on the yield of xylan

由图3可知，在提取温度65～75℃，固液比1∶11～1∶14的范围内，木聚糖的提取率较大，两因素的交互作用较显著。由图4可知在提取时间4.5～5.5h，NaOH浓度9%～12%的范围内，木聚糖的提取率较大，两因素的交互作用较显著。对模型进一步分析，对回归方程求解，得到试验预测的最佳条件：提取温度为69.81℃，NaOH浓度10.7%，固液比为1∶12.96，提取时间为5.13h，木聚糖提取率达到76.57%。

2.3.3 验证实验 为确定各因素的最佳取值，采用预测得到的最优工艺条件，并考虑实际操作的便利，将最优工艺条件修正为处理时间5.1h、固液比1∶13（m∶V）、NaOH浓度为10.7%、处理温度69.8℃，木聚糖得率74.41%。与预测值比较后可知，用该回归方程来分析和预测稻壳中木聚糖的提取率是可信的。

图4 处理时间和碱液质量浓度对木聚糖得率交互影响的响应面和等高线图Figure 4 Response surface and contour plots showing the effects of extraction time and NaOH concentration on the yield of xylan

3 结论

（1）采用5%氨水、5%双氧水、3%硫酸3种不同溶剂在121℃条件下处理稻壳，然后通过碱法提取木聚糖，经比较，采用硫酸处理对木聚糖的提取率的提高效果最为显著。

（2）在此基础上通过单因素试验，运用响应面分析法对碱法提取稻壳中木聚糖工艺进行优化。得到最优工艺条件：提取温度为69.8℃，NaOH 浓度10.7%，固液比为1∶13（m∶V），提取时间为5.1h，在此条件下木聚糖提取率可达76.57%。从而为高效利用稻壳制备低聚木糖等功能性低聚糖提供了依据。

1 Elquio E O，Acarília E S，Toshiyuki N J.Xylan from corn cobs，a promising polymer for drug delivery：Production and characteriza－tion［J］.Bioresource Technology，2010，101（14）：5 402～5 406.

2 Kim S，Dale B.Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues［J］.Biomass ＆ Bioenergy，2003（26）：36～375.

3 EbringerováA，Heinze T.Xylan and xylan derivatives－biopolymers with valuable properties.Part.Naturally occurring xylans structures，isolation procedures and properties［J］.Macromolecular Rapid Communications，2000，21（9）：542～556.

4 Sedlmeyer F.Xylan as by－product of biorefineries Characteristics and potential use for food applications［J］.Food Hydrocolloids，2011，21：1 891～1 898.

5 Kim S Y，Kim J H.Evaluation of xylitol production from corn cob hemicellulose hydrolysate by Candida parapsilosis［J］.Biotechnology Letters，1999，21：891～895.

6 Debora N，Anna E，Daniel M.Autohydrolysis of agricultural byproducts for the production of xylo－oligosaccharides［J］.Carbohydrate Polymers，2007（69）：20～28.

7 Parajo J，Garrote J Gruz M，Dominguez M.Production of xylooligosaccharides by autohydrolysis of lignocellulosic materials［J］.Trends in Foods Science＆Technology，2004（15）：115～120.

8 刘宝亮，方桂珍.从稻壳中提取木聚糖的研究［J］.林产化学与工业，2005，25（10）：121～125.

9 张春雨，韩玉洁.稻壳中木聚糖的提取工艺研究［J］.食品科技，2009，34（1）：146～149.

10 张红丽，何寿林.水解法提取木聚糖工艺条件的正交试验［J］.武汉工程大学学报，2010，32（9）：23～25.

11 袁道强，黄建华.生物化学实验和技术［M］.北京：中国轻工业出版社，2006.

12 熊素敏，左秀凤，朱永义.稻壳中纤维素半纤维素和木质素的测定［J］.粮食与饲料工业，2005（8）：40～41.

13 张磊，罗鹏，王华强，等.响应面分析法优化向日葵盘中果胶的提取工艺研究［J］.食品与机械，2007，23（3）：84～87.

14 姚笛，马萍，王颖，等.响应面法优化玉米芯中木聚糖的提取工艺［J］.食品科学，2011，32（8）：111～114.

Optimization of extraction process for xylan from rice husk by response surface methodology

HAN Dan－niXIE Ding

（College of Chemical and Biology，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan410114，China）

Response surface methodology was used to optimize the conditions for alkaline extraction of xylan from rice husk，and the rice husk was pretreatmented by 3%sulfuric acid before use.The effects of extraction tempeature，NaOH concentration，solid－to－liquid ratio and extraction time on the yield of xylan were studied in single factor experiments.Subsequently，a regrssion model for the yield of xylan was established using a central composite design involving the above four factors at five levels and based on the model，response surface analysis was carried out to find out the optimum levels of these four factors.The results indicated that the optimum extraction conditions were：temperature 69.8 ℃，NaOH concetration 10.7%，solid－to－liquid ratio 1∶13，and extraction time 5.1h.Under such conditions，the experimental yield of xylan was 76.57%.

rice husk；xylan；response surface analysis

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.029

长沙市重大科技专项（编号：K0902007－21）；湖南省自然科学基金委员会与衡阳市政府自然科学联合基金（编号：11JJ8001）

韩丹妮（1987－），女，长沙理工大学在读硕士研究生。E－mail：hdn98756＠sina.com

谢定

2011－08－01