响应面优化超声辅助碱法提取花生壳木聚糖的工艺研究

武秋颖，陈复生，时冬梅，宫保文，张鹏龙

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450052）

响应面优化超声辅助碱法提取花生壳木聚糖的工艺研究

武秋颖，陈复生*，时冬梅，宫保文，张鹏龙

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450052）

以花生壳为原料，通过超声辅助碱法提取木聚糖，单因素实验选取因素和水平，根据Box－Benhnken实脸设计原理，用Design－Expert软件进行响应面分析，得出最佳提取工艺条件为:碱浓度7%、处理时间80min、固液比1∶16、温度78.1℃、超声功率120W，经验证实际测定木聚糖提取率为56.43%，与预测值57.13%基本相符。

响应面分析，花生壳，木聚糖，超声

我国是农业大国和花生种植大国，据国家粮油信息中心预计，2010年中国花生总产量为1520万t，较2009年1471万t的实际产量增长3.4%。但是从对花生壳的利用情况来看，除少量作为粗饲料外，大量的花生壳都被烧掉或废弃，因此寻找新的花生壳利用途径很有意义。研究表明［1］，农业废弃物如烟草、棉花、向日葵、小麦等植物的茎杆，主要成分是纤维素（占30%～42%），其次为木聚糖（占20%）和木质素（占20%～27%），并且木聚糖中85%～96%是木糖，仅存在少量葡萄糖和阿拉伯糖侧链，是工业化生产低聚木糖的一般原料。低聚木糖具有能够促进肠道内双歧杆菌的增殖、有益于肠胃健康的功能，还有润肠通便、提高免疫力、抗肿瘤等生物学作用［2］，是一种重要的功能性食品。花生壳占花生果质量的27%～33%，其中粗纤维占58.79%，木聚糖含量为10%左右［3］，同样可作为低聚木糖生产原料。半纤维素是由多种糖基构成的共聚糖，所以半纤维素的还原末端带有各种糖基和支链，在高温下可发生碱性水解，得到木聚糖或可溶性木聚糖片段［4－5］。但是碱法提取木聚糖在实际生产中存在设备腐蚀严重，产生大量碱性废液的问题。因此利用超声波在液体中传播的空化作用［6］，破坏纤维素分子中的氢键，能有效地使半纤维素和木质素脱离，降低结晶程度，提高预处理效率［7－9］。Design－expert软件可方便地进行 Central Composite Design响应面优化分析或 Box－Behnken Design响应面优化分析，能够满足实验对数据处理的要求，结果可信，并可通过软件实现实验条件的优化，得到了国内外科研学者的广泛利用［10］。本文采用Box－Behnken Design响应面优化分析法进行实验设计和分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

挑选无发霉的花生壳 郑州市场;D－木糖 中国惠兴生化试剂公司;3，5－二硝基水杨酸 化学纯，中国湖州菱湖精细化工厂;氢氧化钠 分析纯，天津市瑞金特化学品有限公司;硫酸、酒石酸钾钠、无水亚硫酸钠、苯酚 分析纯，洛阳市化学试剂厂。

KQ－300VDE型双频数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;pH21 pH计 HANNA instruments;UV－2000型紫外可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司;DK－S24电热恒温水浴锅型

上海精宏实验设备有限公司;MVS－1漩涡混合器北京金北德工贸有限公司。

1.2 实验方法

挑选无发霉的花生壳，用清水洗涤去除表面污垢，沥干水后自然晾干，粉碎过40目筛，将过筛后的花生壳粉置于自封袋中，于阴凉干燥处储存备用。

取原料适量，按照一定的固液比加入氢氧化钠溶液，置于超声波清洗器中。水浴结束后，将样品于3000 r/m in离心10m in，取上清液，残渣用蒸馏水反复洗涤至中性，洗液并入上清液中和至pH 7～8，旋转蒸发浓缩，定容至100m L容量瓶中摇匀待用。

1.3 溶液配制

1.3.1 D－木糖标准溶液 精确称取105℃干燥至恒重的D－木糖100mg，用蒸馏水溶解并定容到100m L容量瓶中，即为木糖标准溶液（1mg/m L）。

1.3.2 3，5－二硝基水杨酸（DNS）试剂 将6.3g DNS和262m L 2mol/L NaOH溶液，加到500m L含有185g酒石酸钾钠的热水溶液中，再加5g结晶酚和5g亚硫酸钠，搅拌溶解，冷却后加蒸馏水定容至1000m L，贮于棕色瓶中备用。

1.4 标准曲线绘制

取7支25m L具塞刻度试管，分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m L浓度为1mg/m L的D－木糖标准液，加蒸馏水至2m L，再加入1.5m L 3，5－二硝基水杨酸（DNS）试剂，充分混合均匀后沸水浴5m in。迅速冷却至室温，在540nm波长处测定吸光度值，绘制标准曲线。

1.5 原料木聚糖含量测定

将100mg原料置于研钵中，加入72%的硫酸1m L，研磨1h至样品完全呈均匀乳状，将研磨的乳浆状物全部转入50m L容量瓶中定容。充分混合均匀后，滤纸过滤，清液用DNS法测定木聚糖含量。

1.6 木聚糖提取率测定

取提取液1m L置于25m L具塞试管中，加入1.5m L DNS试剂，震荡后沸水中保温5min迅速冷却至室温，定容至15m L，测定吸光度值，对照D－木糖标准曲线计算提取液中木糖含量C1。另取提取液1m L，加入 1m L 2mol/L硫酸溶液，沸水中保温30m in，使提取液中木聚糖充分水解为木糖，冷却至室温用 40%氢氧化钠溶液中和至中性，定容至2.5m L，从中再取1m L测定并对照D－木糖标准曲线计算木糖含量C2，则木聚糖提取率C按下式进行计算:

注:md－原料干基重量（g）;N－原料中木聚糖含量;0.88－转换系数。

1.7 单因素实验

单因素实验选取碱浓度、处理温度、时间、固液比和超声功率五个因素，各因素选取的水平如表1所示。

表1 单因素水平表Table 1 Factors and the level of single－factor test

1.8 响应面实验

表2 响应面实验因素水平表Table 2 Factors and the level of Response surface experiment

2 结果与讨论

2.1 碱浓度对木聚糖提取率的影响

在固液比1∶10，70℃水浴保温1h，辅助超声功率150W的条件下，考察不同碱浓度对木聚糖提取率的影响，结果如图1所示。在超声辅助下，木聚糖提取率随着碱浓度的增大逐渐增大，在碱浓度达6%之后增加缓慢，碱液的浓度为6%已经可以满足提取的要求，因此选择6%为最佳碱液浓度。

图1 碱液浓度对木聚糖提取率的影响Fig.1 The influence of the alkali concentration on the extraction rate of xylan

2.2 处理时间对木聚糖提取率的影响

在碱浓度5%，固液比1∶10，70℃水浴中保温，辅助超声功率150W的条件下，考察不同处理时间对木聚糖提取率的影响，结果如图2所示。木聚糖提取率呈现先增大后减小的趋势，这是因为超声波的机械剪切作用使木聚糖糖链断裂，聚合度降低，随着处理时间的延长单糖含量增大。因此选择处理时间为1h时，木聚糖提取率最大。

2.3 固液比对木聚糖提取率的影响

在碱浓度5%，70℃水浴中保温1h，辅助超声功率150W的条件下，考察不同固液比对木聚糖提取率的影响，结果如图3所示。木聚糖提取率先逐渐增大，糖液浓度的降低有利于加强超声波在液体中的空化作用，固液比为1∶14时达到最大，之后糖液过度稀释导致提取率减小。因此，选择1∶14为最佳固液比。

图2 处理时间对木聚糖提取率的影响Fig.2 The influence of extraction time on the extraction rate of xylan

图3 固液比对木聚糖提取率的影响Fig.3 The influence of solid－liquid ratio on the extraction rate of xylan

2.4 温度对木聚糖提取率的影响

在碱液浓度5%，固液比1∶10，水浴1h，辅助超声功率150W的条件下，考察不同温度对木聚糖提取率的影响，结果如图4所示。随着水浴温度的升高，木聚糖提取率先增大后减小，70℃达到最大。温度升高有利于加快分子运动，提高反应速度，温度过高可能会破坏糖链结构反而不利于提取。因此选择70℃为最佳提取温度。

图4 温度对木聚糖提取率的影响Fig.4 The influence of the temperature on the extraction rate of xylan

2.5 超声功率对木聚糖提取率的影响

在碱液浓度5%，固液比1∶10，70℃水浴保温1h条件下，考察不同超声功率对木聚糖提取率的影响，结果如图5所示。随着超声功率的增大，木聚糖提取率先增大后减小，之后趋于平缓。这是因为超声的空化作用和机械剪切强度随着功率的增大而增强，但功率过大，糖链过度裂解为单糖不利于木聚糖的提取。因此超声功率为150W时，木聚糖提取率最大。

图5 超声功率对木聚糖提取率的影响Fig.5 The influence of the Ultrasonic power on the extraction rate of xylan

2.6 响应面实验研究

根据单因素的实验结果，选定四因素三水平的响应面实验来进一步优化超声辅助下碱提木聚糖的最佳工艺条件，实验设计与结果如表3所示。

表3 响应面实验设计与结果表Table 3 Response surface experimental design and results

续表

表4 方差分析表Table4 Analysisofvarianceoforthogonaltest

残差（Residuals）代表着实验值与预测值的差值，故该值越小越好。一般说来，残差分布在－3.0～+3.0之间就可以了，若分布在－1.5～+1.5之间则说明实验值与预测值吻合得很好。实验中各因素对木聚糖提取率的影响残差为0.13，表明该RSM模型与实验数据拟合较好。

利用响应面优化软件分析响应面实验结果，得出最佳碱处理条件为:碱浓度7%、处理时间80min、固液比1∶16、温度78.1℃、超声功率120W，预测在此条件下木聚糖提取率为57.13%。经过优化的提取时间和碱浓度对木聚糖提取率的交互影响如图6所示，当提取时间不变时，木聚糖提取率随碱浓度的增加逐渐增大;当碱浓度不变时，提取率随温度的升高呈逐渐增大的趋势。

3 结论

以花生壳为原料，通过单因素实验选取因素和水平，综合考虑碱浓度、提取时间、固液比、处理温度和超声功率对木聚糖提取率的影响。用 Design－Expert软件进行响应面分析（RSA），得出超声辅助碱法提取花生壳木聚糖的最佳提取工艺条件为:碱浓度7%、处理时间80min、固液比1∶16、温度78.1℃、超声功率120W，并在此条件下预测木聚糖提取率为57.13%。经验证，实际测得的木聚糖提取率为56.43%，在误差允许的范围内，与模型的预测值基本相符，比单因素实验的最高提取率 47.87%高出8.56%。

图6 优化的提取时间和碱浓度对木聚糖提取率的交互影响的响应曲面图Fig.6 Theresponsesurfacegraphoftheptimizationof extractiontimeandalkaliconcentrationonthe extractionrateofxylaninteractions

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Optim ization of ultrasound－assisted alkali extraction of xylan from peanut shell according by response surfacemethodology

WU Qiu－ying，CHEN Fu－sheng*，SHIDong－mei，GONG Bao－wen，ZHANG Peng－long

（School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450052，China）

With peanut shellas raw material，through ultrasound－assisted alkaliextraction of xylan，the sing le factor experiments selection for the agitation and level were studied.On this basis，accord ing to the Box－Benhnken design p rincip le and response surface analysis（RSA）m ethod，taking account of various fac tors on xylanase extrac tion，itwas conc luded that the influence of alkalidistillation peanut shells xylan，the best extraction p rocess cond itions for alkali concentration was 7%，temperature was 78.1℃，p rocessing time was 80m in，solid－liquid ratio was 1∶16，ultrasonic power was 120W.The verification ac tualm easurement xylan extraction rate was 56.43%，and p redicted value was 57.13%.

response surface analysis;peanut shell;xylan;ultrasound

TS255.6

B

1002－0306（2012）02－0307－04

2011－02－21 *通讯联系人

武秋颖（1985－），女，硕士研究生，研究方向:食品资源开发与利用。

河南省重点科技攻关项目（08210211003）。