超声波辅助提取甘蔗渣木聚糖工艺优化

孙健，李丽，盛金凤，何雪梅，李昌宝，赵谋明，*，游向荣，刘国明

（1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640；2.广西农业科学院农产品加工研究所，广西南宁 530007；3.广西作物遗传改良重点开放实验室，广西南宁 530007）

甘蔗是广西特色大宗农产品，2012 年广西区甘蔗的产量达到7 500 万t，占全国总产量的60%。蔗渣是甘蔗糖厂最大量的副产物，它是甘蔗经压榨或渗出处理后剩余的纤维残渣，约为甘蔗重量的24 %～27 %（以蔗渣水分约50%计），并且每生产出1 t 的蔗糖，就会产生2 t～3 t 的蔗渣[1-2]。目前除小部分蔗渣用于造纸外，大部分直接被用作锅炉燃料烧掉，不仅造成资源浪费，还严重污染环境。甘蔗渣中含大量的纤维素、半纤维素和木质素，经降解后可得到木聚糖[3-4]。木聚糖是一种广泛存在于植物纤维中的多聚五碳糖，在玉米芯、甘蔗渣、稻壳以及棉子壳中含量较为丰富，一般能高达30%以上。其降解后所产生的低聚木糖不仅具有促进人体钙吸收、抑制病原菌等多重功效，而且还可以用作基本碳源生产各种发酵产品。张晋博等以甘蔗渣为原料制备低聚木糖。通过单因素试验选取实验因素与水平，响应面分析得出最佳工艺条件为：微波处理压力0.9 MPa、微波处理时间17 min、木聚糖酶用量0.7%（相对于原料甘蔗渣），甘蔗渣酶解液中还原糖含量可达到9.21 mg/mL。最佳条件下的TLC 显示：酶解液主要成分是木二糖和木三糖[5]。何亮亮和陆登俊采用响应面分析法优化了甘蔗渣中木聚糖的提取工艺，得到了蔗渣中木聚糖提取的最佳工艺条件为：NaOH 浓度8.86%、水解时间205 min、液料比66 ∶1（mL/g），在此条件下木聚糖的得率为27.94%[6]。丁胜华等从蔗渣中提取木聚糖后，采用酶法水解制备低聚木糖，采用碱法提取工艺为：NaOH 浓度4 %，料液比1∶15（g/mL），30.0 ℃提取24.0 h，此条件下木聚糖产率达20.67%[7]。利用蔗渣制备木聚糖具有十分广阔的前景。但要提高木聚糖的产率，必须降低蔗渣的聚合度、结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素，增加有效比表面积[8]。超声波可以在较低的温度下大大促进溶剂提（浸、萃）取有效成分的过程、降低生产时间、能源、溶剂的消耗以及废物的产生，同时能强化提取过程、提高产率和提取物的纯度，既降低了操作费用，又合乎环境保护的要求，是一种有良好发展前途的新工艺[9-10]。目前，采用超声波辅助提取甘蔗渣木聚糖影响的报道较少。采用超声波辅助提取甘蔗渣中木聚糖，在单因素的基础上，采用响应曲面法，研究NaOH 浓度、超声波处理时间、液料比对木聚糖提取效果的影响，为甘蔗加工副产物的的深度开发及工业化生产提供良好的理论和方法参考。

1 材料与方法

1.1 试验或材料与设备

甘蔗渣：取自南宁糖业股份有限公司。D-木糖、3，5-二硝基水杨酸、氢氧化钠、硫酸、酒石酸钾钠、无水亚硫酸钠、苯酚等均为分析纯。

KQ-300VDE 型双频数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；UV-2000 型紫外可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；pH211pH 计：HANNA instruments；DK-S24 型电热恒温水浴锅：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 方法

1.2.1 原料预处理

将甘蔗渣晾干、除杂后，粉粹过40 目筛。将蔗渣在常温下用清水浸泡12 h 冲洗去除残余蔗糖，收集蔗渣置于恒温干燥箱中60.0 ℃干燥至恒重，取出放于干燥器中，备用。

1.2.2 超声波提取木聚糖

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。提取结束后，将样品于3 000 r/min 离心10 min，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pH7～8，旋转蒸发浓缩，定容至100 mL 容量瓶中摇匀待用。

1.2.3 木聚糖提取率的测定

准确吸取一定量的样品溶液于50 mL 容量瓶，加入1.5 mL 3，5-二硝基水杨酸（DNS）溶液和2 mL 蒸馏水，于沸水浴中加热5 min，显色后迅速冷却，用蒸馏水稀释定容。另取一50 mL 容量瓶，加入1.5 mL DNS 溶液，用蒸馏水稀释定容作为空白溶液，用1cm 比色皿，选择适当的吸收波长，测定其吸光度并计算木聚糖的含量。

木聚糖提取率=还原搪含量×稀释倍数×0.88/甘蔗渣的质量×100%。

2 结果与分析

2.1 木糖最大吸收峰的测定

准确吸取标准D-木糖溶液1.0 mL 于50 mL 容量瓶中，按基本试验法，配成含量为1 mg/L 的标准D-木糖溶液选择不同的波长，分别测定其吸光度，见图1。

图1 波长与吸光度的关系Fig.1 Relationship of wavelength and absorption

图1 表明：在483 nm 处有最大吸收峰，故选择λ=483 nm。

2.2 木糖标准曲线

取6 支25 mL 具塞刻度试管，分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 浓度为1 mg/mL 的D-木糖标准液，加蒸馏水至2 mL，再加入1.5 mL DNS 试剂，充分混合均匀后沸水浴5 min。迅速冷却至室温，在483 nm波长处测定吸光度值，绘制标准曲线。以吸光度y 为纵坐标，木糖浓度x 为横坐标建立标准曲线，回归方程：Y=0.965 7X-0.017（R2=0.993 8）。

图2 木糖标准曲线Fig.2 Xylose standard curve

2.3 超声波辅助提取甘蔗渣制备木聚糖的影响单因素试验

2.3.1 NaOH 浓度对木聚糖提取率的影响

测定使用不同浓度的NaOH 抽提液对超声波辅助提取木聚糖提取率的影响，结果见图3。

图3 NaOH 溶液浓度对木聚糖提取率的影响Fig.3 Effects of NaOH concentration on extraction rate of xylane

由图3 可知，木聚糖提取率随NaOH 溶液浓度的增高而增加，NaOH 溶液浓度至6%后木聚糖提取率增加趋于缓慢，考虑到碱溶液浓度太高，对甘蔗渣中碳水化合物的破坏增加，同时会影响后序工艺，NaOH溶液浓度确定为6%。

2.3.2 液料比对木聚糖提取率的影响

分别以15∶1、25∶1、35∶1、45∶1、55∶1 和65∶1 的料液比，NaOH 溶液浓度为6%，超声提取30 min，考察木聚糖得率随料液比变化的情况，见图4。

图4 液料比对木聚糖提取率的影响Fig.4 Effects of liquid material rate on extraction rate of xylane

由图4 可知，甘蔗渣木聚糖的提取率随着液料比的增加而升高，在35 ∶1 处达到提取率达到最大值，而后随着溶液量的进一步增大，提取率呈现缓慢下降趋势。这主要是因为在一定范围内，料液比越高，单位料样所接触到的提取液的有效面积就越大，纤维素的溶胀作用增强，有利于料样中半纤维素和纤维素的溶出，表现为提取率的显著升高；当继续增加料液比时，碱的浓度被稀释，单位料样接触到的有效碱量反而减少，因此随着料液比的继续升高，木聚糖的提取率缓慢降低。故选取提取的最佳料液比为35 ∶1。

2.3.3 超声波处理时间对木聚糖提取率的影响

测定在液料比35 ∶1，NaOH 浓度6%的条件下，超声提取时间对木聚糖提取率的影响，结果见图5。

图5 超声提取时间对木聚糖提取率的影响Fig.5 Effects of ultrasonic extraction time on extraction rate of xylane

由图5 可以看出，木聚糖提取率随着时间的延长先呈明显的上升趋势，而后缓慢下降，这是因为在反应开始后，甘蔗渣中的纤维素和半纤维素迅速溶出，经水解生成可溶性木糖和低聚木糖，使溶液中的糖组分迅速增大；当反应继续进行时，部分木聚糖降解导致提取率下降。因此选取超声提取时间为30 min。

2.4 响应曲面法优化超声波处理甘蔗渣制备低聚木糖研究

2.4.1 响应曲面分析因素与水平的选取

在单因素试验结果基础上，采用中心组合试验Box-Behnken 设计方案，选取NaOH 浓度（%），液料比（mL/g），超声时间（min）三因素进行响应曲面试验，因素水平的设计见表1。

表1 响应曲面分析试验因素水平及编码表Table 1 Factors and levels coding of the response surface analysis

2.4.2 响应面分析实验方案及结果

以木聚糖提取率为响应值，具体实验方案及结果见表1，由响应面分析软件Design Expert 7.0.0 得到的分析结果见表2。

表2 响应曲面分析试验结果Table 2 The methods and results of the response surface analysis

运用Design Expert 软件对表2 的试验数据进行回归分析，得到提取率的二次多元回归模型为：

对模型进行方差分析，结果如表3 所示。

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

由表3 提取率回归模型方差分析（ANOVA）可以看出：F回归=24.64＞[（F0.01（9，10）=4.94）]，P 值=0.001 3＜0.01，表明模型极其显著。提取率F 失拟=0.060 6＜（F0.05（9，5）=4.77），表明失拟不显著。

根据回归方程，作出响应面和等高线，观察拟合响应曲面的形状，分析NaOH 浓度、液料比和超声波处理时间对木聚糖提取率的影响，如图6～图8 所示。

图6 NaOH 浓度和液料比对木聚糖提取率的影响Fig.6 Effects of NaOH concention and liquid material rate on extraction rate of xylane

图7 超声时间和NaOH 浓度对木聚糖提取率的影响Fig.7 Effects of ultrasonic extraction time and NaOH concention on extraction rate of xylane

图8 超声时间和液料比对木聚糖提取率的影响Fig.8 Effects of ultrasonic extraction time and liquid material rate on extraction rate of xylane

等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反。由图6～图8 可以看出，NaOH 浓度和液料比交互作用显著，其他因素之间的交互作用较小。

2.4.3 最佳提取工艺条件的确定

为了确定最佳提取工艺条件，对模型（1）取一阶偏导等于零，得到一个三元一次方程组。用Matlab 对该方程组求解，即可得X1=6.07，X2=38.45，X3=28.4，由此可得超声波辅助提取木聚糖的最佳方案为：NaOH 浓度6.07%、液料比为38.45 ∶1（mL/g），超声波处理时间28.4 min，在此工艺条件下木聚糖提取率的预测值为28.46%。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用上述优化提取条件超声波辅助提取木聚糖，考虑实际操作的可行性，可将优化方案定为：NaOH 浓度6%、液料比为38 ∶1（mL/g），超声波处理时间28.4 min。在此条件下实际测得的平均提取率为28.39%，与理论预测值相比，其相对误差小于5%，说明采用响应曲面法优化得到的超声波辅助提取条件参数准确可靠，具有实用价值。

3 讨论

超声波主要通过空化作用破坏组织，产生局部粉碎，加大溶质比表面积，加之空化作用亦能加快扩散层上分子的扩散作用，强化以上浸提过程，所以超声波不仅提取速度快，且收率大大超过常规提取方法[11]。在超声波辅助提取中，超声波强度、溶剂用量、提取时间等条件对甘蔗渣中木聚糖的提取率有着程度不同的影响，特别是溶剂用量要合适，不宜过大。若溶剂用量过大，回收时间长，则长时间浸泡会严重破坏甘蔗渣中碳水化合物。超声波辅助提取在甘蔗渣木聚糖实际生产中的工艺优化还应继续研究。

4 结论

采用超声波辅助提取甘蔗渣中木聚糖，在单因素的基础上，采用响应曲面法，研究了NaOH 浓度、液料比、超声波处理时间对木聚糖提取效果的影响。结果表明：各因素对木聚糖提取率影响的大小顺序为：液料比＞超声时间＞NaOH 浓度，液料比对木聚糖提取率的影响极显著。超声波辅助提取甘蔗渣中木聚糖的最佳条件为NaOH 浓度6%、液料比38 ∶1（mL/g），超声波处理时间28.4 min。在此条件下实际测得的平均提取率为28.39%。采用超声波辅助法能够有效的提取甘蔗渣中木聚糖，方法简单，时间短，效率高。

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