超声微波协同法水解玉米皮渣制备还原糖的工艺研究

张莉莉,康丽君,寇　芳,王维浩,李文杰,尹　婧,曹龙奎

(1.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319;2.黑龙江省农产品加工工程技术研究中心,黑龙江大庆 163319)



张莉莉1,康丽君1,寇芳1,王维浩2,李文杰1,尹婧1,曹龙奎2

(1.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319;2.黑龙江省农产品加工工程技术研究中心,黑龙江大庆 163319)

为提高湿法加工玉米淀粉过程产生的玉米皮渣中还原糖的得率,实验以玉米皮渣为原料,研究超声微波协同法提取功能糖的最优工艺条件,对硫酸浓度、降解时间、微波功率和料液比4个因素分别进行单因素实验,根据单因素实验结果设计中心组合实验,以还原糖含量为指标值,采用响应面分析法确定降解的最优工艺参数,通过高效液相色谱法分析水解产物的组分。结果表明:最优工艺参数为硫酸浓度3%、降解时间60 min、微波功率500 W、料液比1∶28(g/mL),还原糖含量为65.82%,比未经超声微波作用降解液中还原糖含量高出20.72%。降解液经HPLC分析后发现含5种还原糖,分别为D-葡萄糖相对含量为17.04%,D-木糖相对含量49.06%,D-半乳糖相对含量2.64%,L-阿拉伯糖相对含量30.13%,D-果糖相对含量为1.13%。

玉米皮渣,酸降解,响应面法,超声-微波协同作用,还原糖

还原糖是指具有还原性的糖类。在糖类中,分子中含有游离醛基或酮基的单糖和含有游离醛基的二糖都具有还原性。还原性糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、木糖、阿拉伯糖等[1]。其中木糖和阿拉伯糖均属于功能糖[2],均具有增殖肠道双歧杆菌,改善人体的微生物环境[3-5],防止便秘等功效[6-7],其甜度较低,具有抗龋齿作用[8-9]。同时阿拉伯糖还影响人体蔗糖酶的活性,降低血糖[10-11]。两者均为非消化性糖,具有高效、稳定、安全、无毒等优点[12-13],被列在最有前途、国内外研究最为广泛的功能性糖的范围内。

玉米皮渣是玉米淀粉加工过程中的副产物之一,含有大量的淀粉、半纤维素、纤维素及木质素,其中半纤维素中主要含多种糖基,通过降解可产生五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和六碳糖(半乳糖、葡萄糖和甘露糖)[14]。目前,我国对玉米皮渣的利用相对来说较少,绝大部分是在出厂前进行喷浆处理后成为饲料或肥料,可利用价值低。近年来,由于市场上对功能性糖的需求持续增长,对其生产工艺的技术要求也不断提高。因此,以价廉易得的玉米皮渣为原料,研究开发以功能性糖为主的产品具有极大的竞争力和市场开发前景[15]。

本研究旨在开发生产具有高附加值的功能糖,以玉米皮渣为原料,通过超声微波协同法对其进行酸处理,提高降解率,为玉米皮渣资源的有效利用提供依据,如此可有效延长玉米产业链,实现玉米各组分的高附加值综合利用,具有重要的生态效益和经济效益。目前报道的玉米皮渣中糖类的提取方法主要有水法提取[16-17]、微波辅助提取[18-19]、超声波辅助提取[20-21]等,但这些提取方法的提取率较低,提取时间较长。目前应用超声-微波辅助技术提取玉米皮渣中功能糖的研究尚未见报道。本文将对此方法处理玉米皮渣的工艺条件进行研究。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

玉米皮渣黑龙江省玉米淀粉有限公司;硫酸,结晶酚,亚硫酸氢钠,酒石酸钾钠,氢氧化钠,3,5-二硝基水杨酸均为分析纯。

HH-4型数显恒温水浴锅金坛市科兴仪器厂;SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵巩义市英峪予华仪器厂;电子分析天平北京赛多利斯仪器系统有限公司;UVmini-1240紫外/可见分光光度计日本岛津仪器公司;TD5A离心机YINGTAI instrument;MJ-10A多功能粉碎机上海市浦恒信息科技有限公司;CW-2000A超声-微波协同萃取/反应仪上海新拓分析仪器科技有限公司;XK96-A快速混匀器江苏新康医疗器械有限公司;1200高效液相色谱美国安捷伦科技有限公司;阿贝折射仪上海长方光学仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1还原糖含量的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[22]测定降解液中还原糖的含量

1.2.2玉米皮渣预处理选取湿法加工玉米淀粉后的优质玉米皮渣,进行干燥,35℃条件下烘干至水分含量低于8%,粉碎,过100目筛备用。采用索氏提取进行脱脂,脂肪含量低于0.02%。工艺流程如下:玉米皮渣→烘干(35℃)→粉碎(过100目)→脱脂→超声-微波协同酸处理→离心(4000 r/min)→取上层液体→调pH7.0→脱色→脱盐→高效液相色谱测定糖含量

1.2.3超声-微波协同作用玉米皮渣酸降解工艺的单因素实验以硫酸浓度、料液比、降解时间、微波功率4个影响玉米皮渣中还原糖含量的因素做单因素实验,确定各因素适宜的范围。每组实验分别称取3.00 g玉米皮渣粉,在微波功率50、150、350、500、650、800 W,降解时间20、30、40、50、60、70、80、90、100 min,硫酸浓度为0.5%、0.8%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%,料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和1∶50(g/mL)条件下进行单因素实验。

1.2.4响应面法优化超声-微波协同作用玉米皮渣降解工艺在单因素实验的基础上,以硫酸浓度A、料液比B、微波功率C、降解时间D为响应因素,降解后还原糖含量(Y)为响应值,根据中心组合实验设计原理,采用四因素五水平的响应面分析法,对数据进行回归分析及显著性检验,确定最佳降解工艺。每个实验点重复三次,取实验结果的平均值。实验设计因素水平表见表1。

表1　响应面因素水平编码表

1.2.5降解液组分分析采用HPLC对最优条件下玉米皮渣降解液中还原糖的主要成分进行分析[23],色谱柱为Pb柱(7.8 mm×300 mm,5 μm);检测器为515示差折光检测器;流动相为超纯水;流速0.5 mL/min;进样量10 μL。

1.3数据统计分析

所得数据均为三次重复的平均值,数据统计分析采用SPSS13.0进行方差分析,如果方差分析效应显著,使用Duncan test进行多重比较。响应面时所得数据使用Design-Expert.V8.0.6软件进行数据分析。

2　结果与分析

2.1超声-微波协同作用玉米皮渣降解工艺的单因素实验分析

2.1.1微波功率对玉米皮渣降解作用的影响由图1可知,与超声波同时作用时,微波功率在500 W时,测得降解液中还原糖含量最高,说明此条件下降解玉米皮渣效果较好,继续增大微波功率后还原糖含量呈现逐渐下降趋势。而超声波关闭状态下,微波功率增至650 W时,降解液中还原糖含量才达到最大值。因为超声波能产生高频振荡,强化传质,对植物组织有较强的破碎作用,同时超声热效应可提高还原糖的溶解度[24],因此超声波微波协同作用可用于还原糖的降解实验。

图1　微波功率对还原糖含量的影响Fig.1　Effect of microwave power on content of reducing sugar

2.1.2降解时间对玉米皮渣降解作用的影响观察图2可知,超声开启状态时,随着降解时间的增加,降解液中还原糖含量逐渐增加,降解60 min时还原糖含量达到最高值44.40%,超过60 min开始下降。这说明过长的降解时间对降解效率的提高意义不大,并且易导致单糖转化为其他物质,从而影响还原糖的含量,使其降低。超声关闭时,降解时间为90 min时还原糖含量达到最高值30.05%,超过90 min还原糖含量降低。由此超声微波协同作用不仅显著地缩短降解时间,而且提高了降解液中还原糖的含量。故超声微波协同作用降解时间定为60 min为宜。

图2　降解时间对还原糖含量的影响Fig.2　Effect of hydrolization time on content of reducing sugar

2.1.3硫酸浓度对玉米皮渣降解作用的影响从图3可知,超声开时,随着硫酸浓度的增大,降解液中还原糖含量先增加后减少,酸浓度为(0.5%～3.0%)时还原糖含量呈增加趋势,超过3.0%时呈现下降趋势,在3.0%时还原糖含量最大51.83%。未开超声时,酸浓度在1.0%时,降解液中还原糖含量最高为25.88%,酸浓度超过1.0%时还原糖含量降低。在反应体系中,当还原糖含量达到最高,余酸浓度达到一定程度时,会与生成的还原糖发生反应,加速戊糖转化为糠醛的速度[25],从而导致还原糖总量的下降。故硫酸浓度宜为3.0%。

图3　硫酸浓度对还原糖含量的影响Fig.3　Effect of sulphuric acid concentration on content of reducing sugar

2.1.4料液比对玉米皮渣还原糖提取率的影响由图4可知,降解液中还原糖含量在料液比(1∶10～1∶30)范围内与料液比呈正相关,而随着料液比的继续增加,还原糖含量呈现下降趋势,原因是戊糖与余酸发生反应[26],使还原糖含量降低。因此选取料液比为1∶30。

图4　料液比对还原糖含量的影响Fig.4　Effect of material-to-liquid ratio on content of reducing sugar

2.2响应面优化玉米皮渣中单糖的超声-微波法提取工艺的实验结果

2.2.1回归方程的建立与方差分析结合单因素实验,采用中心组合设计(CCD)原理,以硫酸浓度A、料液比B、微波功率C、降解时间D为自变量,降解后还原糖含量为响应值Y,设计玉米皮渣降解工艺结果如表2,利用Design Expert 8.0.6软件对表2中的数据进行多元回归分析,可得到方差分析的结果,见表3。由表3可见,整体模型p<0.0001,二次方程模型极显著,且失拟项p=0.1059>0.05,说明此回归方程对数据的拟合性较好。硫酸浓度(p=0.0073<0.01),料液比(p=0.0009<0.01)及微波功率(p<0.0001)三因素的一次项达到极显著水平,表明这三个因素对还原糖含量的线性效应极显著,所有的二次项对还原糖含量的曲面效应极显著,交互项AB(p=0.0438<0.05)显著,AD(p=0.0058<0.01)极显著,表明各影响因素对还原糖含量的影响作用不是简单的线性关系。自变量对响应值的影响用回归方程(模型)表示为:

Y=62.72+2.78A-3.70B+9.27C+0.92D-2.42AB+0.91AC+3.53AD-1.13BC-1.92BD-1.33CD-10.86A2-7.96B2-8.86C2-8.60D2

2.2.2响应面分析结果根据回归方程可绘制响应曲面图,图5、图6是对响应值降解液中还原糖含量影响较显著的两个因素交互作用的响应面图,其他交互作用均不显著。

由图5可知,硫酸浓度在(2%～3%)范围内,料液比在(1∶25～1∶30)范围内时,两者存在显著的增效作用,降解液中还原糖含量随着硫酸浓度和料液比的增加而增加;当硫酸浓度在(3%～4%)范围内,料液比在(1∶30～1∶35)范围内时,降解液中还原糖含量随硫酸浓度和料液比的增加而减小。由图6可知,硫酸浓度在(2%～3%)范围内,降解时间在(55～60 min)范围内时,两者存在显著的增效作用,降解液中还原糖含量随两者的增加而增加;硫酸浓度在(3%～4%)范围内,降解时间在(60～65 min)范围内时,还原糖含量随两因素的增加而降低。

表2　响应面分析方案及结果

为确定最优的还原糖制备工艺条件,对得出的模型进行分析,得出最佳工艺条件为:硫酸浓度为3.13%,料液比1∶28.57,微波功率500.19 W,超声微波协同作用时间(降解时间)59.82 min,还原糖含量最高为65.94%。对实验进行可靠性验证,采用最优条件进行实验,考虑实际操作,选取硫酸浓度为3%,料液比1∶28,微波功率500 W,超声微波协同作用时间(降解时间)60 min条件进行验证,取3次实验平均值,所得降解液中还原糖含量为65.82%,与理论值相差0.12%。故响应面法适用于玉米皮渣功能糖的超声微波协同降解工艺,得出的降解工艺参数有实际应用价值。

图5　硫酸浓度和料液比对还原糖含量交互作用的三维曲面图Fig.5　Response surface and contour plots showing the effects of sulphuric acid concentration and material-to-liquid ratio on content of reducing sugar

图6　硫酸浓度和降解时间对还原糖含量交互作用的三维曲面图Fig.6　Response surface and contour plots showing the effects of sulphuric acid concentration and hydrolization time on content of reducing sugar

2.3优化条件下降解液中糖组分分析

对降解液进行脱色及离子交换处理后,采用HPLC分析玉米皮渣降解液中功能糖组分,混糖标准品的HPLC图谱如图7所示。由图7可知,1号峰为D-葡萄糖(出峰时间17.138 min),2号峰为D-木糖(18.571 min),3号峰为D-半乳糖(19.573 min),4号峰为L-阿拉伯糖(21.146 min),5号峰为D-果糖(22.469 min)。降解液中各种单糖的HPLC图谱如图8。由积分面积可知D-葡萄糖(1号峰)相对含量为17.04%,D-木糖(2号峰)相对含量为49.06%,D-半乳糖(3号峰)相对含量为2.64%,L-阿拉伯糖(4号峰)相对含量为30.13%,D-果糖(5号峰)相对含量为1.13%。

3　结论

采用中心组合实验设计,通过响应面分析结合实际值确定超声微波协同处理玉米皮渣的最优降解工艺条件为硫酸浓度为3%、超声微波协同作用时间(降解时间)为60 min、微波功率为500 W、料液比1∶28(g/mL)时,还原糖含量为65.82%,即33.85 mg/mL。比未经超声微波处理的高20.72%。通过HPLC对降解液进行分析,证明降解产物含有较高的D-木糖和L-阿拉伯糖,其中D-葡萄糖相对含量为17.04%,D-木糖的相对含量达49.06%,L-阿拉伯糖的相对含量为30.13%。因此说明此优化条件能够较好的降解制备D-葡萄糖、D-木糖和L-阿拉伯糖,为后期分离纯化三种糖奠定坚实的基础。但是反应体系酸浓度较高,对设备有一定的腐蚀性,后续对糖液处理时会产生大量的盐,增加了脱盐过程的工作量,因此,尽量降低酸浓度且能得到如此高含量的糖液有待进一步研究。

表3　回归模型方差分析

图7　混糖标准品高效液相色谱图Fig.7　HPLC chromatogram of mixed standard saccharide sample

图8　降解液中糖组分HPLC图谱Fig.8　HPLC chromatogram of sugar composition in corn bran hydrolysate

注:**表示差异极显著(p<0.01),*表示差异显著(p<0.05)。

本实验将超声和微波提取技术结合起来,充分利用超声和微波作用的优点,探讨超声微波协同辅助技术提取的最佳工艺,并和传统水浴浸提进行比较,旨在为得到高产量的功能糖,但是该方法得到功能性糖尚属于混合产品,需进一步分离纯化。

[1]Patel S,Goyal A.Functional oligosaccharides:production,properties and applications[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2011,27(5):1119-1128.

[2]朱晶晶,陈晓烨,陶颖,等.农作物秸秆制备功能性糖的研究进展[J].食品工业科技,2012,33(15):397-400.

[3]Hsu C K,Liao J W,Chung Y C,et al.Xylooligosaccharides and fructooligosaccharides affect the intestinal microbiota and precancerous colonic lesion development in rats[J].Journal of Nutrition,2004,134(6):1523-1528.

[4]]朱道辰,吕正凤,刘杏荣,等.L-阿拉伯糖的最新应用进展[J].食品与发酵工业,2011,37(2):125-129.

[5]方永亮,郑珩,余江河.功能性甜味剂L-阿拉伯糖的研究进展[J].氨基酸和生物资源,2009,31(1):8-12.

[6]杨子明,董仲玺,吴建璋,等.L-阿拉伯糖润汤通便作用的研究[J].食品研究与开发,2013,34(5):7-9.

[7]魏涛,赵建元,高兆兰,等.低聚木糖调节BALB/c 小鼠肠道菌群及润肠通便作用研究[J].安徽农业科学,2013,41(1):159-163.

[8]苏会波,林海龙.新资源食品L-阿拉伯糖的制备、功能、应

用和市场现状[J].食品工业科技,2014,35(7):368-372.

[9]何丽.L-阿拉伯糖的特性与生理功能[R].“5.20”中国学生营养日宣传活动幵幕式暨中国学生营养与健康高峰论坛及有奖征文大赛会刊,2009.

[10]Seri K,Sanai K,Matsuo N,et al.L-Arabinose selectively inhibits intestinal sucrase in an uncompetitive manner and suppresses glycemic response after sucrose ingestion in animals[J].Metabolism,1996,45(11):1368-1374.

[11]袁建国,程显好,侯永勤,等.低聚木糖的研究开发[J].精细与专用化学品,2002,10(10):17-19.

[12]王磊,王成福,黄伟红.L-阿拉伯糖的生产与应用[R].第十四届中国国际食品添加剂2010.

[13]许正宏,熊筱晶,陶文沂.低聚木糖的生产及应用研究进展[J].食品与发酵工业,2004,3(6):46-51.

[14]Mamman A S,Lee J M,Kim Y C,et al.Furfural:Hemicellulose/Xylose-derived Biochemical[J].Biofuels Bioprod Bioref,2008,2(5):438-454.

[15]庞颂,朱道辰,刘兴荣.L-阿拉伯糖的研究及应用进展[J].中国食品添加剂,附录234-239.

[16]李道义,闰巧娟,江正强,等.酵母菌发酵玉米皮酸水解液制备结晶L-阿拉伯糖的研究[J].食品科学,2007,28(04):125-127.

[17]姚笛,叶曼曼,李琳,等.响应面法优化玉米芯中低聚木糖的酶法提取工艺[J].中国粮油学报,2014,29(11):14-18.

[18]关海宁.微波辅助酶法提取玉米皮多糖工艺研究[J].粮食与油脂,2012,6:47-49.

[19]鹿保鑫,乌春华,王霞.微波法提取玉米皮中碱溶性膳食纤维的工艺研究[J].粮油食品科技,2009,17(2):42-44.

[20]杨雪.超声波法提取玉米皮中水溶性膳食纤维的工艺研究[J].农产品加工·学刊,2008,11:68-70.

[21]祝美云,张庭静,魏书信,等.超声萃取玉米皮中水溶性膳食纤维工艺研究[J].食品与发酵工业,2009,35(1):87-90.

[22]朱凯杰,陆国权,张迟.响应面优化DNS测定还原糖方法[J].中国粮油学报,2013,28(8):107-113.

[23]Sari Metsämuuronen,Katja Lyytikäinen,Kaj Backfolk,et al.Determination of xylo-oligosaccharides in enzymatically hydrolysed pulp by liquid chromatography and capillary eletrophoresis[J].Cellulose,2013,20(2):1572-1582.

[24]盛玮,高翔,薛建平,等.超声-微波协同提取超级黑糯玉米芯色素的工艺研究[J].中国粮油学报,2011,26(9):38-43.

[25]孙多志,黄清发,虞爱娜,等.秸秆稀酸水解液的气相色谱/质谱法研究[J].分析科学学报,2008,24(4):409-412.

[26]江滔,路鹏,李国学.玉米秸秆稀酸水解糖化法影响因子的研究[J].农业工程学报,2008,24(7):175-180.

Study on ultrasonic-microwave synergistic extraction of reducing sugar from corn bran by response surface method

ZHANG Li-li1,KANG Li-jun1,KOU Fang1,WANG Wei-hao2,LI Wen-jie1,YIN Jing1,CAO Long-kui2

(1.College of Food Science,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 2.Agri-Food Processing Development Centre of Heilongjiang,Daqing 163319,China)

In order to increase functional sugar yield from corn bran by-product of corn starch wet milling,corn bran had been taken as raw material in the experiment.The optimal conditions with ultrasonic-microwave synergistic extraction of functional sugar was studied.The sulphuric acid concentration,extraction time,microwave power and material-to-liquid ratio were selected by single factor test.The CCD center combine experiment was designed according to the single factor test results.The reducing sugar content was index value,while the best technology parameter of extracting functional sugar would be determined by the response surface method.Hydrolysate was analyzed by HPLC.The results showed that the reducing sugar content was 65.82% when the sulphuric acid concentration was 3%,extraction time 60 min,microwave power 500 W and material-to-liquid ratio of 1∶28(g/mL),which was higher than 20.72% without ultrasonic-microwave.The analysis of acid hydrolysates by HPLC indicated that the hydrolysates were composed of D-glucose,D-xylose,D-galactose,L-arabinose and D-fructose.The relative content of D-glucose was 17.04%,D-xylose was 49.06%,D-galactose was 2.64%,L-arabinose was 30.13%,and D-fructose was 1.13%.

corn bran;acid hydrolysis;response surface method;ultrasonic-microwave synergistic extraction;reducing sugar

2015-08-04

张莉莉(1990-)，女，硕士，研究方向：天然产物分离与重组，E-mail：zxyzll990@163.com。

黑龙江省科技攻关项目(GC13B602)。

TS254.1

B

1002-0306(2016)07-0199-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.030