小麦淀粉加工废水中阿拉伯木聚糖提取工艺研究

田贝贝，陈 洁*，关文雅，王远辉

（1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001；2.沈阳香雪面粉股份有限公司，辽宁 沈阳 110025）

小麦淀粉加工废水中阿拉伯木聚糖提取工艺研究

田贝贝1，陈 洁1*，关文雅2，王远辉1

（1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001；2.沈阳香雪面粉股份有限公司，辽宁 沈阳 110025）

在研究加酶量、酸度、酶解温度、酶解时间4个单因素对阿拉伯木聚糖（AXs）得率影响的基础上，采用正交试验优化小麦淀粉加工废水中AXs的提取工艺。试验结果表明：在加酶量（酶/料液中干物质）0.1%、料液pH为6、酶解温度45℃、酶解时间1.5 h的条件下，AXs得率达到最大13.82%。研究了AXs对羟自由基的清除能力，采用了水杨酸比色法测定了最佳工艺条件下得到的AXs清除羟自由基的能力，结果显示该AXs对羟自由基有很强的清除能力，IC50为1.91 mg/mL。

小麦淀粉废水；阿拉伯木聚糖；酶法提取；羟自由基

网络出版时间：2017-4-20 14:09:24

0 引言

我国小麦淀粉生产普遍采用三相卧螺分离法，除主产品小麦淀粉、谷朊粉外，还有副产物戊聚糖浆。主产品小麦淀粉、谷朊粉有着广泛的用途，市场应用技术成熟，产品供不应求。副产物戊聚糖浆目前主要用于饲料、肥料和生产酒精原料，废水进入污水处理系统。最新发现，戊聚糖中的阿拉伯木聚糖（AXs）对人体具有特定的营养功能，如调节血糖水平，促进体内双歧杆菌的生长和繁殖，防治便秘，缓解人体疲劳，能够抑制口腔细菌、预防龋齿、降低胆固醇含量、抗氧化、降低冠心病的风险及减肥降糖等[1-4]。AXs可以增强免疫活性，目前已被用于癌症、艾滋病等的临床治疗[5]。此外，由于AXs的高黏性和较好的持水性，AXs被用作食品稳定剂。AXs中的阿魏酸能够影响面包的烘培质量和面团的特性[6-7]。在日本和美国AXs被广泛应用于减肥降糖领域，市场应用前景广阔。以生产小麦谷朊粉和淀粉的生产废水为原料，生产活性AXs，对提高粮食资源综合利用效率，减少环境污染，提高我国小麦深加工技术水平意义重大。

已有研究发现低分子质量玉米皮AXs有显著增加细胞活性的能力，而高分子质量AXs免疫增强活性较弱。低分子质量的AXs在增强免疫力、抑制肿瘤生长方面活性更好，表明分子的降解可能导致了AXs生物活性的增强[8]。从已有文献发现，酶法得到的AXs的分子质量低于碱法得到的AXs的分子质量，但其免疫活性高于碱法得到的AXs[9]。戊聚糖酶不仅可以提高AXs的溶解性也可以降低AXs的分子质量。所以本文采用酶解法从生产小麦谷朊粉和淀粉的生产废水中提取活性AXs，通过考察AXs提取过程中加酶量、提取时间、提取温度、料液pH等工艺条件对AXs得率的影响，确定最佳工艺，为AXs的工业化生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦淀粉加工废水：郸城财鑫糖业有限责任公司；木聚糖：Sigma公司；戊聚糖酶：诺维信公司；D-木糖：国药集团化学试剂有限公司；葡萄糖、间苯三酚、盐酸、冰醋酸、无水乙醇、柠檬酸、硫酸亚铁、过氧化氢、水杨酸均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TU-1810紫外分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；HH-S恒温水浴锅：金坛市医疗仪器厂；AL204电子分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DL-5000B-B离心机：上海安亭科学仪器厂；FD-1A-50冷冻干燥机：北京博医康实验仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 戊聚糖酶活力的测定

参照文献[10]的方法作木糖标准曲线。利用所得数据绘制标准曲线，Y为吸光度，X为木糖浓度。获得回归方程为Y=2.128 8X-0.005 5，相关系数r=0.999 3。

1.3.2 戊聚糖含量的测定

参照文献[11-13]的方法作戊聚糖标准曲线。利用所得数据绘制标准曲线，Y为吸光度，X为戊聚糖量。获得回归方程为Y=0.011 7+1.464 7X，相关系数r=0.999 5。

1.3.3 水分的测定

按GB/T21305—2007谷物及谷物制品水分的测定常规法执行。

1.3.4 清除羟自由基能力的测定

在试管中依次先加入 1 mL FeSO4（9.1 mmol/L），1 mL乙醇-水杨酸（9.1 mmol/L），接着加入适量去离子水和样品，再加入1 mL H2O2（8.8 mmol/L）后摇匀，37℃水浴加热15 min后取出，在510 nm下测其吸光度A0、A1、A2。

羟自由基清除率=（A0+A2-A1）/A0×100%，式中：A0为FeSO4+水杨酸+蒸馏水+H2O2的吸光度；A1为FeSO4+水杨酸+样品+H2O2的吸光度；A2为FeSO4+水杨酸+样品的吸光度。

1.3.5 单因素试验

精确称量戊聚糖原料（小麦淀粉加工废水中的干物质），加入蒸馏水混合获得戊聚糖浆料（干物质含量10%），浸泡12 h。调节料液pH后添加戊聚糖酶，恒温反应。离心酶解后的浆料以获得固体相和液体相，其中液体相经过灭酶后二次离心，取液体相测AXs含量。将液体相醇沉、冷冻干燥得到AXs。

1.3.5.1 加酶量对AXs提取率的影响

在酶解温度50℃、酶解时间1.5 h、料液pH 5、加酶量（酶/料液中干物质）分别为0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的条件下，按上述步骤操作。

1.3.5.2 pH对AXs提取率的影响

在酶解温度50℃、酶解时间1.5 h、加酶量0.1%、料液pH分别为3、4、5、6、7、8的条件下，按上述步骤操作。

1.3.5.3 酶解温度对AXs提取率的影响

在酶解时间1.5 h、加酶量0.1%、料液pH 6、酶解温度分别为 25、35、45、55、65、75℃的条件下，按上述步骤操作。

1.3.5.4 酶解时间对AXs提取率的影响

在酶解温度45℃、加酶量0.1%、料液pH 6、酶解时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h的条件下，按上述步骤操作。

1.3.6 正交试验设计

在单因素试验的基础上确定因素水平范围，设计正交试验优化提取工艺。

1.3.7 数据处理

采用Excel 97-2003进行图表制作，采用统计分析软件SPSS 20对试验数据进行显著性检验，以P＜0.05为显著性标准。

2 结果与讨论

2.1 戊聚糖酶活力的测定结果

根据1.3.1试验方法测定戊聚糖酶的活力为16 114.9 U/g。

2.2 单因素试验结果与讨论

2.2.1 加酶量对AXs提取率的影响

图1 加酶量对AXs得率的影响Fig.1 Effect of enzyme amount on the extraction yield of AXs

AXs可以分为水溶性阿拉伯木聚糖和水不溶性阿拉伯木聚糖。Fengler[14]、Jmares等[15]指出水溶性阿拉伯木聚糖比水不溶性阿拉伯木聚糖易溶出，木聚糖内切酶能使部分水不溶性阿拉伯木聚糖呈现出可溶性被提取出来，从而提高AXs得率。目前，小麦淀粉加工废水AXs的提取方法主要是水提法，但由于戊聚糖浆持水性强、黏度大，AXs不易溶出。Ganguli等[16]采用水提法从小麦面粉中提取水溶性阿拉伯木聚糖得率为0.43%。本文采用酶法提取可以降低戊聚糖浆料的黏度，促进AXs的溶出。由图1可知，适量戊聚糖酶的加入可以提高AXs得率。AXs得率随加酶量的增加先增加后降低，酶添加量达到0.10%（酶/料液中干物质）时，AXs得率达到最大；酶的添加量大于0.10%时，AXs得率随加酶量的增加而下降，这是因为0.10%的加酶量已经足以将物料中的水不溶性阿拉伯木聚糖转化为可溶性的阿拉伯木聚糖，过量的酶会将溶出的AXs降解为更小分子质量的低聚糖[17]，所以AXs得率有所下降。

2.2.2 pH对AXs提取率的影响

由图2可知，当料液的pH值为6时，AXs得率达到最大；当pH值小于或大于6时，AXs得率都开始下降。因此戊聚糖酶的最适pH为6，pH值过高过低都会影响它的酶活，从而降低AXs的得率。

图2 溶液pH对AXs得率的影响Fig.2 Effect of pH on the extraction yield of AXs

2.2.3 酶解温度对AXs提取率的影响

由图3可知，酶法提取AXs的最佳酶解温度应该是45℃。AXs得率随反应温度的升高而先升高后降低，当酶解温度高于45℃，AXs得率随反应温度的升高而降低。主要由于戊聚糖浆持水性强、黏度大，温度升高，浆料黏度降低，分子运动加快，AXs较易溶出；温度过高过低都会影响酶的活性，当提取温度高于45℃，酶的活性随温度的升高逐渐减弱，因此AXs得率逐渐下降。

图3 酶解温度对AXs得率的影响Fig.3 Effect of temperature on the extraction yield of AXs

2.2.4 酶解时间对AXs提取率的影响

由图4可知，酶法提取AXs的最佳酶解时间为1.5 h。随酶解时间的延长AXs得率逐渐增加，当酶解时间超过1.5 h，随酶解时间的延长AXs得率反而下降。这是因为随酶解时间的延长，物料中未溶出的水不溶性阿拉伯木聚糖逐渐转化为可溶性的阿拉伯木聚糖，所以AXs得率逐渐增加；当酶解时间超过1.5 h，水不溶性阿拉伯木聚糖的溶出已经趋近完全，随着酶解反应的继续进行，戊聚糖酶可以将溶出的AXs降解为更小分子质量的低聚糖，所以随反应时间的延长，AXs得率下降。

图4 酶解时间对AXs得率的影响Fig.4 Effect of enzymolysis time on the extraction yield of AXs

2.3 正交试验

以AXs的得率为指标，以加酶量、pH、酶解温度、酶解时间为正交试验因素，采用L9（34）进行正交试验，确定酶法提取AXs的最佳工艺参数。试验因素及水平见表1，试验结果见表2。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Orthogonal experimental design

由表2正交分析结果可知，影响AXs得率的因素主次排序为C＞A＞B＞D。综合各因素K值和极差分析，得出理论上最佳提取工艺条件为A2B2C2D2。结合单因素试验最佳工艺条件下的AXs得率预测理论值为13.70%。

2.4 验证试验

在正交分析得到的最佳工艺条件下进行4次验证试验，结果见表4。AXs得率为 13.82% ±0.08%，偏差率小于1%，最佳工艺得以验证。目前主要采用碱法和酶法从小麦麸皮中提取AXs，在碱性条件下会影响对AXs功能性质有着重要作用的阿魏酸基团，且酶法得到的AXs的免疫活性高于碱法得到的AXs[18-20]。基于之前的研究，水提取AXs得率较低。由于水提取相对温和的条件不能打破AXs和细胞壁其他多聚物之间的交叉连接，Garrote等[21]指出水提取结合热处理技术可以提高AXs得率，然而，Josefsson等[22]认为在高温高压状态下可能破坏AXs的结构并导致半纤维素的降解。相比之下，酶法具有环保、对设备要求低、易投入生产等特点，且酶法提取的AXs得率高、活性好。

表2 正交试验设计与结果Table 2 Design and results of orthogonal experimental

表3 正交试验方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experimental

表4 验证试验结果Table 4 Verification results

2.5 清除自由基试验结果

由图5可知，最优工艺条件下提取的 AXs（80%乙醇醇沉）对·OH有很好的清除作用。·OH清除率与AXs的质量浓度之间有一定的关系，·OH清除率随AXs质量浓度的增加而增加，且IC50为1.91 mg/mL。研究发现，醇沉时乙醇浓度会影响AXs清除·OH的能力，随乙醇浓度的增加，其对·OH的清除能力减弱。此与张晓娜[9]对小麦麸皮阿拉伯木聚糖的抗氧化活性研究结果相比，小麦淀粉废水中AXs比小麦麸皮AXs（80%乙醇醇沉）清除·OH的能力强。已有研究表明，小分子质量AXs随乙醇浓度的增加逐渐沉出，高乙醇浓度醇沉的AXs平均分子质量相对较小[9]。本文研究结果表明，醇沉时随乙醇浓度的增加，AXs对·OH的清除能力减弱，也就表明高分子质量AXs对·OH的清除能力强，与Li等[8]的研究结果相似。

图5 AXs对羟自由基的清除率Fig.5 Hydroxyl radical scavenging capacity of AXs

3 结论

酶解法从小麦淀粉加工废水中提取AXs的最佳工艺条件为：加酶量0.1%(酶/料液中干物质)、料液pH值为6、酶解时间1.5 h、酶解温度45℃。在此工艺下提取的AXs对·OH有较强的清除能力，IC50为1.91 mg/mL。AXs清除·OH的能力随醇沉时乙醇浓度的增加而减弱。加酶后AXs得率提高了2%左右，这说明小麦加工废水中AXs大部分为水溶性阿拉伯木聚糖，戊聚糖酶能促使另一小部分水不溶性阿拉伯木聚糖溶出，因此酶法得到的AXs得率高、活性好。

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EXTRACTION OF ARABINOXYLANS FROM WASTEWATER OF WHEAT STARCH PROCESSING

TIAN Beibei1，CHEN Jie1，GUAN Wenya2，WANG Yuanhui1
（1.School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China；2.Shenyang Xiangxue Four Co.，Ltd.，Shenyang 110025，China）

The study was to investigate the optimal extraction conditions of arabinoxylans （AXs） from wastewater during wheat starch processing and the hydroxyl radicals scavenging capacity of AXs.The effect of enzyme amount，pH，enzymolysis temperature and time on the extraction yield of AXs was examined by orthogonal experiments on the basis of single factor.The hydroxyl radical scavenging ability of AXs was determined by the method of salicylic acid colorimetry.The results showed that the optimal technology parameters were as follows：enzyme amount of 0.1%，pH of 6，enzymolysis temperature of 45℃ and enzymolysis time of 1.5 h.Under the optimal conditions，the extraction yield of AXs was 13.71%.The AXs also had strong scavenging ability on hydroxyl radical and the IC50was 1.91 mg/mL，and the activity was increased in dose manner.

wheat starch wastewater；arabinoxylans；enzymatic extraction；hydroxyl radical

TS209

B

1673-2383(2017)02-0051-06

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.018.html

2016-08-08

国家国际科技合作专项（2015DFA30380）

田贝贝（1991—），女，河南周口人，硕士研究生，研究方向为食品加工。

*通信作者