酸解法提取玉米芯中L-阿拉伯糖的研究

李明泽，程雅韵，郑 琳，金 清,2

(1.延边大学农学院,吉林 延吉 133002; 2.延边大学食品研究中心,吉林 延吉 133002)

酸解法提取玉米芯中L-阿拉伯糖的研究

李明泽1，程雅韵1，郑 琳1，金 清1,2

(1.延边大学农学院,吉林 延吉 133002; 2.延边大学食品研究中心,吉林 延吉 133002)

为使玉米芯中的L-阿拉伯糖得到更充分的利用，研究了草酸体积分数、水解温度、水解时间对L-阿拉伯糖得率的影响。通过正交试验的方法，以高效液相色谱法所测定的L-阿拉伯糖的得率为指标，确定草酸水解玉米芯制备L-阿拉伯糖的最佳工艺条件为：草酸体积分数1.5%，水解时间1.5 h，水解温度125 ℃，L-阿拉伯糖的水解得率为3.5%。

玉米芯；酸解；L-阿拉伯糖

玉米作为中国三大粮食作物之一，加工的副产品资源庞大，但在原有的产业链基础上对玉米芯的综合利用程度低，大部分被用作饲料，造成资源浪费，而玉米芯中含有丰富的L-阿拉伯木聚糖，将其提取转化成L-阿拉伯糖，既可以实现废物利用，也可产生一定的经济效益[1-2]。L-阿拉伯糖又称外观为白色结晶粉末，无味，溶于水和甘油，不溶于乙醇和乙醚，对热和酸的稳定性高[3]，是一种非热量糖，在动物体内不可代谢。具有跟蔗糖相似的甜味，但甜度只有蔗糖的50%，在小肠内可以抑制蔗糖消化的相关酶类，从而降低了小肠对葡萄糖、蔗糖的吸收速率，达到了减肥、控制糖尿病的功效[4-6]。L-阿拉伯糖作为一种新型功能性单糖，已得到越来越多的关注。目前，L-阿拉伯糖的制取方法主要有酸解法、微生物法、酶解法、化学合成法等。微生物发酵法菌种易突变，难以很好的控制发酵过程[7-8]。酶解法提取，专一性好，工艺要求不高，但是需要多种酶协同工作才能达到最好的水解效率，目前仍处于研究阶段，不能实现工业化生产[9-10]。化学合成法易产生同分异构体，条件复杂，成本高，不适合在工业化生产中应用[11]。酸解法提取L-阿拉伯糖，过程简单，工艺成熟[12-13]。为了实现玉米副产物的附加值，本研究以玉米芯为原料，采用酸水解法制备L-阿拉伯糖。依据高效液相色谱法所测定L-阿拉伯糖的含量为指标，采用正交试验法，确定草酸水解玉米芯制备L-阿拉伯糖的最佳工艺条件，为从玉米芯中提取L-阿拉伯糖提供理论依据。

1 材料与方法

1.1材料

玉米芯(阳谷瑞康科技有限公司)；L-阿拉伯糖(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；三蒸水(自制)；草酸、氢氧化钠(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2仪器与设备

高压蒸汽灭菌器(SX-700，日本TOMY公司)；电热鼓风干燥箱(101型-3，天津实验仪器厂)；电子天平(JA型，上海民桥精密科学仪器有限公司)；PH计 (PHS-25Ph，上海雷兹仪器厂)；旋转蒸发仪(SY-2000上海亚荣生化仪器厂)；高速离心机 (TGL-16C，上海安亭科学仪器厂)；水浴锅(DK-98-1型， 天津泰斯特仪器有限公司)；高效液相色谱(LC-2010A HT, Shimadzu corporation)；示差检测器(RID-10A, Shimadzu corporation)。

1.3方法

1.3.1 原料的预处理 将干燥玉米芯用粉碎机粉碎后，过40目筛，制成粉末备用。

1.3.2 水解液的制备 取干燥玉米芯粉末10 g，向其中加入100 mL 0.1% NaOH溶液，置于高压蒸汽灭菌锅中125 ℃下蒸煮2.5 h，除去淀粉、蜡质、蛋白质等杂，之后抽滤得蒸煮渣，烘干后备用。取干燥后的蒸煮渣(g)与草酸溶液(mL)以1∶10的比例混合(g·mL-1)，在高压蒸汽灭菌锅中蒸煮，抽滤得水解液，向其中加入碳酸钙粉末调pH至中性，经5 000 r·min-1离心10 min得到含有L-阿拉伯糖的溶液[14]。

1.3.3 单因素试验设计 以水解温度105 ℃，水解时间2.5 h，草酸体积分数1.5%为基准进行单因素试验，在保持2个因素条件不变的情况下，分别考察不同草酸体积分数、水解温度、水解时间对玉米芯中L-阿拉伯糖酸解得率的影响，以确定试验参数的范围。

1.3.4 正交试验设计 通过单因素试验确定条件范围后，采用正交设计的方法，分别考察草酸体积分数、水解时间、水解温度在四个不同水平上对L-阿拉伯糖水解得率的影响，以确定草酸水解法制备L-阿拉伯糖的最佳工艺条件。L16(45)正交设计因素水平表如表1所示[15]。

表1 L16 (45)正交试验设计因素与水平Table 1 L16 (45) Orthogonal experimental design

1.3.5 高效液相色谱法(HPLC)测定L-阿拉伯糖 高效液相色谱测定L-阿拉伯糖含量的测定条件[16-17]如下。

色谱条件：色谱柱：Shodex SC1011 Ca2+分析柱 (4.6 mm×250 mm，6 μm)；流动相：实验室自制三蒸水，超声脱气15 min；流速：0.8 mL·min-1；柱温：80℃；检测器：RID-10A型示差折光检测器；进样量：20 μL。

1.3.6 L-阿拉伯糖标准品的标准曲线绘制 精确称取L-阿拉伯糖20 mg，用2 mL三蒸水配制成10 mg·mL-1的糖溶液，用移液枪吸取1 mL的溶液依次稀释为5 、2.5、 1.25、0.625 mg·mL-1的标准溶液，进样量为20 μL，记录各自保留时间，以峰面积为纵坐标，标准品溶液浓度为横坐标，绘制L-阿拉伯糖的标准曲线。

1.3.7 L-阿拉伯糖得率的计算 将制取的阿拉伯糖水解液经0.22 μm水系滤器过滤后经高效液相色谱检测，将得到的峰面积带入标准曲线后得到L-阿拉伯糖浓度值，再代入下式计算。

水解得率=玉米芯中L-阿拉伯糖的质量(mg)×100% / 干玉米芯质量(mg)

1.3.8 数据分析 各处理均设3 次重复取平均值，以SPSS 17.0进行数据处理。

2 结果与分析

2.1L-阿拉伯糖的标准曲线

以不同标准品溶液的浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制L-阿拉伯糖标准工作曲线如图1所示。用最小二乘法作线性回归方程[18]，得L-阿拉伯糖含量与峰面积的标准曲线和回归方程式为Y=210 861 676.966X-28 244.384，相关系数R2=0.999。说明L-阿拉伯糖在0. 625～10 mg·mL-1范围内，与峰面积线性关系良好，拟合度高。

图1 L-阿拉伯糖标准曲线Fig. 1 The standard curve of L-abainose

2.2单因素对L-阿拉伯糖水解得率的影响

2.2.1 草酸体积分数对L-阿拉伯糖水解得率的影响 在水解温度为105℃，水解时间为2.5 h的条件下，考察不同草酸体积分数(0.5%、1%、1.5%、2%)对玉米芯中L-阿拉伯糖酸解得率的影响。

注:a，b，c代表显著性差异水平(P<0.05)。下同。Note：a,b,c are Significant difference level(P<0.05).The same as below

图2草酸体积分数对L-阿拉伯糖得率的影响
Fig.2EffectofoxalicacidvolumefractiononL-arabinoseyield

由图2可知，在草酸体积分数为1.5%时L-阿拉伯糖水解得率达到最大值，再增大草酸体积分数L-阿拉伯糖的得率不再增加，反而呈现递减趋势，主要是由于酸度的增加降低了草酸水解L-阿拉伯糖的特异性，木糖、葡萄糖等其他单糖也释放出来，从而使L-阿拉伯糖的得率降低，同时也加大了后期的分离难度。关于酸的质量分数对水解得率的影响冯亚青等[19]也曾报道过。

2.2.2 水解温度对L-阿拉伯糖水解得率的影响

将干燥的玉米芯蒸煮渣与草酸溶液以1∶10比例混合，在草酸体积分数为1.5%，水解时间2.5 h的条件下考察不同的水解温度(95、105、115、125 ℃)对L-阿拉伯糖水解得率的影响情况。

图3 水解温度对L-阿拉伯糖得率的影响Fig. 3 Effect of hydrolization temperature on L-arabinose yield

如图3所示，随着温度的增加，L-阿拉伯糖的水解得率不断增加，在115 ℃时，L-阿拉伯糖的水解得率达到最大，随后再增大水解温度水解得率不增反减。酸解温度是影响得率的一个重要因素，通常温度每升高10 ℃，反应速率提高两倍，但是温度超过115 ℃后，持续的高温导致L-阿拉伯糖被分解破坏，从而导致得率下降[20]。

2.2.3 水解时间对L-阿拉伯糖得率的影响

在草酸体积分数为1.5%，温度为105 ℃的条件下，考察不同水解时间(1 、1.5 、2 、2.5 h)对L-阿拉伯糖水解得率的影响。

图4 水解时间对L-阿拉伯糖得率的影响Fig. 4 Effect of hydrolization time on L-arabinose yield

如图4所示,随着水解时间的增加，草酸水解玉米芯的程度越来越完全，L-阿拉伯糖水解得率随之增加。而玉米芯随着温度的升高，L-阿拉伯糖的水解得率一直呈现上升状态，但是长时间高温条件对生产设备的要求过于严格，不利于工业生产。因此，我们确定玉米芯的最佳酸解时间为1.5 h。

表2 玉米芯L16 (45)正交试验结果Table 2 L16 (45) Orthogonal experimental results

表3 方差分析结果Table 3 Orthogonal experimental variance analysis

2.3正交试验结果及方差分析

由表2和表3可知，对L-阿拉伯糖水解得率影响的主次顺序为B>C>A，即水解温度>水解时间>草酸体积分数；最佳条件组合为A3B4C2，即草酸体积分数1.5%，水解时间1.5 h，水解温度125 ℃。根据方差分析结果可知,水解温度对于L-阿拉伯糖得率的影响是极显著的。原料对L-阿拉伯糖的水解得率影响显著，可能是由于原料本身的组成成分不同造成的。

3 结论

本研究以玉米芯为原料，采用酸水解法提取L-阿拉伯糖，以水解液中的L-阿拉伯糖含量为检测指标，考察了草酸体积分数、水解温度、水解时间对水解得率的影响，通过单因素实验和正交实验，确定了草酸水解玉米芯制备L-阿拉伯糖的最佳工艺条件为：草酸体积分数1.5%，水解时间1.5 h，水解温度125 ℃， L-阿拉伯糖的水解得率为3.5%。确定了水解温度对L-阿拉伯糖得率的影响最大。本研究为玉米副产物的综合利用和L-阿拉伯糖的生产提供了理论依据。

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(责任编辑：蒋国良)

StudyofL-arabinoseextractionfromcorncobbyacidhydrolysis

LI Mingze1, CHENG Yayun1, ZHENG Lin1, JIN Qing1,2

(1. College of Agronomy, Yanbian University, Yanji 133002，China; 2. Food Research Centre of Yanbian University，Yanji 133002，China)

For the sufficient application of L-arabinose in corn cobs, we investigated the effects of oxalic acid volume fraction, hydrolysis temperature and hydrolysis time on the yield of L-arabinose. The yield of L-arabinose, detected by high performance liquid chromatography (HPLC), was taken as the indicator, and the optimal conditions of oxalic acid hydrolysis of corn cobs for L-arabinose production were determined by the orthogonal test: The oxalic acid concentration was 1.5%, the hydrolysis time was 1.5 h, the hydrolysis temperature was 125 ℃, and the yield of L-arabinose by hydrolysis was 3.5%.

corn cobs; acidolysis; L-arabinose

TS201.3

：A

2016-09-12

国家自然科学基金资助项目 (31260362，31660452)

李明泽(1994-)，男,吉林抚松人,硕士研究生，从事食品微生物发酵方面的研究。

金 清(1971-),女,吉林延吉人，教授,博士。

1000-2340(2017)02-0207-05