响应面法优化油茶果壳酸水解法生产木糖的工艺研究

李彦勋梁文欧李康准刘婧陈昆平黄敏

(1.广东茂名农林科技职业学院，广东 茂名 525000；2.广东石油化工学院，广东 茂名 525000)

木糖(Xylose)属五碳糖，一般以多缩戊糖木聚糖的形式存在于植物体内的半纤维素中[1-3]。玉米芯中多缩戊糖含量达到35%～40%，被作为生产木糖的主要原料[4]。国内外学者分别以甘蔗渣[5]、榛子壳[6]、高粱杆[7]、稻壳[8]等作为原料进行不同方法生产木糖的研究。木糖原料预处理方法主要有物理法、化学法和生物法[9]，不同的处理方法其优缺点都很明显。目前，工业生产的木糖均由低聚木糖水解，异麦芽酮糖、低聚果糖和乳果糖等均属于功能性低聚糖，由于聚合度低，通过酸、碱、酶等物质处理，可水解为木糖，处理的方法有酸水解法、碱水解法、酶解法、蒸煮法等[10]。田心健等[11]通过研究半纤维素的分解产物，得到低聚木糖、木糖、阿拉伯糖和甘露糖等组分。综合考虑催化剂种类和来源、木糖得率、损失率等因素，酸水解法仍然是目前工业化生产木糖的主要方法[12]。同时酸水解法生产木糖的工艺技术和木糖产量直接相关，对木糖产业发展具有重要指导意义，在总结前人研究的基础上，采用响应面法优化油茶果壳酸水解法生产木糖的工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料油茶果壳由广东省茂名市信宜龙耕油茶基地提供。浓盐酸、浓硫酸、乙醇、甲苯均为分析纯，广州东红化工厂；氢氧化钙、氨水、三氯化铁均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；地衣酚为化学纯，广州东红化工厂；D-木糖为生化试剂，天津市光复精细化工研究所。

1.2 仪器与设备

PHS-25数显pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；SHZ-D(III)循环水式真空泵，巩义市英峪豫华仪器厂；101A-2B型电热鼓风干燥箱，上海市试验仪器总厂；722可见光分光光度计，上海舍岩仪器有限公司；HH-6数显恒温水浴锅，江苏新春兰科学仪器有限公司；JA1203分析天平，浙江赛德仪器设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

原料经除杂于烘箱中60℃干燥,过40目筛，蒸汽爆破，用10%氨水处理48h，水洗，用甲苯与乙醇(V∶V=2∶1)混合溶剂浸提10h，过滤，滤渣于60℃烘干，备用。

1.3.2 木糖的提取

称取油茶果壳粉末5.0g于250mL锥形瓶内，加水煮沸到无明水。加入45mL 3.0%的硫酸溶液水解油茶果壳，在90℃条件下水解时间2h，过滤得到水解液，备用。

1.3.3 木糖含量的测定

参照王君福等的方法[13]。木糖标准曲线的制作见图1。

图1 木糖标准曲线

1.3.4 单因素试验

分别考察固液比(1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10)、硫酸溶液浓度(1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%)、温度(80℃、85℃、90℃、95℃、100℃)，时间分别为1h、1.5h、2h、2.5h、3h,固定水平:固液比为1∶9，硫酸溶液浓度为3.0%，处理时间为2h，温度为90℃条件下对木糖得率的影响。

1.3.5 数据处理

所有试验进行3次重复，所得数据采用Design-Expert 8.0.6进行响应面分析，分析模型各项数据，验证结果。通过Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0绘制标准曲线和含量计算。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 固液比对木糖得率的影响

图2 固液比对木糖得率的影响

由图2可知，随着固液比的增大，油茶果壳水解液的木糖得率一直增大。原因可能是固液比越大，水解越彻底，木糖得率越高。固液比较高时，浸提液无法将油茶果壳中的木糖完全浸提出来，导致木糖得率降低；过低的固液比会造成水资源浪费，且产物浓度的升高会加大后续蒸发浓缩等过程的能耗和难度。综合考虑，选取固液比1∶8～1∶10g·mL-1作为响应面试验的固液比考察范围。

2.1.2 硫酸溶液浓度对木糖得率的影响

由图3可知，随着油茶果壳水解液水解过程中所添加稀硫酸浓度的逐渐上升，水解液中木糖的浓度呈现先上升再缓慢下降的趋势。当酸浓度约为3.00%时，木糖得率达到最高(约为26.49%)。较高的酸浓度对设备的腐蚀性增大，且高浓度酸会催化单糖降解和其它非半纤维素物质发生副反应，导致水解液中的副产物(主要为乙酸、醌类、糠醛等物质)浓度升高[14]，水解液颜色加深，不利于木糖的分离、纯化，降低了木糖得率。综合分析，选取硫酸浓度为2%～4%作为响应面试验的硫酸浓度的考察范围。

图3 稀酸浓度对木糖得率的影响

2.1.3 水解温度对木糖得率的影响

由图4可知，随着水解温度的升高，油茶果壳水解液的木糖得率先增大，90℃达到最大值再降低。原因可能是水解温度低导致水解反应缓慢，水解液难以在较短时间生成木糖。过高的处理温度也会导致副产物浓度增加[15]。高温条件也会导致部分戊糖转化为糠醛，降低木糖得率[16]。综合考虑，选取温度80～100℃作为响应面试验的处理时间考察范围。

图4 温度对木糖得率的影响

2.1.4 时间对木糖得率的影响

由图5可知，酸水解时间在1～3h时，随着油茶果壳水解液水解时间的延长，油茶果壳水解液中木糖得率都略微增加，这表明水解反应在持续进行。随着水解时间的延长，油茶果壳的木糖得率逐渐增大，在2h时达到最大值(16.28%)，后又降低。可能是长时间的水解会导致木糖转化为糠醛。综合考虑，选取2h作为响应面试验的处理时间。

图5 水解时间对木糖得率的影响

2.2 响应面法试验结果

2.2.1 响应面试验设计

根据Box-Behnken在单因素试验的基础上，采用3因素(固液比、硫酸溶液浓度、水解温度)3水平的响应面法确定油茶果壳制备木糖醇的最佳工艺参数，因素水平表见表1，响应面分析方案见表2。

表1 响应面试验因素与水平设计

2.2.2 回归方程模型的建立及显著性分析

根据响应面试验结果，采用ANOVA对表2中的数据进行多元二次回归，得到木糖得率(Y)与固液比(A)、硫酸溶液浓度(B)、水解温度(C)之间的二次多项回归方程：Y=+28.81+3.29A-0.94B+1.82C-4.51A2-4.82B2-5.32C2+0.54AB+1.52AC+0.59BC，应用Design Expert回归分析对方程和各个因子进行分析，结果见表3。

回归方程中各变量对响应值影响的显著性用F检验来判定，概率p(Pr>F)值越小,则相应变量的显著程度越高，p(Pr>F)<0.01时影响为高度显著，p(Pr>F)<0.05影响显著。模型回归p为0.0001，说明模型回归显著可靠，失拟项为0.2407，所以不显著。由表2、表3的分析结果可以看出，A(固液比)、B(硫酸溶液浓度)、C(水解温度)3个因素对木糖的得率影响显著(p(Pr>F)<0.05)，同时A(固液比)和C(水解温度)交互项对木糖的得率影响显著(p(Pr>F)<0.05)，A2(固液比)、B2(硫酸溶液浓度)、C2(水解温度)对木糖的得率影响高度显著p(Pr>F)<0.01，说明固液比、硫酸溶液浓度、水解温度对木糖得率的影响不是简单的线性关系，平方项和交互项也有很重要的作用，这与模型分析的结果相同。此响应面模型的回归系数R2=0.9040，说明方程模型的响应值(木糖得率)变化90.40%由所选因变量决定，即固液比、硫酸溶液浓度、水解温度的变化。同时模型可以解释试验数据中90.40%的点。回归方程能较好地描述与响应值之间的真实关系，利用此回归方程对试验结果进行计算是合理的。该模型是合适的，可以用此模型对发酵水解液木糖提取木糖醇进行分析和预测，在选取的因素水平范围内，各因素对结果的影响排序为A(固液比)>C(水解温度)>B(硫酸溶液浓度)。

表2 响应面试验方案与结果

表3 回归模型方差分析

2.2.3 交互作用分析

图6～8是通过多元回归方程所做的响应曲面图和等高线图，拟合的响应曲面和等高线图能直观反应各因素间的交互作用。

响应面曲面图和等高线图可以看出3个因素的交互作用对响应值的影响情况，等高线图越陡峭表示因素的效应越大。由图6～8可以看出，3个响应曲面均为开口向下的凸形曲面，且等高线最小椭圆的中心在所选的数值范围内，说明响应值(水解液木糖得率)在3个因子设计的范围内存在最大值。RSM分析模型给出了模型推测的油茶果壳水解液木糖的最大得率为28.76%，此时对应的模型推算的最佳提取结果可以为固液比1∶9.13，硫酸溶液浓度2.99%，水解温度89℃，木糖得率最优值28.76%。

图6 交互作用AB对木糖提取率的影响

图7 交互作用AC对木糖提取率的影响

图8 交互作用BC对木糖提取率的影响

2.2.4 最佳工艺参数确定及试验结果验证

通过响应面优化和参数修正，得到最优试验方案：固液比为1∶9.13，硫酸溶液浓度为3.00%，水解温度为89℃，在最优条件下平行进行3次试验，平行试验的结果分别是28.37%、27.95%、27.74%，木糖平均得率为27.69%，RSD(相对标准偏差)=3.72%，试验结果表明，此试验重现性良好。响应面法优化油茶果壳为原料酸水解法制备木糖各工艺参数切实可行、重现性好。

3 结论

通过单因素试验和响应面试验数据分析，稀硫酸预处理油茶果壳制备木糖的较优工艺条件为固液比1∶9.13，硫酸溶液浓度3.00%，水解温度89℃，处理时间2h，此条件下验证油茶果壳制备木糖的得率高达27.69%。稀酸预处理油茶果壳制备木糖过程中，处理温度对预处理效果影响显著，而处理时间的影响不显著，稀酸预处理过程中各因素对油茶果壳木糖提取率影响大小顺序为固液比>水解温度>硫酸浓度。