超聲波輔助提取玉米芯木聚糖工藝研究

中國是一個擁有眾多農業大國的國家，玉米是中國的三大糧食之一。據統計,中國每年大約可產玉米芯0.4億t。然而,大量的玉米芯被作為廢物燒掉或扔掉,不僅浪費了資源,而且嚴重污染環境。因此,對玉米芯進行綜合利用是環保的舉措,也是人類可持續發展的需要。玉米芯中纖維素占32%～35%,多縮戊糖占35%～40%,其中多聚戊糖的主要成分為木聚糖。木聚糖是廣泛存在于自然界的植物纖維中半纖維素的主要成分,它由木糖經β-1,4糖苷鍵連接而成,經酶水解可生產國際市場上急需的低聚木糖、木糖等療效食品。目前利用超聲波輔助提取天然植物有效成分的研究十分廣泛,與傳統的提取工藝比較,該方法具有速度快、效率高、條件溫和、不損壞提取物結構等優點。以玉米芯為原料,利用超聲波輔助提取玉米芯中的木聚糖,并通過響應面分析方法預測和優化木聚糖的提取工藝條件,以期為綜合開發利用玉米芯,減少環境污染提供依據,并尋求一種更高效的的木聚糖提取分離方法。1材料和方法1.1試驗材料玉米芯購于河南,干燥保存。所用其余試劑均為分析純。1.2高效離心檢測儀器DL-360B型超聲波清洗器:上海之信儀器有限公司;TDL-8M臺式大容量冷凍離心機:上海盧湘儀離心機儀器有限公司;SP-756型紫外可見分光光度計:上海光譜儀器有限公司。1.3測試方法1.3.1不同溫度對提取玉米芯的影響將玉米芯洗凈,烘干,粉碎過80目篩。準確稱取玉米芯10g,加入不同體積的10%的NaOH溶液,在超聲波作用下,在不同溫度下分別攪拌浸提,離心,取上清液,過濾,定容,待測。1.3.2傳統方法提取玉米芯糖準確稱取玉米芯10g,加220mL10%的NaOH溶液,100℃攪拌浸提2.5h,離心,取上清液,過濾,定容,待測。1.3.3還原糖質的測定取一定量的木聚糖溶液,調節pH至5,加入4倍體積無水乙醇,4℃靜置過夜,然后3000r/min離心15min,取沉淀,加入一定量的7%H2SO4于100℃水解2h,中和,定容,過濾,測定濾液的還原糖質量,將其乘以木聚糖聚合因數0.9作為木聚糖質量。還原糖的測定采用DNS法。2結果與分析2.1行浸提試驗結果分別用2%、6%、10%、14%和20%的NaOH溶液進行浸提,結果如圖1所示。可以看出,堿濃度較小時,木聚糖提取率隨著堿濃度的增加而提高,當堿濃度超過10%時,木聚糖的提取率開始下降,因此應該選擇10%堿溶液作為提取溶劑。2.2超聲作用對木聚糖提取率的影響根據Box-Benhnken的中心組合試驗設計原理設計實驗,采用響應面分析方法預測和優化木聚糖提取條件。選取超聲波功率、超聲波作用時間、超聲波提取溫度、液料比4個因素,根據資料進行前期單因素試驗,結果表明:(1)隨著超聲波功率的增大,超聲波產生的水合作用、細胞破壞作用愈加強烈,加速了木聚糖的溶出,在超聲波功率為230～290w時,木聚糖提取率較高,當超聲波功率高于290w時,超聲波產生的強烈機械振動又導致了木聚糖的分解,使木聚糖提取率下降;(2)隨著提取溫度的提高,傳質速度加快,在溫度為60～80℃時,木聚糖提取率較高,提取溫度高于80℃時,木聚糖容易被氧化變質,提取率開始降低;(3)在超聲波作用下,提取時間過長或者過短都會導致木聚糖提取率降低,當提取時間為50min左右時,木聚糖提取率相對較高;(4)隨著固液比的增大木聚糖提取率先增加后減少,在1∶20時提取率最高,所以固液比以1∶20左右較好。根據以上的試驗結果,為超聲波功率、超聲波作用時間、超聲波提取溫度、液料比4個因素選擇合適的水平,試驗因素與水平設計見表1。2.3次響應面模型建立的方差分析對超聲波功率Z1、提取時間Z2,提取溫度Z3和液料比Z4作變換如下:X1=(Z1-260)/30,X2=(Z2-50)/10,X3=(Z3-70)/10,X4=(Z4-20)/2,以X1、X2、X3、X4為自變量,以木聚糖提取得率為響應值(Y),試驗方案及試驗結果見表2。通過SAS軟件進行二次響應面回歸分析,得到如下多元二次響應面回歸模型:Y1=29.41333+2.21×X1+1.1225×X2+0.7125×X3+0.803333×X4-4.867917×X1×X1+0.4325×X1×X2+0.1425×X1×X3-0.18×X1×X4-2.731667×X2×X2-0.6375×X2×X3+0.0925×X2×X4-2.256667×X3×X3-0.7025×X3×X4-1.197917×X4×X4(1)回歸模型各項的方差分析見表3。方差分析表明,絕大部分項的系數是顯著的;模型的P值為0.0001,表明模型是高度顯著的,回歸模型(1)很好的擬合了試驗數據。可以用該模型對不同反應條件下的木聚糖提取率進行預測。由響應值Y擬合程度分析(表4)看出。R-square為98.89%,說明試驗所選的4個因素及其二次項能解釋Y變化的98.89%;模型誤差平方根為9.5163,說明模型擬合程度良好。2.44提取條件的確定回歸模型的三維響應面圖和等高線圖如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可直觀看出,超聲波功率、提取時間和液料比對玉米芯木聚糖提取率的影響較為顯著,即隨著超聲波功率、提取時間和液料比的增加或減少,響應值變化較大。提取溫度對木聚糖提取率的影響相對較小,即隨著提取時間的增加或減少,響應值變化較小。根據回歸模型及軟件的精確計算,得到回歸模型的穩定點即最大值點為:超聲波功率為265.88W(X1=0.196),提取時間為51.9min(X2=0.19),提取溫度為71.12℃(X3=0.112)和液料比(NaOH溶液與木聚糖之比,mL/g))為20.39(X4=0.195)。結合實際情況,最大值點即最佳提取條件初步確定為:超聲波功率為266w,提取時間為52min,提取溫度為71.1℃,液料比為20.39。在最佳條件下,模型預測的木聚糖最大提取率為29.769%。2.5重復試驗結果以響應面分析曲面擬和的最佳條件(即:超聲波功率為266W,提取時間為52min,提取溫度為71.1℃和液料比20.39)為操作條件,進行3組重復試驗,結果如表5所示。由表5可知,以擬合條件重復試驗3次,玉米芯木聚糖提取率平均值為29.7722%,與預測值29.769%非常相近。表明所建立的模型是十分成功的,同時也證明響應面分析設計的可靠性及準確性。2.6超聲時間的縮短由表6可以看出,與傳統提取方法相比,超聲波輔助法顯著提高了玉米芯木聚糖提取率,提高了17.382%。而且提取溫度降低了31℃,提取時間縮短了98min。提取效果大為改善。這是因為超聲波能夠產生強烈震動、高加速度、強烈空化效應及攪拌效應等。空化作用產生相當大的破壞應力可破壞細胞壁結構,使木聚糖充分暴露;機械振動作用加快木聚糖在媒介中的傳遞擴散。兩種作用相互促進,使木聚糖提取過程更容易。因而超聲波處理可以提高提取率,縮短提取時間,并且需要較低的提取溫度,因此應用超聲波輔助提取法提取玉米芯具有十分重要的意義。3響應面分析驗證了超聲波輔助提取玉米芯木聚糖最佳條件的確定,為提高下轉本試驗利用超聲波處理輔助提取玉米芯木聚糖。采用Box-Benhnken的中心組合試驗設計原理來考察4個獨立因素(超聲波功率、提取時間、提取溫度和液料比)對木聚糖提取率的影響。通過響應面分析得出了超聲波輔助法提取玉米芯木聚糖的最佳條件為:以10%NaOH溶液為提取溶劑,超聲波功率為266w,提取時間為52min,提取溫度為7