響應(yīng)面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝

姚 笛，馬 萍，王 穎，楊 健，張麗媛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

響應(yīng)面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝

姚 笛，馬 萍，王 穎，楊 健，張麗媛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為提高玉米芯中木聚糖的得率，采用響應(yīng)面法優(yōu)化堿法提取玉米芯中木聚糖的工藝條件，對(duì)堿液質(zhì)量濃度、固液比、處理時(shí)間、處理溫度4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)中心組合試驗(yàn)，以木聚糖得率為指標(biāo)值，采用響應(yīng)面分析法確定最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：NaOH溶液的質(zhì)量濃度為25g/100mL、固液比1:25(g/mL)、94℃抽提3h，在上述條件下木聚糖得率為24.39%，比單因素試驗(yàn)的最高得率20.35%高出19.85%，與模型的預(yù)期值24.41%基本相符。響應(yīng)面優(yōu)化法能夠提高玉米芯的木聚糖得率。

響應(yīng)面；玉米芯；木聚糖；提取工藝

木聚糖是自然界中的一種豐富的再生資源，是除纖維素外，自然界中最豐富的多糖[1-2]。木聚糖是一種五碳醛糖，為無(wú)色至白色結(jié)晶或針狀性粉末，不易被人體消化吸收、低熱值，不易被腐敗菌發(fā)酵，具有明顯的雙歧桿菌活性，能夠起到調(diào)節(jié)人體生理功能，增加機(jī)體免疫力，預(yù)防疾病發(fā)生等作用[3-6]。另外，木聚糖類(lèi)半纖維素是一類(lèi)取之不盡而又待開(kāi)發(fā)的可再生資源，經(jīng)酶水解可生產(chǎn)國(guó)際市場(chǎng)上急需的低聚木糖、木糖等療效食品[7-9]。其降解后所產(chǎn)生的木糖和少量其他單糖，可以用作基本碳源生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品，包括有機(jī)酸、氨基酸、單細(xì)胞蛋白、燃料乙醇、木糖醇等[10-11]。作為生產(chǎn)低聚木糖及發(fā)酵產(chǎn)品的原料，木聚糖的提取和木聚糖的水解是關(guān)鍵步驟。

玉米是世界三大糧食作物之一，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)報(bào)道，世界玉米種植面積1.35億hm2[2,12]，我國(guó)位居世界第二，玉米年產(chǎn)量1.1億t左右，全國(guó)有玉米芯資源2750萬(wàn)t，玉米芯中木聚糖的含量高達(dá)35%～40%[13]。王萍[14]、邵佩蘭[15]等利用堿法提取小麥麩皮中的木聚糖發(fā)現(xiàn)，NaOH浸提法是提取木聚糖的首選方法。本實(shí)驗(yàn)以玉米芯為原料，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)堿法提取木聚糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為玉米芯資源的利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯取自大慶市郊區(qū)；木糖、3,5-二硝基水楊酸北京奧博星生物技術(shù)有限公司；乙醇、氫氧化鈉等為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 方法

1.2.1 玉米芯的粉碎

選擇干燥的、無(wú)蟲(chóng)蛀、無(wú)霉變的玉米芯，先用錘子敲碎成小塊，然后置于粉碎機(jī)中粉碎，過(guò)40目篩，備用。

1.2.2 玉米芯木聚糖的提取

準(zhǔn)確稱(chēng)取玉米芯10g，加220mL 10g/100mL NaOH溶液，100℃攪拌浸提2.5h，離心，取上清液、過(guò)濾、定容、待測(cè)。

1.2.3 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別取標(biāo)準(zhǔn)木糖液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9mL于25mL比色管中，加水至1.0mL，再加入3mL 3,5-二硝基水楊酸(DNS)溶液。在沸水浴中蒸煮5min，立即冷卻，定容后搖勻，以沒(méi)加木糖的溶液作對(duì)照，在500nm處測(cè)定其吸光度，以木糖質(zhì)量濃度對(duì)吸光度作圖，確定木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 木聚糖的測(cè)定

取一定量的木聚糖溶液，調(diào)節(jié)pH值至5，加入4倍體積無(wú)水乙醇，4℃靜置過(guò)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(guò)濾，測(cè)定濾液的還原糖質(zhì)量，將其乘以木聚糖聚合因數(shù)0.9作為木聚糖質(zhì)量。還原糖的測(cè)定采用DNS法[8]。

式中：m為木聚糖質(zhì)量/mg；M為原料質(zhì)量/mg。

1.2.5 單因素試驗(yàn)

1.2.5.1 處理時(shí)間的影響

將處理時(shí)間調(diào)至1、2、3、4、5h，固液比1:20，堿液質(zhì)量濃度20g/100mL，90℃條件下進(jìn)行提取。

1.2.5.2 固液比的影響

將固液比調(diào)至1:10、1:20、1:30、1:40、1:50，處理時(shí)間3h，堿液質(zhì)量濃度20g/100mL，90℃條件下進(jìn)行提取。

1.2.5.3 堿液質(zhì)量濃度的影響

將堿液質(zhì)量濃度調(diào)至5、10、15、20、25g/100mL，固液比1:30，處理時(shí)間3h，90℃條件下進(jìn)行提取。

1.2.5.4 處理溫度的影響

將處理溫度調(diào)至60、70、80、90、100℃，堿液質(zhì)量濃度20g/100mL，固液比1:30，處理3h進(jìn)行提取。

1.2.6 響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[16]，以木聚糖得率為指標(biāo)，設(shè)計(jì)4因素5水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，因素水平編碼見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)用Design Expert軟件分析確定最優(yōu)發(fā)酵工藝參數(shù)。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factors and levels in central composite design

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖的測(cè)定

以木糖質(zhì)量濃度為X軸、吸光度為Y軸，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，由標(biāo)準(zhǔn)曲線圖可得回歸方程y=0.8636x＋0.0164，相關(guān)系數(shù)R2=0.9969，在0.2～0.9g/L范圍內(nèi)木糖質(zhì)量濃度和吸光度有良好線性關(guān)系。

2.2 不同因素對(duì)木聚糖得率的影響

2.2.1 處理時(shí)間對(duì)木聚糖得率的影響

圖1 處理時(shí)間對(duì)木聚糖得率的影響Fig.1 Effect of extraction time on the yield of xylan

由圖1可知，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)木聚糖得率先增加后減少，1～3h增加明顯，3～5h有較小幅度降低，處理3h時(shí)木聚糖得率最高，所以處理時(shí)間以3h較好。

2.2.2 固液比對(duì)木聚糖得率的影響

圖2 固液比對(duì)木聚糖得率的影響Fig.2 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of xylan

由圖2可知，隨著固液比的增大木聚糖得率先增加后減少，在1:30時(shí)得率最高，所以固液比以1:30較好。

2.2.3 堿液質(zhì)量濃度對(duì)木聚糖得率的影響

圖3 堿液質(zhì)量濃度對(duì)木聚糖得率的影響Fig.3 Effect of NaOH concentration on the yield of xylan

由圖3可知，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，木聚糖得率逐漸增加，以25g/100mL NaOH較好。

2.2.4 溫度對(duì)木聚糖得率的影響

圖4 處理溫度對(duì)木聚糖提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of xylan

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，木聚糖提取率先逐漸增加后有所降低，以90℃木聚糖得率最高。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝參數(shù)

2.3.1 回歸方程的建立與方差分析

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，通過(guò)Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行回歸分析，得到的方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，處理時(shí)間的一次項(xiàng)達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，固液比和堿液體積分?jǐn)?shù)的一次項(xiàng)均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，表明這3個(gè)因素對(duì)木聚糖得率的線性效應(yīng)顯著；所有二次項(xiàng)對(duì)木聚糖得率的曲面效應(yīng)顯著；AC、CD交互效應(yīng)顯著(P＜0.05)，表明各影響因素對(duì)木聚糖得率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。從表3的分析結(jié)果來(lái)看，整體模型的P＜0.01，該二次方程模型達(dá)到極顯著水平，并且失擬項(xiàng)不顯著(P＞0.05)，說(shuō)明該回歸方程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了較好擬合，二次回歸方程為：

Y=23.39＋1.95A＋1.04B＋0.66C＋0.78D－0.089AB＋0.68AC－0.42AD－0.59BC－0.56BD＋0.89CD－2.80A2－2.78B2－1.21C2－0.62D2

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results of central composite design

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

2.3.2 響應(yīng)面及等高線分析結(jié)果

響應(yīng)面圖是響應(yīng)值在各試驗(yàn)因素交互作用下得到的結(jié)果構(gòu)成的一個(gè)三維空間曲面。根據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)曲面圖，考察所擬合的響應(yīng)曲面的形狀。圖5、6是對(duì)響應(yīng)值木聚糖得率影響較大的兩因素交互作用的結(jié)果，其他因素交互作用不顯著。

圖5 處理時(shí)間和堿液質(zhì)量濃度對(duì)木聚糖得率交互影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of extraction time and NaOH concentration on the yield of xylan

圖6 處理溫度和堿液質(zhì)量濃度對(duì)木聚糖得率交互影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of temperature and NaOH concentration on the yield of xylan

由圖5可知，處理時(shí)間在1.6～2.5h范圍內(nèi)，堿液質(zhì)量濃度在14%～20%范圍內(nèi)時(shí)，兩者存在顯著的增效作用，木聚糖得率隨著處理時(shí)間和堿液質(zhì)量濃度的增加而增加；而處理時(shí)間在2.5～4h范圍內(nèi)，堿液質(zhì)量濃度在20～30g/100mL范圍內(nèi)時(shí)，木聚糖得率隨著兩個(gè)因素的增加反而開(kāi)始降低。由圖6可知，堿液質(zhì)量濃度在14～20g/100mL范圍內(nèi)，處理溫度在76～85℃范圍內(nèi)時(shí)，兩者存在著顯著的增效作用，木聚糖得率隨著溫度和時(shí)間的增加而升高；而當(dāng)堿液質(zhì)量濃度在20～26g/100mL區(qū)間，處理溫度在85～94℃木聚糖得率反而隨著兩個(gè)因素的增加開(kāi)始降低。

為了確定最佳點(diǎn)的值，對(duì)模型進(jìn)行分析，以得到最高木聚糖得率的最佳提取工藝條件，經(jīng)分析得出最佳提取條件為處理時(shí)間2.83h、固液比1:25(g/mL)、堿液質(zhì)量濃度24.42g/100mL、處理溫度93.92℃，木聚糖得率24.41%。

2.3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的可靠性，采用上述最優(yōu)提取條件進(jìn)行玉米芯木聚糖的提取，同時(shí)考慮到實(shí)際操作的便利，最佳條件修正為處理時(shí)間3h、固液比1:25(g/mL)、堿液質(zhì)量濃度25g/100mL、處理溫度94℃，木聚糖得率24.39%。與預(yù)測(cè)值比較可知，曲面響應(yīng)分析所得的化模型是可靠的。

3 結(jié) 論

采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行響應(yīng)面分析結(jié)合實(shí)際值確定木聚糖提取的最佳工藝條件為處理時(shí)間3h、固液比1:25(g/mL)、堿液質(zhì)量濃度25g/100mL、處理溫度94℃，木聚糖提取率為24.39%。處理時(shí)間、固液比和堿液體積分?jǐn)?shù)對(duì)木聚糖得率的影響顯著，處理溫度的影響不顯著；處理時(shí)間與堿液體積分?jǐn)?shù)，堿液體積分?jǐn)?shù)與處理溫度的交互項(xiàng)對(duì)木聚糖得率的曲面效應(yīng)顯著。

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Optimization of Extraction Process for Xylan from Corncob by Response Surface Methodology

YAO Di，MA Ping，WANG Ying，YANG Jian，ZHANG Li-yuan
(College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Response surface methodology was used to optimize the conditions for alkaline extraction of xylan from corncob with the aim of maximizing the yield of xylan. The effects of NaOH concentration, solid-to-liquid ratio, extraction time and temperature on the yield of xylan were studied in single factor experiments. Subsequently, a regression model for the yield of xylan was established using a central composite design involving the above four factors at five levels and based on the model,response surface analysis was carried out to find out the optimum levels of these four factors. The results indicated that the optimum extraction conditions were NaOH concentration of 25 g/100 mL, solid-to-liquid ratio of 1:25, temperature of 94 ℃ and extraction time of 3 h. Under such conditions, the experimental yield of xylan was 24.39%, which was basically consistent with the predicted one of 24.41% and increased by 19.85% than the maximum one of 20.35% obtained in single factor experiments.

response surface method；corncob；xylan；extraction process

TQ929.2

A

1002-6630(2011)08-0111-05

2010-06-23

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11551324)

姚笛(1980—)，女，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c生物技術(shù)。E-mail：yaodi0226@sina.com