劉曉飛,張 娜,荊麗榮,王偉婷,馬永強(qiáng)
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150076)
玉米芯是玉米果穗脫去籽粒后的穗軸,占玉米穗20%~30%。我國(guó)玉米年產(chǎn)量位于美國(guó)之后,居世界第二位[1-2],按3kg 玉米產(chǎn)1kg 玉米芯計(jì)算,僅2011年我國(guó)產(chǎn)生的玉米芯近0.64 億t。目前利用率僅有10%~15%[3],絕大部分玉米芯作為農(nóng)家燃料被燒掉。玉米芯含有豐富的木聚糖[4],含量高達(dá)35% ~40%[5],是天然的木聚糖儲(chǔ)庫。木聚糖是植物半纖維素的主要組分[6],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[7]。木聚糖在食品中可用作乳化劑及膳食纖維,具有促進(jìn)有絲分裂及免疫調(diào)節(jié)等功能[8]。木聚糖及其衍生物最有可能產(chǎn)生的重要應(yīng)用便是藥物載體、傷口敷料以及造紙業(yè)中的添加劑[9]。如果能從玉米芯中提取木聚糖,既可延長(zhǎng)農(nóng)作物的加工鏈條,提高農(nóng)產(chǎn)品加工的附加值,又能夠減少環(huán)境污染,具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。因此,本研究對(duì)甜玉米穗軸的木聚糖提取和純化工藝進(jìn)行了優(yōu)化,旨在探索出一條適合工業(yè)化生產(chǎn)木聚糖的途徑。
甜玉米穗軸 哈爾濱市郊區(qū);陰離子交換樹脂capto Q 美國(guó)GE 公司;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、濃硫酸、無水乙醇等試劑 均為分析純。
電熱恒溫水浴鍋 上海東星建材實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;紫外可見分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司;電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;核酸蛋白檢測(cè)儀 上海金達(dá)生化儀器廠。
1.2.1 木聚糖粗提液的制備 選擇新鮮的、無蟲蛀、無霉變的甜玉米穗軸,粉碎過80 目篩子。選擇硫酸濃度、料液比、蒸煮溫度、蒸煮時(shí)間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7,11]選擇正交實(shí)驗(yàn)的各因素水平,如表1 所示,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化木聚糖粗提工藝參數(shù),以木聚糖提取率為依據(jù)確定最佳工藝。提取率計(jì)算公式:木聚糖提取率(%)=(木聚糖質(zhì)量/甜玉米穗軸質(zhì)量)×100。將粉碎后的甜玉米穗軸用一定質(zhì)量濃度的H2SO4浸泡12h,濾去浸泡液,用蒸餾水洗滌2 次,調(diào)節(jié)pH 至6.0,在一定溫度下蒸煮一段時(shí)間后,溶液離心,收集濾液,即為木聚糖的粗提液。
表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor and levels of orthogonal test
1.2.2 粗提工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 按照單因素實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),計(jì)算提取率。
1.2.3 木聚糖含量測(cè)定方法 木聚糖含量按以下公式計(jì)算:C(%)=(C1-C2)×0.9。式中:C-木聚糖含量;C1(%)-總糖含量;C2(%)-還原糖含量;0.9-木聚糖聚合系數(shù)??偺?TS)的測(cè)定:取一定量的木聚糖液,pH 調(diào)節(jié)為5,加入4 倍體積無水乙醇,4℃靜置過夜,3000r/min 離心15min,獲取沉淀,并在沉淀中加入一定量的8% H2SO4,100℃水解2h,定容100mL,過濾后采用DNS 法[12-13]測(cè)定還原糖的質(zhì)量,將其乘以木聚糖聚合因數(shù)0.9 得到的數(shù)值即是木聚糖質(zhì)量。
1.2.4 木聚糖粗提液的脫色和除蛋白處理 將木聚糖粗提液用活性炭進(jìn)行脫色處理,每100mL 液體中添加5g 活性炭,置于70℃恒溫水浴振蕩脫色時(shí)間60min,8000r/min 離心20min,收集上清夜。將脫色后的提取液與Sevage 試劑以4∶1 混合,充分振蕩后,靜止30min,8000r/min 離心20min,得到的上清液為經(jīng)脫色、脫脂的木聚糖溶液[14],將脫蛋白后的木聚糖液在200~400nm 范圍掃描。
1.2.5 木聚糖的純化 使用陰離子交換樹脂Capto Q進(jìn)行柱層析[15],填充柱高度為30cm,柱直徑2.0cm。平衡液采用20mmol/L pH7.6 PB 緩沖溶液,上樣量5mL,流速為1.0mL/min,然后使用0.5mol/L NaCl 溶液作為洗脫液,檢測(cè)波長(zhǎng)為490nm。收集洗脫峰,檢測(cè)回收率,干燥后計(jì)算木聚糖含量?;厥沼?jì)算公式:
回收率(%)=(層析后木聚糖質(zhì)量/層析前木聚糖質(zhì)量)×100。
本實(shí)驗(yàn)采用酸預(yù)處理高溫蒸煮法提取甜玉米穗軸木聚糖。單因素得到的最佳提取條件為硫酸濃度2g/L、料液比1∶10、蒸煮溫度150℃、時(shí)間30min。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇合適的水平,進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn),正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示,影響木聚糖粗提因素的重要性次序?yàn)镈 >C >A >B,最優(yōu)組合為A3B2C2D3。即最佳提取條件為硫酸濃度3g/L,物料比1∶10,蒸煮溫度150℃,蒸煮時(shí)間60min。按照最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果測(cè)定提取率為27.32%。玉米穗軸經(jīng)3g/L 的H2SO4浸泡12h 后,組織纖維結(jié)構(gòu)疏松,機(jī)械牢固性遭到破壞,纖維素之間的連接性被削弱,木聚糖充分游離出來。蒸煮法條件較溫和,產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少。如果玉米穗軸蒸煮溫度過高會(huì)致使木聚糖β-1,4 糖苷鍵斷裂發(fā)生自水解現(xiàn)象,生成副產(chǎn)物糠醛[16]。
表2 木聚糖提取的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test of xylan extraction
活性炭脫色除吸附有色物質(zhì)外還能除濁、除臭,降低糖漿的灰分含量,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性等[17],活性炭脫色率為78.03%。除蛋白后的木聚糖液分別在260nm 處、280nm 處無核酸吸收峰和蛋白質(zhì)吸收峰,說明樣品核酸和蛋白質(zhì)極低,基本達(dá)到了木聚糖液初步純化的目的[2]。
木聚糖液過柱后有兩個(gè)明顯的峰出現(xiàn)(圖1),峰1 為流穿峰,是未與陰離子交換劑結(jié)合的微量蛋白質(zhì)和其他雜質(zhì)成分,檢測(cè)后木聚糖含量極低。峰2 是0.5mol/L NaCl 溶液的洗脫峰,檢測(cè)為木聚糖成分,純化的回收率為51.8%。將收集的峰2 液凍干成粉后,測(cè)得木聚糖的含量為82.7%。
圖1 木聚糖粗提液過Capto Q 填料圖譜Fig.1 Xylan extracting solution by Capto Q
根據(jù)上述研究結(jié)果,木聚糖的最佳提取工藝為3g/L 的H2SO4浸泡12h,料液比為1∶10,蒸煮溫度為150℃,蒸煮時(shí)間為60min,提取率為27.32%。粗提液再經(jīng)Capto Q 陰離子交換樹脂進(jìn)一步純化,回收率達(dá)到51.8%,得到的凍干粉中木聚糖含量為82.7%。目前,木聚糖的生產(chǎn)還處于工業(yè)化的起步階段,雖然有少量工業(yè)化產(chǎn)品面市,但仍存在產(chǎn)品純度不高,回收率低的問題,還需要進(jìn)一步改進(jìn)工藝,以低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品來滿足廣大人民群眾追求身心健康的需要。本研究采用酸預(yù)處理高溫蒸煮法提取木聚糖,方法簡(jiǎn)單,易操作。使用的柱層析填料Capto Q是陰離子交換樹脂,具有載量大,剛性強(qiáng),分辨率高,流速快,使用方便等特點(diǎn),適合工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)使用。本實(shí)驗(yàn)為工業(yè)化生產(chǎn)甜玉米穗軸的水溶性木聚糖提供了必要的數(shù)據(jù)支持。
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