響應(yīng)面法優(yōu)化稻殼中木聚糖的提取工藝

韓丹妮 謝 定

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

響應(yīng)面法優(yōu)化稻殼中木聚糖的提取工藝

韓丹妮 謝 定

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

為提高稻殼中木聚糖的提取率，稻殼經(jīng)3%的硫酸預(yù)處理后再用堿法進(jìn)行木聚糖的提取，采用響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件，先對(duì)提取溫度、NaOH濃度、固液比、提取時(shí)間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)，以木聚糖提取率為考察指標(biāo)，采用響應(yīng)面分析法確定最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：提取溫度69.8℃、NaOH濃度10.7%、固液比1∶13（m∶V）、提取時(shí)間5.1h。該條件下，木聚糖提取率可達(dá)76.57%。

稻殼；木聚糖；響應(yīng)面法

木聚糖（xylan）是一種多聚五碳糖，是植物界第二多的生物聚合物。它不僅是最常見(jiàn)的半纖維素，而且是草、谷物等被子植物非纖維素細(xì)胞壁多糖的主要組成和結(jié)構(gòu)［1］。在人們開(kāi)始考慮農(nóng)業(yè)廢棄物作為一種重要的可再生資源來(lái)解決能源與環(huán)境問(wèn)題時(shí)，這類(lèi)生物聚合物的價(jià)值是不可估量的［2］。近年來(lái)，由于木聚糖獨(dú)特的生物活性和生理功能［3］，其在食品、化工、生物、醫(yī)藥和化妝品等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

在食品工業(yè)中，木聚糖與其他纖維原料相比，其營(yíng)養(yǎng)纖維與膽汁和膽固醇之間特別的互動(dòng)作用能夠提供更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值［4］，且木聚糖經(jīng)酵母生物轉(zhuǎn)化后的水解產(chǎn)物——木糖醇［5］，已作為一種具有減肥及防齲齒等功效的甜味劑廣泛的在食品市場(chǎng)流通。而木聚糖的水解產(chǎn)物低聚木糖［6］，作為一種功能性低聚糖在食品工業(yè)的應(yīng)用是很具前景的，低聚木糖對(duì)pH和溫度有高度的穩(wěn)定性，并且能夠選擇性地促進(jìn)雙歧桿菌的增值活性、產(chǎn)生不穩(wěn)定脂肪酸從而降低血清膽固醇含量，現(xiàn)在常將其作為功能性食品的配料而備受關(guān)注［7］。目前，中國(guó)對(duì)木聚糖的提取主要以玉米芯、蔗渣、稻草、小麥麩皮為主，而以稻殼作為原料的研究還比較少，且提取率較低［8，9］。本試驗(yàn)在對(duì)稻殼進(jìn)行預(yù)處理后，再采用堿法提取木聚糖，并用響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，明顯提高了木聚糖的提取率。

1 材料和方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

稻殼：長(zhǎng)沙霞凝糧庫(kù)提供。將稻殼用清水洗滌2～3遍，除去固體雜質(zhì)及灰塵，風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目篩測(cè)定水分后密封備用。

固體氫氧化鈉、鹽酸（38%）、95%乙醇、3，5－二硝基水楊酸、無(wú)水亞硫酸鈉、酒石酸鉀鈉、結(jié)晶酚、硫酸（98%）、氨水、雙氧水、ClO2等：均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV2600，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；

恒溫水浴鍋：XMTD－4000，北京市光明醫(yī)療儀器廠；

精密酸度計(jì)：PHS－3C，上海虹益儀器儀表有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG－9140A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

電子天平：AUY－120，日本島津公司；

高速離心機(jī)：GL－10MD，北京京立離心機(jī)有限公司；

低速離心機(jī)：LD5－10，北京醫(yī)用離心機(jī)廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理 分別取10g稻殼按1∶10（m∶V）的比例分別加入5%氨水、5%雙氧水、3%硫酸于121℃高壓滅菌鍋處理1h，取出后將稻殼洗滌至pH為6.5左右，過(guò)濾，85℃ 烘干備用。并以不處理稻殼作對(duì)照。

1.3.2 木聚糖粗品提取工藝流程

NaOH處理木聚糖→7 000r/min離心取上清→HCl調(diào)pH 至4.2［10］，放置4℃冰箱過(guò)夜→7 000r/min離心得沉淀為木聚糖A→上清用3倍體積95%乙醇沉淀1h，4 000r/min離心得木聚糖B→合并沉淀A、B洗滌至乳白色→37℃烘干得木聚糖粗品

1.3.3 木聚糖粗品含量的測(cè)定 取木聚糖粗品，加入一定量8%的H2SO4，于100℃水解2h，然后以20%的NaOH溶液中和至pH值7，定容，過(guò)濾，再采用DNS法測(cè)定濾液中還原糖（木糖）的含量［11］。480nm處測(cè)定吸光值，在木糖標(biāo)準(zhǔn)方程中計(jì)算出木糖含量。

則木聚糖提取率計(jì)算公式為：

式中：

w——木聚糖提取率，%；

0.9 ——木聚糖聚合系數(shù)；

m1——所提取的總還原糖含量（木糖含量），g；

m2——絕干原料中木聚糖含量，g。

1.3.4 稻殼各組分測(cè)定

（1）水分測(cè)定：按照 GB/T 741——2003《紙漿分析試樣水分的測(cè)定》測(cè)定；

（2）灰分測(cè)定：按照GB/T 6438——2007《飼料中粗灰分的測(cè)定》測(cè)定

（3）纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測(cè)定：參考文獻(xiàn)［12］的方法測(cè)定。

1.3.5 NaOH提取木聚糖單因素試驗(yàn)

（1）NaOH質(zhì)量濃度的影響：分別取處理后的稻殼2g，按1∶10（m∶V）的固液比分別加入4%，7%，10%，13%，16%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃恒溫水浴鍋中5h，測(cè)木聚糖提取率。

（2）提取時(shí)間的影響：分別取處理后的稻殼2g，按1∶10（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃ 恒溫水浴鍋中，分別提取3，4，5，6，7h，測(cè)木聚糖提取率。

（3）提取溫度的影響：分別取處理后的稻殼2g，按1∶10（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，分別置于50，60，70，80，90℃恒溫水浴鍋中，提取5h，測(cè)木聚糖提取率。

（4）固液比的影響：分別取處理后的稻殼2g，分別按1∶4，1∶7，1∶10，1∶13，1∶16（m∶V）的固液比加入10%（m∶V）NaOH溶液，置于70℃恒溫水浴鍋中，提取5 h，測(cè)木聚糖提取率。

1.3.6 NaOH提取木聚糖響應(yīng)面試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Central－Combination試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［13］，以木聚糖提取率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)4因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，數(shù)據(jù)用Design Expert－8.05b（原版）軟件分析確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖1可知，木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為y＝39.747 9x－0.137 2，相關(guān)系數(shù)R2＝0.999 0，還原糖含量根據(jù)該曲線方程計(jì)算。

圖1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 1 The standard curve of Xylose

2.2 不同預(yù)處理方法木聚糖提取率的比較

由圖2可知，3種不同的溶劑處理后的稻殼木聚糖的提取率都有很大的提高，說(shuō)明預(yù)處理對(duì)木聚糖的溶出有很顯著作用。且硫酸的處理后的效果更為顯著，故本試驗(yàn)采用3%硫酸121℃處理稻殼1h后再用堿法提取木聚糖。

圖2 不同預(yù)處理方法木聚糖提取率的比較Figure 2 Comparison of different pretreatment methods on the yield of xylan

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化木聚糖的提取工藝

2.3.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果 通過(guò)單因素試驗(yàn)得出響應(yīng)面試驗(yàn)的因素及水平見(jiàn)表1。

根據(jù)CCD設(shè)計(jì)原理進(jìn)行4因素3水平試驗(yàn)，以提取率（Y）為響應(yīng)值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Experimental factors and levels

表2 Central－Composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of the Central－Composite

2.3.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)分析

（1）回歸方程的建立及方差分析：回歸模型方差分析見(jiàn)表3。

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

利用Design－expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，自變量（A、B、C、D）對(duì)響應(yīng)值（Y）的影響可用回歸方程表示：

方差分析顯示回歸方程的P值＜0.000 1，表明模型高度顯著；而失擬項(xiàng)不顯著（P＝0.065＞0.05），說(shuō)明回歸方程的擬合程度很好，表明殘差由隨機(jī)誤差產(chǎn)生，且不存在模型擬合不足的現(xiàn)象，因此該響應(yīng)面能夠較真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較各因素的均方值（均方值越大表明對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大），可得所選4因素對(duì)木聚糖提取率（Y值）的影響主次關(guān)系：B＞D＞A＞C，即NaOH濃度＞提取時(shí)間＞提取溫度＞固液比。

（2）響應(yīng)面及等高線分析結(jié)果：響應(yīng)面圖是根據(jù)回歸方程繪制的，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［14］，可以預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)變量的響應(yīng)值以及確定變量相互作用的關(guān)系。圖3反應(yīng)的是提取溫度與固液比之間的交互作用、圖4反應(yīng)的是提取溫度與NaOH濃度之間交互作用。根據(jù)響應(yīng)曲面和等高線圖的形狀可以看出，以上兩個(gè)因素之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值木聚糖提取率的影響較大，其他因素之間交互作用的影響不顯著。

圖3 處理溫度和固液比對(duì)木聚糖得率交互影響的響應(yīng)面和等高線圖Figure 3 Response surface and contour plots showing the effects of extraction temperature and solid－to－liquid ratio on the yield of xylan

由圖3可知，在提取溫度65～75℃，固液比1∶11～1∶14的范圍內(nèi)，木聚糖的提取率較大，兩因素的交互作用較顯著。由圖4可知在提取時(shí)間4.5～5.5h，NaOH濃度9%～12%的范圍內(nèi)，木聚糖的提取率較大，兩因素的交互作用較顯著。對(duì)模型進(jìn)一步分析，對(duì)回歸方程求解，得到試驗(yàn)預(yù)測(cè)的最佳條件：提取溫度為69.81℃，NaOH濃度10.7%，固液比為1∶12.96，提取時(shí)間為5.13h，木聚糖提取率達(dá)到76.57%。

2.3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為確定各因素的最佳取值，采用預(yù)測(cè)得到的最優(yōu)工藝條件，并考慮實(shí)際操作的便利，將最優(yōu)工藝條件修正為處理時(shí)間5.1h、固液比1∶13（m∶V）、NaOH濃度為10.7%、處理溫度69.8℃，木聚糖得率74.41%。與預(yù)測(cè)值比較后可知，用該回歸方程來(lái)分析和預(yù)測(cè)稻殼中木聚糖的提取率是可信的。

圖4 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Figure 4 Response surface and contour plots showing the effects of extraction time and NaOH concentration on the yield of xylan

3 結(jié)論

（1）采用5%氨水、5%雙氧水、3%硫酸3種不同溶劑在121℃條件下處理稻殼，然后通過(guò)堿法提取木聚糖，經(jīng)比較，采用硫酸處理對(duì)木聚糖的提取率的提高效果最為顯著。

（2）在此基礎(chǔ)上通過(guò)單因素試驗(yàn)，運(yùn)用響應(yīng)面分析法對(duì)堿法提取稻殼中木聚糖工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到最優(yōu)工藝條件：提取溫度為69.8℃，NaOH 濃度10.7%，固液比為1∶13（m∶V），提取時(shí)間為5.1h，在此條件下木聚糖提取率可達(dá)76.57%。從而為高效利用稻殼制備低聚木糖等功能性低聚糖提供了依據(jù)。

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Optimization of extraction process for xylan from rice husk by response surface methodology

HAN Dan－niXIE Ding

（College of Chemical and Biology，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan410114，China）

Response surface methodology was used to optimize the conditions for alkaline extraction of xylan from rice husk，and the rice husk was pretreatmented by 3%sulfuric acid before use.The effects of extraction tempeature，NaOH concentration，solid－to－liquid ratio and extraction time on the yield of xylan were studied in single factor experiments.Subsequently，a regrssion 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：temperature 69.8 ℃，NaOH concetration 10.7%，solid－to－liquid ratio 1∶13，and extraction time 5.1h.Under such conditions，the experimental yield of xylan was 76.57%.

rice husk；xylan；response surface analysis

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.029

長(zhǎng)沙市重大科技專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：K0902007－21）；湖南省自然科學(xué)基金委員會(huì)與衡陽(yáng)市政府自然科學(xué)聯(lián)合基金（編號(hào)：11JJ8001）

韓丹妮（1987－），女，長(zhǎng)沙理工大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：hdn98756＠sina.com

謝定

2011－08－01