甜玉米穗軸提取水溶性木聚糖的研究

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。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

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 實(shí)驗(yàn)方法

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)。總糖(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。回收計(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。

2 結(jié)果與分析

2.1 木聚糖的粗提結(jié)果

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

2.2 木聚糖粗提液的脫色和除蛋白結(jié)果

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］。

2.3 木聚糖純化的結(jié)果

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

3 結(jié)論

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。

［1］胡葉碧，王璋.纖維素酶和木聚糖酶對(duì)玉米皮膳食纖維組成和功能特性的影響［J］.食品工業(yè)科技，2006，27(11):103-105.

［2］張靜文，張鳳清，張培剛，等.玉米芯多糖的提取及其單糖組成研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(3):242-244.

［3］石波，李里特.玉米芯酶法制取低聚木糖的研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6(2):92-95.

［4］梁濤，李世虹，歐仕益.利用玉米芯制備對(duì)香豆酸和低聚木糖的研究［J］.食品工業(yè)科技，2011，32(12):341-344.

［5］胡祈淮，羅楚平，李訊，等.以玉米芯木聚糖為碳源的草菇木聚糖酶的發(fā)酵條件［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(2):94-97.

［6］龐宗文，郭法謀，徐勇，等.高產(chǎn)木聚糖酶嗜熱子囊菌固體發(fā)酵條件與酶學(xué)性質(zhì)［J］.食品工業(yè)科技，2012，33(3):170-174.

［7］楊瑞金，許時(shí)嬰，王璋.用于低聚木糖生產(chǎn)的玉米芯木聚糖的蒸煮法提取［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，17(4):50-53.

［8］趙靈希，郭仁杰，熊海容.玉米芯中木聚糖提取方法的研究［J］.武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，25(3):60-62.

［9］Ebringerova A.Structural diversty and application potential of hemicelluloses［J］.Macromolecular Symposia，2006，232:1-12.

［10］王曉輝，王文雅，袁其朋，等.H2O2催化預(yù)處理對(duì)玉米芯酶解的影響［J］.食品工業(yè)科技，2011，32(10):268-272.

［11］邵佩蘭，朱曉紅，徐明，等.用蒸煮法從玉米芯中提取木聚糖的研究［J］.寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(1):37-38.

［12］舒國(guó)偉，張璐，劉諭，等.玉米芯中提取木聚糖的研究［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(2):131-135.

［13］姚笛，馬萍，王穎，等.響應(yīng)面法優(yōu)化玉米芯中木聚糖的提取工藝［J］.食品科學(xué)，2011，32(8):111-115.

［14］黃海，楊瑞金，王璋.低聚木糖的脫色工藝［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21(3):89-93.

［15］Bao Yang，Yueming Jiang，Mouming Zhao，et al.Structural characterization of polysaceharides purified from longan(Dimocarpus longan Lour.)fruit pericarp［J］.Food Chemistry，2009，115:609-614.

［16］楊瑞金，許時(shí)嬰，王璋.低聚木糖的酶法生產(chǎn)［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19(4):340-344.

［17］孫偉偉，曹維強(qiáng)，王靜，等.DNS 法測(cè)定玉米芯秸稈中總糖［J］.食品研究與開發(fā)，2006，27(6):120-123.