小米糠中木聚糖提取工藝的研究

劉雙全，馬 萍

（1.孫吳縣市場(chǎng)監(jiān)督管理局質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測(cè)中心，黑龍江黑河 164299；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163319）

0 引言

小米糠是粟加工的副產(chǎn)物，是自然界中產(chǎn)量較大的可再生資源，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，主要成分組成有蛋白質(zhì)13%～18%，脂肪14%～24%，碳水化合物18%～23%，淀粉26%～32%[1-2]。小米糠中還含有多種維生素，包括維B、維C、維D和維E，其中維B1和維E的含量都遠(yuǎn)高于精米中的含量，有保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)、改善精神狀態(tài)的作用，還能促進(jìn)生物生長(zhǎng)、增加食欲、預(yù)防感冒、預(yù)防心血管病延緩衰老等[2]。但是，小米糠口感差并伴有異味，導(dǎo)致小米糠多被作為動(dòng)物飼料或垃圾處理，這既造成了資源浪費(fèi)，又導(dǎo)致了環(huán)境污染[3-5]。研究表明，木聚糖具有良好的抗氧化、抑制癌細(xì)胞等生物活性，并被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、化妝、保健品等方面。目前，提取木聚糖的方法主要有超聲波輔助法、超聲處理結(jié)合蒸煮法、堿性過(guò)氧化氫、堿提-蒸煮法[6-7]，但因其他提取方式工藝要點(diǎn)不明確，所以木聚糖的提取主要采用堿提-蒸煮法，植物組織中的木聚糖因其特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在動(dòng)物和人體中消化率低，但提純后的木聚糖可消除木聚糖的屏蔽作用。采用正交試驗(yàn)的方式，優(yōu)化出蒸煮-堿提取法的最佳工藝，這為后續(xù)木聚糖的提取及工業(yè)化利用提供了理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小米糠，市售；木糖標(biāo)準(zhǔn)品；葡萄糖、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、濃硫酸、鹽酸，均為分析純；3,5-二硝基水楊酸（DNS） 試劑，自配；試驗(yàn)用水為蒸餾水。

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；FA1604N型電子天平、722S型可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；TD4A型離心機(jī)，長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司產(chǎn)品；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海市森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 粗木聚糖的提取和測(cè)定

稱取2.0 g小米糠，加入6倍體積水即12 mL水，然后在一定溫度下進(jìn)行水浴蒸煮后用3倍體積即36 mL的工業(yè)酒精浸泡12 h，過(guò)濾并水洗濾渣得沉淀，按不同的料液比在沉淀中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH，在一定溫度下提取后離心，得到的上清液用6 mol/L鹽酸調(diào)pH值到一定值，靜置12 h，離心得沉淀A留用，而上清液中則加入3倍體積工業(yè)酒精靜置 1 h離心得沉淀B。將A，B沉淀混合干燥24 h即得到木聚糖粗品。在所得的木聚糖粗產(chǎn)品中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的硫酸，于100℃條件下水解2 h，用NaOH中和后定容至100 mL，過(guò)濾棄去殘?jiān)瑴y(cè)定濾液中的還原糖質(zhì)量，將其乘以木聚糖聚合系數(shù)0.9作為木聚糖質(zhì)量[8]。

1.2.2 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取0.50 g無(wú)水木糖，加水溶解，于50 mL的容量瓶中定容搖勻，得到質(zhì)量濃度為10 g/L的木糖溶液。再移取10 mL溶液于100 mL容量瓶中，定容后搖勻即得標(biāo)準(zhǔn)木糖溶液，其質(zhì)量濃度為2 mg/mL。分別取標(biāo)準(zhǔn)木糖溶液0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mL于25 mL比色管中，加水至1.0 mL，再移取3 mL DNS試劑[9]。在沸水浴中保溫5 min顯色，立即冷卻，定容搖勻，以沒(méi)加木糖的溶液作對(duì)照，于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定其測(cè)吸光度，即為木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線[10]。

1.2.3 蒸煮溫度對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，分別在70，80，90，100℃下蒸煮1 h，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉?xí)r調(diào)節(jié)pH值為5，提取粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.4 蒸煮時(shí)間對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下分別蒸煮0.5，1.0，1.5，2.0 h，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉?xí)r調(diào)節(jié)pH值為5，提取粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.5 堿提濃度對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，10%，15%，20%的NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉?xí)r調(diào)節(jié)pH值為5，提取粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.6 料液比對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH溶液，于90℃下加熱提取1.5 h，料液比分別為 1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，醇沉?xí)r調(diào)節(jié) pH值為5，提取粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.7 堿提溫度對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH溶液，分別在70，80，90，100℃下加熱提取1.5 h，料液比為1∶20，醇沉?xí)r調(diào)節(jié)pH值為5，提取粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.8 堿提時(shí)間對(duì)木聚糖提取的影響

稱取2.0 g小米糠4份，分別加入6倍體積即12 mL水，于90℃下蒸煮1 h，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH溶液，于90℃下分別提取0.5，1.0，1.5，2.0 h，料液比為1∶20，醇沉?xí)r調(diào)節(jié)pH值為5，提出粗木聚糖后測(cè)木聚糖質(zhì)量，并計(jì)算木聚糖的得率。

1.2.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所得數(shù)據(jù)均為重復(fù)試驗(yàn)平均值，采用Statistix 8（分析軟件St Paul，MN）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平均值之間顯著性差異（p＜0.05） 通過(guò)Turkey HSD進(jìn)行 多重比較分析，并采用SigmaPlot 13.0和Excel 6.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

使用分光光度法，于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定木糖標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度。建立回歸方程為Y=0.957X-0.029，其中Y為吸光度，X為木聚糖質(zhì)量濃度（g/mL），線性相關(guān)系數(shù)R2=0.990。

木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 蒸煮溫度對(duì)小米糠中木聚糖提取的影響

蒸煮溫度對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著蒸煮溫度升高，木聚糖提取率逐漸增加。由于高溫和一定壓力的蒸煮可破壞木聚糖與木素結(jié)合，使木聚糖游離出來(lái)，但是溫度在100，90℃時(shí)的提取率相比變化不大，說(shuō)明溫度到達(dá)90℃就能達(dá)到充分破壞復(fù)合物結(jié)合的作用。所以，考慮到節(jié)約能源和對(duì)設(shè)備要求的問(wèn)題，選取90℃為最佳蒸煮溫度。

圖2 蒸煮溫度對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響

2.3 蒸煮時(shí)間對(duì)小米糠中木聚糖提取的影響

蒸煮時(shí)間對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 蒸煮時(shí)間對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響

由圖3可知，隨著蒸煮時(shí)間的延長(zhǎng)，木聚糖提取率不斷增加。這是因?yàn)檎糁髸r(shí)間增加，破壞了木聚糖與木素的結(jié)合，使木聚糖游離出來(lái)，當(dāng)時(shí)間為1.5～2.0 h時(shí)，提取率變化不大，這與小米糠中木聚糖含量有關(guān)[11]。綜合時(shí)間和能源成本而考慮，蒸煮的最佳時(shí)間選擇1.5 h。

2.4 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響

NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響

由圖4可知，隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，木聚糖提取率呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，木聚糖提取率達(dá)到峰值為19.15%，這是因?yàn)楫?dāng)堿溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)不能完全透過(guò)米糠壁，從而導(dǎo)致提取率低，但當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，會(huì)造成木聚糖分解，從而使提取率降低[12-13]。所以最佳的NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

2.5 料液比對(duì)小米糠中木聚糖提取率的影響

料液比對(duì)米糠中木聚糖提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 料液比對(duì)米糠中木聚糖提取率的影響

由圖5可知，隨著料液比的升高，木聚糖的提取率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，料液比為1∶25時(shí)，提取率最高為20.31%，這是因?yàn)殡S著料液比不斷增大，提取物與提取劑的接觸面積增大，傳遞速率增高，從而使木聚糖提取率升高，當(dāng)料液比繼續(xù)增大時(shí)，對(duì)木聚糖提取率無(wú)明顯促進(jìn)效果，這是因?yàn)樘崛∥锉砻娣e有限，所以不會(huì)對(duì)提取率有更大的影響[14-15]，因此最佳料液比為1∶25。

2.6 提取溫度對(duì)小米糠木聚糖提取率的影響

提取溫度對(duì)小米糠木聚糖提取率的影響見(jiàn)圖6。

圖6 提取溫度對(duì)小米糠木聚糖提取率的影響

由圖6可知，隨著蒸煮溫度從70℃增加到90℃，木聚糖提取率不斷提高，溫度過(guò)低時(shí)，小米糠中的木聚糖溶出不完全，隨著溫度的提高木聚糖溶出量增加，但當(dāng)溫度高于90℃，木聚糖提取率有下降趨勢(shì)。這說(shuō)明適當(dāng)提高溫度有利于提高分子間運(yùn)動(dòng)的速度，從而使木聚糖提取率升高，但溫度過(guò)高也會(huì)使堿液對(duì)木聚糖產(chǎn)生降解作用，導(dǎo)致提取率下降[16-17]。綜上所述，小米糠最佳堿提溫度為90℃。

2.7 提取時(shí)間對(duì)小米糠木聚糖提取的影響

提取時(shí)間對(duì)小米糠木聚糖提取的影響見(jiàn)圖7。

由圖7可知，隨著提取時(shí)間由0.5 h延長(zhǎng)到1.5 h，木聚糖的提取率不斷提高，1.5 h達(dá)到最大值；提取時(shí)間為2.0 h時(shí)，木聚糖的提取率略有下降，說(shuō)明此時(shí)有少量木聚糖降解[18-19]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，提取液的顏色逐漸加深，可見(jiàn)提取時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)[20]。

圖7 提取時(shí)間對(duì)小米糠木聚糖提取率的影響

2.8 正交試驗(yàn)

用蒸煮-堿處理法提取小米糠木聚糖的試驗(yàn)中，優(yōu)化堿提取條件可以除去纖維素等雜質(zhì)，增加半纖維素溶出量的同時(shí)，又能夠降低堿溶液對(duì)木聚糖的水解作用。所以選取NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、提取溫度和提取時(shí)間4個(gè)因素作為考查對(duì)象，在參考單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定試驗(yàn)水平，采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化堿處理?xiàng)l件。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，影響提取效果的主次因素順序?yàn)镃＞B＞A＞D，即提取溫度＞料液比＞NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞提取時(shí)間。最佳提取工藝條件為A1B2C3D3，即NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、料液比1∶25（g∶mL）、提取溫度100℃、提取時(shí)間2 h，提取的木聚糖得率較高。該組合不在正交試驗(yàn)之列，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該組合得率21.71%，結(jié)果與理論分析的一致。

3 結(jié)論

采用蒸煮-堿提取法提取木聚糖，對(duì)影響提取率的蒸煮時(shí)間、蒸煮溫度、提取溫度、提取時(shí)間、NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定各因素對(duì)提取條件的影響，比較提取率后選定考查因素進(jìn)行優(yōu)化堿提取條件的正交試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果可知小米糠中木聚糖提取的最佳工藝條件為蒸煮溫度90℃，蒸煮時(shí)間1.5 h，提取溫度100℃，料液比1∶25（g∶mL），NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，提取時(shí)間2 h，在此條件下木聚糖得率為21.71%。