超聲波輔助提取玉米芯木聚糖工藝研究

超聲波輔助提取玉米芯木聚糖工藝研究

中國(guó)是一個(gè)擁有眾多農(nóng)業(yè)大國(guó)的國(guó)家，玉米是中國(guó)的三大糧食之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)每年大約可產(chǎn)玉米芯0.4億t。然而,大量的玉米芯被作為廢物燒掉或扔掉,不僅浪費(fèi)了資源,而且嚴(yán)重污染環(huán)境。因此,對(duì)玉米芯進(jìn)行綜合利用是環(huán)保的舉措,也是人類可持續(xù)發(fā)展的需要。玉米芯中纖維素占32%～35%,多縮戊糖占35%～40%,其中多聚戊糖的主要成分為木聚糖。木聚糖是廣泛存在于自然界的植物纖維中半纖維素的主要成分,它由木糖經(jīng)β-1,4糖苷鍵連接而成,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。目前利用超聲波輔助提取天然植物有效成分的研究十分廣泛,與傳統(tǒng)的提取工藝比較,該方法具有速度快、效率高、條件溫和、不損壞提取物結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。以玉米芯為原料,利用超聲波輔助提取玉米芯中的木聚糖,并通過(guò)響應(yīng)面分析方法預(yù)測(cè)和優(yōu)化木聚糖的提取工藝條件,以期為綜合開發(fā)利用玉米芯,減少環(huán)境污染提供依據(jù),并尋求一種更高效的的木聚糖提取分離方法。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料玉米芯購(gòu)于河南,干燥保存。所用其余試劑均為分析純。1.2高效離心檢測(cè)儀器DL-360B型超聲波清洗器:上海之信儀器有限公司;TDL-8M臺(tái)式大容量冷凍離心機(jī):上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;SP-756型紫外可見分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司。1.3測(cè)試方法1.3.1不同溫度對(duì)提取玉米芯的影響將玉米芯洗凈,烘干,粉碎過(guò)80目篩。準(zhǔn)確稱取玉米芯10g,加入不同體積的10%的NaOH溶液,在超聲波作用下,在不同溫度下分別攪拌浸提,離心,取上清液,過(guò)濾,定容,待測(cè)。1.3.2傳統(tǒng)方法提取玉米芯糖準(zhǔn)確稱取玉米芯10g,加220mL10%的NaOH溶液,100℃攪拌浸提2.5h,離心,取上清液,過(guò)濾,定容,待測(cè)。1.3.3還原糖質(zhì)的測(cè)定取一定量的木聚糖溶液,調(diào)節(jié)pH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。2結(jié)果與分析2.1行浸提試驗(yàn)結(jié)果分別用2%、6%、10%、14%和20%的NaOH溶液進(jìn)行浸提,結(jié)果如圖1所示。可以看出,堿濃度較小時(shí),木聚糖提取率隨著堿濃度的增加而提高,當(dāng)堿濃度超過(guò)10%時(shí),木聚糖的提取率開始下降,因此應(yīng)該選擇10%堿溶液作為提取溶劑。2.2超聲作用對(duì)木聚糖提取率的影響根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),采用響應(yīng)面分析方法預(yù)測(cè)和優(yōu)化木聚糖提取條件。選取超聲波功率、超聲波作用時(shí)間、超聲波提取溫度、液料比4個(gè)因素,根據(jù)資料進(jìn)行前期單因素試驗(yàn),結(jié)果表明:(1)隨著超聲波功率的增大,超聲波產(chǎn)生的水合作用、細(xì)胞破壞作用愈加強(qiáng)烈,加速了木聚糖的溶出,在超聲波功率為230～290w時(shí),木聚糖提取率較高,當(dāng)超聲波功率高于290w時(shí),超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)又導(dǎo)致了木聚糖的分解,使木聚糖提取率下降;(2)隨著提取溫度的提高,傳質(zhì)速度加快,在溫度為60～80℃時(shí),木聚糖提取率較高,提取溫度高于80℃時(shí),木聚糖容易被氧化變質(zhì),提取率開始降低;(3)在超聲波作用下,提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短都會(huì)導(dǎo)致木聚糖提取率降低,當(dāng)提取時(shí)間為50min左右時(shí),木聚糖提取率相對(duì)較高;(4)隨著固液比的增大木聚糖提取率先增加后減少,在1∶20時(shí)提取率最高,所以固液比以1∶20左右較好。根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果,為超聲波功率、超聲波作用時(shí)間、超聲波提取溫度、液料比4個(gè)因素選擇合適的水平,試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。2.3次響應(yīng)面模型建立的方差分析對(duì)超聲波功率Z1、提取時(shí)間Z2,提取溫度Z3和液料比Z4作變換如下:X1=(Z1-260)/30,X2=(Z2-50)/10,X3=(Z3-70)/10,X4=(Z4-20)/2,以X1、X2、X3、X4為自變量,以木聚糖提取得率為響應(yīng)值(Y),試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過(guò)SAS軟件進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析,得到如下多元二次響應(yīng)面回歸模型:Y1=29.41333+2.21×X1+1.1225×X2+0.7125×X3+0.803333×X4-4.867917×X1×X1+0.4325×X1×X2+0.1425×X1×X3-0.18×X1×X4-2.731667×X2×X2-0.6375×X2×X3+0.0925×X2×X4-2.256667×X3×X3-0.7025×X3×X4-1.197917×X4×X4(1)回歸模型各項(xiàng)的方差分析見表3。方差分析表明,絕大部分項(xiàng)的系數(shù)是顯著的;模型的P值為0.0001,表明模型是高度顯著的,回歸模型(1)很好的擬合了試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢杂迷撃Ｐ蛯?duì)不同反應(yīng)條件下的木聚糖提取率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由響應(yīng)值Y擬合程度分析(表4)看出。R-square為98.89%,說(shuō)明試驗(yàn)所選的4個(gè)因素及其二次項(xiàng)能解釋Y變化的98.89%;模型誤差平方根為9.5163,說(shuō)明模型擬合程度良好。2.44提取條件的確定回歸模型的三維響應(yīng)面圖和等高線圖如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可直觀看出,超聲波功率、提取時(shí)間和液料比對(duì)玉米芯木聚糖提取率的影響較為顯著,即隨著超聲波功率、提取時(shí)間和液料比的增加或減少,響應(yīng)值變化較大。提取溫度對(duì)木聚糖提取率的影響相對(duì)較小,即隨著提取時(shí)間的增加或減少,響應(yīng)值變化較小。根據(jù)回歸模型及軟件的精確計(jì)算,得到回歸模型的穩(wěn)定點(diǎn)即最大值點(diǎn)為:超聲波功率為265.88W(X1=0.196),提取時(shí)間為51.9min(X2=0.19),提取溫度為71.12℃(X3=0.112)和液料比(NaOH溶液與木聚糖之比,mL/g))為20.39(X4=0.195)。結(jié)合實(shí)際情況,最大值點(diǎn)即最佳提取條件初步確定為:超聲波功率為266w,提取時(shí)間為52min,提取溫度為71.1℃,液料比為20.39。在最佳條件下,模型預(yù)測(cè)的木聚糖最大提取率為29.769%。2.5重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果以響應(yīng)面分析曲面擬和的最佳條件(即:超聲波功率為266W,提取時(shí)間為52min,提取溫度為71.1℃和液料比20.39)為操作條件,進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn),結(jié)果如表5所示。由表5可知,以擬合條件重復(fù)試驗(yàn)3次,玉米芯木聚糖提取率平均值為29.7722%,與預(yù)測(cè)值29.769%非常相近。表明所建立的模型是十分成功的,同時(shí)也證明響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)的可靠性及準(zhǔn)確性。2.6超聲時(shí)間的縮短由表6可以看出,與傳統(tǒng)提取方法相比,超聲波輔助法顯著提高了玉米芯木聚糖提取率,提高了17.382%。而且提取溫度降低了31℃,提取時(shí)間縮短了98min。提取效果大為改善。這是因?yàn)槌暡軌虍a(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)、高加速度、強(qiáng)烈空化效應(yīng)及攪拌效應(yīng)等。空化作用產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞應(yīng)力可破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),使木聚糖充分暴露;機(jī)械振動(dòng)作用加快木聚糖在媒介中的傳遞擴(kuò)散。兩種作用相互促進(jìn),使木聚糖提取過(guò)程更容易。因而超聲波處理可以提高提取率,縮短提取時(shí)間,并且需要較低的提取溫度,因此應(yīng)用超聲波輔助提取法提取玉米芯具有十分重要的意義。3響應(yīng)面分析驗(yàn)證了超聲波輔助提取玉米芯木聚糖最佳條件的確定,為提高下轉(zhuǎn)本試驗(yàn)利用超聲波處理輔助提取玉米芯木聚糖。采用Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理來(lái)考察4個(gè)獨(dú)立因素(超聲波功率、提取時(shí)間、提取溫度和液料比)對(duì)木聚糖提取率的影響。通過(guò)響應(yīng)面分析得出了超聲波輔助法提取玉米芯木聚糖的最佳條件為:以10%NaOH溶液為提取溶劑,超聲波功率為266w,提取時(shí)間為52min,提取溫度為7