微波協(xié)同酶法提取玉米須多糖工藝的優(yōu)化研究

陳 紅，張艷榮，王大為*，劉婷婷，張 波

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

微波協(xié)同酶法提取玉米須多糖工藝的優(yōu)化研究

陳 紅，張艷榮，王大為*，劉婷婷，張 波

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

采用微波協(xié)同酶法提取玉米須多糖并對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，確定微波協(xié)同酶法提取的最佳工藝條件：微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、液料比30:1(mL/g)、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、pH5.0，在此工藝條件下，多糖提取率為8.12%。

玉米須；多糖；提??；微波；纖維素酶

Abstract：The present study aimed at developing an optimal procedure for the extraction of polysaccharides from corn silk hydrolyzed with a commercial cellulase preparation under microwave assistance. The optimal values of crucial technological parameters for improved polysaccharides yield were determined by one-factor-at-a-time and orthogonal array design methods as follows: microwave powder 500 W for 2 min treatment, water/material ratio 30:1 (mL/g), enzyme dosage 1.5%, pH 5.0 and hydrolysis temperature 50 ℃ for a hydrolysis duration of 40 min. Under such conditions, a maximum polysaccharides yield of up to 8.12% was obtained.

Key words：corn silk；polysaccharides；extraction；microwave；cellulase

玉米須是禾本科作物玉米的干燥花柱和柱頭，其味甘，性微溫，有利尿、平肝、利膽、抗腫瘤等功效[1-2]，可用于治療糖尿病、黃疸、高血壓、膽囊炎、膽結(jié)石等病癥[3-4]，現(xiàn)代藥理研究證明玉米須有顯著的利尿效果和降血糖作用[5-7]。玉米須來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，易于獲得，是有待全面開(kāi)發(fā)利用的藥用資源，具有廣闊的研究與開(kāi)發(fā)前景[8]。

玉米須多糖是多聚糖，主要由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、甘露糖和木糖所組成[9]，玉米須多糖無(wú)毒安全，具有降血糖、抗癌、增強(qiáng)免疫力等生理功能[10-11]。傳統(tǒng)的玉米須多糖提取方法是熱水浸提法，該法提取溫度高、提取時(shí)間長(zhǎng)、成本高、提取率低[10]。微波技術(shù)是近幾年來(lái)用于天然植物有效成分提取的一項(xiàng)新技術(shù)，它具有快速、高效、安全、有效成分提取率高、節(jié)能等特點(diǎn)[12]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米須多糖的研究較少，尚未見(jiàn)有關(guān)微波協(xié)同纖維素酶提取玉米須多糖的研究報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用此方法對(duì)玉米須多糖的提取工藝進(jìn)行研究，旨在為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用玉米須資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

成熟期玉米須，采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系實(shí)習(xí)基地。

纖維素酶(15000U/g) 中國(guó)科學(xué)院上海生化東風(fēng)生化技術(shù)公司；濃硫酸、苯酚、無(wú)水乙醇、三氯乙酸(TCA)等均為國(guó)產(chǎn)分析純；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品 Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-SIS數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州市國(guó)立試驗(yàn)設(shè)備研究所；TU-1810紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；GZX-9240MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；PHS-Ⅲ型精密pH計(jì) 上海天達(dá)儀器有限公司；LJX-Ⅱ型離心沉淀機(jī) 上海醫(yī)用分析儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝

1.3.2 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

精確稱取干燥至質(zhì)量恒定的葡萄糖100mg，定容至100mL，得濃度為1mg/mL的葡萄糖貯備溶液。再準(zhǔn)確移取10mL，用蒸餾水定容至100mL，得0.1mg/mL的葡萄糖使用液。

1.3.3 苯酚溶液的制備

取苯酚100g，加0.1g鋁片和0.05g碳酸氫鈉蒸餾，收集182℃餾分。稱取餾出液15g，加蒸餾水定容至300mL溶解，混勻并轉(zhuǎn)移至棕色瓶中，即得5%苯酚溶液，置4℃冰箱備用。

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用苯酚-硫酸法[13]。取上述0.1mg/mL的葡萄糖使用液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL分別置于25mL比色管中，依次加水使最終體積為2mL，同時(shí)吸取2mL水于25mL比色管中作空白對(duì)照，分別加入1mL 5%苯酚溶液，再加入5.0mL濃硫酸，迅速搖勻。室溫靜置20min，以使其充分顯色，然后于490nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，以葡萄糖含量(X，mg)為橫坐標(biāo)，吸光度(A)為縱坐標(biāo)，得標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為A＝0.009X－0.0063，R2=0.9991。

1.3.5 多糖提取率計(jì)算

精確稱取20mg自制玉米須粗多糖，用少量50℃水完全溶解后，用蒸餾水定容至100mL。吸0.5mL多糖液加1.5mL的蒸餾水，再加入5%苯酚溶液1.0mL及濃硫酸5.0mL；室溫靜置20min后于波長(zhǎng)490nm處測(cè)吸光度。將所測(cè)吸光度代入回歸方程，得多糖相當(dāng)于葡萄糖含量C(mg)。

式中：C為多糖液測(cè)定A值從回歸方程求得的多糖相當(dāng)于葡萄糖的含量/mg；D為稀釋倍數(shù)；F為玉米須多糖相對(duì)葡萄糖的換算因子，其值為2.365；m0為玉米須干質(zhì)量/mg。

1.3.6 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用單因素試驗(yàn)分別考察微波功率、微波處理時(shí)間、液料比、纖維素酶用量、酶解溫度、酶解時(shí)間、酶解體系pH值7個(gè)因素對(duì)玉米須多糖提取率的影響程度，選擇最佳的提取工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波功率對(duì)多糖提取率的影響

在微波處理時(shí)間2min、液料比30:1(mL/g)、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0條件下，不同微波功率對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 微波功率對(duì)多糖提取率的影響Fig.1 Effect of microwave power on polysaccharides yield

由圖1可知，微波功率小于500W時(shí)，多糖的提取率隨著功率的增大而提高，但功率超過(guò)700W提取率顯著下降。故微波功率選取500W為宜。原因是功率太小，則不足以提供足夠的摩擦熱使胞內(nèi)水分汽化而實(shí)現(xiàn)微波破壁，故提取率相對(duì)較低。隨著微波功率的增大，物系吸收微波能增多，玉米須細(xì)胞內(nèi)部溫度上升較快，溫度越高，對(duì)玉米須細(xì)胞壁的破壞作用就越大，有利于物料有效成分浸出。但如果功率過(guò)高，因瞬間加熱作用會(huì)使被處理成分發(fā)生變性，對(duì)提取介質(zhì)的滲入造成較大的阻礙，導(dǎo)致有效成分提取率下降。

2.1.2 微波處理時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、液料比30:1、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0條件下，不同處理時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 微波處理時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響Fig.2 Effect of microwave treatment time on polysaccharides yield

由圖2可知，處理時(shí)間小于2min時(shí)，多糖提取率隨著處理時(shí)間的增加而增大，當(dāng)微波處理時(shí)間為2min時(shí)，提取率達(dá)到最大值，而后又有所下降。故微波處理時(shí)間以2min為宜。

2.1.3 液料比對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0條件下，不同液料比對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 液料比對(duì)多糖提取率的影響Fig.3 Effect of water/material ratio on polysaccharides yield

由圖3可知，液料比小于30:1時(shí)，多糖提取率隨液料比的增大而增加，當(dāng)液料比為30:1時(shí)，多糖提取率達(dá)到最大值，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)囊毫媳瓤梢蕴岣叨嗵堑娜艹雎剩毫媳冗^(guò)小，溶劑量太少，會(huì)使物料黏度大，擴(kuò)散速度慢，阻礙多糖的進(jìn)一步溶出，難以保證原料中的多糖大量轉(zhuǎn)移到提取液中，提取不完全，故多糖提取率較低；當(dāng)液料比超過(guò)30:1，多糖提取率有下降趨勢(shì)。故液料比以30:1為宜。

2.1.4 纖維素酶用量對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、液料比30:1、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0條件下，不同纖維素酶用量對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 纖維素酶用量對(duì)多糖提取率的影響Fig.4 Effect of cellulase dosage on polysaccharides yield

由圖4可知，纖維素酶用量在0.5%～1.5%時(shí)，隨著酶用量的增加，多糖提取率提高顯著，故纖維素酶用量以1.5%～2%為宜。

2.1.5 酶解溫度對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、液料比30:1、纖維素酶用量1.5%、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0條件下，不同酶解溫度對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 酶解溫度對(duì)多糖提取率的影響Fig.5 Effect of hydrolysis temperature on polysaccharides yield

由圖5可知，酶解溫度在30～50℃時(shí)，隨著溫度升高，提取率不斷增大，在50℃達(dá)到最大值。當(dāng)酶解溫度大于50℃時(shí)，提取率隨溫度升高逐漸下降。故酶解溫度以50℃為宜。

2.1.6 酶解時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、液料比30:1、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解體系pH5.0條件下，不同酶解時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 酶解時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響Fig.6 Effect of hydrolysis time on polysaccharides yield

由圖6可知，酶解時(shí)間低于30min時(shí)，多糖提取率提高比較顯著，30～40min之間提取率的增加不明顯，40min之后提取率有略微下降趨勢(shì)。故酶解時(shí)間以30～40min為宜。

2.1.7 酶解體系pH值對(duì)多糖提取率的影響

在微波功率500W、微波處理時(shí)間2min、液料比30:1、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min條件下，不同酶解體系pH值對(duì)多糖提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 酶解體系pH值對(duì)多糖提取率的影響Fig.7 Effect of pH on polysaccharides yield

由圖7可知，當(dāng)pH值為5.0時(shí)，多糖的提取率達(dá)到最大，pH值增大或減小，提取率均開(kāi)始下降。這可能是因?yàn)閜H值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響酶的活性，導(dǎo)致提取率降低，pH值為5.0時(shí)酶活性達(dá)到最大。故酶解體系pH值以5.0為宜。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表1 正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental values of polysaccharides yield

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，確定微波處理時(shí)間2min，液料比30:1，酶解體系pH5.0條件下，以玉米須多糖提取率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取對(duì)提取率有較大影響的酶解溫度、纖維素酶用量、微波功率、酶解時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，確定最佳提取工藝條件，因素及水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。結(jié)果及分析見(jiàn)表2。

由表2正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)玉米須多糖提取率的影響程度強(qiáng)弱順序?yàn)镃＞B＞A＞D，最佳工藝條件為A1B2C2D2，即酶解溫度50℃、纖維素酶用量1.5%、微波功率500W、酶解時(shí)間40min。

2.3 傳統(tǒng)的熱水浸提法與微波協(xié)同酶提取法比較

表3 兩種方法比較結(jié)果Table 3 Comparisons between hot water extraction and microwave-assisted cellulase hydrolysis of corn silk in optimal conditions and polysaccharides yield

由表3可知，與傳統(tǒng)的熱水浸提法相比，微波協(xié)同酶法可顯著提高玉米須多糖的提取率。原因主要有以下兩點(diǎn)：微波加熱將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升，液態(tài)水分汽化產(chǎn)生的壓力將使細(xì)胞膜和細(xì)胞壁急劇破裂，形成微小的孔洞，持續(xù)的迅速加熱，會(huì)使細(xì)胞急劇收縮，表面出現(xiàn)裂紋。細(xì)胞膜和細(xì)胞壁上孔洞和裂紋的存在使細(xì)胞外溶劑容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，溶解并釋放出胞內(nèi)產(chǎn)物；玉米須的細(xì)胞壁主要由纖維素構(gòu)成，所以纖維素可能是制約多糖最大限度溶出的主要物質(zhì)。纖維素酶能特異性降解纖維素，破壞細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)多糖最大限度地溶出[14-17]。

3 結(jié) 論

微波協(xié)同酶法提取玉米須多糖的最佳工藝條件：微波功率500W，微波處理時(shí)間2min、液料比30:1、纖維素酶用量1.5%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間40min、酶解體系pH5.0，在此工藝條件下，多糖提取率為8.12%。

[1] 劉娟, 張晶. 超聲波法提取玉米須多糖的工藝研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 25(5): 707-709.

[2] 馬虹. 玉米須提取物具有抗癌作用[J]. 南京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào), 1998,14(1): 28.

[3] 周鴻立, 張艷, 金海甲, 等. 玉米須多糖藥理作用及提取純化研究進(jìn)展[J]. 吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 26(1): 23-26.

[4] 魏靜娜, 林強(qiáng). 玉米須多糖提取方法的比較研究[J]. 中藥材, 2007,30(1): 92-94.

[5] 吳征鎰. 新華本草綱要[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1990: 525.

[6] 李偉, 陳穎莉, 楊銘, 等. 玉米須降血糖的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中草藥, 1995,26(6): 305-306.

[7] 湯魯宏, 丁霄霖, 尤麗芬, 等. 玉米須生物活性成分的初步研究: 玉米須多糖及其免疫增強(qiáng)作用[J]. 無(wú)錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào), 1995(4): 319-324.

[8] 王英平, 李向高. 玉米須化學(xué)成分和藥理作用研究進(jìn)展[J]. 特產(chǎn)研究, 2004(2): 42-46.

[9] 李波, 崔震昆, 趙永春. 玉米須多糖的制備方法及化學(xué)組成的研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學(xué)刊, 2008(5): 34-36.

[10] 應(yīng)奇才, 華啟洪, 蔡玲斐, 等. 玉米須多糖提取工藝條件的優(yōu)化[J].中國(guó)生化藥物雜志, 2006, 27(4): 233-234.

[11] 鄭鴻雁, 閔偉紅, 昌友權(quán), 等. 玉米須多糖調(diào)節(jié)免疫功能研究[J]. 食品科學(xué), 2004, 25(10): 291-293.

[12] 張艷榮, 單玉玲, 劉婷婷, 等. 微波萃取技術(shù)在姬松茸多糖提取中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(12): 267-270.

[13] 董群, 鄭麗伊, 方積年. 改良的苯酚-硫酸法測(cè)定多糖和寡糖含量的研究[J]. 中國(guó)藥學(xué)雜志, 1996, 31(9): 550-552.

[14] 姜紹通, 邵平, 趙妍嫣. 小麥胚芽VE的微波萃取工藝和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的研究[J]. 食品科學(xué), 2005, 26(2): 25-28.

[15] 吳春, 張艷. 纖維素酶法提取葡萄籽中原花青素的研究[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(10): 258-261.

[16] CHOUDHARI S M, ANANTHANARAYAN L. Enzyme aided extraction of lycopene from tomato tissues[J]. Food Chemistry, 2007, 102(1):77-81.

[17] 徐建國(guó), 王向東, 胡青平, 等. 纖維素酶提取槐花蘆丁的新工藝研究[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(11): 315-318.

Microwave-assisted Enzymatic Hydrolysis of Corn Silk for Extraction of Polysaccharides

CHEN Hong，ZHANG Yan-rong，WANG Da-wei*，LIU Ting-ting，ZHANG Bo
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

TS242.9

A

1002-6630(2010)10-0042-05

2009-08-02

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD27B07)

陳紅(1976—)，女，講師，碩士，主要從事食品營(yíng)養(yǎng)與功能食品研究與開(kāi)發(fā)。E-mail：chenhong216@yahoo.com.cn

*通信作者：王大為(1960—)，男，教授，博士，主要從事功能食品研究與開(kāi)發(fā)。E-mail：xcpyfzx@163.com