酸解法提取玉米芯中L-阿拉伯糖的研究

李明澤，程雅韻，鄭 琳，金 清,2

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院,吉林 延吉 133002; 2.延邊大學(xué)食品研究中心,吉林 延吉 133002)

酸解法提取玉米芯中L-阿拉伯糖的研究

李明澤1，程雅韻1，鄭 琳1，金 清1,2

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院,吉林 延吉 133002; 2.延邊大學(xué)食品研究中心,吉林 延吉 133002)

為使玉米芯中的L-阿拉伯糖得到更充分的利用，研究了草酸體積分?jǐn)?shù)、水解溫度、水解時(shí)間對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，以高效液相色譜法所測(cè)定的L-阿拉伯糖的得率為指標(biāo)，確定草酸水解玉米芯制備L-阿拉伯糖的最佳工藝條件為：草酸體積分?jǐn)?shù)1.5%，水解時(shí)間1.5 h，水解溫度125 ℃，L-阿拉伯糖的水解得率為3.5%。

玉米芯；酸解；L-阿拉伯糖

玉米作為中國(guó)三大糧食作物之一，加工的副產(chǎn)品資源龐大，但在原有的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上對(duì)玉米芯的綜合利用程度低，大部分被用作飼料，造成資源浪費(fèi)，而玉米芯中含有豐富的L-阿拉伯木聚糖，將其提取轉(zhuǎn)化成L-阿拉伯糖，既可以實(shí)現(xiàn)廢物利用，也可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。L-阿拉伯糖又稱(chēng)外觀為白色結(jié)晶粉末，無(wú)味，溶于水和甘油，不溶于乙醇和乙醚，對(duì)熱和酸的穩(wěn)定性高[3]，是一種非熱量糖，在動(dòng)物體內(nèi)不可代謝。具有跟蔗糖相似的甜味，但甜度只有蔗糖的50%，在小腸內(nèi)可以抑制蔗糖消化的相關(guān)酶類(lèi)，從而降低了小腸對(duì)葡萄糖、蔗糖的吸收速率，達(dá)到了減肥、控制糖尿病的功效[4-6]。L-阿拉伯糖作為一種新型功能性單糖，已得到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，L-阿拉伯糖的制取方法主要有酸解法、微生物法、酶解法、化學(xué)合成法等。微生物發(fā)酵法菌種易突變，難以很好的控制發(fā)酵過(guò)程[7-8]。酶解法提取，專(zhuān)一性好，工藝要求不高，但是需要多種酶協(xié)同工作才能達(dá)到最好的水解效率，目前仍處于研究階段，不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[9-10]?；瘜W(xué)合成法易產(chǎn)生同分異構(gòu)體，條件復(fù)雜，成本高，不適合在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用[11]。酸解法提取L-阿拉伯糖，過(guò)程簡(jiǎn)單，工藝成熟[12-13]。為了實(shí)現(xiàn)玉米副產(chǎn)物的附加值，本研究以玉米芯為原料，采用酸水解法制備L-阿拉伯糖。依據(jù)高效液相色譜法所測(cè)定L-阿拉伯糖的含量為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法，確定草酸水解玉米芯制備L-阿拉伯糖的最佳工藝條件，為從玉米芯中提取L-阿拉伯糖提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料

玉米芯(陽(yáng)谷瑞康科技有限公司)；L-阿拉伯糖(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；三蒸水(自制)；草酸、氫氧化鈉(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2儀器與設(shè)備

高壓蒸汽滅菌器(SX-700，日本TOMY公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(101型-3，天津?qū)嶒?yàn)儀器廠)；電子天平(JA型，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司)；PH計(jì) (PHS-25Ph，上海雷茲儀器廠)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(SY-2000上海亞榮生化儀器廠)；高速離心機(jī) (TGL-16C，上海安亭科學(xué)儀器廠)；水浴鍋(DK-98-1型， 天津泰斯特儀器有限公司)；高效液相色譜(LC-2010A HT, Shimadzu corporation)；示差檢測(cè)器(RID-10A, Shimadzu corporation)。

1.3方法

1.3.1 原料的預(yù)處理 將干燥玉米芯用粉碎機(jī)粉碎后，過(guò)40目篩，制成粉末備用。

1.3.2 水解液的制備 取干燥玉米芯粉末10 g，向其中加入100 mL 0.1% NaOH溶液，置于高壓蒸汽滅菌鍋中125 ℃下蒸煮2.5 h，除去淀粉、蠟質(zhì)、蛋白質(zhì)等雜，之后抽濾得蒸煮渣，烘干后備用。取干燥后的蒸煮渣(g)與草酸溶液(mL)以1∶10的比例混合(g·mL-1)，在高壓蒸汽滅菌鍋中蒸煮，抽濾得水解液，向其中加入碳酸鈣粉末調(diào)pH至中性，經(jīng)5 000 r·min-1離心10 min得到含有L-阿拉伯糖的溶液[14]。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以水解溫度105 ℃，水解時(shí)間2.5 h，草酸體積分?jǐn)?shù)1.5%為基準(zhǔn)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在保持2個(gè)因素條件不變的情況下，分別考察不同草酸體積分?jǐn)?shù)、水解溫度、水解時(shí)間對(duì)玉米芯中L-阿拉伯糖酸解得率的影響，以確定試驗(yàn)參數(shù)的范圍。

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過(guò)單因素試驗(yàn)確定條件范圍后，采用正交設(shè)計(jì)的方法，分別考察草酸體積分?jǐn)?shù)、水解時(shí)間、水解溫度在四個(gè)不同水平上對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響，以確定草酸水解法制備L-阿拉伯糖的最佳工藝條件。L16(45)正交設(shè)計(jì)因素水平表如表1所示[15]。

表1 L16 (45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 L16 (45) Orthogonal experimental design

1.3.5 高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定L-阿拉伯糖 高效液相色譜測(cè)定L-阿拉伯糖含量的測(cè)定條件[16-17]如下。

色譜條件：色譜柱：Shodex SC1011 Ca2+分析柱 (4.6 mm×250 mm，6 μm)；流動(dòng)相：實(shí)驗(yàn)室自制三蒸水，超聲脫氣15 min；流速：0.8 mL·min-1；柱溫：80℃；檢測(cè)器：RID-10A型示差折光檢測(cè)器；進(jìn)樣量：20 μL。

1.3.6 L-阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制 精確稱(chēng)取L-阿拉伯糖20 mg，用2 mL三蒸水配制成10 mg·mL-1的糖溶液，用移液槍吸取1 mL的溶液依次稀釋為5 、2.5、 1.25、0.625 mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)樣量為20 μL，記錄各自保留時(shí)間，以峰面積為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)品溶液濃度為橫坐標(biāo)，繪制L-阿拉伯糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.3.7 L-阿拉伯糖得率的計(jì)算 將制取的阿拉伯糖水解液經(jīng)0.22 μm水系濾器過(guò)濾后經(jīng)高效液相色譜檢測(cè)，將得到的峰面積帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)后得到L-阿拉伯糖濃度值，再代入下式計(jì)算。

水解得率=玉米芯中L-阿拉伯糖的質(zhì)量(mg)×100% / 干玉米芯質(zhì)量(mg)

1.3.8 數(shù)據(jù)分析 各處理均設(shè)3 次重復(fù)取平均值，以SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1L-阿拉伯糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

以不同標(biāo)準(zhǔn)品溶液的濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制L-阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)如圖1所示。用最小二乘法作線(xiàn)性回歸方程[18]，得L-阿拉伯糖含量與峰面積的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)和回歸方程式為Y=210 861 676.966X-28 244.384，相關(guān)系數(shù)R2=0.999。說(shuō)明L-阿拉伯糖在0. 625～10 mg·mL-1范圍內(nèi)，與峰面積線(xiàn)性關(guān)系良好，擬合度高。

圖1 L-阿拉伯糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig. 1 The standard curve of L-abainose

2.2單因素對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響

2.2.1 草酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響 在水解溫度為105℃，水解時(shí)間為2.5 h的條件下，考察不同草酸體積分?jǐn)?shù)(0.5%、1%、1.5%、2%)對(duì)玉米芯中L-阿拉伯糖酸解得率的影響。

注:a，b，c代表顯著性差異水平(P<0.05)。下同。Note：a,b,c are Significant difference level(P<0.05).The same as below

圖2草酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響
Fig.2EffectofoxalicacidvolumefractiononL-arabinoseyield

由圖2可知，在草酸體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)L-阿拉伯糖水解得率達(dá)到最大值，再增大草酸體積分?jǐn)?shù)L-阿拉伯糖的得率不再增加，反而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，主要是由于酸度的增加降低了草酸水解L-阿拉伯糖的特異性，木糖、葡萄糖等其他單糖也釋放出來(lái)，從而使L-阿拉伯糖的得率降低，同時(shí)也加大了后期的分離難度。關(guān)于酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水解得率的影響馮亞青等[19]也曾報(bào)道過(guò)。

2.2.2 水解溫度對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響

將干燥的玉米芯蒸煮渣與草酸溶液以1∶10比例混合，在草酸體積分?jǐn)?shù)為1.5%，水解時(shí)間2.5 h的條件下考察不同的水解溫度(95、105、115、125 ℃)對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響情況。

圖3 水解溫度對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響Fig. 3 Effect of hydrolization temperature on L-arabinose yield

如圖3所示，隨著溫度的增加，L-阿拉伯糖的水解得率不斷增加，在115 ℃時(shí)，L-阿拉伯糖的水解得率達(dá)到最大，隨后再增大水解溫度水解得率不增反減。酸解溫度是影響得率的一個(gè)重要因素，通常溫度每升高10 ℃，反應(yīng)速率提高兩倍，但是溫度超過(guò)115 ℃后，持續(xù)的高溫導(dǎo)致L-阿拉伯糖被分解破壞，從而導(dǎo)致得率下降[20]。

2.2.3 水解時(shí)間對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響

在草酸體積分?jǐn)?shù)為1.5%，溫度為105 ℃的條件下，考察不同水解時(shí)間(1 、1.5 、2 、2.5 h)對(duì)L-阿拉伯糖水解得率的影響。

圖4 水解時(shí)間對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響Fig. 4 Effect of hydrolization time on L-arabinose yield

如圖4所示,隨著水解時(shí)間的增加，草酸水解玉米芯的程度越來(lái)越完全，L-阿拉伯糖水解得率隨之增加。而玉米芯隨著溫度的升高，L-阿拉伯糖的水解得率一直呈現(xiàn)上升狀態(tài)，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫條件對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求過(guò)于嚴(yán)格，不利于工業(yè)生產(chǎn)。因此，我們確定玉米芯的最佳酸解時(shí)間為1.5 h。

表2 玉米芯L16 (45)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 L16 (45) Orthogonal experimental results

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental variance analysis

2.3正交試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

由表2和表3可知，對(duì)L-阿拉伯糖水解得率影響的主次順序?yàn)锽>C>A，即水解溫度>水解時(shí)間>草酸體積分?jǐn)?shù)；最佳條件組合為A3B4C2，即草酸體積分?jǐn)?shù)1.5%，水解時(shí)間1.5 h，水解溫度125 ℃。根據(jù)方差分析結(jié)果可知,水解溫度對(duì)于L-阿拉伯糖得率的影響是極顯著的。原料對(duì)L-阿拉伯糖的水解得率影響顯著，可能是由于原料本身的組成成分不同造成的。

3 結(jié)論

本研究以玉米芯為原料，采用酸水解法提取L-阿拉伯糖，以水解液中的L-阿拉伯糖含量為檢測(cè)指標(biāo)，考察了草酸體積分?jǐn)?shù)、水解溫度、水解時(shí)間對(duì)水解得率的影響，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，確定了草酸水解玉米芯制備L-阿拉伯糖的最佳工藝條件為：草酸體積分?jǐn)?shù)1.5%，水解時(shí)間1.5 h，水解溫度125 ℃， L-阿拉伯糖的水解得率為3.5%。確定了水解溫度對(duì)L-阿拉伯糖得率的影響最大。本研究為玉米副產(chǎn)物的綜合利用和L-阿拉伯糖的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

StudyofL-arabinoseextractionfromcorncobbyacidhydrolysis

LI Mingze1, CHENG Yayun1, ZHENG Lin1, JIN Qing1,2

(1. College of Agronomy, Yanbian University, Yanji 133002，China; 2. Food Research Centre of Yanbian University，Yanji 133002，China)

For the sufficient application of L-arabinose in corn cobs, we investigated the effects of oxalic acid volume fraction, hydrolysis temperature and hydrolysis time on the yield of L-arabinose. The yield of L-arabinose, detected by high performance liquid chromatography (HPLC), was taken as the indicator, and the optimal conditions of oxalic acid hydrolysis of corn cobs for L-arabinose production were determined by the orthogonal test: The oxalic acid concentration was 1.5%, the hydrolysis time was 1.5 h, the hydrolysis temperature was 125 ℃, and the yield of L-arabinose by hydrolysis was 3.5%.

corn cobs; acidolysis; L-arabinose

TS201.3

：A

2016-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (31260362，31660452)

李明澤(1994-)，男,吉林撫松人,碩士研究生，從事食品微生物發(fā)酵方面的研究。

金 清(1971-),女,吉林延吉人，教授,博士。

1000-2340(2017)02-0207-05