超聲波輔助提取甘蔗渣木聚糖工藝優(yōu)化

孫健，李麗，盛金鳳，何雪梅，李昌寶，趙謀明，*，游向榮，劉國明

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州 510640；2.廣西農業(yè)科學院農產品加工研究所，廣西南寧 530007；3.廣西作物遺傳改良重點開放實驗室，廣西南寧 530007）

甘蔗是廣西特色大宗農產品，2012 年廣西區(qū)甘蔗的產量達到7 500 萬t，占全國總產量的60%。蔗渣是甘蔗糖廠最大量的副產物，它是甘蔗經壓榨或滲出處理后剩余的纖維殘渣，約為甘蔗重量的24 %～27 %（以蔗渣水分約50%計），并且每生產出1 t 的蔗糖，就會產生2 t～3 t 的蔗渣[1-2]。目前除小部分蔗渣用于造紙外，大部分直接被用作鍋爐燃料燒掉，不僅造成資源浪費，還嚴重污染環(huán)境。甘蔗渣中含大量的纖維素、半纖維素和木質素，經降解后可得到木聚糖[3-4]。木聚糖是一種廣泛存在于植物纖維中的多聚五碳糖，在玉米芯、甘蔗渣、稻殼以及棉子殼中含量較為豐富，一般能高達30%以上。其降解后所產生的低聚木糖不僅具有促進人體鈣吸收、抑制病原菌等多重功效，而且還可以用作基本碳源生產各種發(fā)酵產品。張晉博等以甘蔗渣為原料制備低聚木糖。通過單因素試驗選取實驗因素與水平，響應面分析得出最佳工藝條件為：微波處理壓力0.9 MPa、微波處理時間17 min、木聚糖酶用量0.7%（相對于原料甘蔗渣），甘蔗渣酶解液中還原糖含量可達到9.21 mg/mL。最佳條件下的TLC 顯示：酶解液主要成分是木二糖和木三糖[5]。何亮亮和陸登俊采用響應面分析法優(yōu)化了甘蔗渣中木聚糖的提取工藝，得到了蔗渣中木聚糖提取的最佳工藝條件為：NaOH 濃度8.86%、水解時間205 min、液料比66 ∶1（mL/g），在此條件下木聚糖的得率為27.94%[6]。丁勝華等從蔗渣中提取木聚糖后，采用酶法水解制備低聚木糖，采用堿法提取工藝為：NaOH 濃度4 %，料液比1∶15（g/mL），30.0 ℃提取24.0 h，此條件下木聚糖產率達20.67%[7]。利用蔗渣制備木聚糖具有十分廣闊的前景。但要提高木聚糖的產率，必須降低蔗渣的聚合度、結晶度，破壞木質素、半纖維素的結合層，脫去木質素，增加有效比表面積[8]。超聲波可以在較低的溫度下大大促進溶劑提（浸、萃）取有效成分的過程、降低生產時間、能源、溶劑的消耗以及廢物的產生，同時能強化提取過程、提高產率和提取物的純度，既降低了操作費用，又合乎環(huán)境保護的要求，是一種有良好發(fā)展前途的新工藝[9-10]。目前，采用超聲波輔助提取甘蔗渣木聚糖影響的報道較少。采用超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖，在單因素的基礎上，采用響應曲面法，研究NaOH 濃度、超聲波處理時間、液料比對木聚糖提取效果的影響，為甘蔗加工副產物的的深度開發(fā)及工業(yè)化生產提供良好的理論和方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗或材料與設備

甘蔗渣：取自南寧糖業(yè)股份有限公司。D-木糖、3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、硫酸、酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉、苯酚等均為分析純。

KQ-300VDE 型雙頻數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV-2000 型紫外可見分光光度計：尤尼柯（上海）儀器有限公司；pH211pH 計：HANNA instruments；DK-S24 型電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設備有限公司；MVS-1 漩渦混合器：北京金北德工貿有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

將甘蔗渣晾干、除雜后，粉粹過40 目篩。將蔗渣在常溫下用清水浸泡12 h 沖洗去除殘余蔗糖，收集蔗渣置于恒溫干燥箱中60.0 ℃干燥至恒重，取出放于干燥器中，備用。

1.2.2 超聲波提取木聚糖

取原料適量，按照一定的固液比加入氫氧化鈉溶液，置于超聲波清洗器中。提取結束后，將樣品于3 000 r/min 離心10 min，取上清液，殘渣用蒸餾水反復洗滌至中性，洗液并入上清液中和至pH7～8，旋轉蒸發(fā)濃縮，定容至100 mL 容量瓶中搖勻待用。

1.2.3 木聚糖提取率的測定

準確吸取一定量的樣品溶液于50 mL 容量瓶，加入1.5 mL 3，5-二硝基水楊酸（DNS）溶液和2 mL 蒸餾水，于沸水浴中加熱5 min，顯色后迅速冷卻，用蒸餾水稀釋定容。另取一50 mL 容量瓶，加入1.5 mL DNS 溶液，用蒸餾水稀釋定容作為空白溶液，用1cm 比色皿，選擇適當的吸收波長，測定其吸光度并計算木聚糖的含量。

木聚糖提取率=還原搪含量×稀釋倍數×0.88/甘蔗渣的質量×100%。

2 結果與分析

2.1 木糖最大吸收峰的測定

準確吸取標準D-木糖溶液1.0 mL 于50 mL 容量瓶中，按基本試驗法，配成含量為1 mg/L 的標準D-木糖溶液選擇不同的波長，分別測定其吸光度，見圖1。

圖1 波長與吸光度的關系Fig.1 Relationship of wavelength and absorption

圖1 表明：在483 nm 處有最大吸收峰，故選擇λ=483 nm。

2.2 木糖標準曲線

取6 支25 mL 具塞刻度試管，分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 濃度為1 mg/mL 的D-木糖標準液，加蒸餾水至2 mL，再加入1.5 mL DNS 試劑，充分混合均勻后沸水浴5 min。迅速冷卻至室溫，在483 nm波長處測定吸光度值，繪制標準曲線。以吸光度y 為縱坐標，木糖濃度x 為橫坐標建立標準曲線，回歸方程：Y=0.965 7X-0.017（R2=0.993 8）。

圖2 木糖標準曲線Fig.2 Xylose standard curve

2.3 超聲波輔助提取甘蔗渣制備木聚糖的影響單因素試驗

2.3.1 NaOH 濃度對木聚糖提取率的影響

測定使用不同濃度的NaOH 抽提液對超聲波輔助提取木聚糖提取率的影響，結果見圖3。

圖3 NaOH 溶液濃度對木聚糖提取率的影響Fig.3 Effects of NaOH concentration on extraction rate of xylane

由圖3 可知，木聚糖提取率隨NaOH 溶液濃度的增高而增加，NaOH 溶液濃度至6%后木聚糖提取率增加趨于緩慢，考慮到堿溶液濃度太高，對甘蔗渣中碳水化合物的破壞增加，同時會影響后序工藝，NaOH溶液濃度確定為6%。

2.3.2 液料比對木聚糖提取率的影響

分別以15∶1、25∶1、35∶1、45∶1、55∶1 和65∶1 的料液比，NaOH 溶液濃度為6%，超聲提取30 min，考察木聚糖得率隨料液比變化的情況，見圖4。

圖4 液料比對木聚糖提取率的影響Fig.4 Effects of liquid material rate on extraction rate of xylane

由圖4 可知，甘蔗渣木聚糖的提取率隨著液料比的增加而升高，在35 ∶1 處達到提取率達到最大值，而后隨著溶液量的進一步增大，提取率呈現緩慢下降趨勢。這主要是因為在一定范圍內，料液比越高，單位料樣所接觸到的提取液的有效面積就越大，纖維素的溶脹作用增強，有利于料樣中半纖維素和纖維素的溶出，表現為提取率的顯著升高；當繼續(xù)增加料液比時，堿的濃度被稀釋，單位料樣接觸到的有效堿量反而減少，因此隨著料液比的繼續(xù)升高，木聚糖的提取率緩慢降低。故選取提取的最佳料液比為35 ∶1。

2.3.3 超聲波處理時間對木聚糖提取率的影響

測定在液料比35 ∶1，NaOH 濃度6%的條件下，超聲提取時間對木聚糖提取率的影響，結果見圖5。

圖5 超聲提取時間對木聚糖提取率的影響Fig.5 Effects of ultrasonic extraction time on extraction rate of xylane

由圖5 可以看出，木聚糖提取率隨著時間的延長先呈明顯的上升趨勢，而后緩慢下降，這是因為在反應開始后，甘蔗渣中的纖維素和半纖維素迅速溶出，經水解生成可溶性木糖和低聚木糖，使溶液中的糖組分迅速增大；當反應繼續(xù)進行時，部分木聚糖降解導致提取率下降。因此選取超聲提取時間為30 min。

2.4 響應曲面法優(yōu)化超聲波處理甘蔗渣制備低聚木糖研究

2.4.1 響應曲面分析因素與水平的選取

在單因素試驗結果基礎上，采用中心組合試驗Box-Behnken 設計方案，選取NaOH 濃度（%），液料比（mL/g），超聲時間（min）三因素進行響應曲面試驗，因素水平的設計見表1。

表1 響應曲面分析試驗因素水平及編碼表Table 1 Factors and levels coding of the response surface analysis

2.4.2 響應面分析實驗方案及結果

以木聚糖提取率為響應值，具體實驗方案及結果見表1，由響應面分析軟件Design Expert 7.0.0 得到的分析結果見表2。

表2 響應曲面分析試驗結果Table 2 The methods and results of the response surface analysis

運用Design Expert 軟件對表2 的試驗數據進行回歸分析，得到提取率的二次多元回歸模型為：

對模型進行方差分析，結果如表3 所示。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

由表3 提取率回歸模型方差分析（ANOVA）可以看出：F回歸=24.64＞[（F0.01（9，10）=4.94）]，P 值=0.001 3＜0.01，表明模型極其顯著。提取率F 失擬=0.060 6＜（F0.05（9，5）=4.77），表明失擬不顯著。

根據回歸方程，作出響應面和等高線，觀察擬合響應曲面的形狀，分析NaOH 濃度、液料比和超聲波處理時間對木聚糖提取率的影響，如圖6～圖8 所示。

圖6 NaOH 濃度和液料比對木聚糖提取率的影響Fig.6 Effects of NaOH concention and liquid material rate on extraction rate of xylane

圖7 超聲時間和NaOH 濃度對木聚糖提取率的影響Fig.7 Effects of ultrasonic extraction time and NaOH concention on extraction rate of xylane

圖8 超聲時間和液料比對木聚糖提取率的影響Fig.8 Effects of ultrasonic extraction time and liquid material rate on extraction rate of xylane

等高線的形狀可反映出交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反。由圖6～圖8 可以看出，NaOH 濃度和液料比交互作用顯著，其他因素之間的交互作用較小。

2.4.3 最佳提取工藝條件的確定

為了確定最佳提取工藝條件，對模型（1）取一階偏導等于零，得到一個三元一次方程組。用Matlab 對該方程組求解，即可得X1=6.07，X2=38.45，X3=28.4，由此可得超聲波輔助提取木聚糖的最佳方案為：NaOH 濃度6.07%、液料比為38.45 ∶1（mL/g），超聲波處理時間28.4 min，在此工藝條件下木聚糖提取率的預測值為28.46%。為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件超聲波輔助提取木聚糖，考慮實際操作的可行性，可將優(yōu)化方案定為：NaOH 濃度6%、液料比為38 ∶1（mL/g），超聲波處理時間28.4 min。在此條件下實際測得的平均提取率為28.39%，與理論預測值相比，其相對誤差小于5%，說明采用響應曲面法優(yōu)化得到的超聲波輔助提取條件參數準確可靠，具有實用價值。

3 討論

超聲波主要通過空化作用破壞組織，產生局部粉碎，加大溶質比表面積，加之空化作用亦能加快擴散層上分子的擴散作用，強化以上浸提過程，所以超聲波不僅提取速度快，且收率大大超過常規(guī)提取方法[11]。在超聲波輔助提取中，超聲波強度、溶劑用量、提取時間等條件對甘蔗渣中木聚糖的提取率有著程度不同的影響，特別是溶劑用量要合適，不宜過大。若溶劑用量過大，回收時間長，則長時間浸泡會嚴重破壞甘蔗渣中碳水化合物。超聲波輔助提取在甘蔗渣木聚糖實際生產中的工藝優(yōu)化還應繼續(xù)研究。

4 結論

采用超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖，在單因素的基礎上，采用響應曲面法，研究了NaOH 濃度、液料比、超聲波處理時間對木聚糖提取效果的影響。結果表明：各因素對木聚糖提取率影響的大小順序為：液料比＞超聲時間＞NaOH 濃度，液料比對木聚糖提取率的影響極顯著。超聲波輔助提取甘蔗渣中木聚糖的最佳條件為NaOH 濃度6%、液料比38 ∶1（mL/g），超聲波處理時間28.4 min。在此條件下實際測得的平均提取率為28.39%。采用超聲波輔助法能夠有效的提取甘蔗渣中木聚糖，方法簡單，時間短，效率高。

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