小麥淀粉加工廢水中阿拉伯木聚糖提取工藝研究

田貝貝，陳 潔*，關(guān)文雅，王遠(yuǎn)輝

（1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.沈陽香雪面粉股份有限公司，遼寧 沈陽 110025）

小麥淀粉加工廢水中阿拉伯木聚糖提取工藝研究

田貝貝1，陳 潔1*，關(guān)文雅2，王遠(yuǎn)輝1

（1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.沈陽香雪面粉股份有限公司，遼寧 沈陽 110025）

在研究加酶量、酸度、酶解溫度、酶解時(shí)間4個(gè)單因素對阿拉伯木聚糖（AXs）得率影響的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化小麥淀粉加工廢水中AXs的提取工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明：在加酶量（酶/料液中干物質(zhì)）0.1%、料液pH為6、酶解溫度45℃、酶解時(shí)間1.5 h的條件下，AXs得率達(dá)到最大13.82%。研究了AXs對羥自由基的清除能力，采用了水楊酸比色法測定了最佳工藝條件下得到的AXs清除羥自由基的能力，結(jié)果顯示該AXs對羥自由基有很強(qiáng)的清除能力，IC50為1.91 mg/mL。

小麥淀粉廢水；阿拉伯木聚糖；酶法提??；羥自由基

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-4-20 14:09:24

0 引言

我國小麥淀粉生產(chǎn)普遍采用三相臥螺分離法，除主產(chǎn)品小麥淀粉、谷朊粉外，還有副產(chǎn)物戊聚糖漿。主產(chǎn)品小麥淀粉、谷朊粉有著廣泛的用途，市場應(yīng)用技術(shù)成熟，產(chǎn)品供不應(yīng)求。副產(chǎn)物戊聚糖漿目前主要用于飼料、肥料和生產(chǎn)酒精原料，廢水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。最新發(fā)現(xiàn)，戊聚糖中的阿拉伯木聚糖（AXs）對人體具有特定的營養(yǎng)功能，如調(diào)節(jié)血糖水平，促進(jìn)體內(nèi)雙歧桿菌的生長和繁殖，防治便秘，緩解人體疲勞，能夠抑制口腔細(xì)菌、預(yù)防齲齒、降低膽固醇含量、抗氧化、降低冠心病的風(fēng)險(xiǎn)及減肥降糖等[1-4]。AXs可以增強(qiáng)免疫活性，目前已被用于癌癥、艾滋病等的臨床治療[5]。此外，由于AXs的高黏性和較好的持水性，AXs被用作食品穩(wěn)定劑。AXs中的阿魏酸能夠影響面包的烘培質(zhì)量和面團(tuán)的特性[6-7]。在日本和美國AXs被廣泛應(yīng)用于減肥降糖領(lǐng)域，市場應(yīng)用前景廣闊。以生產(chǎn)小麥谷朊粉和淀粉的生產(chǎn)廢水為原料，生產(chǎn)活性AXs，對提高糧食資源綜合利用效率，減少環(huán)境污染，提高我國小麥深加工技術(shù)水平意義重大。

已有研究發(fā)現(xiàn)低分子質(zhì)量玉米皮AXs有顯著增加細(xì)胞活性的能力，而高分子質(zhì)量AXs免疫增強(qiáng)活性較弱。低分子質(zhì)量的AXs在增強(qiáng)免疫力、抑制腫瘤生長方面活性更好，表明分子的降解可能導(dǎo)致了AXs生物活性的增強(qiáng)[8]。從已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，酶法得到的AXs的分子質(zhì)量低于堿法得到的AXs的分子質(zhì)量，但其免疫活性高于堿法得到的AXs[9]。戊聚糖酶不僅可以提高AXs的溶解性也可以降低AXs的分子質(zhì)量。所以本文采用酶解法從生產(chǎn)小麥谷朊粉和淀粉的生產(chǎn)廢水中提取活性AXs，通過考察AXs提取過程中加酶量、提取時(shí)間、提取溫度、料液pH等工藝條件對AXs得率的影響，確定最佳工藝，為AXs的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥淀粉加工廢水：鄲城財(cái)鑫糖業(yè)有限責(zé)任公司；木聚糖：Sigma公司；戊聚糖酶：諾維信公司；D-木糖：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖、間苯三酚、鹽酸、冰醋酸、無水乙醇、檸檬酸、硫酸亞鐵、過氧化氫、水楊酸均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TU-1810紫外分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；HH-S恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；AL204電子分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DL-5000B-B離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；FD-1A-50冷凍干燥機(jī)：北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 戊聚糖酶活力的測定

參照文獻(xiàn)[10]的方法作木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用所得數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，Y為吸光度，X為木糖濃度。獲得回歸方程為Y=2.128 8X-0.005 5，相關(guān)系數(shù)r=0.999 3。

1.3.2 戊聚糖含量的測定

參照文獻(xiàn)[11-13]的方法作戊聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用所得數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，Y為吸光度，X為戊聚糖量。獲得回歸方程為Y=0.011 7+1.464 7X，相關(guān)系數(shù)r=0.999 5。

1.3.3 水分的測定

按GB/T21305—2007谷物及谷物制品水分的測定常規(guī)法執(zhí)行。

1.3.4 清除羥自由基能力的測定

在試管中依次先加入 1 mL FeSO4（9.1 mmol/L），1 mL乙醇-水楊酸（9.1 mmol/L），接著加入適量去離子水和樣品，再加入1 mL H2O2（8.8 mmol/L）后搖勻，37℃水浴加熱15 min后取出，在510 nm下測其吸光度A0、A1、A2。

羥自由基清除率=（A0+A2-A1）/A0×100%，式中：A0為FeSO4+水楊酸+蒸餾水+H2O2的吸光度；A1為FeSO4+水楊酸+樣品+H2O2的吸光度；A2為FeSO4+水楊酸+樣品的吸光度。

1.3.5 單因素試驗(yàn)

精確稱量戊聚糖原料（小麥淀粉加工廢水中的干物質(zhì)），加入蒸餾水混合獲得戊聚糖漿料（干物質(zhì)含量10%），浸泡12 h。調(diào)節(jié)料液pH后添加戊聚糖酶，恒溫反應(yīng)。離心酶解后的漿料以獲得固體相和液體相，其中液體相經(jīng)過滅酶后二次離心，取液體相測AXs含量。將液體相醇沉、冷凍干燥得到AXs。

1.3.5.1 加酶量對AXs提取率的影響

在酶解溫度50℃、酶解時(shí)間1.5 h、料液pH 5、加酶量（酶/料液中干物質(zhì)）分別為0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的條件下，按上述步驟操作。

1.3.5.2 pH對AXs提取率的影響

在酶解溫度50℃、酶解時(shí)間1.5 h、加酶量0.1%、料液pH分別為3、4、5、6、7、8的條件下，按上述步驟操作。

1.3.5.3 酶解溫度對AXs提取率的影響

在酶解時(shí)間1.5 h、加酶量0.1%、料液pH 6、酶解溫度分別為 25、35、45、55、65、75℃的條件下，按上述步驟操作。

1.3.5.4 酶解時(shí)間對AXs提取率的影響

在酶解溫度45℃、加酶量0.1%、料液pH 6、酶解時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h的條件下，按上述步驟操作。

1.3.6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定因素水平范圍，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 97-2003進(jìn)行圖表制作，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以P＜0.05為顯著性標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 戊聚糖酶活力的測定結(jié)果

根據(jù)1.3.1試驗(yàn)方法測定戊聚糖酶的活力為16 114.9 U/g。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1 加酶量對AXs提取率的影響

圖1 加酶量對AXs得率的影響Fig.1 Effect of enzyme amount on the extraction yield of AXs

AXs可以分為水溶性阿拉伯木聚糖和水不溶性阿拉伯木聚糖。Fengler[14]、Jmares等[15]指出水溶性阿拉伯木聚糖比水不溶性阿拉伯木聚糖易溶出，木聚糖內(nèi)切酶能使部分水不溶性阿拉伯木聚糖呈現(xiàn)出可溶性被提取出來，從而提高AXs得率。目前，小麥淀粉加工廢水AXs的提取方法主要是水提法，但由于戊聚糖漿持水性強(qiáng)、黏度大，AXs不易溶出。Ganguli等[16]采用水提法從小麥面粉中提取水溶性阿拉伯木聚糖得率為0.43%。本文采用酶法提取可以降低戊聚糖漿料的黏度，促進(jìn)AXs的溶出。由圖1可知，適量戊聚糖酶的加入可以提高AXs得率。AXs得率隨加酶量的增加先增加后降低，酶添加量達(dá)到0.10%（酶/料液中干物質(zhì)）時(shí)，AXs得率達(dá)到最大；酶的添加量大于0.10%時(shí)，AXs得率隨加酶量的增加而下降，這是因?yàn)?.10%的加酶量已經(jīng)足以將物料中的水不溶性阿拉伯木聚糖轉(zhuǎn)化為可溶性的阿拉伯木聚糖，過量的酶會(huì)將溶出的AXs降解為更小分子質(zhì)量的低聚糖[17]，所以AXs得率有所下降。

2.2.2 pH對AXs提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)料液的pH值為6時(shí)，AXs得率達(dá)到最大；當(dāng)pH值小于或大于6時(shí)，AXs得率都開始下降。因此戊聚糖酶的最適pH為6，pH值過高過低都會(huì)影響它的酶活，從而降低AXs的得率。

圖2 溶液pH對AXs得率的影響Fig.2 Effect of pH on the extraction yield of AXs

2.2.3 酶解溫度對AXs提取率的影響

由圖3可知，酶法提取AXs的最佳酶解溫度應(yīng)該是45℃。AXs得率隨反應(yīng)溫度的升高而先升高后降低，當(dāng)酶解溫度高于45℃，AXs得率隨反應(yīng)溫度的升高而降低。主要由于戊聚糖漿持水性強(qiáng)、黏度大，溫度升高，漿料黏度降低，分子運(yùn)動(dòng)加快，AXs較易溶出；溫度過高過低都會(huì)影響酶的活性，當(dāng)提取溫度高于45℃，酶的活性隨溫度的升高逐漸減弱，因此AXs得率逐漸下降。

圖3 酶解溫度對AXs得率的影響Fig.3 Effect of temperature on the extraction yield of AXs

2.2.4 酶解時(shí)間對AXs提取率的影響

由圖4可知，酶法提取AXs的最佳酶解時(shí)間為1.5 h。隨酶解時(shí)間的延長AXs得率逐漸增加，當(dāng)酶解時(shí)間超過1.5 h，隨酶解時(shí)間的延長AXs得率反而下降。這是因?yàn)殡S酶解時(shí)間的延長，物料中未溶出的水不溶性阿拉伯木聚糖逐漸轉(zhuǎn)化為可溶性的阿拉伯木聚糖，所以AXs得率逐漸增加；當(dāng)酶解時(shí)間超過1.5 h，水不溶性阿拉伯木聚糖的溶出已經(jīng)趨近完全，隨著酶解反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，戊聚糖酶可以將溶出的AXs降解為更小分子質(zhì)量的低聚糖，所以隨反應(yīng)時(shí)間的延長，AXs得率下降。

圖4 酶解時(shí)間對AXs得率的影響Fig.4 Effect of enzymolysis time on the extraction yield of AXs

2.3 正交試驗(yàn)

以AXs的得率為指標(biāo)，以加酶量、pH、酶解溫度、酶解時(shí)間為正交試驗(yàn)因素，采用L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定酶法提取AXs的最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)因素及水平見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Orthogonal experimental design

由表2正交分析結(jié)果可知，影響AXs得率的因素主次排序?yàn)镃＞A＞B＞D。綜合各因素K值和極差分析，得出理論上最佳提取工藝條件為A2B2C2D2。結(jié)合單因素試驗(yàn)最佳工藝條件下的AXs得率預(yù)測理論值為13.70%。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在正交分析得到的最佳工藝條件下進(jìn)行4次驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表4。AXs得率為 13.82% ±0.08%，偏差率小于1%，最佳工藝得以驗(yàn)證。目前主要采用堿法和酶法從小麥麩皮中提取AXs，在堿性條件下會(huì)影響對AXs功能性質(zhì)有著重要作用的阿魏酸基團(tuán)，且酶法得到的AXs的免疫活性高于堿法得到的AXs[18-20]?；谥暗难芯浚崛Xs得率較低。由于水提取相對溫和的條件不能打破AXs和細(xì)胞壁其他多聚物之間的交叉連接，Garrote等[21]指出水提取結(jié)合熱處理技術(shù)可以提高AXs得率，然而，Josefsson等[22]認(rèn)為在高溫高壓狀態(tài)下可能破壞AXs的結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致半纖維素的降解。相比之下，酶法具有環(huán)保、對設(shè)備要求低、易投入生產(chǎn)等特點(diǎn)，且酶法提取的AXs得率高、活性好。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of orthogonal experimental

表3 正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experimental

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Verification results

2.5 清除自由基試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，最優(yōu)工藝條件下提取的 AXs（80%乙醇醇沉）對·OH有很好的清除作用?！H清除率與AXs的質(zhì)量濃度之間有一定的關(guān)系，·OH清除率隨AXs質(zhì)量濃度的增加而增加，且IC50為1.91 mg/mL。研究發(fā)現(xiàn)，醇沉?xí)r乙醇濃度會(huì)影響AXs清除·OH的能力，隨乙醇濃度的增加，其對·OH的清除能力減弱。此與張曉娜[9]對小麥麩皮阿拉伯木聚糖的抗氧化活性研究結(jié)果相比，小麥淀粉廢水中AXs比小麥麩皮AXs（80%乙醇醇沉）清除·OH的能力強(qiáng)。已有研究表明，小分子質(zhì)量AXs隨乙醇濃度的增加逐漸沉出，高乙醇濃度醇沉的AXs平均分子質(zhì)量相對較小[9]。本文研究結(jié)果表明，醇沉?xí)r隨乙醇濃度的增加，AXs對·OH的清除能力減弱，也就表明高分子質(zhì)量AXs對·OH的清除能力強(qiáng)，與Li等[8]的研究結(jié)果相似。

圖5 AXs對羥自由基的清除率Fig.5 Hydroxyl radical scavenging capacity of AXs

3 結(jié)論

酶解法從小麥淀粉加工廢水中提取AXs的最佳工藝條件為：加酶量0.1%(酶/料液中干物質(zhì))、料液pH值為6、酶解時(shí)間1.5 h、酶解溫度45℃。在此工藝下提取的AXs對·OH有較強(qiáng)的清除能力，IC50為1.91 mg/mL。AXs清除·OH的能力隨醇沉?xí)r乙醇濃度的增加而減弱。加酶后AXs得率提高了2%左右，這說明小麥加工廢水中AXs大部分為水溶性阿拉伯木聚糖，戊聚糖酶能促使另一小部分水不溶性阿拉伯木聚糖溶出，因此酶法得到的AXs得率高、活性好。

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EXTRACTION OF ARABINOXYLANS FROM WASTEWATER OF WHEAT STARCH PROCESSING

TIAN Beibei1，CHEN Jie1，GUAN Wenya2，WANG Yuanhui1
（1.School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China；2.Shenyang Xiangxue Four Co.，Ltd.，Shenyang 110025，China）

The study was to investigate the optimal extraction conditions of arabinoxylans （AXs） from wastewater during wheat starch processing and the hydroxyl radicals scavenging capacity of AXs.The effect of enzyme amount，pH，enzymolysis temperature and time on the extraction yield of AXs was examined by orthogonal experiments on the basis of single factor.The hydroxyl radical scavenging ability of AXs was determined by the method of salicylic acid colorimetry.The results showed that the optimal technology parameters were as follows：enzyme amount of 0.1%，pH of 6，enzymolysis temperature of 45℃ and enzymolysis time of 1.5 h.Under the optimal conditions，the extraction yield of AXs was 13.71%.The AXs also had strong scavenging ability on hydroxyl radical and the IC50was 1.91 mg/mL，and the activity was increased in dose manner.

wheat starch wastewater；arabinoxylans；enzymatic extraction；hydroxyl radical

TS209

B

1673-2383(2017)02-0051-06

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.018.html

2016-08-08

國家國際科技合作專項(xiàng)（2015DFA30380）

田貝貝（1991—），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸ぁ?/p>

*通信作者