從水稻秸稈中提取木聚糖的工藝研究

劉 維，林元山，王珂瑤，萬劉澳

從水稻秸稈中提取木聚糖的工藝研究

劉 維，?林元山，王珂瑤，萬劉澳

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128）

以水稻秸稈為原料，經(jīng)5%NaCl溶液浸泡預(yù)處理，采用通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對水稻秸稈木聚糖的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，在料液比1∶15（g∶mL），NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，浸提溫度80℃，浸提時間1.5 h，提取液用2倍體積95%酒精沉淀的條件下，木聚糖得率為11.1%。

水稻秸稈；木聚糖；提取工藝

我國各類農(nóng)作物秸稈年總產(chǎn)量就達(dá)6×108t以上，以水稻、玉米和小麥為主，共占76.1%，其中水稻2.3×108t[1-2]。湖南省水稻及其秸稈產(chǎn)量居全國首位，水稻秸稈年總產(chǎn)量達(dá)2 500×104t[3]。水稻秸稈的主要成分大約35%為纖維素、25%為半纖維素和15%為木質(zhì)素[4-5]。合理利用水稻秸稈資源將產(chǎn)生巨大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，然而無序利用、廢棄或焚燒是我國水稻秸稈利用的普遍現(xiàn)狀，這造成了資源的極大浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[6-7]。木聚糖是酶法制備功能性低聚木糖的關(guān)鍵原料，在食品中可以作為乳化劑及膳食纖維，具有促進(jìn)有絲分裂及免疫調(diào)節(jié)等功能[8]。此外，木聚糖通過酶解可制備低聚木糖，低聚木糖還有很強(qiáng)的增殖腸道雙歧桿菌、乳酸菌等益生菌的功能[9]。試驗(yàn)以水稻秸稈為原料提取木聚糖，為低聚木糖的制備提供應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

水稻秸稈，收購于江西宜春；木聚糖標(biāo)樣，Sigma公司產(chǎn)品（貨號V900513，櫸木木聚糖）；其他試劑為國產(chǎn)分析純。

1.2 原料預(yù)處理[10]

準(zhǔn)確稱取10 g水稻秸稈，至250 mL三角瓶中加入5%NaCl 100 mL浸泡過夜，濾渣備用。

1.3 木聚糖提取

將預(yù)處理過的水稻秸稈濾渣，按提取的基本工藝條件：提取溶劑NaOH 10%，料液比1∶10，在100℃下浸提2 h，經(jīng)中和，1.5倍酒精沉淀離心、漂洗、凍干得粗木聚糖。在基本工藝條件下，分別單因素變動NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、浸提溫度、浸提時間、沉淀用酒精體積倍數(shù)，及其以NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、浸提溫度、浸提時間等因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定提取木聚糖的得率。

浸提液用紗布過濾，濾液以轉(zhuǎn)速6 000 r/min離心10 min，離心后的濾液用HCl調(diào)節(jié)pH值5～6，溶液用一定量體積的95%乙醇沉淀過夜。過夜后的沉淀以轉(zhuǎn)速10 000 r/min離心10 min，棄上清液，沉淀用蒸餾水洗滌2次，每次以轉(zhuǎn)速10 000 r/min離心10 min。沉淀用真空冷凍干燥機(jī)干燥24 h，得粗木聚糖。

1.4 木聚糖的測定

1.4.1 木聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

配制1 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)木聚糖溶液，分別取標(biāo)準(zhǔn)木聚糖溶液 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 mL 于20 mL具塞試管中加水至1.0 mL，再加入3,5-二硝基水楊酸DNS溶液3 mL，沸水浴中5 min立即冷卻定容后搖勻，蒸餾水作對照，于波長540 nm處測定其吸光度，得擬合曲線Y=0.715X+0.020 5，R2=0.9964（Y為木聚糖含量mg/mL，X為吸光度OD540nm）。

1.4.2 粗木聚糖的測定

準(zhǔn)確稱取0.1 g干燥后的粗木聚糖粉末，加入10 mL 7%HCl，100℃水解 2 h，冷卻后用 NaOH調(diào)節(jié)pH值至中性，定容至100 mL，利用DNS法測定其還原糖質(zhì)量，將其乘以木聚糖聚合系數(shù)0.88作為木聚糖質(zhì)量[11]。

式中：m——提取木聚糖質(zhì)量，g；

M——水稻秸稈質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

按提取木聚糖的基本工藝條件，分別取不同NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為提取溶劑，獲得粗木聚糖。

NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水稻秸稈中木聚糖得率的影響見圖1。

圖1 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

由圖1可知，隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，木聚糖得率逐漸增大。當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～8%時，木聚糖得率增加顯著（p＜0.05）；NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，木聚糖得率為9.00%；但NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%時，差異不顯著；NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，木聚糖得率為8.00%。因此，選擇10%的NaOH為進(jìn)一步正交試驗(yàn)。

2.2 料液比對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

按提取木聚糖的基本工藝條件，以10%的NaOH為提取溶劑，取不同料液比，并考查其對水稻秸稈中木聚糖得率的影響。

料液比對水稻秸稈中木聚糖得率的影響見圖2。

圖2 料液比對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

由圖2可知，隨著提取溶劑增加，木聚糖得率逐漸增加。當(dāng)料液比為1∶12～1∶20時，木聚糖得率為9.9%～10.7%，且無顯著差異?？紤]到提取溶劑增加，沉淀用酒精倍數(shù)成倍增加，工作量也成倍增加，因此選擇1∶12料液比進(jìn)一步研究比較適宜。

2.3 浸提溫度對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

按提取木聚糖的基本工藝條件，變動浸提溫度，并考查其對水稻秸稈中木聚糖得率的影響。

浸提溫度對水稻秸稈中木聚糖得率的影響見圖3。

圖3 浸提溫度對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

由圖3可知，木聚糖得率在浸提溫度為80℃時最優(yōu)，木聚糖得率為10.7%，與其他浸提溫度差異顯著。隨著浸提溫度進(jìn)一步增加，木聚糖得率呈下降的趨勢，可能是在高溫、高堿性條件下，木聚糖分解加速，水解為木糖或低聚木糖，溶解于水中無法用酒精沉淀而流失。因此，選用80℃為浸提溫度，且具有節(jié)省能源的優(yōu)勢。

2.4 浸提時間對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

浸提時間對水稻秸稈中木聚糖得率的影響，既表現(xiàn)為時間成本，在高溫條件下還包含了能源成本。

浸提時間對水稻秸稈中木聚糖得率的影響見圖4。

圖4 浸提時間對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

由圖4可知，在按提取木聚糖的基本工藝條件下，木聚糖得率以浸提時間2 h為界，呈“山峰型”趨勢，浸提時間達(dá)到2 h時木聚糖得率最大為10.1%。但隨著浸提時間的推移，木聚糖得率有所下降，有可能是浸提時間過長，提取的木聚糖在高溫條件下持續(xù)水解，導(dǎo)致得率有所下降。

2.5 酒精沉淀對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

木聚糖在水和酒精中溶解度較低，試驗(yàn)采用堿提醇沉的方法可獲得更大得率。

酒精體積倍數(shù)對水稻秸稈中木聚糖得率的影響見圖5。

圖5 酒精體積倍數(shù)對水稻秸稈中木聚糖得率的影響

由圖5可知，未用酒精沉淀，木聚糖得率為5.4%。酒精沉淀明顯增加木聚糖的得率，當(dāng)加入2倍體積的酒精沉淀時，木聚糖得率達(dá)10.8%；但繼續(xù)增加酒精體積，木聚糖得率反而略有下降。所以，2倍體積酒精比較適合。

2.6 正交試驗(yàn)法確定最佳工藝條件

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，影響水稻秸稈提取木聚糖的主要因素有NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、料液比（B）、浸提溫度（C）、浸提時間（D），因此按四因素三水平設(shè)計正交試驗(yàn)。

因素與水平設(shè)計見表1，水稻秸稈浸提木聚糖正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表2。

表1 因素與水平設(shè)計

由表2中可知，影響提取木聚糖顯著程度依次為 A＞C＞B＞D，最佳提取組合為 A3B3C2D1，即 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，料液比1∶15，浸提溫度80℃，浸提時間1.5 h，該組合下木聚糖得率為11.1%。

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)秸稈中，玉米秸稈木聚糖含量較高達(dá)30%，水稻秸稈中半纖維素的含量較少，約21%[4-5]。玉米秸稈比水稻、小麥秸稈更易粉碎，因此國內(nèi)低聚木糖的生產(chǎn)廠家，如山東龍力公司等，均以玉米秸稈為原料生產(chǎn)低聚木糖。湖南省水稻及其秸稈產(chǎn)量居全國首位，但水稻秸稈沒有形成穩(wěn)定的市場，也沒有得到很好的無害化、資源化處理[3]。試驗(yàn)利用水稻秸稈浸提木聚糖，為進(jìn)一步探索水稻秸稈資源化、無害化提供了一定參考，為制備低聚木糖提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

表2 水稻秸稈浸提木聚糖正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

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Study on Process of Extracting Xylan fromRice Straw

LIU Wei，?LINYuanshan，WANG Keyao，WANLiuao
（College of Biological Science and Technology，Hu'nan Agricultural University，Changsha，Hu'nan 410128，China）

The processes of extracting xylan from rice straw，which is used as raw material and pretreated with 5%sodium chloride solution，are optimized by single factor experiment and orthogonal experiment in this article.The results show that the yield of xylan obtained 11.1%under extracting conditions as follows：extraction solution of sodium hydroxide 12%，with the ratio of solid to liquid 1∶15（g∶mL），extracting temperatrue 80℃，extracting time 1.5 h，and finally the extract was precipitated with twice volume of 95%alcohol.

rice straw；xylan；extracting process

TQ914.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.009

1671-9646（2017） 09a-0033-03

2017-06-26

湖南省科技廳農(nóng)村領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助“水稻秸稈谷殼資源化利用與功能性低聚木糖的制備研究”（2016NK2114）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助“堿性木聚糖酶的發(fā)酵制備及其相關(guān)基因的克隆”（CX2016B294）。

劉 維（1993— ），男，在讀碩士，研究方向?yàn)閼?yīng)用微生物。

?通訊作者：林元山（1969— ），男，博士，副教授，研究方向?yàn)槲⑸?、酶與發(fā)酵工程。