響應(yīng)面法優(yōu)化油茶果殼酸水解法生產(chǎn)木糖的工藝研究

李彥勛梁文歐李康準劉婧陳昆平黃敏

(1.廣東茂名農(nóng)林科技職業(yè)學院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

木糖(Xylose)屬五碳糖，一般以多縮戊糖木聚糖的形式存在于植物體內(nèi)的半纖維素中[1-3]。玉米芯中多縮戊糖含量達到35%～40%，被作為生產(chǎn)木糖的主要原料[4]。國內(nèi)外學者分別以甘蔗渣[5]、榛子殼[6]、高粱桿[7]、稻殼[8]等作為原料進行不同方法生產(chǎn)木糖的研究。木糖原料預(yù)處理方法主要有物理法、化學法和生物法[9]，不同的處理方法其優(yōu)缺點都很明顯。目前，工業(yè)生產(chǎn)的木糖均由低聚木糖水解，異麥芽酮糖、低聚果糖和乳果糖等均屬于功能性低聚糖，由于聚合度低，通過酸、堿、酶等物質(zhì)處理，可水解為木糖，處理的方法有酸水解法、堿水解法、酶解法、蒸煮法等[10]。田心健等[11]通過研究半纖維素的分解產(chǎn)物，得到低聚木糖、木糖、阿拉伯糖和甘露糖等組分。綜合考慮催化劑種類和來源、木糖得率、損失率等因素，酸水解法仍然是目前工業(yè)化生產(chǎn)木糖的主要方法[12]。同時酸水解法生產(chǎn)木糖的工藝技術(shù)和木糖產(chǎn)量直接相關(guān)，對木糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要指導意義，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化油茶果殼酸水解法生產(chǎn)木糖的工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料油茶果殼由廣東省茂名市信宜龍耕油茶基地提供。濃鹽酸、濃硫酸、乙醇、甲苯均為分析純，廣州東紅化工廠；氫氧化鈣、氨水、三氯化鐵均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；地衣酚為化學純，廣州東紅化工廠；D-木糖為生化試劑，天津市光復(fù)精細化工研究所。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-25數(shù)顯pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；SHZ-D(III)循環(huán)水式真空泵，鞏義市英峪豫華儀器廠；101A-2B型電熱鼓風干燥箱，上海市試驗儀器總廠；722可見光分光光度計，上海舍巖儀器有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇新春蘭科學儀器有限公司；JA1203分析天平，浙江賽德儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

原料經(jīng)除雜于烘箱中60℃干燥,過40目篩，蒸汽爆破，用10%氨水處理48h，水洗，用甲苯與乙醇(V∶V=2∶1)混合溶劑浸提10h，過濾，濾渣于60℃烘干，備用。

1.3.2 木糖的提取

稱取油茶果殼粉末5.0g于250mL錐形瓶內(nèi)，加水煮沸到無明水。加入45mL 3.0%的硫酸溶液水解油茶果殼，在90℃條件下水解時間2h，過濾得到水解液，備用。

1.3.3 木糖含量的測定

參照王君福等的方法[13]。木糖標準曲線的制作見圖1。

圖1 木糖標準曲線

1.3.4 單因素試驗

分別考察固液比(1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10)、硫酸溶液濃度(1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%)、溫度(80℃、85℃、90℃、95℃、100℃)，時間分別為1h、1.5h、2h、2.5h、3h,固定水平:固液比為1∶9，硫酸溶液濃度為3.0%，處理時間為2h，溫度為90℃條件下對木糖得率的影響。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗進行3次重復(fù)，所得數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6進行響應(yīng)面分析，分析模型各項數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果。通過Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0繪制標準曲線和含量計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 固液比對木糖得率的影響

圖2 固液比對木糖得率的影響

由圖2可知，隨著固液比的增大，油茶果殼水解液的木糖得率一直增大。原因可能是固液比越大，水解越徹底，木糖得率越高。固液比較高時，浸提液無法將油茶果殼中的木糖完全浸提出來，導致木糖得率降低；過低的固液比會造成水資源浪費，且產(chǎn)物濃度的升高會加大后續(xù)蒸發(fā)濃縮等過程的能耗和難度。綜合考慮，選取固液比1∶8～1∶10g·mL-1作為響應(yīng)面試驗的固液比考察范圍。

2.1.2 硫酸溶液濃度對木糖得率的影響

由圖3可知，隨著油茶果殼水解液水解過程中所添加稀硫酸濃度的逐漸上升，水解液中木糖的濃度呈現(xiàn)先上升再緩慢下降的趨勢。當酸濃度約為3.00%時，木糖得率達到最高(約為26.49%)。較高的酸濃度對設(shè)備的腐蝕性增大，且高濃度酸會催化單糖降解和其它非半纖維素物質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，導致水解液中的副產(chǎn)物(主要為乙酸、醌類、糠醛等物質(zhì))濃度升高[14]，水解液顏色加深，不利于木糖的分離、純化，降低了木糖得率。綜合分析，選取硫酸濃度為2%～4%作為響應(yīng)面試驗的硫酸濃度的考察范圍。

圖3 稀酸濃度對木糖得率的影響

2.1.3 水解溫度對木糖得率的影響

由圖4可知，隨著水解溫度的升高，油茶果殼水解液的木糖得率先增大，90℃達到最大值再降低。原因可能是水解溫度低導致水解反應(yīng)緩慢，水解液難以在較短時間生成木糖。過高的處理溫度也會導致副產(chǎn)物濃度增加[15]。高溫條件也會導致部分戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛，降低木糖得率[16]。綜合考慮，選取溫度80～100℃作為響應(yīng)面試驗的處理時間考察范圍。

圖4 溫度對木糖得率的影響

2.1.4 時間對木糖得率的影響

由圖5可知，酸水解時間在1～3h時，隨著油茶果殼水解液水解時間的延長，油茶果殼水解液中木糖得率都略微增加，這表明水解反應(yīng)在持續(xù)進行。隨著水解時間的延長，油茶果殼的木糖得率逐漸增大，在2h時達到最大值(16.28%)，后又降低?？赡苁情L時間的水解會導致木糖轉(zhuǎn)化為糠醛。綜合考慮，選取2h作為響應(yīng)面試驗的處理時間。

圖5 水解時間對木糖得率的影響

2.2 響應(yīng)面法試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

根據(jù)Box-Behnken在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用3因素(固液比、硫酸溶液濃度、水解溫度)3水平的響應(yīng)面法確定油茶果殼制備木糖醇的最佳工藝參數(shù)，因素水平表見表1，響應(yīng)面分析方案見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平設(shè)計

2.2.2 回歸方程模型的建立及顯著性分析

根據(jù)響應(yīng)面試驗結(jié)果，采用ANOVA對表2中的數(shù)據(jù)進行多元二次回歸，得到木糖得率(Y)與固液比(A)、硫酸溶液濃度(B)、水解溫度(C)之間的二次多項回歸方程：Y=+28.81+3.29A-0.94B+1.82C-4.51A2-4.82B2-5.32C2+0.54AB+1.52AC+0.59BC，應(yīng)用Design Expert回歸分析對方程和各個因子進行分析，結(jié)果見表3。

回歸方程中各變量對響應(yīng)值影響的顯著性用F檢驗來判定，概率p(Pr>F)值越小,則相應(yīng)變量的顯著程度越高，p(Pr>F)<0.01時影響為高度顯著，p(Pr>F)<0.05影響顯著。模型回歸p為0.0001，說明模型回歸顯著可靠，失擬項為0.2407，所以不顯著。由表2、表3的分析結(jié)果可以看出，A(固液比)、B(硫酸溶液濃度)、C(水解溫度)3個因素對木糖的得率影響顯著(p(Pr>F)<0.05)，同時A(固液比)和C(水解溫度)交互項對木糖的得率影響顯著(p(Pr>F)<0.05)，A2(固液比)、B2(硫酸溶液濃度)、C2(水解溫度)對木糖的得率影響高度顯著p(Pr>F)<0.01，說明固液比、硫酸溶液濃度、水解溫度對木糖得率的影響不是簡單的線性關(guān)系，平方項和交互項也有很重要的作用，這與模型分析的結(jié)果相同。此響應(yīng)面模型的回歸系數(shù)R2=0.9040，說明方程模型的響應(yīng)值(木糖得率)變化90.40%由所選因變量決定，即固液比、硫酸溶液濃度、水解溫度的變化。同時模型可以解釋試驗數(shù)據(jù)中90.40%的點?；貧w方程能較好地描述與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，利用此回歸方程對試驗結(jié)果進行計算是合理的。該模型是合適的，可以用此模型對發(fā)酵水解液木糖提取木糖醇進行分析和預(yù)測，在選取的因素水平范圍內(nèi)，各因素對結(jié)果的影響排序為A(固液比)>C(水解溫度)>B(硫酸溶液濃度)。

表2 響應(yīng)面試驗方案與結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

2.2.3 交互作用分析

圖6～8是通過多元回歸方程所做的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，擬合的響應(yīng)曲面和等高線圖能直觀反應(yīng)各因素間的交互作用。

響應(yīng)面曲面圖和等高線圖可以看出3個因素的交互作用對響應(yīng)值的影響情況，等高線圖越陡峭表示因素的效應(yīng)越大。由圖6～8可以看出，3個響應(yīng)曲面均為開口向下的凸形曲面，且等高線最小橢圓的中心在所選的數(shù)值范圍內(nèi)，說明響應(yīng)值(水解液木糖得率)在3個因子設(shè)計的范圍內(nèi)存在最大值。RSM分析模型給出了模型推測的油茶果殼水解液木糖的最大得率為28.76%，此時對應(yīng)的模型推算的最佳提取結(jié)果可以為固液比1∶9.13，硫酸溶液濃度2.99%，水解溫度89℃，木糖得率最優(yōu)值28.76%。

圖6 交互作用AB對木糖提取率的影響

圖7 交互作用AC對木糖提取率的影響

圖8 交互作用BC對木糖提取率的影響

2.2.4 最佳工藝參數(shù)確定及試驗結(jié)果驗證

通過響應(yīng)面優(yōu)化和參數(shù)修正，得到最優(yōu)試驗方案：固液比為1∶9.13，硫酸溶液濃度為3.00%，水解溫度為89℃，在最優(yōu)條件下平行進行3次試驗，平行試驗的結(jié)果分別是28.37%、27.95%、27.74%，木糖平均得率為27.69%，RSD(相對標準偏差)=3.72%，試驗結(jié)果表明，此試驗重現(xiàn)性良好。響應(yīng)面法優(yōu)化油茶果殼為原料酸水解法制備木糖各工藝參數(shù)切實可行、重現(xiàn)性好。

3 結(jié)論

通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)分析，稀硫酸預(yù)處理油茶果殼制備木糖的較優(yōu)工藝條件為固液比1∶9.13，硫酸溶液濃度3.00%，水解溫度89℃，處理時間2h，此條件下驗證油茶果殼制備木糖的得率高達27.69%。稀酸預(yù)處理油茶果殼制備木糖過程中，處理溫度對預(yù)處理效果影響顯著，而處理時間的影響不顯著，稀酸預(yù)處理過程中各因素對油茶果殼木糖提取率影響大小順序為固液比>水解溫度>硫酸濃度。