響應(yīng)面法優(yōu)化木聚糖提取工藝

響應(yīng)面法優(yōu)化木聚糖提取工藝

木聚糖是植物的半養(yǎng)分，含量低于維生素[1.2]。這是自然界的豐富可再生資源。木聚糖是一種五碳醛糖,為無(wú)色至白色結(jié)晶或針狀性粉末,其結(jié)構(gòu)變化范圍很大,從僅由β-1,4-糖苷鍵連接的多聚木糖線性分子到高度分枝的雜多糖,主鏈由β-1,4-糖苷鍵相連的β-D-吡喃型木糖殘基聚合而成,聚合度在200左右。木聚糖在食品中可用作乳化劑及膳食纖維,具有不易被人體消化吸收、低熱值的特點(diǎn),能夠起到調(diào)節(jié)人體生理功能,增加機(jī)體免疫力,預(yù)防疾病發(fā)生等作用[6~7]。另外,木聚糖水解可制備低聚木糖和木糖等療效食品[8~10]。其降解后所產(chǎn)生的木糖和少量其他單糖,可以用作基本碳源生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品,包括有機(jī)酸、氨基酸、單細(xì)胞蛋白、燃料乙醇和木糖醇等[11~12]。木聚糖在植物中與木質(zhì)素和纖維素相連,因此,作為生產(chǎn)低聚木糖及發(fā)酵產(chǎn)品的原料,木聚糖的提取是關(guān)鍵技術(shù)。豆皮是大豆深加工業(yè)的副產(chǎn)品。據(jù)研究,豆皮中半纖維素的含量高達(dá)25%,是生產(chǎn)低聚木糖的良好的原料。本試驗(yàn)以豆皮為原料,通過(guò)預(yù)處理后再堿提的方法,用響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)木聚糖的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,旨在為豆皮資源的利用提供理論依據(jù)。1試驗(yàn)材料和方法1.1主要材料豆皮,山東渤海實(shí)業(yè)股份有限公司。1.2儀器、設(shè)備和酸度計(jì)FW177中草藥粉碎機(jī),天津市泰斯特儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋,國(guó)華電器有限公司;SHZW-C型循環(huán)水式多用真空泵,河南鞏義市英峪儀器廠;DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科技有限公司;LXJ-IIB低速大容量多管離心機(jī),鄭州南北設(shè)備儀器有限公司;PHS-25型酸度計(jì):上海偉業(yè)儀器廠;紫外分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限公司。1.3測(cè)試方法豆皮→粉碎→過(guò)篩→預(yù)處理(60℃H2O中浸泡16h)→抽濾→烘干→堿提取→離心→過(guò)濾→收集濾液→測(cè)定1.4試驗(yàn)內(nèi)容1.4.1試驗(yàn)設(shè)置及方法考察不同堿提溶液對(duì)木聚糖提取率的影響,試驗(yàn)設(shè)置濃度均為2%的NaOH、KOH、NH3·H2O、Ca(OH)2及Ba(OH)2溶液5個(gè)水平。1.4.2提取液用量的影響考察物料粒度(30、40、50、60、70和80目)、固液比(1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25和1∶30)、堿液濃度(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)、提取溫度(60、70、80、90和100℃)及提取時(shí)間(30、60、90、120和150min)對(duì)木聚糖提取率的影響。在研究某一因素對(duì)木聚糖提取率的影響時(shí),其他因子均保持在同一水平。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。1.4.3響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間和固液比為自變量,以木聚糖提取率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn),確定堿提取木聚糖的最佳工藝。1.5測(cè)量1.5.1總糖含量的測(cè)定(1)還原糖(RS)的測(cè)定:采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法。(2)總糖(TS)的測(cè)定:取木聚糖提取液10mL,緩慢加入濃硫酸,使硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.2%,100℃下反應(yīng)2.0h,6mol/LNaOH中和、調(diào)整pH值為7,反應(yīng)液經(jīng)過(guò)濾,定容至100mL,采用DNS法測(cè)定還原糖含量C1,按下式計(jì)算總糖濃度?？扇苄钥偺菨舛?Cl×0.88×N1式中:C1為總糖酸解后還原糖濃度,mg/mL;N1為稀釋倍數(shù);0.88為調(diào)整系數(shù)。(3)木聚糖含量測(cè)定:木聚糖含量(mg/mL)=總糖含量(mg/mL)-還原糖含量(mg/mL)1.5.2木聚糖提取率測(cè)定木聚糖提取率=提取木聚糖質(zhì)量/原料質(zhì)量2結(jié)果與分析2.1oh、nahs和koh的提取效果稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮5份,每份5.00g,在物料粒度60目、固液比1∶15(g/mL)、提取溫度100℃和提取時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取,不同堿溶液對(duì)木聚糖提取率的影響如圖1所示。由圖1可知:NaOH的提取效果最好,提取率達(dá)8.21%,NH3·H2O的提取效果最差,提取率僅為4.48%。NaOH、KOH的提取效果相差不大,且均優(yōu)于Ca(OH)2及Ba(OH)2。這是因?yàn)閴A液可以打破木聚糖與木質(zhì)素、纖維素之間的連接,使木聚糖溶解到提取液中。在同一濃度下,堿的水解能力越強(qiáng),溶液中OH-的物質(zhì)的量越大,越有利于木聚糖的提取。NH3·H2O為弱堿,在水溶液中只能部分電離出OH-;Ca(OH)2雖為強(qiáng)堿,但溶解度小,在水溶液中堿性并不大;Ba(OH)2分子量大導(dǎo)致溶液中OH-摩爾數(shù)少,使木聚糖提取率較低;而KOH的成本較高。綜合考慮,在本試驗(yàn)條件下選擇NaOH為理想的堿提溶液。2.2單因素試驗(yàn)2.2.1聚糖提取率的確定稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮6份,每份5.00g,在固液比1∶15(g/mL)、堿液濃度2.0%、提取溫度100℃和提取時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取,不同物料粒度對(duì)木聚糖提取率的影響如圖2所示。由圖2可知:在物料粒度30~60目范圍內(nèi),隨著物料粒度的增加,木聚糖提取率不斷增大;超過(guò)60目,木聚糖提取率反而下降。這是因?yàn)槲锪狭６刃∮?0目時(shí),隨著物料粒度的增加,物料和溶劑的接觸面積越大,溶質(zhì)與溶劑在物料中的滲透途徑越小,這有助于木聚糖的提取;如物料粒度過(guò)大(超過(guò)60目),豆皮顆粒過(guò)小,其在提取過(guò)程中的沉積使顆粒間隙減小,反而增加顆粒與溶劑間傳質(zhì)阻力,阻礙木聚糖的提取,使提取率略有降低。因此,在本試驗(yàn)條件下最佳物料粒度為60目。2.2.2固液比對(duì)木聚糖提取率的影響稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮6份,每份5.00g,在物料粒度60目、堿液濃度2.0%、提取溫度100℃和提取時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取,不同固液比對(duì)木聚糖提取率的影響如圖3所示。由圖3可知:隨著固液比的增加,木聚糖提取率逐漸增大。在固液比1∶5~1∶15(g/mL)范圍內(nèi),提取率明顯增大,超過(guò)1∶15(g/mL)提取率增加不明顯。這主要是由于對(duì)于一定量的豆皮來(lái)說(shuō),固液比越大,堿液用量越大,堿液用量的增加,降低了木聚糖的濃度,從而提高木聚糖的擴(kuò)散速度,木聚糖提取率增大;但固液比繼續(xù)升高時(shí),提取率變化不明顯,這可能是木聚糖的溶出已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,且堿液用量增加使提取成本加大,同時(shí)過(guò)量的堿液也造成了資源的浪費(fèi),因此,在本試驗(yàn)條件下固液比選擇1∶15為宜。2.2.3糖提取率的確定稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮6份,每份5.00g,在物料粒度60目、固液比1∶15(g/mL)、提取溫度100℃和提取時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取,不同堿液濃度對(duì)木聚糖提取率的影響如圖4所示。由圖4可知:木聚糖提取率隨堿液濃度的提高先增大后減小,當(dāng)堿液濃度為1.5%時(shí),提取率達(dá)到最大值8.44%。這主要是由于當(dāng)堿液濃度較小時(shí)(低于1.5%),隨著堿液濃度的不斷增大,水解作用增強(qiáng),從而使木聚糖與木質(zhì)素和纖維素等之間的共價(jià)鍵越易被打斷,越能促進(jìn)木聚糖的釋放;但堿液濃度過(guò)高時(shí),不僅破壞了木聚糖與其他組分的連接,也破壞了部分木聚糖本身的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu),生成較多小分子物質(zhì),過(guò)濾時(shí)被除去,得率降低。因此,在本試驗(yàn)條件下最適堿液濃度為1.5%。2.2.4堿溶液對(duì)木聚糖提取率的影響稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮5份,每份5.00g,在物料粒度60目、固液比1∶15(g/mL)、堿液濃度1.5%、提取溫度100℃和提取時(shí)間60min條件下進(jìn)行提取,不同堿溶液對(duì)木聚糖提取率的影響如圖5所示。由圖5可知:在提取溫度為60~90℃范圍內(nèi),木聚糖提取率隨溫度的升高而增大;溫度超過(guò)90℃后,提取率略有下降。這可能是由于提取溫度在60~90℃范圍內(nèi),溫度的提高增加了溶劑和木聚糖分子的動(dòng)能,促進(jìn)擴(kuò)散作用的進(jìn)行,使木聚糖提取率增大;但隨著溫度的升高(超過(guò)90℃),一方面會(huì)發(fā)生木聚糖的水解和脫水作用,生成對(duì)人體有害的糠醛,對(duì)木聚糖的提取不利,另一方面木聚糖提取液的顏色逐漸加深,使脫色成本加大。綜合考慮,在本試驗(yàn)條件下90℃是比較適宜的提取溫度。2.2.5不同提取時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響稱(chēng)取預(yù)處理后豆皮5份,每份5.00g,在物料粒度60目、固液比1∶15(g/mL)、堿液濃度1.5%和提取溫度90℃條件下進(jìn)行提取,不同提取時(shí)間對(duì)木聚糖提取率的影響如圖6所示。由圖6可知:隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),木聚糖提取率逐漸增大,當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)120min時(shí),木聚糖提取率略有下降。這是由于提取時(shí)間較短時(shí),木聚糖與其他組分間的分子作用鍵未能完全斷裂,木聚糖溶出量較低;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),分子作用鍵被完全破壞,木聚糖充分溶出,提取率達(dá)到最大。但提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng),在高溫條件下,NaOH作用于木聚糖內(nèi)部的β-1,4糖苷鍵,長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)被破壞,部分木聚糖分解為單糖,導(dǎo)致木聚糖提取率降低。因此,在本試驗(yàn)條件下選擇提取時(shí)間為120min。2.3反應(yīng)分析的結(jié)果和分析2.3.1反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果按照試驗(yàn)設(shè)計(jì),共進(jìn)行29組試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1。2.3.2模型的評(píng)價(jià)與顯著性分析利用DesignExpert8.05統(tǒng)計(jì)軟件,通過(guò)回歸分析對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到堿液濃度(A)、提取溫度(B)、提取時(shí)間(C)及固液比(D)4個(gè)因素對(duì)木聚糖提取率(Y)的二次回歸方程為:對(duì)所得試驗(yàn)結(jié)果及回歸模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知:整體模型的p值小于0.0001,該二次方程模型達(dá)到極顯著水平,說(shuō)明試驗(yàn)是可靠的。模型決定系數(shù)R2=0.9617與修正決定系數(shù)R2Adj=0.9223,變異系數(shù)CV=7.93<10,信噪比=13.97>4,表明該模型的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好,預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間有高度的相關(guān)性,可用于木聚糖提取的理論預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可知,各因素對(duì)木聚糖提取率影響的大小順序?yàn)镈>B>C>A,即固液比>提取溫度>提取時(shí)間>堿液濃度。對(duì)回歸模型系數(shù)的顯著性分析可見(jiàn),一次項(xiàng)中,固液比(D)達(dá)到極顯著水平,提取溫度(B)達(dá)到顯著水平,說(shuō)明這2個(gè)因素對(duì)木聚糖提取率的線性效應(yīng)顯著;所有平方項(xiàng)的系數(shù)均極顯著,說(shuō)明各因素與木聚糖提取率之間存在明顯的二次關(guān)系;交互項(xiàng)中AB、AC和BD的回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平,表明各因素對(duì)木聚糖提取率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。2.3.3響應(yīng)面曲面分析響應(yīng)面圖是響應(yīng)值在各試驗(yàn)因素交互作用下得到的結(jié)果構(gòu)成的一個(gè)三維空間曲面,從圖中可以直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響,找到它們?cè)诜磻?yīng)過(guò)程中的相互作用。圖7是對(duì)響應(yīng)值木聚糖得率影響較大的兩因素交互作用的結(jié)果,其他因素交互作用不顯著。2.3.4固液比對(duì)木聚糖提取率的影響通過(guò)所得回歸模型對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,得出堿法提取豆皮木聚糖的最佳工藝條件為:堿液濃度1.58%、提取溫度92.16℃、提取時(shí)間119.08min和固液比1∶12(g/mL),在此條件下得到的木聚糖提取率的最大理論值為9.8621%?？紤]到實(shí)際操作的便利,將提取工藝參數(shù)修正為堿液濃度1.58%、提取溫度92℃、提取時(shí)間119min和固液比1∶12(g/mL),在此優(yōu)化條件下經(jīng)多次驗(yàn)證,實(shí)測(cè)木聚糖提取率為9.55%,此數(shù)值與理論值9.86%的相對(duì)誤差為3.25%,因此,采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠,具有實(shí)用價(jià)值。3影響木聚糖提取率的因素(1)確定堿提溶液試驗(yàn)結(jié)果表明,NaOH溶液為最佳提取溶劑。(2)通過(guò)單因素試驗(yàn),